變質(zhì)和除氣精煉工藝對(duì)ZL101鋁合金中夾雜物的影響

曹天垚，趙忠興，張顯飛，牟宜華，徐小林

(1.沈陽理工大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110159；2.重慶衡山機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 404048)

鋁硅合金是鑄造鋁合金中應(yīng)用最多的鋁合金之一，廣泛地應(yīng)用于汽車制造業(yè)和航天航空領(lǐng)域。但在鋁硅合金的熔煉過程中，鋁液容易吸氣和氧化，極易形成氧化物夾雜，并在其凝固的過程中形成氣孔，降低鋁鑄件的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響鋁鑄件的質(zhì)量，制約了鋁硅合金的應(yīng)用發(fā)展。鋁中的氧化物夾雜是顯微裂紋的主要裂紋源，對(duì)鑄件的斷裂具有直接的影響[1]。鋁合金液中的氧化物夾雜還會(huì)增加鋁熔體的粘度，降低鋁合金的鑄造加工性能[2]。所以，降低鋁硅合金熔體中的夾雜物含量對(duì)提高鋁鑄件力學(xué)性能至關(guān)重要。

近年來有研究顯示，鋁熔體中的氧化物夾雜和氫之間具有相互作用，夾雜物的存在使鋁熔體中的氫難以徹底清除，只有將夾雜物清除至一定潔凈程度，才能使氫含量降低到較低水平，同時(shí)可以防止鋁液的吸氫[3-4]。熔煉過程中，熔池底部的熔體中氧化物夾雜濃度較高，含氫量也較高，可見鋁合金液中氧化物夾雜和氫氣存在著密切的聯(lián)系[5]。

鋁硅合金經(jīng)過變質(zhì)劑變質(zhì)處理后，合金中的共晶硅形態(tài)與未變質(zhì)前差異很大，提高了鋁鑄件的性能，是鋁硅合金熔煉中最常用有效的工藝[6-8]。鍶作為鋁硅合金中最常用的變質(zhì)劑，有著效果好、操作簡(jiǎn)便、長(zhǎng)效性、無腐蝕性、無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[9]；但其變質(zhì)過程增加了鋁液的吸氫傾向，加大了鑄件產(chǎn)生針孔的概率，降低了合金的力學(xué)性能[10-12]。目前國(guó)際上鍶變質(zhì)對(duì)鋁硅合金液的含氣量和夾雜物的影響還沒有較為具體完善的研究。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用電阻檢測(cè)法和密度檢測(cè)法分別檢測(cè)不同精煉除氣時(shí)間和不同變質(zhì)劑加入量情況下的鋁液夾雜物的變化情況，分析氬氣精煉和鍶變質(zhì)對(duì)鋁硅合金含氣量和氧化物夾雜的影響，以便獲得高質(zhì)量的鋁合金。

1 電阻法在線檢測(cè)夾雜原理

圖1為電阻法檢測(cè)夾雜的原理[13-14]示意圖。

將兩個(gè)電極置于金屬液中，一個(gè)在絕緣陶瓷探頭內(nèi)，一個(gè)在探頭外的熔液中，兩根電極間通有恒定的直流電壓U0。為使鋁合金液通過，在陶瓷探頭底部開有一個(gè)直徑1～3mm的小孔，在沒有夾雜物通過的情況下，鋁熔體在小孔內(nèi)流通，相當(dāng)于一根導(dǎo)線；當(dāng)有絕緣性的夾雜物通過這個(gè)敏感區(qū)小孔時(shí)，小孔的導(dǎo)電面積發(fā)生改變，使電敏感區(qū)的電阻升高。所以，當(dāng)探頭小孔的孔徑不變時(shí)，絕緣性夾雜物通過小孔，其體積大小與檢測(cè)電流脈沖的變化幅度成一定的比例關(guān)系。記錄電流在t0～t1區(qū)間內(nèi)的變化，通過對(duì)電流脈沖變化量的分析，可以了解小孔內(nèi)鋁熔體的電阻變化情況。鋁液中夾雜物的尺寸和數(shù)量也能通過電阻的變化而測(cè)得，同時(shí)可用記錄得到的電流脈沖的振幅高度和寬度來分析鋁液中夾雜物的尺寸和含量情況。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 檢測(cè)裝備

根據(jù)上述的原理設(shè)計(jì)鋁液夾雜在線檢測(cè)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2由電流傳感器PLC、氣路、檢測(cè)探頭、檢測(cè)電路和電子顯示屏五部分組成。PLC的作用是將夾雜物的尺寸信息轉(zhuǎn)換成電阻的變化。氣路是為了提供P1(系統(tǒng)壓力)、P0(大氣壓力)間的穩(wěn)定壓差，使鋁液能在小孔內(nèi)通過。檢測(cè)探頭由耐高溫絕緣陶瓷管制成。檢測(cè)電路的目的是測(cè)量探頭小孔內(nèi)的電流值變化。電子顯示屏將電阻變化轉(zhuǎn)換成為電流脈沖，并以電流時(shí)間圖像的形式在屏幕上顯示。

2.2 試驗(yàn)材料及方法

使用功率為20kW的工業(yè)電阻爐熔煉40kg的ZL101鋁合金，檢測(cè)溫度固定在700～740℃。系統(tǒng)電壓控制在2.7V，檢測(cè)探頭孔徑為1.5mm。用SG-Ш型精煉除氣機(jī)進(jìn)行氬氣精煉。采用減壓凝固試樣密度法檢測(cè)凝固試樣的密度；用電阻在線檢測(cè)法檢測(cè)夾雜。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按上述試驗(yàn)條件和方法，分別對(duì)不同氬氣精煉時(shí)間和不同鍶加入量變質(zhì)下的鋁硅合金液進(jìn)行夾雜、密度檢測(cè)。

3.1 氬氣精煉的檢測(cè)結(jié)果分析

不同氬氣精煉時(shí)間下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3a為鋁液未氬氣精煉后的測(cè)試結(jié)果，可以看出，測(cè)試得到的最大電流值為64.7A，在第4s檢測(cè)到了明顯的電流脈沖變化，其電流脈沖最大變化量為4.7A，持續(xù)時(shí)間為1s，檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為ΔDmax= ΔR/Rmin= 7.8%(ΔDmax為最大電阻變化率，ΔR為電阻差，Rmin為最小電阻)；采用減壓凝固試樣密度測(cè)試法檢測(cè)到此時(shí)鋁合金液的密度為2.278g/cm3。由此可以判斷，第4s時(shí)鋁液中存在著較大夾雜，其余檢測(cè)時(shí)間電流波動(dòng)不斷，中小型夾雜一直存在。

圖3b為氬氣精煉除氣3min后的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試得到的最大電流值為65.5A，第27s檢測(cè)到了較大的電流脈沖變化，其電流脈沖最大變化量為2.8A，持續(xù)時(shí)間為1.5s，檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為4.5%；并測(cè)得此時(shí)鋁液密度為2.411g/cm3。可以判斷出第27s時(shí)鋁液中存在的夾雜尺寸較大，其余檢測(cè)時(shí)間電流波動(dòng)不斷，小尺寸夾雜物一直存在。

圖3c為氬氣精煉除氣9min后的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試得到的最大電流值為66.5A，第16s檢測(cè)到了較大的電流脈沖變化，其中電流脈沖最大變化量為1.5A，持續(xù)時(shí)間1s，檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為2.3%；檢測(cè)此時(shí)鋁液密度為2.618g/cm3?？梢钥闯龅?6s時(shí)鋁液中存在較大的夾雜，其余檢測(cè)時(shí)間電流波動(dòng)并不明顯，并且出現(xiàn)了水平的電流平臺(tái)，細(xì)小夾雜明顯減少。

圖3d為氬氣精煉除氣15min后的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試得到的最大電流值為66A，第8s檢測(cè)到了較大的電流脈沖變化，其中電流脈沖最大變化量為1A，持續(xù)時(shí)間2.5s，檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為1.5%；測(cè)得此時(shí)鋁液密度為2.628g/cm3。從圖像中可以推斷出第8s時(shí)鋁液中存在的夾雜略大，而其余檢測(cè)時(shí)間電流波段較穩(wěn)定，出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流平臺(tái)，細(xì)小夾雜的尺寸和數(shù)量進(jìn)一步減小。

綜上，四種不同氬氣精煉時(shí)間后檢測(cè)到的最大電流值分別為64.7A、65.5A、66.5A和66A，電流脈沖的寬度分別為1s、1.5s、1s和2.5s；四次測(cè)試的電阻變化率分別為7.8%、4.5%、2.3%和1.5%，測(cè)出密度為2.278g/cm3、2.411g/cm3、2.618g/cm3和2.628g/cm3。根據(jù)夾雜檢測(cè)原理可知，當(dāng)小孔中有夾雜物通過時(shí)，小孔的有效導(dǎo)電面積變小，電阻增加，電流下降，電流脈沖的幅度變大，電阻的變化率增大。其中電阻變化率、鋁液密度與氬氣精煉時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可知，隨著氬氣精煉時(shí)間越長(zhǎng)，電阻變化率越小，測(cè)出的最大夾雜物尺寸越小，數(shù)量越少，鋁液密度越大。對(duì)比氬氣精煉9min和15min的檢測(cè)結(jié)果，電阻變化率的下降趨于平緩，鋁液密度的上升也呈現(xiàn)水平趨勢(shì)，含氣量幾乎不再變化，此時(shí)氬氣對(duì)含氣量和氧化物夾雜的精煉效果已達(dá)到平衡狀態(tài)，但鋁液中細(xì)小夾雜物依舊存在。

氬氣精煉減低含氣量的同時(shí)，氧化物夾雜也被一定程度地去除，原因在于，在氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉過程中，鋁液中的精煉氣泡由于旋轉(zhuǎn)噴吹工藝變得更加細(xì)散，氣泡與鋁合金液的接觸面積增大，鋁液中的氫氣可直接向氣泡中遷移，隨后被氣泡帶出，從而使鋁液的含氣量降低。精煉氣泡上升的過程中，接觸到鋁液中懸浮的氧化物夾雜并將其捕捉，微小的夾雜物被氣泡中的氣體潤(rùn)濕，隨著氣泡上浮至鋁液表面，降低了鋁液中的氧化物夾雜，進(jìn)而達(dá)到了精煉凈化鋁合金液的目的。

3.2 鍶變質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果分析

不同鍶加入量下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

在氬氣精煉15min至平衡狀態(tài)，且未加鍶變質(zhì)(圖3d)的基礎(chǔ)上，加入0.025%鍶進(jìn)行變質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果如圖5a，可以看出檢測(cè)得到的最大電流值為64.75A，第3s時(shí)圖形上出現(xiàn)了明顯的電流脈沖變化，其中電流最大變化值為5.5A，持續(xù)時(shí)間1.5s；檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為9.1%，測(cè)得此時(shí)鋁液密度為2.464g/cm3。可以判斷，第3s時(shí)鋁液中存在尺寸較大的夾雜物，其余檢測(cè)時(shí)間電流脈沖波段也都有起伏，可見存在較多的小尺寸夾雜。

圖5b為加入0.05%鍶進(jìn)行變質(zhì)的測(cè)試結(jié)果，檢測(cè)得到的最大電流值為67.5A，第23s檢測(cè)到了較大的電流脈沖變化，其中電流最大變化量為5.5A，持續(xù)時(shí)間為1s；檢測(cè)系統(tǒng)的最大電阻變化率為8.9%，測(cè)得此時(shí)密度為2.352g/cm3。可以判斷出第23s時(shí)鋁液中存在著較大的夾雜，并且其余檢測(cè)時(shí)間電流波動(dòng)起伏不斷，小夾雜自始至終一直存在。

綜上，未加鍶變質(zhì)、加入0.025%鍶變質(zhì)和加入0.05%鍶變質(zhì)檢測(cè)得到的最大電流值分別為66A、64.75A和67.5A，電流脈沖的寬度為2.5s、1s和1.5s。三次測(cè)驗(yàn)的電阻變化率分別為1.5%、9.1%和8.9%，測(cè)出鋁液密度為2.628g/cm3、2.464g/cm3和2.352g/cm3。電阻變化率、鋁液密度與鍶加入量的關(guān)系如圖6所示。

從圖6中可以看出鋁液未加鍶變質(zhì)(圖3d)和加鍶變質(zhì)檢測(cè)出的密度相差很大，測(cè)出的最大夾雜尺寸相差也很大。對(duì)比不同鍶加入量變質(zhì)后的兩次測(cè)試，加入0.025%鍶和加入0.05%鍶得出的最大電阻變化率相近，測(cè)出的最大夾雜尺寸也接近，但后者檢測(cè)出的大尺寸夾雜數(shù)量明顯多于前者，小夾雜的數(shù)量也更多。對(duì)比密度相近的兩組試驗(yàn)，圖3b(氬氣精煉3min)和圖5a(加入0.025%鍶)可以發(fā)現(xiàn)，在含氣量相近的情況下，氬氣精煉3min后檢測(cè)到的氧化物夾雜尺寸和數(shù)量要遠(yuǎn)小于加入0.025%鍶變質(zhì)后檢測(cè)到的結(jié)果，可見鍶變質(zhì)帶入的氧化物夾雜要多于氣體帶入的夾雜。

鍶作為變質(zhì)劑，在變質(zhì)時(shí)有著較大的吸氣傾向，鍶與氧的親和力和活性都明顯大于鋁，且鍶和鋁的半徑相差較大，所以當(dāng)鍶在鋁液中取代鋁后，Al2O3發(fā)生晶格畸變，形成缺陷并覆蓋在鋁液上，結(jié)構(gòu)致密的Al2O3薄膜因此被破壞而變得疏松，使得水汽更易進(jìn)入鋁液中；進(jìn)入的水汽與鍶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并放出氫，氫在鋁液中擴(kuò)散使鋁合金液的含氣量增加，使其密度降低，生成的SrO導(dǎo)電性很差，是鋁合金液鍶變質(zhì)產(chǎn)生的氧化物夾雜之一，反應(yīng)方程為

[Sr]+[H2O]=[SrO]+ 2[H]

通過以上分析可知，隨著鋁合金變質(zhì)劑鍶的加入量增大，鋁合金液的密度下降，含氣量增大，以Al2O3和SrO為主的混合氧化物夾雜的尺寸增大，數(shù)量增加。

4 結(jié)論

(1)氬氣精煉的時(shí)間越長(zhǎng)，鋁合金液的含氣量越低，氧化物夾雜的尺寸和數(shù)量越小，精煉除氣和除雜的效果越好；氧化物夾雜與含氣量之間存在著密切的聯(lián)系。

(2)在鋁硅合金液中，鋁合金變質(zhì)劑鍶的加入量增加會(huì)增大含氣量，同時(shí)也會(huì)增加氧化物夾雜的含量；隨著鍶加入量的增加，鋁液含氣量越大，夾雜物的尺寸越大，數(shù)量越多。