高強(qiáng)度鋁合金線桿的冶金質(zhì)量控制

慶 毅， 張偉民

(1.深圳市阿爾泰克鋁業(yè)設(shè)備制造有限公司，廣東深圳518052;2.江蘇上鴻潤(rùn)合金復(fù)合材料有限公司，江蘇 宜興214251)

0 引言

鋁鎂硅系高強(qiáng)度鋁合金作為一種用途廣泛且歷史悠久的合金，因其優(yōu)越的綜合力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電性，已大量應(yīng)用于高強(qiáng)度、大跨越、大容量的架空絞線，包括鋼芯鋁合金絞線和全鋁合金絞線。尤其是全鋁合金絞線因?yàn)闆]有鋼芯，在交流電壓作用下，不存在磁滯損耗和渦流損耗，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果更好。

與通常使用的純鋁線桿相比，鋁鎂硅高強(qiáng)度鋁合金線桿在熔煉、鑄造、軋制過程中，有著顯著的不同，本文將根據(jù)鋁鎂硅系高強(qiáng)度鋁合金線桿的特點(diǎn)，從合金化、熔體凈化、晶粒細(xì)化和熔鑄工藝控制四個(gè)方面，重點(diǎn)討論鋁鎂硅系鋁合金線桿冶金質(zhì)量的控制方法。

1 鋁鎂硅系鋁合金的成分控制

1.1 鋁合金成分設(shè)計(jì)

作為高強(qiáng)度鋁合金線桿，目前常用的為鋁鎂硅系鋁合金。在鋁鎂硅系鋁合金中，作為主要成分的硅、鎂的加入是為了在熔體中形成Mg2Si強(qiáng)化相，通過Mg2Si強(qiáng)化相析出硬化作用來實(shí)現(xiàn)線桿的高強(qiáng)度。

在Mg2Si強(qiáng)化相中，鎂硅比為1.73∶1，但是在實(shí)際配方中，通常設(shè)計(jì)為硅過量。因?yàn)檫^量的鎂會(huì)降低Mg2Si在鋁中的固溶度，從而降低了強(qiáng)化相的作用，同時(shí)過量的鎂會(huì)降低線桿電導(dǎo)率;而過剩的硅質(zhì)點(diǎn)，可以使強(qiáng)度進(jìn)一步提高，同時(shí)對(duì)Mg2Si質(zhì)點(diǎn)有一定的細(xì)化作用，過量的硅達(dá)到一定的范圍時(shí)，可以提高線桿的延伸率，過量的硅同時(shí)還可以與鐵發(fā)生反應(yīng)生成鐵硅鋁化合物，具有二次強(qiáng)化作用，但是，無論是α(Al3Fe3Si)相或者β(Al9Fe2Si2)相鐵硅鋁化合物，均屬于硬脆相，屬于需控制范圍。

在高強(qiáng)度線桿鋁合金中，加入硼元素和稀土元素，用以提高線桿導(dǎo)電率，通常硼的加入量控制在0.03%以內(nèi)，混合稀土0.1%，對(duì)于提高導(dǎo)電率作用顯著，因?yàn)榛旌舷⊥恋募?xì)化作用，減少晶界針狀金屬間化合物，可以使抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所提高。

銅元素可以增加Mg2Si在鋁中的溶解度，對(duì)于提高線桿的表面硬度和強(qiáng)度有良好的作用;錳元素的存在，有益于提高強(qiáng)度和硬度，但是錳會(huì)明顯增加合金的電阻率，需要嚴(yán)格控制;微量的元素鋯能有效地使合金晶粒細(xì)化，Al-Zr二元相化合物對(duì)合金起到彌散強(qiáng)化和形變強(qiáng)化作用，在時(shí)效處理后，基體鋯析出，電導(dǎo)率有所提高;微量含鉻的細(xì)小化合物可以對(duì)合金起到固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用;鈦元素對(duì)導(dǎo)電率有負(fù)面作用，但是作為晶粒細(xì)化的主要成分，需要有一定量的存在。

1.2 合金元素加入機(jī)理及方式

合金添加元素在熔融鋁中的溶解是合金化的重要過程。元素的溶解與其性質(zhì)有密切關(guān)系，受添加元素固態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)合力的破壞和原子在鋁液中的擴(kuò)散速度控制。元素在鋁液中的溶解作用可用元素與鋁的合金系相圖來確定，通常與鋁形成易熔共晶的元素容易溶解;與鋁形成包晶轉(zhuǎn)變的，特別是熔點(diǎn)相差很大的元素難于溶解。

在鋁鎂硅系列鋁合金中，如Al-Mg、Al-Cu等為共晶型合金系，其熔點(diǎn)與鋁也較接近，合金元素較容易溶解，在熔煉過程中可直接添加到鋁熔體中;在鋁鎂硅系列鋁合金熔煉過程中，由于鎂的蒸汽壓比鋁高，較易于蒸發(fā)，熔煉過程中的損失較大，長(zhǎng)時(shí)間的爐內(nèi)熔劑精煉也會(huì)造成鎂的損耗。

Al-Si、Al-B等合金系雖也存在共晶反應(yīng)，由于熔點(diǎn)與鋁相差較大，溶解很慢，需要較大的過熱才能完全溶解，通常以中間合金方式或合金添加劑方式加入，考慮到現(xiàn)在市場(chǎng)上的中間合金，很多都是用再生鋁生產(chǎn)，合金成分復(fù)雜，尤其是鐵含量控制不準(zhǔn)，建議慎重使用。

Al-Ti、Al-Zr等具有包晶型相圖，都屬難溶金屬元素，在鋁中的溶解很困難。為了使其在鋁中盡快溶解，必須以中間合金形式加入。

2 鋁鎂硅系鋁合金的晶粒組織和結(jié)構(gòu)控制

2.1 晶粒組織細(xì)化影響因素

在鋁鎂硅系高強(qiáng)度鋁合金線桿鑄造過程中，鑄坯的晶粒結(jié)構(gòu)控制也是影響線桿質(zhì)量的重要原因。影響鋁鎂硅系鋁合金的晶粒結(jié)構(gòu)的因素主要有以下幾個(gè)方面:

(1)熔煉溫度的影響。隨著熔煉溫度的提高，鋁液中起晶核作用的難熔質(zhì)點(diǎn)部分熔化，減少有效晶核數(shù)量，晶粒變粗，一般來說，鋁鎂硅系鋁合金在熔煉過程中，最高溫度不允許超過760℃。

(2)熔煉時(shí)間的影響。熔煉時(shí)間過長(zhǎng)，也會(huì)因?yàn)榫Ш巳芙饣驁F(tuán)聚而失效，減少有效晶核而造成晶粒粗大。

(3)晶粒細(xì)化劑的使用。適量加入晶粒細(xì)化劑可以有效改善晶粒粗大現(xiàn)象，常用的晶粒細(xì)化劑有AlTi、AlTiB、AlTiC 等。

其他影響因素如廢料加入量、精煉劑等，對(duì)于晶粒細(xì)化都會(huì)有一定的影響。

2.2 鑄坯組織結(jié)構(gòu)控制

在高強(qiáng)度鋁合金線桿鑄坯鑄造過程中，可以通過調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度和均勻性改善鑄坯的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)適量加入AlTiB晶粒細(xì)化劑來改善晶粒粗大現(xiàn)象，AlTiB細(xì)化劑可以在鋁熔體中形成大量的TiAl3和TiB2質(zhì)點(diǎn)作為晶核，促進(jìn)晶粒細(xì)化，對(duì)于鋁鎂硅系列合金效果明顯，但是由于TiAl3和TiB2質(zhì)點(diǎn)都存在高溫團(tuán)聚失效現(xiàn)象，其最佳作用時(shí)間不大于30 min，細(xì)化劑通常采用在線連續(xù)加入。AlTi和AlTiC細(xì)化劑也有晶粒細(xì)化作用，但效果一般。

典型的線桿鑄坯截面金相見圖1，與半連續(xù)鑄造鋁合金截面金相(見圖2)有著顯著的不同，采用四面冷卻的線桿鑄坯由于冷卻強(qiáng)度大，生成大量的向心的柱狀晶，增加了鋁熔體中合金元素的過飽和溶解度，使得鋁熔體中的強(qiáng)化相在后續(xù)的軋制和時(shí)效中析出地更加彌散和均勻。

圖1 典型的線桿鑄坯截面金相

此外，鋁合金線桿鑄坯組織結(jié)構(gòu)必須要控制疏松和縮孔，否則會(huì)出現(xiàn)中心裂紋和內(nèi)部疏松現(xiàn)象，影響線桿質(zhì)量。通常來說，鋁鎂硅系合金的固液兩相區(qū)不寬，凝固部分可以得到很好的補(bǔ)縮，也可以通過調(diào)整鑄造溫度和冷卻強(qiáng)度來消除疏松和縮孔。在個(gè)別情況下，鋁合金中的一些雜質(zhì)元素與合金元素的交互作用也會(huì)引起鋁鎂硅系線桿鑄坯的縮孔現(xiàn)象。

圖2 典型的半連續(xù)鑄造截面金相

圖3 不同軋制工藝下的線桿截面金相

圖3 顯示了在不同軋制工藝下的鋁鎂硅系鋁合金線桿的截面金相。由此可以看出，鑄坯中的組織在軋制過程中，被拉伸并發(fā)生了重結(jié)晶和析出強(qiáng)化。在圖3a工藝條件下組織拉伸均勻，析出強(qiáng)化相均勻。在圖3b工藝條件下，強(qiáng)化相固溶程度不足，組織結(jié)構(gòu)不均勻，直接影響線桿質(zhì)量指標(biāo)。

3 鋁鎂硅系鋁合金的熔體凈化

3.1 鋁合金熔體凈化及雜質(zhì)來源

高強(qiáng)度鋁合金線桿的熔體凈化質(zhì)量控制，是鋁合金導(dǎo)線質(zhì)量控制中最重要的環(huán)節(jié)。降低線桿鑄坯中的氣體雜質(zhì)和非金屬夾雜物，可以減少導(dǎo)線由于氣泡或夾雜引發(fā)的斷裂，減少氫脆，同時(shí)可以提高抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和導(dǎo)電率。鋁合金熔體的雜質(zhì)主要是氣體雜質(zhì)和非金屬夾雜物。

(1)氣體雜質(zhì)的來源及影響因素

鋁合金中的氣體雜質(zhì)主要是氫。鋁熔體中氫的來源主要是水分與鋁液反應(yīng)而產(chǎn)生的氫原子，低于250℃時(shí)，鋁和空氣中的水氣接觸，發(fā)生反應(yīng)生成氫氣和氫氧化鋁。氫氧化鋁在400℃條件下將進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋁和氫，氧化鋁以鋁渣的形態(tài)存在于鋁液中，氫在鋁熔體中主要以原子或離子形態(tài)分布于金屬原子間隙中，少量以分子態(tài)氣泡形式懸浮在熔體中。固體鋁中氫的溶解度很低，在鋁熔體凝固的過程中，大量的氫會(huì)從熔體中析出，在鑄坯中形成氣泡，影響產(chǎn)品性能。影響鋁液中氫含量的因素如下:

1)熔煉環(huán)境的氣體分壓。在溫度相同的條件下，氫氣在金屬中的溶解度隨爐氣成分中的氫氣分壓增大而增大。故火焰爐熔煉的鋁熔體中的氫溶解度比電爐中的大。實(shí)踐證明，不同的季節(jié)和地區(qū)，因空氣的濕度不同，鋁熔體的含氫量也隨之而異，其含氫量隨空氣濕度的增大而增加。

2)熔煉溫度。熔煉溫度與熔體氫含量也是正相關(guān)的，熔煉溫度越高鋁熔體吸收的氫也越多。

3)合金元素的影響。與氫結(jié)合力較大的合金元素，如鈦、鋯、鎂等會(huì)使合金中的氫溶解度增大。而銅、硅、錳、鋅等元素可降低鋁合金中氫的溶解度。高強(qiáng)度鋁鎂硅系鋁合金屬于中等強(qiáng)度吸氫鋁合金。

4)鋁熔體表面氧化膜狀態(tài)及熔煉時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)鋁熔體中的氫含量也有不同影響。

(2)非金屬夾雜的來源及影響因素

鋁合金中的非金屬夾雜90%以上是氧化鋁夾雜，包括鋁錠或者廢鋁爐料表面的氧化膜，以及在熔煉過程中鋁被氧化而產(chǎn)生的。其他的氧化物夾雜主要是爐襯材料被鋁還原而生成的氧化物、鋁熔體凈化時(shí)產(chǎn)生的氯化物、氮化物及碳化物等。常見鋁熔體中夾雜物形態(tài)見表1。

3.2 鋁鎂硅系鋁合金的熔體凈化

鋁合金的凈化工藝分為爐內(nèi)精煉和在線精煉兩個(gè)環(huán)節(jié)。去除氣體夾雜的方法有三種:惰性氣體擴(kuò)散法、氯氣混合氣體凈化法、熔劑加惰性氣體噴射精煉法。去除非金屬夾雜的方法主要有介質(zhì)過濾法、吸附法和溶解法，介質(zhì)過濾法有玻璃絲布過濾、泡沫陶瓷過濾板過濾、管式過濾器和氧化鋁球過濾等。由于渣氣伴生的機(jī)理和張力吸附原理，在采用惰性氣體除氣的過程中，也可以去除一部分細(xì)微顆粒的非金屬夾雜物。精煉熔劑中的冰晶石，可以溶解Al2O3，帶出熔融鋁液，也可以實(shí)現(xiàn)除雜的目的。

(1)鋁熔體凈化機(jī)理

采用惰性氣體除雜的機(jī)理，是利用高純度的惰性氣體中的氫分壓和鋁液中的氫分壓差，通過擴(kuò)散，使氫原子擴(kuò)散到惰性氣體氣泡內(nèi)形成氫分子，并隨著氣泡上升帶出鋁液，實(shí)現(xiàn)除氫的目的。惰性氣體氣泡在上升的過程中，通過張力吸附的原理，同樣可以吸附一部分小顆粒的非金屬夾雜，達(dá)到除雜的目的。圖4為擴(kuò)散法除氣和吸附法去除細(xì)微夾雜的示意圖。

表1 常見鋁熔體中夾雜物的形態(tài)

圖4 惰性氣體除氣除渣機(jī)理

由此可見，惰性氣體除氣除渣的效率跟氣泡與鋁液的接觸面積存在正相關(guān)，接觸面越大，除氣除渣效果越好;在等體積氣量的條件下，氣泡越小，除氣效果越好。

混和氣體凈化法是在惰性氣體中加入一定量的氯氣，來提高凈化效率。氯氣本身不溶于鋁合金熔體，但能與過量鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成AlCl3氣體，在上浮的過程中，與惰性氣體除雜的機(jī)理一樣，可以達(dá)到除氣除渣的效果，同時(shí)，生成的AlCl3也有很好的熔渣效果。氯氣精煉的另一個(gè)作用是去除堿金屬和堿土金屬。對(duì)于鋁鎂硅系線桿來說，不建議使用，即使需要采用氯氣混和氣體精煉，混和氣體中的氯氣含量不得大于1%。

精煉劑凈化法是利用精煉劑中的化合物在高溫下產(chǎn)生的氯化物或者氟化物氣體，比如六氯乙烷、氯化鈉、氯化鉀等高溫分解出的氯氣，氟硅酸鈉高溫生成的四氟化硅等，在上浮的過程中都可以實(shí)現(xiàn)除氣除渣。同時(shí)，精煉劑中的化合物與熔體中的氧化夾雜物可以發(fā)生吸附或溶解。精煉劑中的冰晶石可以溶解氧化鋁實(shí)現(xiàn)鋁渣分離。

(2)爐內(nèi)精煉

鋁合金熔煉的爐內(nèi)精煉，常用的有惰性氣體精煉、惰性氣體加氯氣的混合氣體精煉和噴粉精煉三種，其他方式還有采用爐內(nèi)透氣磚精煉或者爐內(nèi)石墨轉(zhuǎn)子精煉等，由于使用效果和成本問題沒有被廣泛使用。

氮氯或氬氯混合氣體精煉在國(guó)內(nèi)的一些軍工合金熔煉過程中依然被用于爐內(nèi)精煉。但是由于氯氣使用過程的管控較嚴(yán)，使用手續(xù)復(fù)雜，以及存在毒性和污染風(fēng)險(xiǎn)，限制了混合氣體精煉的廣泛使用。

噴粉精煉是將顆粒狀的精煉劑和惰性氣體混和后噴吹到鋁熔體中，在實(shí)現(xiàn)惰性氣體精煉的同時(shí)實(shí)現(xiàn)熔劑精煉，是目前國(guó)內(nèi)外最常用的爐內(nèi)精煉方法。淘汰了傳統(tǒng)的塊狀精煉劑。

精煉劑在精煉的過程中同時(shí)也會(huì)引入水汽，增加氫含量，最終除氣的效果是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。爐內(nèi)采用精煉劑噴粉精煉除氣后的極限氫含量不小于0.22～0.26 ml每100 g鋁。因?yàn)榫珶拕┰谏a(chǎn)的過程中不可避免地含有水分，即使目前最好的精煉劑，也含有至少不低于0.1%的水，按照精煉劑的推薦加入每噸1.5 kg來計(jì)算，每噸鋁由精煉劑引入的氫含量為0.083 mol，折合成標(biāo)準(zhǔn)含量為0.187 ml每100 g鋁被加入到鋁熔體中。

高強(qiáng)度鋁合金線桿中的氫含量過高，容易在后續(xù)拉絲過程中產(chǎn)生氣泡、起皮、斷頭等缺陷，同時(shí)也會(huì)影響線桿的導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度。根據(jù)高強(qiáng)度鋁合金線桿的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和后道工序的要求，線桿中氫含量應(yīng)不大于0.14 ml每100 g鋁。對(duì)于個(gè)別特殊要求的，含氫量要求不大于0.12 ml每100 g鋁。由此可知單純依靠爐內(nèi)精煉遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高強(qiáng)度鋁合金線桿的品質(zhì)要求。

(3)在線精煉

在鋁鎂硅系高強(qiáng)度鋁合金線桿的鑄軋過程中，采用在線精煉裝置除氣和泡沫陶瓷過濾板過濾已經(jīng)越來越廣泛。

鋁熔體在線精煉裝置最早在1974年由美國(guó)聯(lián)合碳化物公司發(fā)明，其工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的石墨轉(zhuǎn)子噴頭，將高純惰性氣體噴吹到鋁液中，形成大量彌散的氣泡，跟鋁液充分接觸，將鋁熔體中的氫擴(kuò)散到氣泡中隨著氣泡上升帶出鋁液，實(shí)現(xiàn)除氣過程。同時(shí)小氣泡在上升的過程中，由于張力吸附的機(jī)理，可以吸附部分細(xì)小的夾雜，實(shí)現(xiàn)除渣。在線精煉機(jī)理見圖5。

圖5 在線精煉機(jī)理

采用石墨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)噴吹的在線精煉裝置除氣，利用高速旋轉(zhuǎn)的石墨轉(zhuǎn)子，將噴入鋁液的惰性氣體剪切成非常細(xì)小的氣泡，大大增加了惰性氣體氣泡與鋁液的接觸面積，提高除氣效率，在采用高純惰性氣體的前提下，可以將氫含量降到0.12 ml每100 g鋁以下，是目前廣泛應(yīng)用的在線除氣裝置。

鋁熔體的在線過濾主要有:玻璃絲布過濾、泡沫陶瓷板過濾、管式過濾和深床過濾等。

玻璃絲布過濾鋁熔體屬于平面篩網(wǎng)粗過濾，通過柵欄作用機(jī)械分離粗大的夾雜物，但是不能去除細(xì)小的夾雜，目前已被淘汰或者只是在熔爐出口作為初級(jí)粗過濾使用，玻璃絲布過濾原理見圖6。

目前最常用且最有效的過濾除雜方式是采用泡沫陶瓷過濾板過濾，鋁液流經(jīng)陶瓷曲折的孔眼，其中含的夾雜顆粒在阻擋、沉積、吸附三種作用下，被滯留在陶瓷板的孔眼內(nèi)表面和縫隙洞穴處，從而使夾雜顆粒與鋁液分離。過濾機(jī)理示意圖見圖7。

圖6 玻璃絲布過濾示意圖

圖7 泡沫陶瓷過濾板過濾機(jī)理

泡沫陶瓷過濾板為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，厚度為2 in(1in=0.0254 m)，長(zhǎng)寬尺寸相同，側(cè)面傾角為17.5°。通常用對(duì)角線長(zhǎng)度來定義規(guī)格，過濾板的孔隙度用PPI表示。PPI越大表示孔隙越小，過濾板的孔隙度決定了最終的過濾精度，鋁液在過濾板中的流速越慢，過濾效果越好。鋁合金線桿鑄軋?jiān)诓煌髁?、不同孔隙度下的過濾板選型見表2。

表2 鋁合金線桿用過濾板選型表 (單位:in)

針對(duì)高強(qiáng)度鋁合金線桿的實(shí)際鑄軋需要，通常過濾板建議使用雙通道15 in標(biāo)準(zhǔn)過濾板，孔隙度建議采用40～50 PPI。其過濾精度為:大于15 μm的非金屬夾雜物的去除率可以達(dá)到90%以上。

管式過濾器和深床過濾都是屬于高精度過濾，對(duì)于有特殊要求的鋁合金線桿也可以采用，其優(yōu)點(diǎn)是凈化精度高，過濾效果好，最大缺陷是由于鋁容量太大容易導(dǎo)致細(xì)化劑失效。

4 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金線桿的冶金質(zhì)量控制，主要有以下三個(gè)方面:

(1)高強(qiáng)度鋁合金線桿主要以鋁鎂硅系列為主，在成分設(shè)計(jì)上需保證硅元素的適度過量，鐵元素應(yīng)在條件許可的情況下嚴(yán)格控制，而一些作為雜質(zhì)存在的元素，比如硼、鈦、銅、鋯等可以提高線桿的整體性能。

(2)在線桿鑄軋過程中，需控制鑄造溫度的均勻性，以及對(duì)結(jié)晶區(qū)采用四向均勻冷卻，保證均勻的結(jié)晶速度，是高質(zhì)量鑄坯的必要條件。采用相對(duì)較高的軋制溫度，恒溫軋制，保證均勻強(qiáng)化的組織。

(3)對(duì)鋁熔體進(jìn)行在線精煉，實(shí)現(xiàn)良好的除氣除渣效果，也是保障高強(qiáng)度鋁合金線桿冶金質(zhì)量的重要手段。

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