鋁合金液夾雜含量與含氣量的關(guān)系

趙忠興，楊國(guó)娟，孫金根，耿德軍

（沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

鋁合金液夾雜含量與含氣量的關(guān)系

趙忠興，楊國(guó)娟，孫金根，耿德軍

（沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

采用減壓凝固密度試樣法測(cè)定ZL106合金的試樣密度，在四種不同含氣量條件下，用電阻法檢測(cè)鋁液中的夾雜含量，分析鋁液含氣量與夾雜物的相互關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：夾雜和氣體存在著密切的孿生關(guān)系，鋁液中的夾雜含量越多，含氣量越高；夾雜含量越少，含氣量越低。同時(shí)分析了靜止工藝對(duì)鋁液凈化的重要性。

鋁合金；夾雜物；氣體；靜止工藝

鋁及其合金在熔煉、澆注過(guò)程中易于氧化、吸收氣體，使得在鋁液中極易形成夾雜物及在凝固過(guò)程中形成氣孔，從而影響鑄件的質(zhì)量，使鋁合金的應(yīng)用受到一定限制。近年來(lái)許多研究表明[1]，鋁及其合金液中夾雜物主要是氧化夾雜物，它的存在會(huì)導(dǎo)致鋁液脫氫困難，氣孔夾雜等缺陷增多，繼而引起鋁合金鑄件的力學(xué)性能下降，可靠性降低。因此，有必要研究鋁及其合金中夾雜物特別是氧化夾雜物的行為，了解氧化夾雜影響鋁鑄件質(zhì)量的機(jī)理，這對(duì)提高鋁合金的力學(xué)性能有很大的幫助[2]。鋁熔體中的夾雜物和氫之間具有相互作用，夾雜物的存在使鋁熔體中氫難以除干凈，只有除去鋁熔體中的夾雜物，才能使氫降至較低水平，同時(shí)防止鋁液吸氫[3]。通常，熔池深處氧化夾雜濃度較高，含氫量也較高。可見(jiàn)鋁液中氧化夾雜和氫氣存在著密切的孿生關(guān)系[4]。

鋁液中氫與氧化夾雜物之間存在著相互作用，但相互作用的機(jī)制國(guó)內(nèi)外至今尚無(wú)一致的見(jiàn)解。綜合起來(lái)主要有機(jī)械作用理論、靜電作用理論、吸附理論、非均質(zhì)形核理論、寄生機(jī)制及復(fù)合物理論等[5]。本課題應(yīng)用電阻法檢測(cè)鋁液中的夾雜含量，測(cè)試四種不同鋁液的密度，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步分析它們之間的這種關(guān)系和相互作用原理，以便指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

1 電阻法在線檢測(cè)夾雜原理[6～9]

電阻法檢測(cè)夾雜是對(duì)電敏感區(qū)電阻變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其原理圖如圖1。在一個(gè)容器壁上開(kāi)有一個(gè)直徑0.3～2mm的小孔使熔體通過(guò)，兩端通有恒定的電壓，當(dāng)絕緣性的夾雜物通過(guò)這個(gè)敏感區(qū)小孔時(shí)改變了孔徑的導(dǎo)電面積，導(dǎo)致電敏感區(qū)內(nèi)電阻值升高。當(dāng)小孔孔徑確定時(shí)，電流脈沖變化的幅度就與非導(dǎo)電微粒的體積有一定的比例關(guān)系，記錄在t0－t1區(qū)間內(nèi)電流的變化，通過(guò)分析這個(gè)區(qū)間脈沖電流信號(hào)的變化，反饋出孔內(nèi)鋁熔體的電阻變化，即可測(cè)得夾雜物的數(shù)量和尺寸，同時(shí)記錄電流脈沖的高度和寬度，以及斜率，分析和判斷鋁液中夾雜物的含量情況。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

基于以上測(cè)試原理設(shè)計(jì)了鋁液夾雜物在線檢測(cè)系統(tǒng)，它由檢測(cè)探頭、檢測(cè)電路、氣路、傳感器及信號(hào)實(shí)時(shí)處理五部分組成。檢測(cè)探頭由剛玉制作，孔徑尺寸在0.3～2mm之間。檢測(cè)電路主要是測(cè)量探頭小孔內(nèi)的電流值變化，氣路主要是提供P1、P0（大氣壓力）的壓差，使?fàn)t內(nèi)鋁液在小孔內(nèi)流動(dòng)；傳感器功能是將夾雜顆粒的尺寸信息轉(zhuǎn)換成微小的電阻變化；信號(hào)實(shí)時(shí)處理功能是將微小的電阻變化轉(zhuǎn)換成為電流脈沖。檢測(cè)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)條件及方法

使用工業(yè)電阻爐，熔化ZL106合金，檢測(cè)溫度固定在700～710℃。檢測(cè)時(shí)，電壓控制在2V，檢測(cè)探頭的孔徑為2mm，保持檢測(cè)系統(tǒng)壓力（P1－P0）差不變，系統(tǒng)的電流值每500ms由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄一次。用SG－Ⅰ型精煉機(jī)進(jìn)行精煉，采用真空減壓凝固試樣密度測(cè)試方法檢測(cè)凝固試樣的密度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試樣密度為2.425g/cm3的夾雜檢測(cè)結(jié)果及分析

在除氣精煉前，試樣密度為2.425g/cm3，截面圖如圖3。此密度下的夾雜檢測(cè)結(jié)果如圖4。

從圖3可以看出，該試樣截面有非常大的氣孔，而且數(shù)量比較多，同時(shí)還有很多相對(duì)較小的氣孔。這說(shuō)明在鋁液密度為2.425g/cm3的情況下，鋁液的含氣量很高。從圖4可以看出，在夾雜檢測(cè)中，檢測(cè)到了較明顯的電流脈沖變化，電流脈沖持續(xù)的時(shí)間在2.5s左右。根據(jù)電敏感區(qū)原理，當(dāng)夾雜物通過(guò)電敏感小孔，使孔徑有效導(dǎo)電面積減少，電阻增加，表現(xiàn)在圖形上電流脈沖高度增加，所以可以判斷出此密度下的鋁液中存在大量的夾雜。

3.2 鋁液密度為2.580g/cm3的夾雜檢測(cè)結(jié)果及分析

使用氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉機(jī)對(duì)鋁液精煉3min后，進(jìn)行密度檢測(cè)。密度為2.580g/cm3的試樣截面圖如圖5。此密度下的夾雜檢測(cè)結(jié)果如圖6。

圖5可以看出，在密度為2.580g/cm3的鋁液中，截面沒(méi)有非常大的氣孔，小氣孔的數(shù)量還是比較多，與圖3對(duì)比，密度為2.580g/cm3的鋁液含氣量相對(duì)地降低了。對(duì)比圖4和圖6可以看出，電流脈沖寬度在0.5～2s之間，明顯變窄，根據(jù)電敏感區(qū)原理，說(shuō)明夾雜在鋁液中的駐留時(shí)間減少；鋁液中夾雜仍然較多，但尺寸變小。這說(shuō)明鋁液的含氣量下降后，其中的夾雜尺寸及數(shù)量也降低了。

3.3 鋁液密度為 2.710g/cm3的夾雜檢測(cè)結(jié)果及分析

使用氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉機(jī)對(duì)鋁液精煉10min后，進(jìn)行密度檢測(cè)。密度為 2.710g/cm3的試樣截面圖如圖7。此密度下的夾雜檢測(cè)結(jié)果如圖8。

從圖7可以看出，該試樣截面并沒(méi)有非常大的氣孔，但存在較多的小氣孔。對(duì)比圖6和圖8，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到電流脈沖高度明顯變小，說(shuō)明鋁液中存在的夾雜尺寸大小發(fā)生了變化，而電流脈沖寬度仍然較大，也許鋁液中夾雜的數(shù)量還較多。從圖7看出，鋁液的含氣量降低了，但鋁液精煉后沒(méi)有靜止，就開(kāi)始檢測(cè)，鋁液中的夾雜和氣體還沒(méi)有完全浮游到液體表面，而夾雜與氣體的混合體上升需要時(shí)間。所以在夾雜上升的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，可能檢測(cè)到較多的夾雜物。

3.4 靜置工藝對(duì)鋁液夾雜檢測(cè)的影響及分析

在試樣密度為2.710g/cm3的基礎(chǔ)上，鋁液靜置10min后，檢測(cè)鋁液的含氣量，試樣密度由原來(lái)的2.710g/cm3上升到2.730g/cm3，其含氣量相對(duì)降低了。密度為2.730g/cm3試樣截面如圖9，此密度下的夾雜檢測(cè)結(jié)果如圖10。

從圖9看，試樣截面上的氣孔基本沒(méi)有了，只在最后凝固的部位存在氣體與縮松的混合體。對(duì)比圖8與圖10的檢測(cè)結(jié)果分析，電流脈沖的高度與寬度都明顯變小，根據(jù)電敏感區(qū)原理，說(shuō)明鋁液中夾雜數(shù)量減少、尺寸變小。在對(duì)鋁液精煉處理時(shí)，捕獲夾雜物較多的精煉氣泡上浮速度較小，在靜止10min后，氣泡和夾雜才能充分上升，浮到鋁液表面，鋁液含氣量和夾雜含量降低了，達(dá)到凈化目的。可見(jiàn)精煉后靜置工藝對(duì)鋁液凈化的重要性。

4 結(jié)論

（1）鋁液的含氣量高，其夾雜含量也高；鋁液的含氣量低，夾雜含量也低。他們之間相互依附，存在著密切的孿生關(guān)系。

（2）對(duì)精煉處理后的鋁液靜止一段時(shí)間，可有效提高鋁試樣密度，夾雜和含氣量進(jìn)一步下降。

[1]周明.鋁熔體中夾雜物和氫的去除研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2003，3.

[2]傅高升，康積行，陳文哲，等.鋁熔體中夾雜物與氣體相互作用的關(guān)系[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1999，9（1）：51-56.

[3]陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：299-327.

[4]叢紅日，邊秀房.鋁合金熔體中夾雜物與含氫量的關(guān)系[J].特種鑄造及有色合金.2000，20（3）:21～23.

[5]何峰，程軍.鑄造合金中的氣體和氧化夾雜[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，18（1）:55-60.

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[7]MEI L，GUTHRIE R I L.On the Detection and Sele-ctive Separation of Inclusions in Liquid Metal Cleanlines Analyzer Systems[J].Metallurgical and Materials transa-cttions B，2000，31B（8）:767-777.

[8]申亞曦，王紹純，劉新華.電敏感區(qū)法在非金屬夾雜物在線檢測(cè)中應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18（3）:272-275.

[9]韓傳基，許榮昌，蔡開(kāi)科，等.在線檢測(cè)非金屬夾雜物的方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22（3）:209-211.

The Relationship Between The Inclusion Content And Gas Content In Aluminum Liquid

Zhao Zhongxing，Yang Guojuan，Sun Jingen，Geng Dejun
（Shenyang Ligong University，Shen Yang：110168，Liaoning）

The liquid aluminum density of ZL106 has been determined by the reduced pressure solidification density sampling method.In four different conditions，inclusion content has been tested by a method of resistance，and relationship between Air content of Aluminum liquid has been analyzed.The results show that there is a close relationship between the inclusion and gas,the more inclusion is in aluminum,the more quantity of gas is；on the contrary，the less inclusion is in aluminum，the less quantity of gas is in aluminum.Static process is important for the purification of liquid aluminum.

Aluminum alloy；Inclusion content；Gas content；Static process

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2011）06－3

2011－11－11

2011－157

趙忠興（1963－），男，博士，教授