排雜熔劑對(duì)a356鋁合金的凈化效果研究

排雜熔劑對(duì)a356鋁合金的凈化效果研究

汽車的鋁車輪正在轉(zhuǎn)向直徑大、輕量、高強(qiáng)度和美觀化的方向。鑄造鋁輪轂的傳統(tǒng)材料為A356鋁合金,即Al-Si-Mg系合金。鑄造鋁合金由于具有優(yōu)異的鑄造性、良好的耐腐蝕性、高的強(qiáng)重比和低的鑄件制造成本等特點(diǎn)在汽車和航空工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。在汽車鋁輪轂生產(chǎn)的熔煉階段,鋁液易氧化、吸收氣體,在鋁液中極易形成夾雜物及在凝固過程中形成氣孔,出現(xiàn)裂紋源和硬質(zhì)點(diǎn),導(dǎo)致加工性和表面光潔度變差,降低汽車輪轂鑄件的力學(xué)性能。氫和非金屬夾雜可能會(huì)導(dǎo)致熔體流動(dòng)性下降,促進(jìn)疏松形成,降低合金鑄造性能。鋁及其合金液中夾雜物主要是氧化物夾雜,由于其凝固收縮,同時(shí)在熔融狀態(tài)下很容易融入氫,會(huì)導(dǎo)致鋁液脫氫困難,氣孔等缺陷增多,繼而引起鋁合金鑄件的力學(xué)性能下降,因此鑄造A356鋁合金不可避免地存在一定數(shù)量的缺陷,如空隙、孔洞和非金屬夾雜物等。因此,鋁輪轂鑄造A356鋁合金熔體凈化的研究在工業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)A356鋁合金熔體處理的不足,研究鋁熔體凈化處理技術(shù),并對(duì)比分析凈化效果的機(jī)理,獲得較理想的熔劑及其添加量,為發(fā)揮材料的潛能并提高汽車輪轂內(nèi)在冶金質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。1熔劑與鋁合金的冷卻溫度實(shí)驗(yàn)選用的合金材料為鑄造鋁輪轂用的A356鋁合金,其化學(xué)成分見表1(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)。本實(shí)驗(yàn)首先分別采用常規(guī)熔劑和排雜熔劑對(duì)A356鋁合金進(jìn)行熔體處理并取樣(熔劑加入量為2%)。選用凈化效果較好的熔劑對(duì)A356鋁合金進(jìn)行凈化處理并取樣(熔劑加入量為1%、3%),熔煉溫度740℃,熔煉時(shí)間20min。實(shí)驗(yàn)鋁錠在3kW的SG-Y5-10電阻坩堝爐中進(jìn)行熔煉,用NiCr-NiAl熱電偶與DRZ-4型電阻爐溫度控制器進(jìn)行溫度測(cè)定及控制,采用ELH-IV型測(cè)氫儀測(cè)鋁熔體含氫量。鑄錠均采用金屬型澆注,其規(guī)格為165mm×70mm×20mm;采用熔劑沖洗法測(cè)定試樣中的夾雜物含量。從鑄錠中截取金相試樣,在XJG-5型金相顯微鏡上觀察與分析,并在INSTRON-1185型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。2結(jié)果與分析2.1金相組織的組織圖1為A356鋁合金經(jīng)不同熔體處理后的顯微組織形貌(熔劑加入量為2%)。不同熔體處理A356合金的凈化效果見表2。由圖1可以看出,未經(jīng)熔體凈化處理的A356鋁合金金相組織中有較大的塊狀?yuàn)A雜,顯微組織中出現(xiàn)針片狀的共晶硅相,棒狀枝晶粗大且晶間排列較規(guī)則。常規(guī)熔劑處理后的金相組織中,有塊狀的夾雜,其數(shù)量較少但部分尺寸較大,枝晶呈等軸狀且大小均勻。與未處理和常規(guī)熔劑處理相比,A356鋁合金經(jīng)排雜熔劑凈化處理后,夾雜物明顯減少,在金相圖上看不到明顯的塊狀?yuàn)A雜,夾雜物細(xì)小且彌散分布,細(xì)小等軸狀枝晶分布均勻。由表2可以看出,采用常規(guī)熔劑處理的含雜量為0.46%,除雜率與除氫率不高,凈化處理效果不明顯。采用排雜熔劑處理的除雜率高達(dá)71.05%,并具有較好的除氫效果。因此,本實(shí)驗(yàn)研究排雜熔劑的加入量對(duì)A356鋁熔體凈化處理效果的影響。2.2熔劑加入量對(duì)全軸聚合反應(yīng)的影響在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探討排雜熔劑加入量對(duì)鑄造鋁輪轂用A356鋁合金凈化效果的影響。圖2為經(jīng)不同加入量的排雜熔劑凈化處理后A356鋁合金的金相顯微組織,可以看出,未加排雜熔劑時(shí),夾雜尺寸粗大且聚集成團(tuán),有明顯的粗大棒狀樹枝晶;加入量為1%時(shí),顆粒狀氧化夾雜多且分布均勻,棒狀樹枝晶與等軸狀樹枝晶大量存在并聚集成團(tuán);加入量為2%或3%時(shí),在金相圖上看不到明顯的塊狀?yuàn)A雜,夾雜物細(xì)小且彌散分布,枝晶呈等軸狀且分布均勻。其中加入量為3%時(shí)的等軸晶晶粒較粗大。可見,排雜熔劑的加入量影響著A356鋁合金的凈化效果表3,進(jìn)而影響其力學(xué)性能(見表3)。由表3可以看出,與加入量0%相比,增加排雜熔劑的加入量,會(huì)產(chǎn)生不同程度的凈化效果。加入量為1%時(shí),除雜率為49.12%,除氫率為27.27%;加入量為3%時(shí),除雜率與除氫率有所提高。當(dāng)加入量為2%時(shí),其除雜率可達(dá)71.05%,除氫率達(dá)45.45%。另外,與加入量0%相比,增加排雜熔劑的加入量,對(duì)力學(xué)性能也產(chǎn)生不同的影響,加入量為1%時(shí),強(qiáng)度提高了6.74%,塑性提高了42.30%;加入量為2%時(shí),強(qiáng)度提高了13.79%,塑性提高了129.07%;加入量為3%時(shí),強(qiáng)度提高了11.39%,塑性提高了109.98%。在3種加入量中,加入量為1%時(shí)的力學(xué)性能提高幅度最小;加入量為2%時(shí)的力學(xué)性能提高最明顯。圖3為熔劑加入量與A356鋁合金含雜量、含氫量及抗拉強(qiáng)度、延伸率的關(guān)系。由圖3可以看出,經(jīng)不同添加量熔劑的凈化處理后,A356鋁合金的含氫量及含雜量隨熔劑添加量的增加而降低,達(dá)到一定值后升高,對(duì)應(yīng)鑄錠的抗拉強(qiáng)度和延伸率呈下開口拋物線,即先升高后降低。熔劑加入量為2%時(shí),A356鋁合金的夾雜量和含氫量最低且具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率。由以上的實(shí)驗(yàn)分析可知,排雜熔劑的凈化效果最明顯,但在熔煉要控制好熔劑的加入量。添加量少,達(dá)不到凈化效果,加入量大,也不能明顯提高凈化效果,當(dāng)排雜熔劑加入量為2%時(shí)的凈化效果較好。3熔劑加入量的影響由以上實(shí)驗(yàn)分析可知,隨著排雜熔劑加入量的改變,鋁液的凈化效果也發(fā)生改變,其中加入量為2%時(shí)的凈化效果最明顯,加入量為3%時(shí)次之,加入量為1%時(shí),凈化效果最差,這主要和熔劑過濾法有關(guān)。熔劑過濾法與一般過濾凈化的特點(diǎn)相似(過濾層的組成不同,排雜熔劑是以熔劑層作為過濾層),即鋁液通過熔劑過濾層的下落流動(dòng)屬于層流,下落過程中夾雜是連續(xù)不斷沉積(吸附)在液態(tài)過濾層的內(nèi)部孔隙中,隨凈化過程的進(jìn)行,夾雜的連續(xù)沉積將使鋁液下落的阻力不斷增加。因此ApelianD和MarhurasonR等關(guān)于熔體過濾的基本公式也適于熔劑過濾,即:CL=C0exp(-λL)(1)式中:C0、CL分別為過濾前、過濾后鋁液中的含雜量;L為過濾層厚度;λ為過濾系數(shù),λ=K0/UM,UM為過濾期間熔體流動(dòng)的速度。由式(1)可見,鋁液下落經(jīng)過濾層時(shí),夾雜的連續(xù)沉積使UM提高受限,此時(shí)過濾層厚度L的影響起主要的作用。當(dāng)熔劑的加入量增大時(shí),L增大,則CL降低,凈化效果增強(qiáng)。雖然熔劑加入量對(duì)凈化效果的影響是不可忽視的,但熔劑也不是加入得越多越好。隨熔劑加入量的增加,過濾層增厚,相應(yīng)增加了作用時(shí)間,含雜量明顯降低,這就解釋了排雜熔劑加入量為2%的凈化效果為什么好于加入量為1%的凈化效果,但熔劑加入量超過了一定程度后,凈化效果已經(jīng)不顯著,并可能降低熔劑的排雜能力。這是由于熔劑中含有少量強(qiáng)的發(fā)熱劑,若加入量過大,則發(fā)熱量過多,會(huì)造成鋁液的氧化燒損,生成與鋁液具有良好潤(rùn)濕性的氧化物,重新污染鋁液,且生成的渣與鋁易粘在一起,難以分離,造成熔劑夾渣等,所以當(dāng)加入量增加到3%時(shí),除雜凈化效果反而略有下降。因此,在進(jìn)行熔劑凈化處理時(shí),熔劑加入量并不是越多越好。4結(jié)論(1)采用排聚劑處理t356鋁合金，具有明顯的清潔效果經(jīng)排雜熔劑處理的含雜量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及1