高強度鋁合金線桿的冶金質量控制

慶 毅， 張偉民

(1.深圳市阿爾泰克鋁業設備制造有限公司，廣東深圳518052;2.江蘇上鴻潤合金復合材料有限公司，江蘇 宜興214251)

0 引言

鋁鎂硅系高強度鋁合金作為一種用途廣泛且歷史悠久的合金，因其優越的綜合力學性能和良好的導電性，已大量應用于高強度、大跨越、大容量的架空絞線，包括鋼芯鋁合金絞線和全鋁合金絞線。尤其是全鋁合金絞線因為沒有鋼芯，在交流電壓作用下，不存在磁滯損耗和渦流損耗，技術經濟效果更好。

與通常使用的純鋁線桿相比，鋁鎂硅高強度鋁合金線桿在熔煉、鑄造、軋制過程中，有著顯著的不同，本文將根據鋁鎂硅系高強度鋁合金線桿的特點，從合金化、熔體凈化、晶粒細化和熔鑄工藝控制四個方面，重點討論鋁鎂硅系鋁合金線桿冶金質量的控制方法。

1 鋁鎂硅系鋁合金的成分控制

1.1 鋁合金成分設計

作為高強度鋁合金線桿，目前常用的為鋁鎂硅系鋁合金。在鋁鎂硅系鋁合金中，作為主要成分的硅、鎂的加入是為了在熔體中形成Mg2Si強化相，通過Mg2Si強化相析出硬化作用來實現線桿的高強度。

在Mg2Si強化相中，鎂硅比為1.73∶1，但是在實際配方中，通常設計為硅過量。因為過量的鎂會降低Mg2Si在鋁中的固溶度，從而降低了強化相的作用，同時過量的鎂會降低線桿電導率;而過剩的硅質點，可以使強度進一步提高，同時對Mg2Si質點有一定的細化作用，過量的硅達到一定的范圍時，可以提高線桿的延伸率，過量的硅同時還可以與鐵發生反應生成鐵硅鋁化合物，具有二次強化作用，但是，無論是α(Al3Fe3Si)相或者β(Al9Fe2Si2)相鐵硅鋁化合物，均屬于硬脆相，屬于需控制范圍。

在高強度線桿鋁合金中，加入硼元素和稀土元素，用以提高線桿導電率，通常硼的加入量控制在0.03%以內，混合稀土0.1%，對于提高導電率作用顯著，因為混合稀土的細化作用，減少晶界針狀金屬間化合物，可以使抗拉強度和延伸率均有所提高。

銅元素可以增加Mg2Si在鋁中的溶解度，對于提高線桿的表面硬度和強度有良好的作用;錳元素的存在，有益于提高強度和硬度，但是錳會明顯增加合金的電阻率，需要嚴格控制;微量的元素鋯能有效地使合金晶粒細化，Al-Zr二元相化合物對合金起到彌散強化和形變強化作用，在時效處理后，基體鋯析出，電導率有所提高;微量含鉻的細小化合物可以對合金起到固溶強化和時效強化作用;鈦元素對導電率有負面作用，但是作為晶粒細化的主要成分，需要有一定量的存在。

1.2 合金元素加入機理及方式

合金添加元素在熔融鋁中的溶解是合金化的重要過程。元素的溶解與其性質有密切關系，受添加元素固態結構結合力的破壞和原子在鋁液中的擴散速度控制。元素在鋁液中的溶解作用可用元素與鋁的合金系相圖來確定，通常與鋁形成易熔共晶的元素容易溶解;與鋁形成包晶轉變的，特別是熔點相差很大的元素難于溶解。

在鋁鎂硅系列鋁合金中，如Al-Mg、Al-Cu等為共晶型合金系，其熔點與鋁也較接近，合金元素較容易溶解，在熔煉過程中可直接添加到鋁熔體中;在鋁鎂硅系列鋁合金熔煉過程中，由于鎂的蒸汽壓比鋁高，較易于蒸發，熔煉過程中的損失較大，長時間的爐內熔劑精煉也會造成鎂的損耗。

Al-Si、Al-B等合金系雖也存在共晶反應，由于熔點與鋁相差較大，溶解很慢，需要較大的過熱才能完全溶解，通常以中間合金方式或合金添加劑方式加入，考慮到現在市場上的中間合金，很多都是用再生鋁生產，合金成分復雜，尤其是鐵含量控制不準，建議慎重使用。

Al-Ti、Al-Zr等具有包晶型相圖，都屬難溶金屬元素，在鋁中的溶解很困難。為了使其在鋁中盡快溶解，必須以中間合金形式加入。

2 鋁鎂硅系鋁合金的晶粒組織和結構控制

2.1 晶粒組織細化影響因素

在鋁鎂硅系高強度鋁合金線桿鑄造過程中，鑄坯的晶粒結構控制也是影響線桿質量的重要原因。影響鋁鎂硅系鋁合金的晶粒結構的因素主要有以下幾個方面:

(1)熔煉溫度的影響。隨著熔煉溫度的提高，鋁液中起晶核作用的難熔質點部分熔化，減少有效晶核數量，晶粒變粗，一般來說，鋁鎂硅系鋁合金在熔煉過程中，最高溫度不允許超過760℃。

(2)熔煉時間的影響。熔煉時間過長，也會因為晶核溶解或團聚而失效，減少有效晶核而造成晶粒粗大。

(3)晶粒細化劑的使用。適量加入晶粒細化劑可以有效改善晶粒粗大現象，常用的晶粒細化劑有AlTi、AlTiB、AlTiC 等。

其他影響因素如廢料加入量、精煉劑等，對于晶粒細化都會有一定的影響。

2.2 鑄坯組織結構控制

在高強度鋁合金線桿鑄坯鑄造過程中，可以通過調節冷卻強度和均勻性改善鑄坯的組織結構，同時適量加入AlTiB晶粒細化劑來改善晶粒粗大現象，AlTiB細化劑可以在鋁熔體中形成大量的TiAl3和TiB2質點作為晶核，促進晶粒細化，對于鋁鎂硅系列合金效果明顯，但是由于TiAl3和TiB2質點都存在高溫團聚失效現象，其最佳作用時間不大于30 min，細化劑通常采用在線連續加入。AlTi和AlTiC細化劑也有晶粒細化作用，但效果一般。

典型的線桿鑄坯截面金相見圖1，與半連續鑄造鋁合金截面金相(見圖2)有著顯著的不同，采用四面冷卻的線桿鑄坯由于冷卻強度大，生成大量的向心的柱狀晶，增加了鋁熔體中合金元素的過飽和溶解度，使得鋁熔體中的強化相在后續的軋制和時效中析出地更加彌散和均勻。

圖1 典型的線桿鑄坯截面金相

此外，鋁合金線桿鑄坯組織結構必須要控制疏松和縮孔，否則會出現中心裂紋和內部疏松現象，影響線桿質量。通常來說，鋁鎂硅系合金的固液兩相區不寬，凝固部分可以得到很好的補縮，也可以通過調整鑄造溫度和冷卻強度來消除疏松和縮孔。在個別情況下，鋁合金中的一些雜質元素與合金元素的交互作用也會引起鋁鎂硅系線桿鑄坯的縮孔現象。

圖2 典型的半連續鑄造截面金相

圖3 不同軋制工藝下的線桿截面金相

圖3 顯示了在不同軋制工藝下的鋁鎂硅系鋁合金線桿的截面金相。由此可以看出，鑄坯中的組織在軋制過程中，被拉伸并發生了重結晶和析出強化。在圖3a工藝條件下組織拉伸均勻，析出強化相均勻。在圖3b工藝條件下，強化相固溶程度不足，組織結構不均勻，直接影響線桿質量指標。

3 鋁鎂硅系鋁合金的熔體凈化

3.1 鋁合金熔體凈化及雜質來源

高強度鋁合金線桿的熔體凈化質量控制，是鋁合金導線質量控制中最重要的環節。降低線桿鑄坯中的氣體雜質和非金屬夾雜物，可以減少導線由于氣泡或夾雜引發的斷裂，減少氫脆，同時可以提高抗拉強度、疲勞強度和導電率。鋁合金熔體的雜質主要是氣體雜質和非金屬夾雜物。

(1)氣體雜質的來源及影響因素

鋁合金中的氣體雜質主要是氫。鋁熔體中氫的來源主要是水分與鋁液反應而產生的氫原子，低于250℃時，鋁和空氣中的水氣接觸，發生反應生成氫氣和氫氧化鋁。氫氧化鋁在400℃條件下將進一步發生反應，生成氧化鋁和氫，氧化鋁以鋁渣的形態存在于鋁液中，氫在鋁熔體中主要以原子或離子形態分布于金屬原子間隙中，少量以分子態氣泡形式懸浮在熔體中。固體鋁中氫的溶解度很低，在鋁熔體凝固的過程中，大量的氫會從熔體中析出，在鑄坯中形成氣泡，影響產品性能。影響鋁液中氫含量的因素如下:

1)熔煉環境的氣體分壓。在溫度相同的條件下，氫氣在金屬中的溶解度隨爐氣成分中的氫氣分壓增大而增大。故火焰爐熔煉的鋁熔體中的氫溶解度比電爐中的大。實踐證明，不同的季節和地區，因空氣的濕度不同，鋁熔體的含氫量也隨之而異，其含氫量隨空氣濕度的增大而增加。

2)熔煉溫度。熔煉溫度與熔體氫含量也是正相關的，熔煉溫度越高鋁熔體吸收的氫也越多。

3)合金元素的影響。與氫結合力較大的合金元素，如鈦、鋯、鎂等會使合金中的氫溶解度增大。而銅、硅、錳、鋅等元素可降低鋁合金中氫的溶解度。高強度鋁鎂硅系鋁合金屬于中等強度吸氫鋁合金。

4)鋁熔體表面氧化膜狀態及熔煉時間長短對鋁熔體中的氫含量也有不同影響。

(2)非金屬夾雜的來源及影響因素

鋁合金中的非金屬夾雜90%以上是氧化鋁夾雜，包括鋁錠或者廢鋁爐料表面的氧化膜，以及在熔煉過程中鋁被氧化而產生的。其他的氧化物夾雜主要是爐襯材料被鋁還原而生成的氧化物、鋁熔體凈化時產生的氯化物、氮化物及碳化物等。常見鋁熔體中夾雜物形態見表1。

3.2 鋁鎂硅系鋁合金的熔體凈化

鋁合金的凈化工藝分為爐內精煉和在線精煉兩個環節。去除氣體夾雜的方法有三種:惰性氣體擴散法、氯氣混合氣體凈化法、熔劑加惰性氣體噴射精煉法。去除非金屬夾雜的方法主要有介質過濾法、吸附法和溶解法，介質過濾法有玻璃絲布過濾、泡沫陶瓷過濾板過濾、管式過濾器和氧化鋁球過濾等。由于渣氣伴生的機理和張力吸附原理，在采用惰性氣體除氣的過程中，也可以去除一部分細微顆粒的非金屬夾雜物。精煉熔劑中的冰晶石，可以溶解Al2O3，帶出熔融鋁液，也可以實現除雜的目的。

(1)鋁熔體凈化機理

采用惰性氣體除雜的機理，是利用高純度的惰性氣體中的氫分壓和鋁液中的氫分壓差，通過擴散，使氫原子擴散到惰性氣體氣泡內形成氫分子，并隨著氣泡上升帶出鋁液，實現除氫的目的。惰性氣體氣泡在上升的過程中，通過張力吸附的原理，同樣可以吸附一部分小顆粒的非金屬夾雜，達到除雜的目的。圖4為擴散法除氣和吸附法去除細微夾雜的示意圖。

表1 常見鋁熔體中夾雜物的形態

圖4 惰性氣體除氣除渣機理

由此可見，惰性氣體除氣除渣的效率跟氣泡與鋁液的接觸面積存在正相關，接觸面越大，除氣除渣效果越好;在等體積氣量的條件下，氣泡越小，除氣效果越好。

混和氣體凈化法是在惰性氣體中加入一定量的氯氣，來提高凈化效率。氯氣本身不溶于鋁合金熔體，但能與過量鋁液發生化學反應生成AlCl3氣體，在上浮的過程中，與惰性氣體除雜的機理一樣，可以達到除氣除渣的效果，同時，生成的AlCl3也有很好的熔渣效果。氯氣精煉的另一個作用是去除堿金屬和堿土金屬。對于鋁鎂硅系線桿來說，不建議使用，即使需要采用氯氣混和氣體精煉，混和氣體中的氯氣含量不得大于1%。

精煉劑凈化法是利用精煉劑中的化合物在高溫下產生的氯化物或者氟化物氣體，比如六氯乙烷、氯化鈉、氯化鉀等高溫分解出的氯氣，氟硅酸鈉高溫生成的四氟化硅等，在上浮的過程中都可以實現除氣除渣。同時，精煉劑中的化合物與熔體中的氧化夾雜物可以發生吸附或溶解。精煉劑中的冰晶石可以溶解氧化鋁實現鋁渣分離。

(2)爐內精煉

鋁合金熔煉的爐內精煉，常用的有惰性氣體精煉、惰性氣體加氯氣的混合氣體精煉和噴粉精煉三種，其他方式還有采用爐內透氣磚精煉或者爐內石墨轉子精煉等，由于使用效果和成本問題沒有被廣泛使用。

氮氯或氬氯混合氣體精煉在國內的一些軍工合金熔煉過程中依然被用于爐內精煉。但是由于氯氣使用過程的管控較嚴，使用手續復雜，以及存在毒性和污染風險，限制了混合氣體精煉的廣泛使用。

噴粉精煉是將顆粒狀的精煉劑和惰性氣體混和后噴吹到鋁熔體中，在實現惰性氣體精煉的同時實現熔劑精煉，是目前國內外最常用的爐內精煉方法。淘汰了傳統的塊狀精煉劑。

精煉劑在精煉的過程中同時也會引入水汽，增加氫含量，最終除氣的效果是一個動態平衡的結果。爐內采用精煉劑噴粉精煉除氣后的極限氫含量不小于0.22～0.26 ml每100 g鋁。因為精煉劑在生產的過程中不可避免地含有水分，即使目前最好的精煉劑，也含有至少不低于0.1%的水，按照精煉劑的推薦加入每噸1.5 kg來計算，每噸鋁由精煉劑引入的氫含量為0.083 mol，折合成標準含量為0.187 ml每100 g鋁被加入到鋁熔體中。

高強度鋁合金線桿中的氫含量過高，容易在后續拉絲過程中產生氣泡、起皮、斷頭等缺陷，同時也會影響線桿的導電率和抗拉強度。根據高強度鋁合金線桿的實際生產經驗和后道工序的要求，線桿中氫含量應不大于0.14 ml每100 g鋁。對于個別特殊要求的，含氫量要求不大于0.12 ml每100 g鋁。由此可知單純依靠爐內精煉遠遠不能滿足高強度鋁合金線桿的品質要求。

(3)在線精煉

在鋁鎂硅系高強度鋁合金線桿的鑄軋過程中，采用在線精煉裝置除氣和泡沫陶瓷過濾板過濾已經越來越廣泛。

鋁熔體在線精煉裝置最早在1974年由美國聯合碳化物公司發明，其工作原理是通過高速旋轉的石墨轉子噴頭，將高純惰性氣體噴吹到鋁液中，形成大量彌散的氣泡，跟鋁液充分接觸，將鋁熔體中的氫擴散到氣泡中隨著氣泡上升帶出鋁液，實現除氣過程。同時小氣泡在上升的過程中，由于張力吸附的機理，可以吸附部分細小的夾雜，實現除渣。在線精煉機理見圖5。

圖5 在線精煉機理

采用石墨轉子旋轉噴吹的在線精煉裝置除氣，利用高速旋轉的石墨轉子，將噴入鋁液的惰性氣體剪切成非常細小的氣泡，大大增加了惰性氣體氣泡與鋁液的接觸面積，提高除氣效率，在采用高純惰性氣體的前提下，可以將氫含量降到0.12 ml每100 g鋁以下，是目前廣泛應用的在線除氣裝置。

鋁熔體的在線過濾主要有:玻璃絲布過濾、泡沫陶瓷板過濾、管式過濾和深床過濾等。

玻璃絲布過濾鋁熔體屬于平面篩網粗過濾，通過柵欄作用機械分離粗大的夾雜物，但是不能去除細小的夾雜，目前已被淘汰或者只是在熔爐出口作為初級粗過濾使用，玻璃絲布過濾原理見圖6。

目前最常用且最有效的過濾除雜方式是采用泡沫陶瓷過濾板過濾，鋁液流經陶瓷曲折的孔眼，其中含的夾雜顆粒在阻擋、沉積、吸附三種作用下，被滯留在陶瓷板的孔眼內表面和縫隙洞穴處，從而使夾雜顆粒與鋁液分離。過濾機理示意圖見圖7。

圖6 玻璃絲布過濾示意圖

圖7 泡沫陶瓷過濾板過濾機理

泡沫陶瓷過濾板為標準產品，厚度為2 in(1in=0.0254 m)，長寬尺寸相同，側面傾角為17.5°。通常用對角線長度來定義規格，過濾板的孔隙度用PPI表示。PPI越大表示孔隙越小，過濾板的孔隙度決定了最終的過濾精度，鋁液在過濾板中的流速越慢，過濾效果越好。鋁合金線桿鑄軋在不同流量、不同孔隙度下的過濾板選型見表2。

表2 鋁合金線桿用過濾板選型表 (單位:in)

針對高強度鋁合金線桿的實際鑄軋需要，通常過濾板建議使用雙通道15 in標準過濾板，孔隙度建議采用40～50 PPI。其過濾精度為:大于15 μm的非金屬夾雜物的去除率可以達到90%以上。

管式過濾器和深床過濾都是屬于高精度過濾，對于有特殊要求的鋁合金線桿也可以采用，其優點是凈化精度高，過濾效果好，最大缺陷是由于鋁容量太大容易導致細化劑失效。

4 結束語

綜上所述，對于高強度鋁合金線桿的冶金質量控制，主要有以下三個方面:

(1)高強度鋁合金線桿主要以鋁鎂硅系列為主，在成分設計上需保證硅元素的適度過量，鐵元素應在條件許可的情況下嚴格控制，而一些作為雜質存在的元素，比如硼、鈦、銅、鋯等可以提高線桿的整體性能。

(2)在線桿鑄軋過程中，需控制鑄造溫度的均勻性，以及對結晶區采用四向均勻冷卻，保證均勻的結晶速度，是高質量鑄坯的必要條件。采用相對較高的軋制溫度，恒溫軋制，保證均勻強化的組織。

(3)對鋁熔體進行在線精煉，實現良好的除氣除渣效果，也是保障高強度鋁合金線桿冶金質量的重要手段。

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