铝合金液夹杂含量与含气量的关系

赵忠兴，杨国娟，孙金根，耿德军

（沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110168）

铝合金液夹杂含量与含气量的关系

赵忠兴，杨国娟，孙金根，耿德军

（沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110168）

采用减压凝固密度试样法测定ZL106合金的试样密度，在四种不同含气量条件下，用电阻法检测铝液中的夹杂含量，分析铝液含气量与夹杂物的相互关系。试验结果表明：夹杂和气体存在着密切的孪生关系，铝液中的夹杂含量越多，含气量越高；夹杂含量越少，含气量越低。同时分析了静止工艺对铝液净化的重要性。

铝合金；夹杂物；气体；静止工艺

铝及其合金在熔炼、浇注过程中易于氧化、吸收气体，使得在铝液中极易形成夹杂物及在凝固过程中形成气孔，从而影响铸件的质量，使铝合金的应用受到一定限制。近年来许多研究表明[1]，铝及其合金液中夹杂物主要是氧化夹杂物，它的存在会导致铝液脱氢困难，气孔夹杂等缺陷增多，继而引起铝合金铸件的力学性能下降，可靠性降低。因此，有必要研究铝及其合金中夹杂物特别是氧化夹杂物的行为，了解氧化夹杂影响铝铸件质量的机理，这对提高铝合金的力学性能有很大的帮助[2]。铝熔体中的夹杂物和氢之间具有相互作用，夹杂物的存在使铝熔体中氢难以除干净，只有除去铝熔体中的夹杂物，才能使氢降至较低水平，同时防止铝液吸氢[3]。通常，熔池深处氧化夹杂浓度较高，含氢量也较高。可见铝液中氧化夹杂和氢气存在着密切的孪生关系[4]。

铝液中氢与氧化夹杂物之间存在着相互作用，但相互作用的机制国内外至今尚无一致的见解。综合起来主要有机械作用理论、静电作用理论、吸附理论、非均质形核理论、寄生机制及复合物理论等[5]。本课题应用电阻法检测铝液中的夹杂含量，测试四种不同铝液的密度，通过试验进一步分析它们之间的这种关系和相互作用原理，以便指导生产实际。

1 电阻法在线检测夹杂原理[6～9]

电阻法检测夹杂是对电敏感区电阻变化进行监测，其原理图如图1。在一个容器壁上开有一个直径0.3～2mm的小孔使熔体通过，两端通有恒定的电压，当绝缘性的夹杂物通过这个敏感区小孔时改变了孔径的导电面积，导致电敏感区内电阻值升高。当小孔孔径确定时，电流脉冲变化的幅度就与非导电微粒的体积有一定的比例关系，记录在t0－t1区间内电流的变化，通过分析这个区间脉冲电流信号的变化，反馈出孔内铝熔体的电阻变化，即可测得夹杂物的数量和尺寸，同时记录电流脉冲的高度和宽度，以及斜率，分析和判断铝液中夹杂物的含量情况。

2 试验装置及方法

2.1 检测装置的设计

基于以上测试原理设计了铝液夹杂物在线检测系统，它由检测探头、检测电路、气路、传感器及信号实时处理五部分组成。检测探头由刚玉制作，孔径尺寸在0.3～2mm之间。检测电路主要是测量探头小孔内的电流值变化，气路主要是提供P1、P0（大气压力）的压差，使炉内铝液在小孔内流动；传感器功能是将夹杂颗粒的尺寸信息转换成微小的电阻变化；信号实时处理功能是将微小的电阻变化转换成为电流脉冲。检测系统装置简图如图2所示。

2.2 试验条件及方法

使用工业电阻炉，熔化ZL106合金，检测温度固定在700～710℃。检测时，电压控制在2V，检测探头的孔径为2mm，保持检测系统压力（P1－P0）差不变，系统的电流值每500ms由计算机自动记录一次。用SG－Ⅰ型精炼机进行精炼，采用真空减压凝固试样密度测试方法检测凝固试样的密度。

3 试验结果及分析

3.1 试样密度为2.425g/cm3的夹杂检测结果及分析

在除气精炼前，试样密度为2.425g/cm3，截面图如图3。此密度下的夹杂检测结果如图4。

从图3可以看出，该试样截面有非常大的气孔，而且数量比较多，同时还有很多相对较小的气孔。这说明在铝液密度为2.425g/cm3的情况下，铝液的含气量很高。从图4可以看出，在夹杂检测中，检测到了较明显的电流脉冲变化，电流脉冲持续的时间在2.5s左右。根据电敏感区原理，当夹杂物通过电敏感小孔，使孔径有效导电面积减少，电阻增加，表现在图形上电流脉冲高度增加，所以可以判断出此密度下的铝液中存在大量的夹杂。

3.2 铝液密度为2.580g/cm3的夹杂检测结果及分析

使用氩气旋转喷吹精炼机对铝液精炼3min后，进行密度检测。密度为2.580g/cm3的试样截面图如图5。此密度下的夹杂检测结果如图6。

图5可以看出，在密度为2.580g/cm3的铝液中，截面没有非常大的气孔，小气孔的数量还是比较多，与图3对比，密度为2.580g/cm3的铝液含气量相对地降低了。对比图4和图6可以看出，电流脉冲宽度在0.5～2s之间，明显变窄，根据电敏感区原理，说明夹杂在铝液中的驻留时间减少；铝液中夹杂仍然较多，但尺寸变小。这说明铝液的含气量下降后，其中的夹杂尺寸及数量也降低了。

3.3 铝液密度为 2.710g/cm3的夹杂检测结果及分析

使用氩气旋转喷吹精炼机对铝液精炼10min后，进行密度检测。密度为 2.710g/cm3的试样截面图如图7。此密度下的夹杂检测结果如图8。

从图7可以看出，该试样截面并没有非常大的气孔，但存在较多的小气孔。对比图6和图8，检测系统检测到电流脉冲高度明显变小，说明铝液中存在的夹杂尺寸大小发生了变化，而电流脉冲宽度仍然较大，也许铝液中夹杂的数量还较多。从图7看出，铝液的含气量降低了，但铝液精炼后没有静止，就开始检测，铝液中的夹杂和气体还没有完全浮游到液体表面，而夹杂与气体的混合体上升需要时间。所以在夹杂上升的时间内进行检测，可能检测到较多的夹杂物。

3.4 静置工艺对铝液夹杂检测的影响及分析

在试样密度为2.710g/cm3的基础上，铝液静置10min后，检测铝液的含气量，试样密度由原来的2.710g/cm3上升到2.730g/cm3，其含气量相对降低了。密度为2.730g/cm3试样截面如图9，此密度下的夹杂检测结果如图10。

从图9看，试样截面上的气孔基本没有了，只在最后凝固的部位存在气体与缩松的混合体。对比图8与图10的检测结果分析，电流脉冲的高度与宽度都明显变小，根据电敏感区原理，说明铝液中夹杂数量减少、尺寸变小。在对铝液精炼处理时，捕获夹杂物较多的精炼气泡上浮速度较小，在静止10min后，气泡和夹杂才能充分上升，浮到铝液表面，铝液含气量和夹杂含量降低了，达到净化目的。可见精炼后静置工艺对铝液净化的重要性。

4 结论

（1）铝液的含气量高，其夹杂含量也高；铝液的含气量低，夹杂含量也低。他们之间相互依附，存在着密切的孪生关系。

（2）对精炼处理后的铝液静止一段时间，可有效提高铝试样密度，夹杂和含气量进一步下降。

[1]周明.铝熔体中夹杂物和氢的去除研究[D].上海：上海交通大学，2003，3.

[2]傅高升，康积行，陈文哲，等.铝熔体中夹杂物与气体相互作用的关系[J].中国有色金属学报，1999，9（1）：51-56.

[3]陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼[M].北京：机械工业出版社，1997：299-327.

[4]丛红日，边秀房.铝合金熔体中夹杂物与含氢量的关系[J].特种铸造及有色合金.2000，20（3）:21～23.

[5]何峰，程军.铸造合金中的气体和氧化夹杂[J].华北工学院学报，1997，18（1）:55-60.

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[7]MEI L，GUTHRIE R I L.On the Detection and Sele-ctive Separation of Inclusions in Liquid Metal Cleanlines Analyzer Systems[J].Metallurgical and Materials transa-cttions B，2000，31B（8）:767-777.

[8]申亚曦，王绍纯，刘新华.电敏感区法在非金属夹杂物在线检测中应用[J].北京科技大学学报，1996，18（3）:272-275.

[9]韩传基，许荣昌，蔡开科，等.在线检测非金属夹杂物的方法[J].北京科技大学学报，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

赵忠兴（1963－），男，博士，教授