正交试验设计在铝合金用熔剂研制中的应用

马 涛

(河北四通新型金属材料股份有限公司，河北 保定071105)

0 前言

目前，铝合金熔体净化的方法有过滤净化、非吸附净化和吸附净化等三大类[1]，其中，吸附净化主要有惰性气体喷吹法、活性气体喷吹法、混合气体喷吹法、熔剂净化法等，熔剂净化法是将熔剂喷入熔体中，氧化物夹杂和氢在熔剂的溶解、吸附作用下，上浮至液面而去除。熔剂净化法由于使用方便、价格低廉、净化效果较好等优势，在工业生产中有着较广泛的应用。铝合金用熔剂一般由多种化合物组成，其研制的主要内容是确定化合物的组成及含量，通过试验来验证其净化效果。由于可选用的材料较多，加之含量在一定范围内变化，因此，若按照常规的全面试验方法需要进行大量的试验，工作量大，难以获取最优的配方组合。

正交试验方法是用于多因素试验的一种方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些代表点具有“均匀”和“齐整”的特点[2]。铝合金用熔剂配方组成可选用的材料多，且其含量对配方也有着比较显著的影响，因此，本文采用正交试验设计方法对铝合金用熔剂配方进行筛选，通过净化试验结果分析来确定熔剂的最佳配方。

1 铝合金用熔剂配方组成

铝合金用熔剂常用的材料有氯化物、氟化物、稀土化合物、碳酸盐、硫酸盐等，其中各类物质的作用如下。

1.1 氯化物

熔剂常用的氯化物主要包括KCl、NaCl、MgCl2等碱金属或者碱土金属的氯化物，该类化合物不与铝发生反应，表面张力小，有较强的润湿Al2O3的作用[3]。MgCl2与氧化夹杂物的润湿性好，但是其吸湿性也强，一般只用于高镁铝合金熔剂中。NaCl和KCl的混合盐是各种铝合金熔剂中常见的基本组元，其液态密度分别为1.55g/cm3和1.5g/cm3，等摩尔的KCl-NaCl混合物在铝熔体中能形成低熔点(约650℃)共晶的熔融体，显著低于铝液的密度，在熔炼温度下能呈液态浮于合金液表面。它们的粘度小，流动性好，能很好地铺展在熔体表面，对熔体起到保护作用，并且与氧化夹杂物有较强的润湿作用。

1.2 氟化物

在以NaCl-KCl为基体的熔剂中，适量的氟化物具有吸附、溶解Al2O3等氧化夹杂物，适当控制混合盐熔点的作用，同时还能使熔剂-铝液界面氧化膜易于破裂和去除，降低铝液对夹渣的粘附，促使夹杂迁移至界面，同时也使熔剂排杂的效率由30%提高到70%-90%[4]。常用的氟化物有 Na3AlF6、CaF2、K3AlF6、K2SiF6、Na2SiF6等， 其中，Na3AlF6能使熔剂易熔且流动性好，加速反应物的扩散过程，有利于排杂净化，是最经济最常用的氟化物之一。K2SiF6、Na2SiF6可与Al2O3反应生成SiF4活性气体，具有一定的除气作用。

1.3 稀土化合物

稀土化合物可降低熔剂-铝液表面张力，有助于熔剂与气体、夹杂的充分接触而提高捕捉气体、夹杂的效果，主要起到变质、除气、除杂作用[3]。熔剂用稀土化合物主要选择稀土卤化物或稀土碳酸盐化合物。稀土卤化物以氟化物最稳定，难溶于水，可在空气中放置，而氯化物易吸潮，可溶于水。稀土卤化物在铝中可置换出稀土单质。稀土碳酸盐也难溶于水，能与铝发生化学反应，生成稀土单质和CO2起变质和净化作用。稀土还能与氢相互作用生成稳定的稀土氢化物REH2、REH3，起到固氢作用[5]。

1.4 碳酸盐、硫酸盐

熔剂中常用的碳酸盐有 Na2CO3、K2CO3、CaCO3等，硫酸盐有Na2SO4、K2SO4、CaSO4等，主要起发热保温作用，一般硫酸盐的发热保温效果强于碳酸盐。

2 正交试验设计方案及结果

根据熔剂上述组成的性质，本文以K2SO4(A)、K2SiF6(B)、Na3AlF6(C)、RECO3(D)的质量百分比作为考察因素，每个因素选取3个水平，详见表1，并以等摩尔的NaCl-KCl(质量百分比分别为45%和55%)作为熔剂的基体，选用正交表L9(34)安排试验。

表1 试验因素水平Table 1 Level of test factors

2.1 熔剂试验品制备

制备熔剂所用的原材料采用工业级产品，纯度≥98%，水分≤0.25%，粒度：-30目，其中30-150目之间的不低于70%，每种配方使用的原材料均为同一批次。按照每个配方的材料比例配制试验品，加入罐式混料机混合20分钟。将混合好的熔剂加入烘干机内，设定温度200℃，烘干0.5小时，保证熔剂最终水分≤0.05%。

2.2 净化效果判定标准

本文采用K模对精炼后的铝液含渣量进行定量检测，作为判定熔剂净化效果的标准。K模检测技术是对原料金属制造及铸造的铝液中的溶剂及异物量进行评价的一种检测方法[6]，该方法通过向K模模具中注入铝液，铸造出铸块，再由铸块断面的异物量判断出铝液的纯净度，以K值的大小来表示。图1、图2分别为K模和铸块。

图1 K模示意图Fig.1 Diagram of K mold

图2 K模铸块Fig.2 K mold Ingot

K值计算：夹渣数量用M表示，小块数量用N表示，则K值计算方法为：K值=M/N。结果判定：K值=0时，为非常纯净的铝液，结果判定为AA级；K值＜0.1时，为纯净的铝液，结果判定为A级；K值0.1-0.5 时，为比铰纯净的铝液，结果判定为 B 级；K 值 0.5-1.0 时，为较为纯净的铝液，结果判定为C级，属合格但是需要进行进一步精炼处理；K值＞1.0时，为受污染的铝液，结果判定为D级，属不合格，铝液不能使用。

2.3 正交试验设计结果及分析

在 15 吨燃气式组合炉生产的 A356.2 合金(主要成分：Si：6.5-7.5%，Mg：0.3-0.45%，主要用于制造汽车轮毂)中，每个正交方案进行 3炉次试验，每炉熔剂的加入量为30千克，采用氮气载入喷粉的形式，流量为2.5-3.0千克/分钟。每炉次含渣量检测取浇铸前期(浇铸开始第5分钟)、中期(浇铸开始第20分钟)、后期(浇铸开始第45分钟)各3块K模，以3炉次的K值平均值为判定标准，并对试验数据进行直观分析，结果详见表2。

表2 正交试验设计结果Table 2 Results of orthogonal experimental design

根据表2的试验结果进行方差分析，结果详见表3。

表3 方差分析结果Table 3 Results of variance analysis

由表2、表3结果可知，Na3AlF6(C)的极差的最大，K2SO4(A)的极差最小，影响铝液纯净度的主次因素依次为Na3AlF6(C)＞K2SiF6(B)＞RECO3(D)＞K2SO4(A)，并且直观分析与方差分析结果一致。因此，最佳的熔剂配方为A2B2C3D1，K值平均值为0.082，铝液达到A级的纯净度。

按照相同的样品制备及试验条件，选用最佳配方熔剂在A356.2合金中再次进行 5 炉次试验，5 炉次 K 值分别为 0.089、0.056、0.081、0.068、0.075，平均值为 0.074，铝液均达到 A 级的纯净度，进一步验证了配方的稳定性。

3 结论

选用正交试验设计方法对熔剂配方试验方案进行设计，并在A356.2合金中进行了净化效果验证，通过对试验结果的直观分析和方差分析，确定了最佳的熔剂配方为冰晶石16%，氟硅酸钾6%，碳酸稀土3%，硫酸钾15%，氯化钠27%，氯化钾33%，使用该配方熔剂精炼后的铝液纯净度可达到A级。

［1］谭群燕，王燕红.铝合金熔体处理技术[J].热加工工艺，1999，36(17)：65-67.

［2］方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京：科学出版社，2001.

［3］倪红军，孙宝德，蒋海燕，等.新型铝合金熔剂的研究[J].特种铸造及有色合金，2001，21(2)：13-14.

［4］官可湘，李洁，倪大兴.铝及铝合金熔体净化剂研究进展[J].化学世界，2007，48(6)：370-373.

［5］Raja,Roy Y S.Interfacial Tension between Aluminum Alloy and Molten Salt Flux[J].Materails Transactions,JIM，1997，38(6)：546-552.

［6］张名涛，尹明洪，祁向东.铸造铝液含渣量定量快速检测技术浅谈[C]//2012(第22届)重庆市铸造年会论文集.重庆：重庆市机械工程学会铸造分会，2012.