【引用格式】
張钰鑫，張文達，王宇，等. 氣-粉複合精煉方式對ZL205A淨化效果的影響［J］. 特種鑄造及有色合金，2024，44（3）：354-358.
Citation:ZHANG Y X，ZHANG W D，WANG Y，et al. Effects of gas-powder compound refining method on purification of ZL205A［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（3）：354-358.
鋁合金在熔煉過程中易與水氣反應而氧化吸氫，導緻合金凝固成形後産生氣孔和夾雜等冶金缺陷，惡化材料的力學性能。ZL205A鋁合金作為Al-Cu系合金，力學性能優異，廣泛應用于生産汽車和航天航空等領域的高端鑄件，然而ZL205A合金熔體黏度大，細小夾雜（尺寸<20 μm）難以去除，無法滿足高品質鋁合金鑄件對高潔淨熔體控制要求。
在合金生産過程中對熔體進行精煉處理是控制氫含量和夾雜物含量的有效技術手段。針對鋁熔體有過濾法、靜置處理法、熔劑法、氣泡浮遊法、超音波處理法和真空處理法等淨化處理方式。過濾法和靜置處理法對尺寸大于10 μm的夾雜具有較好的去除效果，但除氫效果不顯著；熔劑法受限于熔劑與熔體的有效接觸和熔劑的理化性質，其淨化效果有待進一步提高；超聲處理以細化作用為主，除氫作用雖有涉及但有效功率範圍有限，且無法處理大量熔體，在生産中很少被使用；真空處理具有優異的除氣效果，但無法有效去除熔體中的雜質，且裝置相對昂貴，限制了其推廣使用；旋轉噴吹法屬于氣泡浮遊法，因其具有較好的精煉效果，無污染且操作簡單，易于實作自動化等特點被大多數鋁生産廠家采用。随着鋁工業的發展和各行業對高品質鋁合金需求的增大，單一的熔體淨化方式無法滿足高品質鑄件對鋁熔體潔淨度的要求，各種複合精煉淨化技術是以産生。目前常選用氩氣旋轉噴吹氩氣結合熔劑法進行複合精煉除氣除渣，取得了較單一旋轉噴吹法或熔劑法更好的淨化效果。鄭衛東等通過先旋轉噴吹後添加熔劑的方式對鋁熔體進行複合精煉，使熔體中氫含量降低至0.09 mL/（100 g） Al；樊振中等則采取先添加熔劑後旋轉噴吹的精煉方式結合真空處理使鋁熔體中氫含量降低至1.9×10-7。然而，目前對旋轉噴吹和熔劑複合方式的選擇及其對淨化效果的影響規律尚不明确。
中北大學研究團隊在2024年第44卷第3期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為“氣-粉複合精煉方式對ZL205A淨化效果的影響的文章，作者對ZL205A合金進行了不同順序的熔劑（粉）和旋轉噴吹（氩氣）以及旋轉噴吹内噴粉複合精煉，利用測氫儀、金相顯微鏡、拉伸試驗機、掃描電鏡分析了不同氣-粉複合方式的淨化效果。結果表明，熔劑能增大夾雜與熔體界面活性，降低鋁液黏度，其與旋轉噴吹氩氣複合方式對ZL205A合金熔體除氣除雜效果有較大影響；旋轉噴吹内噴粉工藝取得了最佳淨化效果，熔體氫含量從0.176 mL/（100 g） Al降到了0.087 mL/（100 g） Al，材料的屈服強度、抗拉強度和伸長率較未精煉合金分别提高了19.2%、18.3%和100%。
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【研究方法】
試驗材料為商用ZL205A合金，其成分見表1。熔煉裝置采用配有80号黏土坩埚的12 kW井式熔煉爐。熔劑選用HERA排雜型商用鋁合金精煉劑，其成分為NaF、KCl、NaAlF6和Na2SO4。旋轉噴吹裝置為XC（P）230-1型線上旋轉除氣機，使用的淨化氣體為高純氩氣（體積分數為99.999%）。
每爐試驗所用ZL205A合金為7 kg，熔煉前進行清洗、烘幹等預處理；熔化後将鋁液溫度調整至725~735 ℃後進行精煉，具體工藝見表2。以下旋轉噴吹與精煉劑的不同複合方式簡述為不同氣-粉複合方式。試驗過程中，環境濕度為30%~40%。
熔劑精煉時，熔劑加入量為鋁液品質的0.2%，精煉時間為15 min；旋轉噴吹精煉時，噴頭轉速為200 r/min，精煉時間為15 min，噴吹流量為20 L/min。精煉完成後，熔體靜置10 min。
采用HYCAL MINI手持式測氫儀對合金熔體進行線上測氫。測氫完成後在720 ℃左右進行澆注，模具為預熱至200 ℃的鑄鐵型。用于組織觀察和性能測試的試樣見圖1。對金相試樣進行打磨、抛光、陽極覆膜後清洗，采用ZEISS-Imager金相顯微鏡進行觀察；借助Image J軟體對晶粒尺寸進行統計；細小、微片狀夾雜在基體中可看作均勻分布，可利用Image J軟體對不少于5個金相視場下缺陷占視場面積分數進行統計分析，求取平均值用作淨化效果的定量表征。依據GB/T228.1-2010将鑄件加工成标距段直徑為ϕ5 mm的拉伸試棒，尺寸見圖2。利用 CMT-5105 型萬能試驗機測試标準力學試棒的力學性能，拉伸速率為1 mm/min，每組試驗至少3個試樣的平均值。采用配有Oxford AZtec能譜分析儀的ZEISS EVO MA15掃描電鏡進行夾雜判定（EDS）和拉伸斷口觀察（SEM）。
圖1 試樣取樣位置示意圖（厚度為30 mm）
圖2 拉伸試棒尺寸示意圖
【研究結果】
與未經過精煉處理的合金相比，精煉後的合金金相表面黑色缺陷（孔洞與夾雜）區域占視場面積比例明顯減少。圖3b中夾雜與孔洞尺寸大于圖3c中的，但圖3c中夾雜數量明顯多于圖3b，圖3d中夾雜與孔洞的尺寸和數量都明顯更小。
圖3 未精煉與不同氣-粉複合方式精煉處理後合金顯微組織
ZL205A合金經不同氣-粉複合方式精煉處理後，其晶粒較精煉前有不同程度的長大，平均晶粒尺寸由精煉前的93.1 μm分别增大至107.4、117.9和112.6 μm。由于精煉後鋁熔體中夾雜顆粒減少，微小的夾雜可能作為晶粒形核時的異質形核基礎，故推斷晶粒尺寸增大的現象可能與熔體中異質形核核心減少有關。
圖4 不同複合方式精煉處理後合金陽極腐蝕組織相
圖5 不同複合方式精煉處理後合金晶粒統計結果
不規則形狀缺陷中往往存在夾雜伴生孔洞缺陷。對圖6中各點進行EDS分析後，結果見表3。判定夾雜類型主要有3類：氧化鋁膜夾渣、MgO粒子和尖晶石夾渣以及其他類型夾渣。
圖6 圖3中夾雜形态和EDS分析
熔體淨化處理前氫含量均在0.17 mL/（100 g） Al以上，經過不同氣-粉複合方式淨化工藝處理後，氫含量均降到0.11 mL/（100 g） Al附近。3種氣-粉複合方式中，旋轉噴吹精煉劑的除氫效果最好，熔體氫含量降到0.086 mL/（100 g） Al，除氫率達到50.6%。經複合方式Ⅰ精煉除氣後，金相視場中夾雜與孔洞所占比例與未精煉試樣相比下降了52.0%，複合方式Ⅱ的下降了42.3%，複合方式Ⅲ的下降比率最高，達到77.4%。
圖7 氣-粉複合精煉方式對ZL205A鋁合金熔體除氣、除雜效果影響
結合金相照片和各試樣中夾雜和孔洞占比分析可得，3種複合方式的精煉工藝對熔體的除雜除氣都起到了積極的效果。從淨化效果來看，旋轉噴吹精煉劑>精煉劑+旋轉噴吹>旋轉噴吹+精煉劑。根據雜、氣互相作用的“寄生機制”，鋁液中含雜量高且細小彌散分布時，将明顯增加吸附氫的活性“窗”并增強其綜合聚集力場，使氫易寄生于夾雜上，因而加大了鋁液增氫傾向，并降低了氫在鋁液中的擴散速度，惡化了除氣動力學條件。此時若采取除氣措施，如複合方式Ⅱ，其效果并不理想。這可以從除氫速度數學表達式進一步獲得解釋。
在實際生産中，除氫淨化技術的研究與開發主要是圍繞着增大A與V比值、K值及作用時間t等3個方面展開的，并已開發了一些先進的除氫淨化技術和裝置，但忽視了夾雜與氫互相依賴和作用關系，複合方式Ⅰ和Ⅱ的淨化效果差異正源于此。大量夾雜的存在将使鋁液黏度μ增加，A與V比值減小，同時減小了擴散系數D，氫在鋁液中的擴散速度因夾雜的存在而降低，進而降低除氫效率，此時夾雜物成為除氫動力學的障礙，影響了除氫速度的進一步提高，使兩種除氣方法的效果未能充分發揮。複合方式Ⅰ在旋轉噴吹氩氣精煉前先加入熔劑，盡管此時熔劑與熔體有效接觸面積有限，但是依然溶解并吸附了部分夾雜，一方面降低了熔體黏度，提高了氫的擴散系數，另一方面熔劑與夾雜的反應提高了夾雜與熔體接觸界面的活性，有助于氩氣氣泡發揮吸附作用進行後續除氣除雜，是以精煉效果優于複合方式Ⅱ。複合方式Ⅲ利用氩氣作為載體向熔體内部噴入粉狀精煉劑，在高速旋轉的石墨轉子的剪切作用下均勻分散到熔體中，增大了熔劑與熔體的有效接觸面積，進一步提高了熔劑法的精煉效率，同時利用浮遊氣泡的吸附作用排出夾雜與遊離的氫，充分發揮了兩種精煉方式的優勢，相較于複合方式Ⅰ和Ⅱ提高了淨化效果。
圖8 淨化原理示意圖
1.夾雜顆粒 2.遊離氫 3.含精煉劑的較大氣泡
4.剪切破碎後的小氣泡
采用複合方式Ⅲ精煉後，合金的屈服強度σ0.2、抗拉強度σb和伸長率δ分别達到了93 MPa、233 MPa和23%，分别比原始合金提高了19.2%、18.3%和100%，分别較複合方式Ⅰ和複合方式Ⅱ的提高了6.3%、4.3%和48.4%，1.6%、7.6%和56.5%。結合精煉後合金的晶粒尺寸分析，鋁熔體潔淨度的提高對力學性能的正向提升效果要強于晶粒尺寸增大帶來的負面影響。
圖9 未精煉與不同氣-粉複合方式精煉後合金力學性能
合金未精煉除氣時，熔體含氫量較高，拉伸斷口處可觀察到聚集的縮孔與縮松，裂紋從縮松與縮孔處萌生，聚集的縮孔割裂了基體，導緻斷口中出現階梯狀的斷裂花樣。經過複合方式Ⅰ淨化的合金中無明顯縮松，縮孔尺寸較原始合金減小且未發現聚集現象；縮孔依然是裂紋萌生源頭，但無明顯階梯狀花樣；斷口有凹凸不平的三維結構，這種結構的形成是由于斷裂時材料内部産生大量拉伸損傷，使得裂紋在傳播時局部發生變化，在較高的應力集中區域出現塑性變形，形成凹陷然後受到應力分布等因素的共同影響而形成的。經過複合方式Ⅱ淨化的合金斷口中縮孔尺寸雖然較複合方式Ⅰ有增大，但未見原始合金中的縮松缺陷，斷裂面較平整，表明裂紋在擴充過程中受到阻礙小，材料力學性能惡化。經過複合方式Ⅲ精煉的合金，斷口無明顯縮松，縮孔數量較前3組試樣進一步減少，尺寸減小；斷裂面有凹凸不平的三維結構，但尺寸與圖10b相比有減小；三維結構凹坑處被許多細裂紋所填充，這些裂紋通常被認為是在斷裂過程中形成的；斷口中有明顯的韌窩，表明材料可能是由于塑性失效引起的韌性斷裂。
圖10 不同氣-粉複合方式精煉前後合金拉伸斷口形貌
【研究結果】
（1）對ZL205A合金進行了不同順序的熔劑（粉）和旋轉噴吹（氩氣）以及旋轉噴吹精煉劑複合精煉處理，熔劑能增大夾雜與熔體界面活性，有助于提高氩氣吸附除雜效率。熔劑加入方式對鋁合金熔體淨化效果影響顯著，旋轉噴吹精煉劑工藝取得了最佳的淨化效果。
（2）旋轉噴吹（氩氣+粉狀熔劑）精煉，氫含量降低至0.086 mL/（100 g） Al，夾雜含量降至0.177%，除氫率達到50.6%，材料的屈服強度、抗拉強度和伸長率較未精煉合金分别提高了19.2%、18.3%和100%。
（3）未經過複合精煉處理的ZL205A合金，熔體含氫量較高，凝固過程易形成縮孔與縮松，割裂基體，斷口花樣呈現階梯狀；經複合精煉後，随着熔體含氫量降低，合金基體中的縮孔減少，尺寸降低，斷口呈現韌性斷裂特征。