（材料加工工程专业论文）熔体处理工艺对铸造铝合金缺陷与性能的影响.pdf

摘要 摘要 为了研究熔体处理工艺对铸造铝合金缺陷和性能的影响，自行设计制造了一套旋转喷吹装置， 实现对铝合金熔体的净化处理；考察了变质剂加入量与除湿、铝熔体静置时间以及铝熔体保温温度 对铝合金缺陷和性能的影响；探讨了微孔对铸造铝合金力学性能的影响。主要的研究结果如下： 热力学和动力学的分析表明，气泡脱离喷头时的切向速度越大，底部铝熔体的紊流程度越高， 气泡的直径就越小，分布就越均匀，旋转喷吹净化熔体的效果越好。可通过增加喷头的破碎能力和 搅拌能力加以控制。 变质剂经充分除湿后，可有效去除水分，变质处理时减小了铝熔体中的含气量，使a 3 5 6 铸造铝 合金的微孔缺陷减少，力学性能明显升高。优化了变质处理工艺，经变质以后铝合金中的硅相颗粒 细小、分布均匀。得出变质剂的最佳加入量为1 2 。 铝合金经热处理后抗拉强度和布氏硬度明显升高，断后伸长率下降。微孔的存在降低了铸态和 热处理后铝合金的力学性能，并降低了热处理后铝合金力学性能的增加幅度。 铝熔体精炼以后熔体的静置时间以及静置温度对a 3 5 6 铸造铝合金缺陷和性能影响很大。在相 同的保温温度下，铝合金力学性能随着铝熔体静置时间的延长先增加后减小，在铝熔体静置1 0 分钟 时出现最大值；铝合金试样的孔隙率和单位面积孔的个数随着铝熔体静置时间的延长先减小后增大， 在铝熔体静置1 0 分钟时出现最小值。铝熔体精炼后的最佳静置时间为l o 分钟。在相同的静置时间， 铝合金力学性能随着铝熔体保温温度的升高而降低，而孔隙率和单位面积孔的个数随着铝熔体的保 温温度升高而升高。在保证铝铸件的充型能力的前提下应尽量降低浇注温度。 通过熔体的处理，铝合金的孔隙率下降了9 0 左右，抗拉强度提高了2 0 左右，延伸率提高了 3 0 左右。通过实验数据推出了抗拉强度和布氏硬度存在的线性关系式、孑l 隙率和抗拉强度以及孔 隙率和布氏硬度之间存在的多项式关系式。 关键词：熔体处理：铸造铝合金：缺陷；微观组织；力学性能 摘要 a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fm e l tt r e a t i n gp r o c e s s e so nd e f e c t sa n dp r o p e r t i e so fc a s t i n g a l u m i n u ma l l o y , as e to fr o t a r yi n j e c t i o nd e v i c ew a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt oa c h i e v et h ep u r i f i c a t i o n o fa l u m i n u mm e l t t h ee f f e c t so ft h ea m o u n to fm o d i f i e r , t h em o d i f i e rd e h u m i d i f i c a t i o n ，h o l d i n gt i m ea s w e l la st e m p e r a t u r eo fa l u m i n u mm e l to nd e f e c t sa n d p r o p e r t i e so fc a s t i n ga l u m i n u ma l l o yw e r e i n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c eo fm i c r o p o r o s i t yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a s t i n ga l u m i n u m a l l o yw a sp r e l i m i n a r ys t u d i e d m a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h e r m o d y n a m i ca n dk i n e t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a ti n c r e a s i n gt h et a n g e n t i a lv e l o c i t yo fb u b b l e s e s c a p i n gf r o mt h ei n j e c t o ra n dt h ei n t e n s eo ft h et u r b u l e n c ea tt h eb o t t o mo ft h em e l tc a nm a k et h eb u b b l e b e c o m es m a l l e ri nd i a m e t e ra n dd i s t r i b u t em o r eh o m o g e n e o u s l y , a n dt h ee f f e c to fr o t a r yi n j e c t i o n p u r i f i c a t i o nb e t t e r i tc a nb ec o n t r o l l e db yt h ei m p r o v e m e n to f c r u s h i n ga n dm i x i n gc a p a c i t yo f t h ei n j e c t o r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea 3 5 6a l l o yc a nb ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yd u et ot h ed e c r e m e n to ft h e m i c r o p o r o s i t yi nc a s t i n gb yd e h u m i d i f y i n gt h em o d i f i e rs u f f i c i e n t l ys i n c et h eh y d r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h e m e l tc a nb er e d u c e dd u r i n gm o d i f y i n g 。a f t e ro p t i m i z i n gt h em o d i f i c a t i o np r o c e s s e s ，t h es i l i c o n p h a s e p a r t i c l e sw e r es m a l l e ra n dh o m o g e n e o u s l yd i s t r i b u t e d t h eb e s ta d d i t i o no fm o d i f i e ri s1 2 a f t e rh e a tt r e a t m e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n db r i n e l lh a r d n e s so ft h ea l l o yi n c r e a s e do b v i o u s l y , a n d f r a c t u r e de l o n g a t i o nd e c r e a s e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma l l o yb e f o r ea n da f t e rh e a t t r e a t m e n tw e r er e d u c e dd u et ot h ee x i s t e n c eo fm i c r o p o r e s ，a n dt h ee x t e n to ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i m p r o v e m e n ta f t e rh e a tt r e a t m e n tw a sa l s or e d u c e d t h eh o l d i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r eo ft h ea l u m i n u mm e l ta f t e rr e f i n e m e n th a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e d e f e c t sa n dp r o p e r t i e so fa 3 5 6a l u m i n u ma l l o y a tt h es a m eh o l d i n gt e m p e r a t u r e ，t h ev a l u eo ft h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf i r s t l yi n c r e a s et h e nd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h eh o l d i n gt i m e ，w h e r et h em a x i m u m v a l u ee x i s t sa tt h em o m e n to f10m i n u t e s t h ep o r o s i t yp e r c e n t a g ea n dt h en u m b e ro fp o r e sp e ru n i ta r e a f i r s t l yd e c r e a s et h e ni n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h eh o l d i n gt i m e ，w h e r et h em i n i m u mv a l u ee x i s t sa tt h e m o m e n to f 】0m i n u t e s s ot h eb e s th o l d i n gt i m ef o rt h em e l tw a s10m i n u t e s w i t ht h es a m eh o l d i n gt i m e i n c r e a s i n gt h ea l u m i n u mm e l th o l d i n gt e m p e r a t u r e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd e c r e a s e ，t h ep o r o s i t y p e r c e n t a g ea n dt h en u m b e ro fp o r e sp e ru n i ta r e ao fa l u m i n u ma l l o yi n c r e a s e o nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n g t h ef i l l i n gc a p a c i t y , t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r es h o u l db ed e c r e a s e d w i t hm e l tt r e a t m e n t ，t h ep o r o s i t yo fa l u m i n u ma l l o yc a s t i n gd r o p p e da b o u t9 0 ，t e n s i l es t r e n g t h i n c r e a s e da b o u t2 0 a n de l o n g a t i o ni n c r e a s e da b o u t3 0 b a s e do nt h ee x p e d m e n t a ld a t e s ，al i n e a r e q u a t i o nb e t w e e nt h et e n s i l es t r e n g t ha n db r i n e l lh a r d n e s sw a sd e d u c e d ，a n dap o l y n o m i a le q u a t i o n b e t w e e nt h ep o r o s i t yp e r c e n t a g ea n dt h et e n s i l es t r e n g t hw a sa l s od e d u c e d ，a sw e l la sb e t w e e nt h ep o r o s i t y p e r c e n t a g ea n db r i n e l lh a r d n e s s k e y w o r d s ：m e l tt r e a t m e n t ；c a s t i n ga l u m i n u ma l l o y ；d e f e c t s ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：l 盘盔j 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 铸造铝合金由于密度小、导热性好、易于成形等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、机 械等领域，是轻合金中应用最广、用量最大的合金，成为仅次于钢铁的第二大金属材料，其种类繁 多的铸造方法也是其它合金无法比拟的i l 。j 。 近年来，能源问题和环境问题日益突出，零件轻量化技术受到各国的重视，铝、镁等轻合金随 之发展迅速【4 1 。随着现代工业与铸造新技术的飞速发展，对铸造铝合金的需求将会越来越大，在制 作形状复杂、比强度要求高的零件时，广泛采用铸造铝合金。在全球范围内，铝铸件的产量从1 9 9 5 年的6 4 0 万吨增加到1 9 9 9 年的7 9 0 万吨，业界预计至u 2 0 1 4 年将提升到1 2 0 0 万吨的水平。但实际上，铝 铸件的增长远远超出了人们的预测，如2 0 0 4 年和2 0 0 5 年世界的铝铸件产量分别达到1 0 3 4 万吨和11 7 2 万吨( 含少量镁合金) i 5 , 6 1 。 从长远发展来看，汽车数量的增长与铝铸件的上升处于平行地位。在世界范围内，汽车工业正 迅猛发展，欧美国家的汽车公司，如美国通用汽车公司、福特汽车公司和德国大众汽车公司、宝马 汽车公司等都在强化和开发铝部件在汽车上的应用。汽车轻量化的要求极大地推动了铝铸件的应用， 铝合金铸件在汽车零件中所占的比重将越米越大。铸造铝合金在汽车中的应用以在发动机中的应用 最为典型。其中包括铝活塞、铝缸盖、铝缸体等部件。此外，在变速箱壳体、轮毂等上也有应用。 全铝发动机是目前世界各国汽车轻晕化中所采取的重要手段和方法，和用普通钢铁材料制造的发动 机相比，轿车用全铝发动机后可减重3 0 千克以上1 7 j 。 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，但其研究与应用也面临着严峻的挑战。首先，随着现代 工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性等要求越来越高，同时对合金力学性能的要求不断提高。如 何使传统的铸造铝合金在新世纪继续保持发展势头，如何开发研制新合金满足各种需要，使得铸造 铝合金这种传统的合金材料焕发新的光彩，是摆在我们面前的重要课题。几十年来，围绕铸造铝合 金成分、组织、性能进行了大量的研究，使传统的铸造铝合金综合性能上了一个新台阶。其中研究 和应用较多的是a 1 s i 系合金和a i c u 系合金。 铸造a 3 5 6 铝合金是美国牌号的多元铝硅镁合金，属于亚共晶可热处理强化铝一硅系合金，成分如 表1 1 所示。它通过采用电磁搅拌，利用隋性气体喷射气流，在熔炼炉里对热铝液进行精炼处理铸造 而成。其精炼包括除气、除渣两方面，工艺流程：烤硅、入铝镁熔化、加钛剂、一次精炼、扒渣、 炉前分析、成分调整、静置、二次精炼( 变质) 、二次静置、浇铸。a 3 5 6 铝合金有良好的机械性能 和抗蚀性能，其流动性、填充性好，采用锶变质或其它方法变质后铸态强度可达到1 5 0 m p a 以上，硬 度在h b 5 0 以上，延伸率在5 以上，主要用来制作汽车轮毂，也被广泛片j 于轮船及汽车上的某些高 要求的复杂铸件。 表1 1 铸造a 3 5 6 铝合会的化学成分( 质量分数) 旦垒堡! ：! ! ! 翌堡垒! 1 2 翌p 2 1 i ! i 竺翌2 1 坐! ! 箜! 笆i 鱼璺! 坚巴i 翌坠翌垒! ! 竺zl 兰翌丝 s i m g f et is r 其他元素a l 7 2 00 3 9o 0 9 0 1 3 5 0 1 0 6 o 0 5 b a l a n c e 与此同时，铝合金的铸造工艺技术和熔体处理技术也飞速地发展捧j j ，一方面这些先进的合金液 处理技术提高了合金性能及铸件的整体性能，并且利于生产和环境保护。另一方面，铸造工艺技术 的完善有利于提高铸件产品的质量，减少废品率。 而铝合金中气孔、夹杂物等主要缺陷严重影响铝及其产品的质量，尤其对一些高性能锅铸件的 应用场合。然而科学技术和工业生产的发展，特别是航空、航天、电子工业等的发展，对铝材的纯 净度提出了越来越高的要求。铝材中的缺陷形成于材料铸造的过程，为了减少或消除铸造铝合金的 缺陷，有必要对合金铸造工艺进行优化，因此，对铸造工艺对铝合金缺陷和性能的影响进行深入的 探讨具有十分重要的意义。 1 2 铝合金熔体中的气体和夹杂物 1 2 1 铝合金熔体中的气体 铝合金熔体中的气体主要是氢气( 约占8 0 一9 0 ) t 1 0 】，其次是氮气、氧气、氧化碳等。氢是 唯一大量溶于铝熔体中的气体。氢在铝合金熔体中主要以下列几种形式存在i l l j ：原子态，即 h 】溶 1 东南大学硕士学位论文 解于铝熔液中：分子态，h 以h 2 存在于a 12 0 3 的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡；化合态，氢原 子与铝液中的某些元素形成氢化物。其中只有氢分子可能形成气孔。氢分子与氢原子处于动态平衡 状态，即2 h h 2 。在金属结晶过程中，氢原子，氢分子和氢化物分别以不同形式析出：氢原子扩 散至金属表面，然后脱离吸附状态( 蒸发) ；氢分子以气泡形式从金属液排除；氢化物以非金属夹杂物 形式排除。气泡从金属液中上浮析出时，其中一部分气泡未能上浮至液面，以氢分子态的形式留在 金属液中使铸件产生针孔。 氢几乎不溶于固态铝，而在液态铝中的溶解度很大，并随温度的升高而增长。r a n s l e y 与s i g w o r t h 等人通过大量精细的试验，得出了一些关于氢在纯铝中的溶解度的试验数据，如图1 1 所示。 l1 0 01 5 0 0 t e m p e r a t u r e0 f ) 图卜1 氨在铝液中的溶解度i 1 2 1 3 l f i g 1 1s o l u b i l i t yo f h y d r o g e ni na l u m i n u ma l l o ym e l t 由于溶解度的不同，氢气就倾向于从熔体中逸出，当氢气压力大于表面张力和液体静压力时即 形成气泡，进而在铸件或铸锭中产生气孔。多年的研究和实践已经确认：铝合金熔体中氢的主要来源 是铝液与水汽的反应。在高于4 0 0 时，铝和空气中的水蒸气接触后产生下列反应i l z j ： 3h 2 o + 2 a 1 = a 1 2 0 3 + 6 h 】 ( 1 1 ) 3h 2o + 2 a 1 = a 1 2 0 3 + 3 h 2 ( 1 - 2 ) 生成一部分氢原子和一部分氢分子，前者为铝液吸收，后者进入空气。通过热力学计算可以得出， 在a i h 2 0 一h 2 体系内，即使水蒸气压很小，平衡氢分压也可达到很高值，足以加速氢原子在铝液中 的扩散。假设7 2 7 时大气中水蒸气分压为1 3 3 3 2 2 1 p a ，那么，在铝液气体界面上的氧分压可达到 8 9 1 0 2m p a ，铝液中含氢量可达到3 2 1 1 0 叫e m 3 1 0 0 9 l i4 。 在产生氢的同时，也生成氧化膜，该氧化膜不破裂，因此它在一定程度上可阻止上述反应的进 行。从上述氢气的来源和进入铝液的过程可以看出，影响铝液吸附氢气的因素不外乎两个：( 1 ) 铝 液周围的水蒸气含量；( 2 ) 铝液表面氧化膜的致密程度。随着空气中含水量的不断变化，铝液中的 含氢量也在不断变化，进而气孔量也随之变化。冬天空气中含水量为3 4g m 3 。夏天达1 8g m 3 以上，相应地，在空气湿度最大的夏季铸件产生的气孔最多i l4 i 。若铝合金液表面具有致密的氧化膜 时，就能显著地减缓铝一水蒸气反应强度。 l ao r c h a n 等的研究表明i l 引，当铝液中的氢含量从0 2 0 m l 1 0 0 9 降到0 1 0 m l 1 0 0 9 时，各种处理 方法对显微缩松无论在形态上还是在数量上均无影响。e m a d i 等的研究表明i l6 | ，在冷却速度恒定的 情况下，孔隙度和孔洞尺寸随氢含量的增加而增加，特别是在冷却速度小于1 s 时。s h i v k u m a r 等 的研究表明i l7 i ，孔隙度与初始氢含量成正比，与冷却速度成反比。对应一定的冷却速度存在一个临 界氢含量，在此浓度时形成一定数量的孔隙，临界氢含量随冷却速度的增大而增大。 由氢在铝熔体中的存在机理可以看出影响氢含量的因素归纳起来有以下三点： ( 1 ) 合金元素的影响 硅、银、铋、锡、镉等元素会降低氢在铝液中的溶解度，镍、锰、铬、铈、钍、钛、镁则增大 氢的溶解度。硅、锌对氢在铝中的扩散影响很大，且会明显降低氢在凝固的铸件中的溶解度，而在 铸件中形成气孔。铝熔体中存在镁、铜合金元素，使熔体表面氧化膜变得疏松，成不致密的尖晶石 2 第一章绪论 膜( a 1 2 0 3 m g o ) ，进而促进铝与水气的反应。添加微量的铍可改善表面氧化膜的结构，减缓铝与水 气的反应。 ( 2 ) 工艺参数的影响 根据彭学仕等人的研究1 引，氢在铝液中的溶解度随着温度的升高而明显增大。熔炼时间越长， 熔体氢含量也越高。 ( 3 ) 炉料质量的影响 炉料质量的高低对铝合金的含气母影响相当大。炉料质量包括炉料的比面积大小、潮湿和腐蚀 程度、油污和尘埃弄脏程度等。炉料比表面积增大和潮湿都将使炉气中的水分压增加，从而提高熔 体的含氢量。 1 2 2 铝熔体中的夹杂物 研究表明，夹杂的存在明显降低形成气孔的临界氢含量。在夹杂含量极低的情况下，形成气孔 的临界氢含量可以达n o 3 0 m l 1 0 0 9 i 】引。l a s l a z 等对a 3 5 6 和a 3 1 9 合金的研究表明，在相同的氢含量下， 向铝液中加入废屑或通过搅拌加剧氧化时，孔隙度显著增加，不仅表现为气孔数量的增加，而且气 孔尺寸增大。在夹杂较多时，气孔呈圆形，说明气孔是在凝固前期依附于夹杂形成【2 引。实践证实， 夹杂尤其是氧化物夹杂是气孔形核的有效基底，这是因为氧化物夹杂与铝液的润湿性较差，随着温 度不同，润湿角在1 1 5 1 6 7 度之间，而氧化物含有大量微孔和裂纹，这对气孔形成非常有利。m o h a n t y 等认为，只有那些被液固界面所推移的夹杂才可以成为气孔的异质形核基底，丽被液周界面所 捕获的夹杂对气孔的形成没有影响 2 1 ，2 2 j 。夹杂成为气孔异质形核基底的热力学上的可能性由夹杂与 固相和液相之间的净界面能oo = op s - op l 决定( o ，。和op 1 分别为夹杂与固相、夹杂与液相之间的 界面能) ，并与夹杂的形态、大小、密度以及凝固条件有关。相同的夹杂在不同条件下还表现出完全 不同的行为，女n a h 0 3 、s i c 在亚共晶a 1 s i 合金中可以作为气孔核心，而在过共晶a 1 s i 合金中成为初 晶硅的核心，从而对气孔的形成不起作用。 铝中一般含有质量分数为0 0 0 2 , - 0 0 2 0 的a h 0 3 ，从存在形态上，人们常把这些夹杂分为2 大 类：大块夹杂和弥散状夹刹2 3 j 。根据福州大学康积行【2 4 】的观点应分为三类： ( 1 ) 分布不均的大块夹杂( 尺寸一般大于2 0 衄1 2 引，此类夹杂虽然危害大，但易除。 ( 2 ) 分布均匀的、采用净化处理可除的细片状夹杂( 尺寸一般在1 0 - 2 0n m ) 川。 ( 3 ) 分布均匀的、采用净化处理也难以除净的弥散于铝中的微片状夹杂( 尺寸一般小于1 0 n m ) 1 2 5 。 这类杂不仅是恶化合金的主角，也将成为遗传的主体，直接影响后序合金的质量，这一点常被人们 所忽视。 固态铝在其氧化过程中，表面形成一层非晶态的、不均的、疏松不连续的a h 0 3 氧化膜，其厚度 为2 1 0 n m ，当接近熔点时，会增厚至u 2 0 0 n m t 2 6 j 。铝液表面上的氧化膜与固态铝的氧化膜相比，不仅 大大增厚了，其结构也变了，靠铝液一侧还是致密的，但它的外侧则是疏松的，内有5 1 0 n m 的小 孔，被氢气、水气、空气所充满。据测内含1 2 的水气( 质量分数) ，如被搅入将导致铝液被氢气 和氧气双重污染。弥散于铝液内的a 1 2 0 3 ，其空间结构可用图1 2 示意1 26 | 。图1 2 ( a ) 表示了在铝晶格 上铺出一个单元氧化物晶胞，形成六角形棱柱体，其内部棱边的铝原子，由于周同存在着很近的氧 原子( 是强烈的电子受体，具有剩余的负电荷) ，因此与基体中的铝原子相比将带有更多的正电荷；此 时，在a i ，a 1 2 0 3 界面上出现了附加的空心体积a a a ”，呈三角棱形，分布在三个铝的面心立方之 间( 简称“窗”) ，因棱柱顶上的铝原子比a - a 多一个连结点，据化学键学说，将发生电子云的浮散而 增大了正电性。 可见，铝晶格在a 1 2 0 3 周同的重新组合和电子密度的重新分配，将在a 1 a h 0 3 界面上形成双电子 层使铝液中的a h 0 3 具有高的稳定性，阻碍了a 1 2 0 3 上浮或下沉；同时，形成“窗”的铝原子带有正电 荷，将是电子的受体，在其上面会出现氢电子密度的重新分配，成为吸附氢的活性中心，可称为“吸 附窗”，将为氢气泡的形核提供基底。当紧密结构的a h 0 3 尺寸增大时，棱柱体( a 1 2 0 3 晶胞) 将长大， 但此时的“吸附窗”数目并不增加，见图1 2 。显然“窗”的数目与杂的大小无关。因此可以认为， 含杂鼍相同时，尺寸细小弥散的杂的数目较尺寸大的杂明显增多，因而“吸附窗”数目也就明显增 多，吸氢倾向就越大。 3 东南大学硕上学位论文 d 0 r 鼻 ( a ) a 1 2 0 3 晶格( b ) a 1 2 0 3 晶格附生图 图1 - 2a 1 2 0 3 的结构示意图【2 8 1 f i g 1 2s t r u c t u r eo f a l 2 0 3 在上文已经提到过，铝合金中氧化物夹杂含量和氢含量有很大的关系，这已经成为不争的事实。 山东大学丛红日等【27 j 经过研究指出，( 1 ) 铝合金中的夹杂物对其含氢量影响很大。当夹杂沾污度达到 2 5 时，熔体含氢量就会增加3 倍以上，且随夹杂沾污度的增加，含氢晕持续上升。( 2 ) 随夹杂物尺 寸的增加，熔体含氢量旱直线上升。( 3 ) 随温度升高，熔体氢含量也随着增大，而大块夹杂物因所受 浮力增加而导致其含量有所降低。 至于杂气相互作用机制，许多学者提出了不同的学说，诸如机械作用、静电作用、化学作用、 吸附作用、界面形核机制、复合物理论、气窝机制等1 2 8 , 2 9 。这些看法，有的虽然只是推理，未被试 验所证实，有的还不能解释问题的全部，但从某一侧面进行论证，是有一定的道理的，而且对指导 铝熔体净化的工艺设计有重要意义。 由于实验测定氧化物夹杂与铝液之间润湿角为11 6 1 6 7 0 【2 3j ，并且氧化物夹杂中含有大量孔隙和 裂缝。按照凹槽形核机制一般认为，夹杂可以为气孔提供有效的异质核心。 福州大学康积行提出“寄生机制” 2 8 】认为氢在铝熔体中形核并产生针孔缺陷是由于氢与夹杂之 间的寄生形核方式造成的，在某些微片状夹杂周闱会出现非平衡态的微观氢富集区，在夹杂与氢之 间综合力场( 如静电力场、吸附力场及化学物理能等) 的作用下，使氢原子不断富集到夹杂处，当 氢分子达到一定体积浓度后，借助夹杂的现成界面自发寄生形核，并进一步长大形成微气泡。这种 带有微气泡的夹杂物密度与铝熔体相当，很容易残留在熔体中形成针孔。 有研究表明对含m g o 1 的铝合金，如果其中夹杂物含鼍超过0 0 1 ，铸锭中不出现针孔的极限 含氢量要降低到o 0 5 - 4 ) 0 6m l 1 0 0 9 a l ，这在工业生产中很难实现。但也有研究指出相同的夹杂在不同 的条件下对氢形核的作用不同，如a l z o ，和s i c 在亚共晶a 1 2 s i 合金中可作为气孔形核核心，但在过共 晶合金中则不能3 0 1 。 1 3 铝熔体精炼简介 铝合金熔体精炼方法可概括于图1 3 。按照工艺节奏分为在线式和间歇式两种。在线式连续除气 法由于除氢效果好，能够保证熔体较好的质量而且比较稳定，对环境无危害，因此在大型铝加1 二企 业中获得广泛应用。按照作用原理可分为吸附精炼和非吸附精炼两种方法1 3 1 | 。吸附精炼是指通过铝 合金熔体直接与吸附剂( 如各种气体、液体、同体精炼剂及过滤介质) 相接触，使吸附剂与熔体中的气 体和固体夹杂物发生物理化学的、物理的或者机械的作用，达到除气、除杂的目的。属于吸附净化 的方法有：吹气法、过滤法、熔剂法等。非吸附精炼是指不依靠向铝合金熔体中添加吸附剂，而是 通过某种物理作用( 如真空、超声波、密度差等) ，改变金属体系统或者金属夹杂物系统的平衡状态， 从而使气体和夹杂物从铝合金熔体中分离出来的方法。属于非吸附净化的有：真空处理、超声波处 理、静置处理等。 4 第一章绪论 精炼 吸附精炼 仁吸附精炼 氮、通氯 b 上吐 剂 性介质 活性介质 广稀土合金除氢 化学方法 钛屑处理 l 直流电除氢 广真空处理 物理方法+ 超声波处理 l 旋转电场 图1 3 精炼方法 f i 2 1 3r e f i n i n gm e t h o d 1 3 1 吸附精炼法 1 ) 吹气法( 气体浮游法) 吹气法是将惰性气体( 如氩气等) 、氮气等通入到铝合金熔体中，形成气泡，熔体中的氢在分压差 的作用下扩散进入气泡，并随气泡上浮并排出，达到除气的目的。气泡在上浮的过程中还能吸附夹 杂物，起到除渣作用 3 2 , 3 3 】。吹气法源于2 0 世纪7 0 年代【3 4 1 ，按气体的导入方法可分为：单管吹气法、 多孔喷头吹气法、固定喷吹法和旋转喷吹法等等。其除气效果一方面取决于惰性气体的性质及纯度； 另一方面取决于气泡在铝合金熔体的分散均匀程度、气泡的大小、气泡在铝合金熔体中的滞留时间 等，气泡越小、分散越均匀、上浮速度越慢，则除氢效率越好。到目前为止，旋转喷吹法是吹气法 中除氢效果最好的方法之一i 0 。 旋转喷吹法，主要是依靠转头的形状以及高速旋转的速度来打破气泡并控制气泡的大小和分布 的。转头是此项技术的核心，不同的转头，产生气泡的大小不同，但产生的气泡大小均为m m 级。 转头转速一般在3 0 0 - - - 5 0 0 转分钟，吹气压力在2 3 个大气压之间。其缺点是：除气效率在7 0 以 下，气泡不够小，达不到1 m 级，这是由转头的形状所决定的：转头转速过高，容易引起熔体翻腾， 产生吸气现象，也会使熔体中心区域压力降低，产生合泡现象i j 。 2 ) 过滤法 过滤法是指让铝合金熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮在熔体中同体夹杂物 的净化方法。过滤材质采用玻璃布、刚玉球以及泡沫陶瓷。过滤法主要是除去熔体中的夹杂物及吸 附寄生在夹杂物中的氢，过滤方法有多种，其中效果最好的有过滤管法和泡沫陶瓷过滤板法【3 引。 床式过滤器体积大，安装和更换过滤介质困难，仅适用于大批单一合金的生产其最新进展是挪 威科技大学等单位正在研制的紧凑深床过滤器。该装置中铝合金熔体向下流动，装置底部中央由一 透气塞导入惰性气体，与透气塞上方的铝合金熔体上升管形成气体提升泵，目的是提高过滤能力的 同时，更有效利用过滤球。此装置小巧紧凑，便于填装，易于清空和移动等操作1 3 引。 刚玉管过滤器过滤效率高，但价格昂贵而且使用不方便，目前仅日本采用。相反，泡沫陶瓷过 滤器使用方便，过滤效果好，价格低，已得到广泛应用。发达国家中5 0 以上的铝合金熔体都采用 泡沫陶瓷过滤板过滤。该技术发展迅速，为满足高质量产品对熔体质量的要求，过滤板的孔径越来 越细。国外产品己形成1 5 - 7 0 p p i 等多种规格，同时还有不少新产品面世，较有发展前途的是s e l e e 公司的复合过滤板，该过滤板分为上下两层。上面一英寸的孔径较大，下面一英寸的孑l 径较小，品 种规格有3 0 5 0 ，3 0 6 0 ，3 0 7 0 p p i 等等，复合过滤板较普通过滤板效率高，通过的金属量更大。另一 种是v e s u v i u sh i t e c hc e r a m i c s 生产的新型波浪高表面积过滤板，此种过滤板的表面积比传统过滤板 高3 0 0 ，金属通过量得以增加。国内9 0 年代初开始研制生产泡沫陶瓷过滤板，目前生产厂家众多， 5 东南大学硕士学位论文 规模都较小，由于工业基础差，技术落后等原因，尚未生产出规格达4 0 p p i 的产品，而且普遍存在 盲孔、通孔较多等缺点，有待于进步提副4 0 1 。 3 ) 熔剂法 按铸造名词国家标准，铝合金用熔荆分类如图1 4 ：除气熔剂( d e g a s s i n gf l u x ) 是指用来除去熔融 金属和合金中气体的物质，主要包括：( 1 ) 气态熔责i j ( g a s e o u sf l u x ) ，由最初的单一气体n 2 ，c 1 2 等，发 展到近年来的混合气体，如5 0 c 1 2 + 5 0 n 2 、1 5 c 12 + 11 c o + 5 0 n 2 、2 c c l 2 f 2 + 2 3 c 0 2 + 7 5 n 2 等；( 2 ) 液态熔责：u ( 1 i q u i df l u x ) 如c c l 4 、t i c l 4 等；( 3 ) 固态熔责：l j ( s o l i df l u x ) 如c 2 c 1 6 、m n c l 2 、n a a a l f 6 等。 图1 - 4 铝合金用熔剂分类图 f i g 1 - 4 t h es o r t so ff l u xu s e df o ra l u m i n u ma l l o y s 覆盖熔费i j ( p r o t e c t i o nf l u x ) 是指用来覆盖在金属熔池表面，形成液态隔离物的物质，不仅能够隔离 大气，减少大气对金属的作用，有的还能促进冶金反应。熔剂要求表面张力小，防护力和覆盖能力 大，因此覆盖熔剂熔点较低，如某些氯盐和光卤石( m g c l 2 k c l ) 、m g c i 2 ( 3 3 ) + k c i 等。覆盖剂表 面张力太小，不利于扒渣，因此对表面张力太小的覆盖剂需要添加稠化剂，如c i f 2 ，m g o 或m g f 2 等。氟盐、三价碱土金属与铝合金熔体之间的界面张力比氯盐、碱金属要大，故覆盖剂中常含有 n a f a i f 或n a s i f 6 等。 精炼熔剂( r e p i n i n gf l u x ) 主要是用来清除熔体中的非金属夹杂物的物质，如高温盐经熔化后制得 的过滤体。精炼是指利用各种添加剂和化学复合物对铝合金熔体进行处理。这些复合物通常是无机 物而且具有多项功能，像除气、净化及合金化功能等。净化是指用活性或惰性气体除去熔体中的夹 杂物及气体等。 在露天的开口炉中熔化铝时，一般在熔体表面上加n a c i k c l 盐覆盖剂，以减少铝合金熔体的 氧化并促进铝合金熔体的凝聚提高金属的回收利用率。另一方面，熔剂也通常用来清除炉壁的氧化 层以减少氧化夹杂物。它还能有效地除去铝合金熔体中夹渣杂质的含量，并减少撇铝的数量。 1 3 2 非吸附精炼法 非吸附精炼法包括：静置处理、真空处理、超声波处理等方法。静置处理是指将铝合金熔体在 浇注前静置一段时间，由于夹杂物的密度比铝合金熔体的大，所以夹杂物会自发下沉，从而达到从 熔体中分离的目的，但小颗粒夹杂难以用该法去除。真空处理是指将熔体置于有一定真空度的密闭 保温炉内，利用氢在熔体中和密闭容器中的分压差，使熔体中的氢不断生成氢气，并上浮溢出液面 而被除去的方法。真空处理是降低铝合金熔体中的含氢量的最有效方法，但是这种方法需要真空密 封设备，价格昂贵，而且造成熔体温度的损失较大，除渣能力有限。超声波处理是2 0 世纪9 0 年代 发展起来的一项新的铝合金熔体净化技术，其原理是利用超声波在熔体中的空化作用，使液相连续 性破坏，形成空穴，该空穴使溶解在铝合金熔体中的气体聚集在一起，超声波弹性振荡能够促进气 泡结晶核心的形成，并促使气泡聚集到一定尺寸，从而保证了气体的析出。由于超声波发生器具有 一定的局限性，使得该方法很难处理大批量的铝合金熔体，限制了其在工业中的应用。 1 3 3 国内外铝熔体旋转喷吹除气净化设备的简介 铝合金熔体旋转喷吹除气净化法用旋转喷头从铝合金熔体底部喷出气体熔剂，在喷头旋转过程 中，由喷头叶片喷出的流体，产生强烈的紊流，可以产生比单管或多管更加细小的气泡，同时，旋 转喷头高速旋转可使气泡均布、弥散，先被辐射状喷射出去，并在离心力及上浮力的联合作用下沿 螺旋状路线上浮至表面，从而有效地增大了气一液接触界面，促进了气一液界面的更新，延长了气 液界面的接触作用时间，显著改善铝合金熔体净化的动力学条件，从而可以获得极佳的净化效果， 6 第一章绪论 已经成为国内外公认的铝合金熔体的高效除氢技术，受到更多用户的青睐。采用旋转喷头喷吹气体 熔剂的方法已经成为国内外铝合金熔体净化技术的重要发展趋势。国外已经有许多专利产品出现， 例如：美国联合碳化物公司的s n i f 法、法国彼西涅公司的a l p u r 法、英国f o s e c o 公司的r d u 、 美国h i t c h c o c k 公司的r i d 法、澳大利亚p y r o t e c k 公司开发的旋转喷射熔剂法的系列设备、意大利 铝业公司工艺研究部( c e n t r ot e c n i c op r o c e s s i ，a l u m i n l as p a ) 研究和开发的a l u d e f ( 铝 除气与过虑) 等。 国内也在引进一些国外的先进净化技术和设备的基础上，开始了铝合金熔体净化技术的研究。 例如：大连理工大学与华东铝加工厂设计研制了d u t - 8 9 铝液净化设备、西南铝加工厂消化吸收m n i t 后对其改型研制的d f u 、东北大学与石家庄铝厂研制的d g l j 精炼装置、琢神公司在消化吸收 a l p u r 的基础上开发的c q 5 0 0 精炼装置等。 1 4 铝合金的铸造缺陷对力学性能的影响 力学性能主要由合金成分以及热处理工艺所决定，但铸件结构的完整性也有较大影响。疏松是 指当熔体结晶时，由于基体树枝晶间液体金属补充不足或由于存在未排除的气体( 主要是氢气) ，结 晶后在枝晶内形成的微孔。疏松对力学性能的损害是公认的事实。l e e 等【4 l j 研究t a 2 0 6 t 6 合金 a 1 4 5 c u 0 3 5 m n 0 2 5 m g ) 铸件的疏松与力学性能的关系，通过回归分析得到了抗拉强度o b 与孔隙度 ( p ) 及晶粒尺寸( d ) 的关系为： ， 仃k = 2 8 2 0 3p - o 1 4d - o o ” 式中口。抗拉强度，m p a 卜孔隙度， d 一代表枝晶单元尺寸，m m 上式中孔隙度的指数约是枝晶单元尺寸指数的3 倍，表明疏松对抗拉强度的影响大于晶粒尺寸。 由式可见，显微疏松对抗拉强度的影响大于晶粒尺寸1 4 2 | 。 e a d y 等1 4 3 】研究了显微疏松对a 1 7 s i ( c p 6 0 1 t 6 ) 合金拉伸性能的影响，发现随着显微疏松的增 加，抗拉强度、屈服强度和伸长率均降低( 抗拉强度、屈服强度随孔隙度的变化情况如图1 - 5 所示) ， 但对屈服强度的影响不大1 4 3 | ，而气孔形状对拉伸性能没有明显影响。 置 酱 曩 孔辣寝f ) 图1 5c p 6 0 1 t 6 合金显微疏松与强度的关系 f i g 1 - 5t h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t ha n dm i c r o - p o r o s i t yo f c p 6 0 1a l l o y s a m u e l 等t 4 4 j 对a 3 1 9 合金的研究也得到