排杂熔剂对a356铝合金的净化效果研究

排杂熔剂对a356铝合金的净化效果研究

汽车的铝车轮正在转向直径大、轻量、高强度和美观化的方向。铸造铝轮毂的传统材料为A356铝合金,即Al-Si-Mg系合金。铸造铝合金由于具有优异的铸造性、良好的耐腐蚀性、高的强重比和低的铸件制造成本等特点在汽车和航空工业上得到了广泛应用。在汽车铝轮毂生产的熔炼阶段,铝液易氧化、吸收气体,在铝液中极易形成夹杂物及在凝固过程中形成气孔,出现裂纹源和硬质点,导致加工性和表面光洁度变差,降低汽车轮毂铸件的力学性能。氢和非金属夹杂可能会导致熔体流动性下降,促进疏松形成,降低合金铸造性能。铝及其合金液中夹杂物主要是氧化物夹杂,由于其凝固收缩,同时在熔融状态下很容易融入氢,会导致铝液脱氢困难,气孔等缺陷增多,继而引起铝合金铸件的力学性能下降,因此铸造A356铝合金不可避免地存在一定数量的缺陷,如空隙、孔洞和非金属夹杂物等。因此,铝轮毂铸造A356铝合金熔体净化的研究在工业生产上具有重要意义。本实验针对A356铝合金熔体处理的不足,研究铝熔体净化处理技术,并对比分析净化效果的机理,获得较理想的熔剂及其添加量,为发挥材料的潜能并提高汽车轮毂内在冶金质量奠定了基础。1熔剂与铝合金的冷却温度实验选用的合金材料为铸造铝轮毂用的A356铝合金,其化学成分见表1(质量分数/%)。本实验首先分别采用常规熔剂和排杂熔剂对A356铝合金进行熔体处理并取样(熔剂加入量为2%)。选用净化效果较好的熔剂对A356铝合金进行净化处理并取样(熔剂加入量为1%、3%),熔炼温度740℃,熔炼时间20min。实验铝锭在3kW的SG-Y5-10电阻坩埚炉中进行熔炼,用NiCr-NiAl热电偶与DRZ-4型电阻炉温度控制器进行温度测定及控制,采用ELH-IV型测氢仪测铝熔体含氢量。铸锭均采用金属型浇注,其规格为165mm×70mm×20mm;采用熔剂冲洗法测定试样中的夹杂物含量。从铸锭中截取金相试样,在XJG-5型金相显微镜上观察与分析,并在INSTRON-1185型电子万能材料试验机上进行力学性能试验。2结果与分析2.1金相组织的组织图1为A356铝合金经不同熔体处理后的显微组织形貌(熔剂加入量为2%)。不同熔体处理A356合金的净化效果见表2。由图1可以看出,未经熔体净化处理的A356铝合金金相组织中有较大的块状夹杂,显微组织中出现针片状的共晶硅相,棒状枝晶粗大且晶间排列较规则。常规熔剂处理后的金相组织中,有块状的夹杂,其数量较少但部分尺寸较大,枝晶呈等轴状且大小均匀。与未处理和常规熔剂处理相比,A356铝合金经排杂熔剂净化处理后,夹杂物明显减少,在金相图上看不到明显的块状夹杂,夹杂物细小且弥散分布,细小等轴状枝晶分布均匀。由表2可以看出,采用常规熔剂处理的含杂量为0.46%,除杂率与除氢率不高,净化处理效果不明显。采用排杂熔剂处理的除杂率高达71.05%,并具有较好的除氢效果。因此,本实验研究排杂熔剂的加入量对A356铝熔体净化处理效果的影响。2.2熔剂加入量对全轴聚合反应的影响在前面实验的基础上,探讨排杂熔剂加入量对铸造铝轮毂用A356铝合金净化效果的影响。图2为经不同加入量的排杂熔剂净化处理后A356铝合金的金相显微组织,可以看出,未加排杂熔剂时,夹杂尺寸粗大且聚集成团,有明显的粗大棒状树枝晶;加入量为1%时,颗粒状氧化夹杂多且分布均匀,棒状树枝晶与等轴状树枝晶大量存在并聚集成团;加入量为2%或3%时,在金相图上看不到明显的块状夹杂,夹杂物细小且弥散分布,枝晶呈等轴状且分布均匀。其中加入量为3%时的等轴晶晶粒较粗大。可见,排杂熔剂的加入量影响着A356铝合金的净化效果表3,进而影响其力学性能(见表3)。由表3可以看出,与加入量0%相比,增加排杂熔剂的加入量,会产生不同程度的净化效果。加入量为1%时,除杂率为49.12%,除氢率为27.27%;加入量为3%时,除杂率与除氢率有所提高。当加入量为2%时,其除杂率可达71.05%,除氢率达45.45%。另外,与加入量0%相比,增加排杂熔剂的加入量,对力学性能也产生不同的影响,加入量为1%时,强度提高了6.74%,塑性提高了42.30%;加入量为2%时,强度提高了13.79%,塑性提高了129.07%;加入量为3%时,强度提高了11.39%,塑性提高了109.98%。在3种加入量中,加入量为1%时的力学性能提高幅度最小;加入量为2%时的力学性能提高最明显。图3为熔剂加入量与A356铝合金含杂量、含氢量及抗拉强度、延伸率的关系。由图3可以看出,经不同添加量熔剂的净化处理后,A356铝合金的含氢量及含杂量随熔剂添加量的增加而降低,达到一定值后升高,对应铸锭的抗拉强度和延伸率呈下开口抛物线,即先升高后降低。熔剂加入量为2%时,A356铝合金的夹杂量和含氢量最低且具有较高的抗拉强度和延伸率。由以上的实验分析可知,排杂熔剂的净化效果最明显,但在熔炼要控制好熔剂的加入量。添加量少,达不到净化效果,加入量大,也不能明显提高净化效果,当排杂熔剂加入量为2%时的净化效果较好。3熔剂加入量的影响由以上实验分析可知,随着排杂熔剂加入量的改变,铝液的净化效果也发生改变,其中加入量为2%时的净化效果最明显,加入量为3%时次之,加入量为1%时,净化效果最差,这主要和熔剂过滤法有关。熔剂过滤法与一般过滤净化的特点相似(过滤层的组成不同,排杂熔剂是以熔剂层作为过滤层),即铝液通过熔剂过滤层的下落流动属于层流,下落过程中夹杂是连续不断沉积(吸附)在液态过滤层的内部孔隙中,随净化过程的进行,夹杂的连续沉积将使铝液下落的阻力不断增加。因此ApelianD和MarhurasonR等关于熔体过滤的基本公式也适于熔剂过滤,即:CL=C0exp(-λL)(1)式中:C0、CL分别为过滤前、过滤后铝液中的含杂量;L为过滤层厚度;λ为过滤系数,λ=K0/UM,UM为过滤期间熔体流动的速度。由式(1)可见,铝液下落经过滤层时,夹杂的连续沉积使UM提高受限,此时过滤层厚度L的影响起主要的作用。当熔剂的加入量增大时,L增大,则CL降低,净化效果增强。虽然熔剂加入量对净化效果的影响是不可忽视的,但熔剂也不是加入得越多越好。随熔剂加入量的增加,过滤层增厚,相应增加了作用时间,含杂量明显降低,这就解释了排杂熔剂加入量为2%的净化效果为什么好于加入量为1%的净化效果,但熔剂加入量超过了一定程度后,净化效果已经不显著,并可能降低熔剂的排杂能力。这是由于熔剂中含有少量强的发热剂,若加入量过大,则发热量过多,会造成铝液的氧化烧损,生成与铝液具有良好润湿性的氧化物,重新污染铝液,且生成的渣与铝易粘在一起,难以分离,造成熔剂夹渣等,所以当加入量增加到3%时,除杂净化效果反而略有下降。因此,在进行熔剂净化处理时,熔剂加入量并不是越多越好。4结论(1)采用排聚剂处理t356铝合金，具有明显的清洁效果经排杂熔剂处理的含杂量(质量分数)及1