镁含量对ZL101铝合金液夹杂检测的影响

俞海涛，赵忠兴，赵 慧，孙金根

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110168）

镁含量对ZL101铝合金液夹杂检测的影响

俞海涛，赵忠兴，赵 慧，孙金根

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110168）

文章通过电阻法检测铝合金液夹杂的原理，分析了铝合金中镁含量变化对夹杂产生的影响。实验结果表明，随着镁含量的增加，用电阻法测得电流值降低，非金属杂质增多。

镁；铝合金；检测；杂质

Mg在α(Al)中的溶解度达到14.9%，是A1-Si合金的主要强化元素，可与Si形成Mg2Si相，Mg2Si相固溶于α(Al)中，使α(Al)结晶点阵发生畸变，强化合金从而有效提高合金的性能[1]。研究表明，Mg能抑制Fe相的有害作用[2]。镁对铝合金液含气量的影响已经得到验证，但对铝合金液中夹杂的影响还缺少相应的研究结果。本文采用电阻法检测不同镁含量铝合金液中夹杂的变化情况，分析合金元素镁对铝合金液中夹杂形成的影响，对获得高质量铝合金液意义重大。

1 电阻法在线检测夹杂原理[3-6]

电阻法检测夹杂是对电敏感区电阻变化进行监测，其原理图如图1。在一个绝缘容器底部开一个小孔使铝液通过，在小孔两侧加一个恒定的电压，在小孔中形成一个电敏感区域，当导电性低于或高于铝液的时候，改变了孔径的导电面积，导致电敏感区域的电阻发生变化。当孔径一定时，电脉冲幅度与非金属杂质体积有一定关系。在一定时间段内，通过分析电脉冲的电流信号变化情况反应通过小孔中铝液电阻的变化，从而测得杂质的数量和体积大小。

图1 电敏感区法原理

2 试验装置及方法

2.1 检测装置

基于以上测试原理设计了铝液夹杂物在线检测系统，它由检测探头、检测电路、气路、传感器及信号实时处理五部分组成。检测探头由刚玉制作。检测电路是由探头内外两电极和恒压输出设备组成。气路是来提供压差，为铝液在小孔中流动提供动力。传感器是将颗粒尺寸信息转化为电阻变化。信号实时处理是将微小的电阻变化转换成为电流脉冲。检测系统装置简图如图2所示。

2.2 试验条件及方法

20kW工业电阻炉，ZL101合金，99%纯镁。检测温度700℃～750℃，所配制铝合金液的镁含量分别为0.4%，0.8%，测试电压1.0V，检测系统的电流值每500毫秒由计算机自动记录一次。

图2 检测系统装置简图

3 试验结果及分析

按上述的试验条件及方法，对不同含镁量铝合金液进行非金属夹杂检测，检测结果如图3、4所示。

图3中最大检测电流Imax=32A，电流值有较小波动，波动频率低，最大波动值△Imax=1A，铝合金液中非金属夹杂数量少，体积小。

图4中电流最大值Imax=30A，电流波动最大值出现在14s的△Imax=9A，在47s也出现较大电流值变化，其余检测时间电流在不停的小幅度波动。此次检测出存在大的夹杂，而小的夹杂自始至终一直存在。

图3 含0.3%镁检测结果

图4 含0.6%镁检测结果

在生产中, 由于铝和氧的亲和力很大, 极易氧化,铝表面总是覆盖着一层氧化膜。决定氧化膜保护性质的因素有二。其一是元素或氧化膜本身的蒸气压,蒸气压越低、越稳定, 保护性能越好; 二是元素氧化后体积的变化, 可用公式（1）表示:

式中：VMemOm——1摩尔氧化物的体积;

mVMe——m摩尔金属的体积。

当k≥1时, 氧化膜中产生压应力, 由于氧化膜的抗压强度比抗拉强度大, 在较高的压力下氧化膜也不致破裂, 故氧化膜组织致密, 有保护金属液的作用。在熔炼铝合金时, 铝液氧化所形成的氧化铝(α-Al2O3或γ-Al2O3) 的k值均大于l , 氧化铝膜组织致密,隔断了炉气与铝液的接触, 阻滞了铝液的氧化、吸气。但是, Al2O3膜与空气接触的面吸附有水气和氢,熔炼搅拌铝液时, 氧化膜被破坏, 从而卷人铝液中,所吸附的水气和氢一起进人铝液, 铝液和水气之间便发生反应, 使铝液吸氢、氧化。

当铝中加人镁时, 由于镁对氧的亲和力比铝大,在铝液中是表面活性物质, 比重又比铝小, 富集于铝液表面,和炉气接触时, 便优先氧化如铝液中镁量超过1.0%时,铝液表面的氧化膜全部由MgO组成,它的蒸气压较高, 但k＜1,这层氧化膜（MgO）组织疏松, 对铝液没有保护作用, 使铝液直接与大气接触,加剧铝液吸氢[7]。随着镁含量的增加，电流值变化幅度增大，波动频率加剧，铝合金液中的氢含量增加，非金属夹杂（Al2O3、MgO等）数量增大，杂质体积变大。

粘度与温度之间的关系—指数关系式或阿累尼乌斯表达式[8]：

式中：A——常数；

E——粘流活化能，J；

kB——波尔兹曼常数；

T——热力学温度，K。

合金粘度随着温度的升高而降低，升高温度有利于克服熔体中质点流动的能碍—粘流活化能。碱性熔渣粘度在高温区域时，温度降低粘度值稍有增大，但降至一定温度粘度突然急剧增大，凝固过程的温度范围较窄。碱性渣的结晶性能强，在接近液相线温度时仍有大量晶体析出，熔渣变成非均相使得粘度迅速增大。因为Mg化学性质活泼，含量超过0.5%时容易氧化，生成的氧化镁为碱性氧化物，其粘度随温度的升高而降低的很剧烈，而氧化铝属于两性氧化物，相比氧化镁来说，其粘度的降低不会很剧烈，所以加入镁使合金中的氧化镁增多而降低流动。溶液的导电率的影响因素：①可移动离子的浓度越高，导电能力越强；②离子所带电荷数越多，导电能力越强。粘度的增大使得铝液的导电率降低，影响电流检测值。镁的加入导致铝合金液中MgO增多，铝液粘度升高，单位时间通过孔径的铝液量减少，降低非金属夹杂进入电敏感区域的机率，影响对铝液纯净度的评估。

4 结论

（1）镁含量增加导致铝合金液吸氢，非金属物夹杂增多，铝液纯净度下降。

（2）镁含量增加，MgO增多，铝合金液粘度增大，检测电流值降低，延长检测时间能更好评估铝合金液纯净度。

[1] Rana G，zhou J E，wang Q G.Precipitates and tensile fracture mechanism in a sand cast A356 aluminum alloy[J]. Journal 0f materials processing techno1ogy，2008，(207)：46～52.

[2] Mae H，Teng x，Bai Y.comparison of ductile fracture properties of aluminum castings：sand mold and metal mold [J].International Journal of Solids and Structures，2008，(45)：1430～1444.

[3] GUTHRIE R I L, MEI L. In Situ Detection of Inclusions in Liquid Metals: PartⅠ. Mathematical Modeling of the Behavior of Particles Traversing the Electric Sensing Zone[J].Metallurgical and Materials transactions B ,2001,32B (12):1067-1079.

[4] MEI L ,GUTHRIE R I L. On the Detectioned Selective Separation of Inclusions in Liquid Metal Cleanliness Analyzer Systems[J]. Metallurgical and Material stra B ,2000,31B(8) :767-777.

[5] 申亚曦,王绍纯,刘新华.电敏感区法在非金属夹杂物在线检测中应用[J] .北京科技大学1996,18(3):272-275.

[6] 罗峰，赵忠兴，赵帅.铝液夹杂物检测技术研究[J].中国铸造装备与技术.2006,10（5）:11～12.

[7] 姚秀军，边秀房，尹奎波.铝镁合金熔体中氢含量的测定[J].特种铸造及有色合金, 2005,v01.25，No.5：309～311.

[8] Chen X G， Engler S. Formation of gas porosity in aluminum alloys [J]. AFS Trans.1994, 102(10): 673～68.

The Inf uence Of ZL101 Aluminum Alloy Liquid Detection Of inclusion By Different Magnesium Content

YU HaiTao, ZhAO ZhongXing, ZhAO Hui, SUN JinGen

(Shenyang Ligong University, Shen Yang 110168, Liaoning China)

In the article,by the principle of electric resistance method of detecting the inclusion in the aluminum alloy liquid, with the change of magnesium content ,the influence of producing inclusion in the aluminum alloy has been analyzed. The results show that with the addition of magnesium content, by the detection of electric resistance method, the measured current value has decreased and the non-metallic inclusion has added in the aluminum alloy liquid.

magnesium;aluminum alloy;detection;inclusion

TG146.2+1；

A；

1006-9658（2012）05-0014-3

辽宁省教育厅科学基金资助项目

2012－08－23

稿件编号：1208－094

俞海涛（1987-），男，在读硕士，研究方向：合金材料