7055鋁合金熔體離線測(cè)渣方法

莫紅樓，盧祥豐，饒慶東，蘭標(biāo)景，鄭 許

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西鋁合金材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530031）

0 前言

PoDFA離線測(cè)渣分析方法是由加拿大鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)的金屬純凈度評(píng)估技術(shù)[1]，是目前唯一既可對(duì)夾渣物性質(zhì)進(jìn)行定性分析，也可對(duì)夾渣物濃度進(jìn)行定量分析的質(zhì)量控制工具[2]。生產(chǎn)者可以根據(jù)結(jié)果有針對(duì)性地調(diào)整熔體處理工藝，目前已在歐美國(guó)家的鋁合金加工廠廣泛應(yīng)用[3]。但是，這種方法對(duì)夾雜物濃度小于1mm2/kg 的樣品靈敏度較差[4]。同時(shí)PoDFA 是一項(xiàng)離線檢測(cè)技術(shù)，分析成本高，耗時(shí)長(zhǎng)[5]，目前尚未在國(guó)內(nèi)鋁加工工廠廣泛應(yīng)用。推廣PoDFA離線測(cè)渣方法的應(yīng)用，促進(jìn)鋁合金熔體質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，可對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)從依靠后續(xù)檢測(cè)向在線檢測(cè)起到良好的推進(jìn)作用。

7055 鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系合金，具有比強(qiáng)度高、加工性能好、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸及壓力容器領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[6-7]。本文利用PoDFA 離線測(cè)渣分析方法研究7055 鋁合金熔體中的夾雜物，準(zhǔn)確鑒別出熔體中的夾雜物類別、含量，為有針對(duì)性把改進(jìn)熔鑄工藝、設(shè)備，提升產(chǎn)品質(zhì)量提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 取樣設(shè)備

鋁及鋁合金熔體離線測(cè)渣宜使用PoDFA 離線測(cè)渣儀或其它具備夾雜物富集功能的設(shè)備取樣。

離線測(cè)渣設(shè)備應(yīng)含壓力室或真空室、坩堝、有效過(guò)濾尺寸固定的孔徑宜為20～50 μm 的過(guò)濾片（見(jiàn)圖1）、接鋁盤。

圖1 PoDFA離線測(cè)渣坩堝和過(guò)濾片

離線測(cè)渣設(shè)備應(yīng)具備過(guò)濾熔體稱重功能，保證每次取樣過(guò)濾的鋁水重量恒定。

1.2 取樣方法

預(yù)熱取樣坩堝和過(guò)濾片，裝入離線測(cè)渣設(shè)備中，然后使用長(zhǎng)柄鐵質(zhì)工具舀取鋁合金熔體快速倒入坩堝，按下設(shè)備開(kāi)始按鈕，并選擇合適的熔體過(guò)濾重量（1.00 kg、1.25 kg 或1.50 kg）。系統(tǒng)在壓力艙內(nèi)施加恒定的壓力，抽取過(guò)濾相應(yīng)重量的熔體后，停止過(guò)濾，隨后壓力艙會(huì)自動(dòng)卸載壓力，最后將過(guò)濾片及附著其上的殘余熔體冷卻后取出。PoDFA離線夾渣過(guò)濾取樣過(guò)程如圖2所示[8]。

圖2 PoDFA離線測(cè)渣儀取樣示意圖

1.3 試樣制備

（1）取出的殘余熔體冷卻凝固后形成1 個(gè)圓錐體金屬塊，所有來(lái)自過(guò)濾熔體里面的夾雜都富集在了圓錐體金屬塊頂部的過(guò)濾片上，如圖3（a）所示；使用鋸床切取頂部的過(guò)濾片圓盤，約20 mm高，如圖3（b）所示；去掉圓盤“耳朵”部分的多余金屬，再沿過(guò)濾片直徑切割將其分為兩半，選擇具有最長(zhǎng)弦長(zhǎng)的一半來(lái)制備金相觀察樣品，如圖3（c）所示。

圖3 PoDFA金相觀察樣品制備過(guò)程

（2）采用冷鑲嵌或熱鑲嵌方法鑲嵌切割后的離線測(cè)渣樣品，并按照GB/T 3246.1 中的磨拋方法進(jìn)行研磨拋光。首先用400#水砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上粗磨，磨平且保證檢測(cè)面為單平面。其次用1000#、3000#細(xì)砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上精磨，再先后用粒度為7 μm、3.5 μm、2.5 μm、1.0 μm的金剛石研磨膏作為磨料在機(jī)械拋光機(jī)上拋光，最后使用多孔氯丁（二烯）橡膠拋光布配合0.04 μm膠狀硅（SiO2）懸浮液進(jìn)行精拋，獲得潔凈無(wú)污點(diǎn)、干燥無(wú)水痕、組織清晰真實(shí)的金相檢驗(yàn)面，如圖3（d）所示。也可使用自動(dòng)磨拋機(jī)進(jìn)行自動(dòng)研磨和拋光處理以提高制樣效率。

1.4 檢測(cè)方法

（1）選擇合適的放大倍數(shù)，在金相顯微鏡上觀察試樣檢查面，沿著鋁基層與過(guò)濾層的界面區(qū)域（見(jiàn)圖4）緩慢移動(dòng)金相試樣，逐一檢查并拍攝保存不同位置處所有夾雜的金相照片。

圖4 鋁基層與過(guò)濾層的界面區(qū)域

（2）選擇合適的放大倍數(shù)，在掃描電子顯微鏡上觀察試樣檢查面，利用能譜分析夾雜物的化學(xué)成分，鑒定夾雜物的種類（見(jiàn)圖5）。

圖5 夾雜物掃描電鏡鑒別

（3）采用ProImaging 金相圖像分析軟件對(duì)每張圖片上的每種夾雜物進(jìn)行物相提取，測(cè)量每張圖片上每種夾雜物的面積（見(jiàn)圖6），統(tǒng)計(jì)每種夾雜物的總面積。

圖6 夾雜物相分類提取

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量金相樣品上過(guò)濾片的有效觀察長(zhǎng)度（實(shí)際弦長(zhǎng)），然后按公式（1）計(jì)算每種夾雜物的渣含量：

式中：Ii為第i種夾雜物的渣含量，單位為mm2/kg；Sij為第i種夾雜物在第j張金相照片中的面積，單位為mm2，j=1，2，3，…，n；w為通過(guò)過(guò)濾片的熔體重量，單位為kg；γ為過(guò)濾片的弦長(zhǎng)系數(shù)，γ=標(biāo)準(zhǔn)弦長(zhǎng)/實(shí)際弦長(zhǎng)。

（4）根據(jù)公式（2）計(jì)算熔體所有夾雜物的總渣含量：

式中：I為所有夾雜物的總渣含量，單位為mm2/kg；Ii為第i種夾雜物的渣含量，單位為mm2/kg，i=1，2，3，…，m。

2 熔體夾渣物鑒別

2.1 氧化鎂夾雜的鑒別

圖7為氧化鎂夾渣物金相圖。從金相圖片上觀察，氧化鎂的具體位置如圖中箭頭所示，灰度值比鋁基體低，呈黑色長(zhǎng)方形小顆粒；從掃描圖像上看出該成分呈棕色細(xì)小彌散顆粒，直徑1～5 μm。

圖7 氧化鎂夾渣物金相及掃描圖

使用掃描電鏡分析其化學(xué)成分，具體位置如圖7（b）中譜圖4所示，分析結(jié)果如表1所示。該成分由Al、Mg、O 三種元素組成，根據(jù)Mg、O 的比例，鑒定為MgO 夾雜。Al 元素比較高的原因是因?yàn)镸gO 尺寸非常小，電子束很容易打到Al 基體上面。

表1 氧化鎂夾雜化學(xué)成分

2.2 尖晶石夾雜的鑒別

圖8（a）為尖晶石夾雜的金相圖像，圖8（b）為對(duì)應(yīng)位置的掃描圖像。該夾雜常伴隨MgO、Al2O3出現(xiàn)，灰度值較低。金相圖像呈深棕色或黑色薄膜狀、棕黃色云朵狀，規(guī)整灰色圓環(huán)。掃描圖像呈深黑色薄膜狀、灰色云朵狀或規(guī)整灰色圓環(huán)，長(zhǎng)度幾十到幾百微米。

對(duì)其進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，具體位置如圖8（b）中譜圖3 所示，分析結(jié)果如表2 所示。Mg、Al、O 原子的比例接近尖晶石（化學(xué)式為MgAl2O4），所以鑒定此夾雜為尖晶石。

表2 尖晶石夾雜化學(xué)成分

2.3 氧化膜夾雜的鑒別

圖9（a）為氧化膜夾雜的金相圖像，圖9（b）為對(duì)應(yīng)位置的掃描圖像。從金相圖片和掃描圖片上觀察，該夾雜灰度值很低，呈黑色細(xì)紋狀或黑色細(xì)紋伴隨灰色斑紋狀，細(xì)紋長(zhǎng)20～200 μm，寬1～3 μm。

圖9 氧化膜金相圖及掃描圖像

使用掃描電鏡分析其化學(xué)成分，具體位置如圖9（b）中譜圖1所示，分析結(jié)果如表3所示。該成分由Al、O 兩種元素組成，根據(jù)Al、O 的比例，鑒定為Al2O3，所以該夾雜為氧化膜。

表3 氧化膜夾雜化學(xué)成分

2.4 二硼化鈦夾雜的鑒別

圖10（a）為二硼化鈦夾雜的金相圖像，圖10（b）為對(duì)應(yīng)位置的掃描圖像。從金相圖片上觀察，該夾雜呈圓滑、深灰色顆粒，呈片狀分布，有些顆粒粘結(jié)在一起。從掃描圖片上觀察，該夾雜呈光亮白色顆粒，呈片狀分布，顆粒直徑為1～3 μm。

圖10 二硼化鈦的金相及掃描圖像

使用掃描電鏡分析其化學(xué)成分，具體位置如圖10（b）中譜圖2所示，分析結(jié)果如表4所示。該成分主要由B、Al、Ti 三種元素組成。B 原子比例異常高，同時(shí)含有Ti的夾雜只有TiB2，所以鑒定此夾雜為TiB2，即為二硼化鈦夾雜。

表4 二硼化鈦夾雜化學(xué)成分

2.5 耐火材料夾雜的鑒別

圖11（a）為耐火材料夾雜的金相圖像，圖11（b）為對(duì)應(yīng)位置的掃描圖像。從金相圖片上觀察，該夾雜灰度值很低，表面光滑，呈不規(guī)則黑色塊狀，尺寸較大，幾十到幾百微米。從掃描圖片上觀察，該夾雜呈不規(guī)則灰色塊狀。

圖11 耐火材料夾雜的金相及掃描圖

使用掃描電鏡分析其化學(xué)成分，具體位置如圖11（b）中譜圖1 所示，分析結(jié)果如表5 所示。該成分主要由O、Si兩種元素組成，且此夾雜尺寸較大，含有Si元素一般為耐火材料，因此鑒定此夾雜為SiO2耐火材料。

表5 耐火材料夾雜化學(xué)成分

綜上所述，每種夾雜物在金相圖像和電子圖像上的特征與類別的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

（1）氧化膜-Al2O3。光學(xué)圖像和電子圖像均呈黑色細(xì)紋伴隨灰色斑紋。細(xì)紋長(zhǎng)20～200 μm，寬1～3 μm；斑紋區(qū)域：20～100 μm。

（2）氧化鎂MgO。光學(xué)圖像和電子圖像均呈棕色細(xì)小彌散顆粒和黑色長(zhǎng)方形小顆粒，直徑約1～5 μm。

（3）耐火材料SiO2/Al2O3/ZrO2/CaO/FeO。光學(xué)圖像呈不規(guī)則黑色塊狀，電子圖像呈不規(guī)則灰色塊狀，尺寸幾十到幾百微米。

（4）晶粒細(xì)化劑TiB2。光學(xué)圖像呈圓滑、深灰色顆粒，呈片狀分布，有些顆粒粘結(jié)在一起，電子圖像呈光亮白色顆粒，片狀分布。直徑約1～3 μm。

（5）尖晶石晶體/類尖晶石MgAl2O4（常伴隨MgO、Al2O3出現(xiàn)）。光學(xué)圖像呈深棕色或黑色薄膜狀、棕黃色云朵狀、規(guī)整灰色圓環(huán)，電子圖像呈深黑色薄膜狀，灰色云朵狀或規(guī)整灰色圓環(huán)。尺寸幾十到幾百微米。

3 熔體夾渣物測(cè)量

3.1 夾雜物相提取

采用ProImaging金相圖像分析軟件，對(duì)7055鋁合金熔體試樣金相圖像上的夾雜物進(jìn)行分類提取，如圖12 所示。測(cè)量每張圖片上每種夾雜物的相面積，不同顏色代表不同的夾雜物種類，相同顏色代表同一種夾雜物種類，然后統(tǒng)計(jì)每種夾雜物的總面積（見(jiàn)表6）。

表6 7055合金夾雜物相面積提取結(jié)果

圖12 7055夾雜物相提取示意圖（100倍）

3.2 夾雜物含量計(jì)算

根據(jù)公式（1）計(jì)算出每種夾雜物的渣含量，計(jì)算結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，7055鋁合金熔體總夾渣含量為0.0071 mm2/kg，熔體主要含有氧化膜、氧化鎂、尖晶石、TiB2、耐火材料夾雜。

4 結(jié)論

通過(guò)PoDFA 離線測(cè)渣分析方法對(duì)7055 鋁合金熔體的夾雜物進(jìn)行了鑒別，結(jié)果表明：

（1）7055 鋁合金熔體主要含有氧化膜、氧化鎂、尖晶石、TiB2、耐火材料夾雜。

（2）7055 鋁合金熔體中90%的夾雜主要為氧化鎂、尖晶石。這是因?yàn)殒V和氧易在熔體中發(fā)生反應(yīng)生成氧化鎂，當(dāng)熔體溫度高于700 ℃時(shí)，氧化鎂又與Al2O3發(fā)生反應(yīng)形成尖晶石。氧化鎂和尖晶石尺寸通常較大，硬度高，對(duì)材料組織性能產(chǎn)生不利影響。