水气对挤压黑线的影响及控制方法

王奕雷

（山东大学材料学院，济南250000）

水气对挤压黑线的影响及控制方法

王奕雷

（山东大学材料学院，济南250000）

针对水气对熔炼合金品质的影响，分析了水气造成铸锭黑线缺陷率偏高的原因，并提出相应的改进措施。

水气；黑线；影响；控制方法

0 前言

3C类电子产品挤压前要对铸棒进行黑线的检测，这已经成为业界生产此类电子型材的共识。但对黑线的形成机理等问题，业界目前尚没有统一的定性。笔者通过多年挤压生产电子型材的经验，发现一个有趣的现象，即在相同的铸造条件和铸造工艺下，阴雨天生产的铸棒测试后黑线率普遍比晴天铸造的高。针对这一现象，笔者首先对阴雨天和晴天的大气情况进行了对比，进而分析了熔炼和铸造过程中水气对铸棒品质的影响，提出了相应可行的改进措施，从另一个方面验证了黑线产生的机理。

1 熔炼炉内气氛分析对比

如表1所示，阴雨天对比晴天最明显的一个区别就是空气湿度明显偏大，空气中较多的水蒸气加剧了其与铝液的反应。

表1 雨天与晴天大气对比表

炉内气氛：

炉内气氛是指熔炼炉内的气体组成，在大气压下熔炼，炉内气氛包括空气和燃烧物及燃烧产生物的气体。

根据熔炼炉的炉型及结构，以及所使用的燃料和发热方式，炉内气氛往往含有各种不同比例的氢、氧、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、二氧化硫，此外还有各种碳氢化合物。典型炉气成分见表2。

表2 炉内气体组成（质量分数/%）

通过表2可以看出，炉内气氛中含有大量的水蒸气，其含量的大小将对熔铸产品质量产生明显影响。

2 铝液与水反应机理

2.1 铝-水气反应

熔铸过程中水气的来源主要来自以下几方面：

（1）空气中含有大量的水蒸气，特别是在潮湿的季节和阴雨天气，空气中水蒸气的含量更大。（2）原材料带来的水分。特别是锈蚀的铝料。（3）燃料。当采用放射炉熔炼铝合金时，燃料燃烧所产生的水分，是气体的主要来源。

（4）溶剂、精炼变质剂及熔炼浇铸工具等。

（5）耐火材料。耐火材料内和表面吸附的水分，以及砌砖泥浆的水分，在烘炉不彻底时，熔炼的头几炉中熔体中气体含量将明显增加。

因为阴雨天和晴天铸造过程中，铸造工艺和溶剂、炉料等均没有显著变化，只有炉气变化较大，所以，在此我们只讨论炉气对铸造质量的影响。

铝在熔炼过程中，空气中的水蒸气接触到高温的铝液会发生铝-水气反应，形成氧化物并生成氢气：

2.2 铝-水反应特点

（1）升温时，铝-水气反应速度大为加快，这说明限制熔炼温度和铸造温度的重要性。

（2）含硅、铜、锌等元素的铝合金，能较明显地阻缓铝-水气反应。含镁、钠等元素较多的铝合金，常使铝-水气反应激烈进行。

（3）铝-水气反应产生的氢是熔炼和铸棒中氢的主要来源，在熔炼中，该反应不可避免地将氢带入铝液中。

2.3 氢的溶解

氢是铝合金中最易溶解的气体。由于氢是结构比较简单的双原子气体，其原子半径很小，故容易溶解于金属中。铝所溶解的气体，按照其溶剂能力，其顺序为氢气、有机物、二氧化碳、一氧化碳和氮气。在铝中的气体，氢占90%，其次是一氧化碳。

氢在铝中及其合金中的溶解是依照吸附-扩散-溶解的过程进行，即：H2-2H-2[H]。

2.4 氢的溶解特点

（1）氢与铝不起化学反应，而是以游离状态存在于晶体点阵的间隙内，形成间隙式固溶体。

（2）熔体温度越高，则氢分子离解速度越快，扩散速度也越快，氢在熔体的溶解度也越大。

（3）从固态铝到液态铝，氢在铝中的溶解度出现一个突变现象。这种溶解度急剧变化的特点，决定了铝在凝固时，大量的氢原子从熔体中以分子氢的形式析出，最后以疏松、气孔等缺陷的形式存在于铸锭中。

（4）氢析出在铸锭表面形成针孔。铸锭表面针孔的大小和数量可以定性反映铸锭中氢含量的大小。

（5）实践证明，铝液中氧化夹杂越多，则含氢量也越多。并且氧化夹杂物提供了气泡成核的现成界面，促使铸锭表面针孔的形成。所以，铝液中氧化物夹杂和氢之间有十分密切的联系。

通过表3可以看出，铝由固态到液态，其氢的溶解度发生突变。

表3 不同温度下氢在铝中的溶解度

3 改善措施

既然水气对铝液的品质有如此重要的影响，在熔炼和铸造过程中如何尽量减少水气的带入就是铸造高品质铸锭的关键所在。

3.1 减少水气的带入

（1）调整炉气成分，尽量减少炉气内水气的含有量。可以通过通入惰性气体的方法或是密闭炉室等方法，对于燃油和燃气熔炼炉，要严格控制空气的送入量，实现油、气的完全燃烧，减少多余空气的进入。

（2）减少水气的带入。使用干净的铝锭，尽量减少锈蚀铝料的加入。对于溶剂、精炼变质剂要保持干燥，有条件的在加入前可以进行必要的烘干。

（3）控制熔炼和铸造温度。铝-水气反应对温度反应较为敏感，升温时，反应速度明显加快。对于大多数铝合金的熔炼温度要控制在750℃以下。

（4）减少有机物的带入。对于被油脂污染的废料要及时挑拣，及时清理炉料工具上的油脂。

3.2 控制氢的含量

伴随着铝-水气反应，铝液中氢的含量明显增加，除氢就是确保铸锭品质的另一个重要的措施。

3.2.1 除气方法

对于除气，国内目前使用的有气体精炼法和溶剂精炼法，此外还有真空处理精炼法、向溶液内通直流电使氢分子逸出的方法、超声处理方法、加稀土金属，使其与溶解氢形成化合物，将氢固定等方法。从操作和使用复杂程度上看，效果较好的是惰性气体加溶剂吹入，使用较普遍的是气体精炼法。

气体精炼法又称气体净化法，是以气体为精炼剂，向铝液中吹入，达到降低含气量、减少熔体中非金属夹杂物的一种方法。它又可以分为惰性气体精炼法、活性气体精炼法、混合气体精炼法等。比较常用的是惰性气体精炼法。

3.2.2 惰性气体精炼法

惰性气体精炼法，是指使用不与熔体以及溶解于熔体中的气体发生化学反应的气体，吹入熔体中，按照西华特定律，利用分压差除气的方法。常用的气体是氮气。因氮气在温度低于800℃时，很少与铝起反应，也不溶于铝中，并且制备简单，价格低廉。

3.2.3 惰性气体精炼法操作要点

（1）尽量降低铝液表面上的氢分压，有条件的可以采用真空处理。

（2）降低熔炼温度对除气效率有一定效果。

（3）应减少吹入精炼气体的直径，增加气泡与铝液接触时间，在不致使铝液表面强烈翻腾而造成吸气氧化条件下，应加强搅拌，增加气体排放效果。

（4）提高比表面积，增大传质系数，延长作用时间，可降低气体最终浓度，提高精炼效果。

3.2.4 精炼机理

溶剂精炼的机理，主要是通过组成溶剂的氯化盐和氟化盐的吸附、溶解和化学作用，达到除渣和除气的作用。

反应产生物在铝液中形成大量的气泡，将氢吸附一起漂浮于液面，起到除气的作用。

喷吹活性剂精炼是目前操作简单、效果非常好的一种精炼方法。该方法使用惰性气体将粉末溶剂直接喷入铝液深部，惰性气体携带氢上浮，溶剂与铝液发生反应后产生的气体有起到除气的作用，该法发挥了气体除气效果好和溶剂除渣除气效率高的双重优点，精炼效果非常好。

4 总结

雨天铸造铝合金，因大气中湿度较大，空气中的水气更易于铝液发生反应，增加了熔体中气体的含量，同时增加了氧化物夹杂的含量，降低了铸锭的品质，使出现黑线的几率增加。利用喷吹活性剂精炼法，可以同时发挥气体除气效果好和溶剂除渣除气效率高的双重优点，精炼效果非常好，在一定程度上可以控制铸锭中氧化物夹杂的含量，起到提高挤压产品质量的要求。

[1]向凌霄.原铝及其合金的熔炼与铸造[M].冶金工业出版社，2005，10

[2]王立娟.变形铝合金熔炼与铸造[M].中南大学出版社有限责任公司，2010，9

Influence of Moisture on Black Line for Extrusion and Its Control Methods

WANG Yi-lei
（College of materials,Shandong University，Jinan 250000，China）

In view of effect of moisture on the quality of melting alloy analysis,the cause for higher rate of black line defect result from moisture is analyzed,and the corresponding improvement measures are put forward。

moisture;black line;effect;control method

TG275＋.41

A

1005-4898(2017)03-0058-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.13

王奕雷（1978-），男，山东鱼台人，硕士，高级工程师。

2016－09－06