变质和除气精炼工艺对ZL101铝合金中夹杂物的影响

2020-03-18曹天垚赵忠兴张显飞牟宜华徐小林

沈阳理工大学学报 2020年5期

曹天垚，赵忠兴，张显飞，牟宜华，徐小林

(1.沈阳理工大学，材料科学与工程学院，沈阳110159；2.重庆衡山机械有限责任公司，重庆 404048)

铝硅合金是铸造铝合金中应用最多的铝合金之一，广泛地应用于汽车制造业和航天航空领域。但在铝硅合金的熔炼过程中，铝液容易吸气和氧化，极易形成氧化物夹杂，并在其凝固的过程中形成气孔，降低铝铸件的力学性能，严重影响铝铸件的质量，制约了铝硅合金的应用发展。铝中的氧化物夹杂是显微裂纹的主要裂纹源，对铸件的断裂具有直接的影响[1]。铝合金液中的氧化物夹杂还会增加铝熔体的粘度，降低铝合金的铸造加工性能[2]。所以，降低铝硅合金熔体中的夹杂物含量对提高铝铸件力学性能至关重要。

近年来有研究显示，铝熔体中的氧化物夹杂和氢之间具有相互作用，夹杂物的存在使铝熔体中的氢难以彻底清除，只有将夹杂物清除至一定洁净程度，才能使氢含量降低到较低水平，同时可以防止铝液的吸氢[3-4]。熔炼过程中，熔池底部的熔体中氧化物夹杂浓度较高，含氢量也较高，可见铝合金液中氧化物夹杂和氢气存在着密切的联系[5]。

铝硅合金经过变质剂变质处理后，合金中的共晶硅形态与未变质前差异很大，提高了铝铸件的性能，是铝硅合金熔炼中最常用有效的工艺[6-8]。锶作为铝硅合金中最常用的变质剂，有着效果好、操作简便、长效性、无腐蚀性、无污染等优点，因此得到了广泛的应用[9]；但其变质过程增加了铝液的吸氢倾向，加大了铸件产生针孔的概率，降低了合金的力学性能[10-12]。目前国际上锶变质对铝硅合金液的含气量和夹杂物的影响还没有较为具体完善的研究。

本文在已有研究的基础上，采用电阻检测法和密度检测法分别检测不同精炼除气时间和不同变质剂加入量情况下的铝液夹杂物的变化情况，分析氩气精炼和锶变质对铝硅合金含气量和氧化物夹杂的影响，以便获得高质量的铝合金。

1 电阻法在线检测夹杂原理

图1为电阻法检测夹杂的原理[13-14]示意图。

将两个电极置于金属液中，一个在绝缘陶瓷探头内，一个在探头外的熔液中，两根电极间通有恒定的直流电压U0。为使铝合金液通过，在陶瓷探头底部开有一个直径1～3mm的小孔，在没有夹杂物通过的情况下，铝熔体在小孔内流通，相当于一根导线；当有绝缘性的夹杂物通过这个敏感区小孔时，小孔的导电面积发生改变，使电敏感区的电阻升高。所以，当探头小孔的孔径不变时，绝缘性夹杂物通过小孔，其体积大小与检测电流脉冲的变化幅度成一定的比例关系。记录电流在t0～t1区间内的变化，通过对电流脉冲变化量的分析，可以了解小孔内铝熔体的电阻变化情况。铝液中夹杂物的尺寸和数量也能通过电阻的变化而测得，同时可用记录得到的电流脉冲的振幅高度和宽度来分析铝液中夹杂物的尺寸和含量情况。

2 试验装置及方法

2.1 检测装备

根据上述的原理设计铝液夹杂在线检测系统装置简图如图2。

图2由电流传感器PLC、气路、检测探头、检测电路和电子显示屏五部分组成。PLC的作用是将夹杂物的尺寸信息转换成电阻的变化。气路是为了提供P1(系统压力)、P0(大气压力)间的稳定压差，使铝液能在小孔内通过。检测探头由耐高温绝缘陶瓷管制成。检测电路的目的是测量探头小孔内的电流值变化。电子显示屏将电阻变化转换成为电流脉冲，并以电流时间图像的形式在屏幕上显示。

2.2 试验材料及方法

使用功率为20kW的工业电阻炉熔炼40kg的ZL101铝合金，检测温度固定在700～740℃。系统电压控制在2.7V，检测探头孔径为1.5mm。用SG-Ш型精炼除气机进行氩气精炼。采用减压凝固试样密度法检测凝固试样的密度；用电阻在线检测法检测夹杂。

3 试验结果及分析

按上述试验条件和方法，分别对不同氩气精炼时间和不同锶加入量变质下的铝硅合金液进行夹杂、密度检测。

3.1 氩气精炼的检测结果分析

不同氩气精炼时间下的试验结果如图3所示。

图3a为铝液未氩气精炼后的测试结果，可以看出，测试得到的最大电流值为64.7A，在第4s检测到了明显的电流脉冲变化，其电流脉冲最大变化量为4.7A，持续时间为1s，检测系统的最大电阻变化率为ΔDmax= ΔR/Rmin= 7.8%(ΔDmax为最大电阻变化率，ΔR为电阻差，Rmin为最小电阻)；采用减压凝固试样密度测试法检测到此时铝合金液的密度为2.278g/cm3。由此可以判断，第4s时铝液中存在着较大夹杂，其余检测时间电流波动不断，中小型夹杂一直存在。

图3b为氩气精炼除气3min后的测试结果，测试得到的最大电流值为65.5A，第27s检测到了较大的电流脉冲变化，其电流脉冲最大变化量为2.8A，持续时间为1.5s，检测系统的最大电阻变化率为4.5%；并测得此时铝液密度为2.411g/cm3。可以判断出第27s时铝液中存在的夹杂尺寸较大，其余检测时间电流波动不断，小尺寸夹杂物一直存在。

图3c为氩气精炼除气9min后的测试结果，测试得到的最大电流值为66.5A，第16s检测到了较大的电流脉冲变化，其中电流脉冲最大变化量为1.5A，持续时间1s，检测系统的最大电阻变化率为2.3%；检测此时铝液密度为2.618g/cm3。可以看出第16s时铝液中存在较大的夹杂，其余检测时间电流波动并不明显，并且出现了水平的电流平台，细小夹杂明显减少。

图3d为氩气精炼除气15min后的测试结果，测试得到的最大电流值为66A，第8s检测到了较大的电流脉冲变化，其中电流脉冲最大变化量为1A，持续时间2.5s，检测系统的最大电阻变化率为1.5%；测得此时铝液密度为2.628g/cm3。从图像中可以推断出第8s时铝液中存在的夹杂略大，而其余检测时间电流波段较稳定，出现了持续时间较长的电流平台，细小夹杂的尺寸和数量进一步减小。

综上，四种不同氩气精炼时间后检测到的最大电流值分别为64.7A、65.5A、66.5A和66A，电流脉冲的宽度分别为1s、1.5s、1s和2.5s；四次测试的电阻变化率分别为7.8%、4.5%、2.3%和1.5%，测出密度为2.278g/cm3、2.411g/cm3、2.618g/cm3和2.628g/cm3。根据夹杂检测原理可知，当小孔中有夹杂物通过时，小孔的有效导电面积变小，电阻增加，电流下降，电流脉冲的幅度变大，电阻的变化率增大。其中电阻变化率、铝液密度与氩气精炼时间的关系如图4所示。

从图4可知，随着氩气精炼时间越长，电阻变化率越小，测出的最大夹杂物尺寸越小，数量越少，铝液密度越大。对比氩气精炼9min和15min的检测结果，电阻变化率的下降趋于平缓，铝液密度的上升也呈现水平趋势，含气量几乎不再变化，此时氩气对含气量和氧化物夹杂的精炼效果已达到平衡状态，但铝液中细小夹杂物依旧存在。

氩气精炼减低含气量的同时，氧化物夹杂也被一定程度地去除，原因在于，在氩气旋转喷吹精炼过程中，铝液中的精炼气泡由于旋转喷吹工艺变得更加细散，气泡与铝合金液的接触面积增大，铝液中的氢气可直接向气泡中迁移，随后被气泡带出，从而使铝液的含气量降低。精炼气泡上升的过程中，接触到铝液中悬浮的氧化物夹杂并将其捕捉，微小的夹杂物被气泡中的气体润湿，随着气泡上浮至铝液表面，降低了铝液中的氧化物夹杂，进而达到了精炼净化铝合金液的目的。

3.2 锶变质的检测结果分析

不同锶加入量下的试验结果如图5所示。

在氩气精炼15min至平衡状态，且未加锶变质(图3d)的基础上，加入0.025%锶进行变质的试验结果如图5a，可以看出检测得到的最大电流值为64.75A，第3s时图形上出现了明显的电流脉冲变化，其中电流最大变化值为5.5A，持续时间1.5s；检测系统的最大电阻变化率为9.1%，测得此时铝液密度为2.464g/cm3。可以判断，第3s时铝液中存在尺寸较大的夹杂物，其余检测时间电流脉冲波段也都有起伏，可见存在较多的小尺寸夹杂。

图5b为加入0.05%锶进行变质的测试结果，检测得到的最大电流值为67.5A，第23s检测到了较大的电流脉冲变化，其中电流最大变化量为5.5A，持续时间为1s；检测系统的最大电阻变化率为8.9%，测得此时密度为2.352g/cm3。可以判断出第23s时铝液中存在着较大的夹杂，并且其余检测时间电流波动起伏不断，小夹杂自始至终一直存在。

综上，未加锶变质、加入0.025%锶变质和加入0.05%锶变质检测得到的最大电流值分别为66A、64.75A和67.5A，电流脉冲的宽度为2.5s、1s和1.5s。三次测验的电阻变化率分别为1.5%、9.1%和8.9%，测出铝液密度为2.628g/cm3、2.464g/cm3和2.352g/cm3。电阻变化率、铝液密度与锶加入量的关系如图6所示。

从图6中可以看出铝液未加锶变质(图3d)和加锶变质检测出的密度相差很大，测出的最大夹杂尺寸相差也很大。对比不同锶加入量变质后的两次测试，加入0.025%锶和加入0.05%锶得出的最大电阻变化率相近，测出的最大夹杂尺寸也接近，但后者检测出的大尺寸夹杂数量明显多于前者，小夹杂的数量也更多。对比密度相近的两组试验，图3b(氩气精炼3min)和图5a(加入0.025%锶)可以发现，在含气量相近的情况下，氩气精炼3min后检测到的氧化物夹杂尺寸和数量要远小于加入0.025%锶变质后检测到的结果，可见锶变质带入的氧化物夹杂要多于气体带入的夹杂。

锶作为变质剂，在变质时有着较大的吸气倾向，锶与氧的亲和力和活性都明显大于铝，且锶和铝的半径相差较大，所以当锶在铝液中取代铝后，Al2O3发生晶格畸变，形成缺陷并覆盖在铝液上，结构致密的Al2O3薄膜因此被破坏而变得疏松，使得水汽更易进入铝液中；进入的水汽与锶发生化学反应并放出氢，氢在铝液中扩散使铝合金液的含气量增加，使其密度降低，生成的SrO导电性很差，是铝合金液锶变质产生的氧化物夹杂之一，反应方程为

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

通过以上分析可知，随着铝合金变质剂锶的加入量增大，铝合金液的密度下降，含气量增大，以Al2O3和SrO为主的混合氧化物夹杂的尺寸增大，数量增加。