鋁合金液夾雜含量與含氣量的關系

趙忠興，楊國娟，孫金根，耿德軍

（沈陽理工大學材料科學與工程學院，沈陽 110168）

鋁合金液夾雜含量與含氣量的關系

趙忠興，楊國娟，孫金根，耿德軍

（沈陽理工大學材料科學與工程學院，沈陽 110168）

采用減壓凝固密度試樣法測定ZL106合金的試樣密度，在四種不同含氣量條件下，用電阻法檢測鋁液中的夾雜含量，分析鋁液含氣量與夾雜物的相互關系。試驗結果表明：夾雜和氣體存在著密切的孿生關系，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。同時分析了靜止工藝對鋁液凈化的重要性。

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程中形成氣孔，從而影響鑄件的質量，使鋁合金的應用受到一定限制。近年來許多研究表明[1]，鋁及其合金液中夾雜物主要是氧化夾雜物，它的存在會導致鋁液脫氫困難，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量的機理，這對提高鋁合金的力學性能有很大的幫助[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。可見鋁液中氧化夾雜和氫氣存在著密切的孿生關系[4]。

鋁液中氫與氧化夾雜物之間存在著相互作用，但相互作用的機制國內外至今尚無一致的見解。綜合起來主要有機械作用理論、靜電作用理論、吸附理論、非均質形核理論、寄生機制及復合物理論等[5]。本課題應用電阻法檢測鋁液中的夾雜含量，測試四種不同鋁液的密度，通過試驗進一步分析它們之間的這種關系和相互作用原理，以便指導生產實際。

1 電阻法在線檢測夾雜原理[6～9]

電阻法檢測夾雜是對電敏感區電阻變化進行監測，其原理圖如圖1。在一個容器壁上開有一個直徑0.3～2mm的小孔使熔體通過，兩端通有恒定的電壓，當絕緣性的夾雜物通過這個敏感區小孔時改變了孔徑的導電面積，導致電敏感區內電阻值升高。當小孔孔徑確定時，電流脈沖變化的幅度就與非導電微粒的體積有一定的比例關系，記錄在t0－t1區間內電流的變化，通過分析這個區間脈沖電流信號的變化，反饋出孔內鋁熔體的電阻變化，即可測得夾雜物的數量和尺寸，同時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 試驗裝置及方法

2.1 檢測裝置的設計

基于以上測試原理設計了鋁液夾雜物在線檢測系統，它由檢測探頭、檢測電路、氣路、傳感器及信號實時處理五部分組成。檢測探頭由剛玉制作，孔徑尺寸在0.3～2mm之間。檢測電路主要是測量探頭小孔內的電流值變化，氣路主要是提供P1、P0（大氣壓力）的壓差，使爐內鋁液在小孔內流動；傳感器功能是將夾雜顆粒的尺寸信息轉換成微小的電阻變化；信號實時處理功能是將微小的電阻變化轉換成為電流脈沖。檢測系統裝置簡圖如圖2所示。

2.2 試驗條件及方法

使用工業電阻爐，熔化ZL106合金，檢測溫度固定在700～710℃。檢測時，電壓控制在2V，檢測探頭的孔徑為2mm，保持檢測系統壓力（P1－P0）差不變，系統的電流值每500ms由計算機自動記錄一次。用SG－Ⅰ型精煉機進行精煉，采用真空減壓凝固試樣密度測試方法檢測凝固試樣的密度。

3 試驗結果及分析

3.1 試樣密度為2.425g/cm3的夾雜檢測結果及分析

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結果如圖4。

從圖3可以看出，該試樣截面有非常大的氣孔，而且數量比較多，同時還有很多相對較小的氣孔。這說明在鋁液密度為2.425g/cm3的情況下，鋁液的含氣量很高。從圖4可以看出，在夾雜檢測中，檢測到了較明顯的電流脈沖變化，電流脈沖持續的時間在2.5s左右。根據電敏感區原理，當夾雜物通過電敏感小孔，使孔徑有效導電面積減少，電阻增加，表現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的夾雜檢測結果及分析

使用氬氣旋轉噴吹精煉機對鋁液精煉3min后，進行密度檢測。密度為2.580g/cm3的試樣截面圖如圖5。此密度下的夾雜檢測結果如圖6。

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

3.3 鋁液密度為 2.710g/cm3的夾雜檢測結果及分析

使用氬氣旋轉噴吹精煉機對鋁液精煉10min后，進行密度檢測。密度為 2.710g/cm3的試樣截面圖如圖7。此密度下的夾雜檢測結果如圖8。

從圖7可以看出，該試樣截面并沒有非常大的氣孔，但存在較多的小氣孔。對比圖6和圖8，檢測系統檢測到電流脈沖高度明顯變小，說明鋁液中存在的夾雜尺寸大小發生了變化，而電流脈沖寬度仍然較大，也許鋁液中夾雜的數量還較多。從圖7看出，鋁液的含氣量降低了，但鋁液精煉后沒有靜止，就開始檢測，鋁液中的夾雜和氣體還沒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間。所以在夾雜上升的時間內進行檢測，可能檢測到較多的夾雜物。

3.4 靜置工藝對鋁液夾雜檢測的影響及分析

在試樣密度為2.710g/cm3的基礎上，鋁液靜置10min后，檢測鋁液的含氣量，試樣密度由原來的2.710g/cm3上升到2.730g/cm3，其含氣量相對降低了。密度為2.730g/cm3試樣截面如圖9，此密度下的夾雜檢測結果如圖10。

從圖9看，試樣截面上的氣孔基本沒有了，只在最后凝固的部位存在氣體與縮松的混合體。對比圖8與圖10的檢測結果分析，電流脈沖的高度與寬度都明顯變小，根據電敏感區原理，說明鋁液中夾雜數量減少、尺寸變小。在對鋁液精煉處理時，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，達到凈化目的。可見精煉后靜置工藝對鋁液凈化的重要性。

4 結論

（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系。

（2）對精煉處理后的鋁液靜止一段時間，可有效提高鋁試樣密度，夾雜和含氣量進一步下降。

[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，2003，3.

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

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[9]韓傳基，許榮昌，蔡開科，等.在線檢測非金屬夾雜物的方法[J].北京科技大學學報，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