一种Al-Si系铸造铝合金熔炼沉淀物析出机制的探讨

一种Al-Si系铸造铝合金熔炼沉淀物析出机制的探讨

王涛1、2，郑聚备3，刘锐1、2，侯立涛1、2，田海伟1、2，马洪友1、2，屈伟曼1.2 ，李丹阳1.2

1.隆达铝业（顺平）有限公司 河北省保定市 072550  2.河北省新型铝合金材料创新中心 河北省保定市 072250  3保定隆达铝业有限公司  河北省保定市 072558

摘要：本文对一种Al-Si系铸造合金在熔炼过程中产生的不明沉淀物，通过物理、化学，以及熔炼工艺试验，并通过试验数据分析，不明沉淀物的化学成分组成，以及其形成的机理。在此基础上，通过对ADC12铸锭的复熔、定温、保温熔炼过程复现，模拟不同温度温度区间的工艺条件，确定了沉淀物析出、生成长大的温度区间和形成时间，最终得出抑制此类沉淀物的生成的优化解决方案，并对现有生产工艺水平进行改进与提高。

关键词： 沉淀物 结晶体 颗粒 化合相

Al-Si合金具有优良的铸造性能、流动性和较小的体收缩率，因而并广泛应用压铸件的生产，但在该类合金的使用过程中，由于各种工艺条件控制不严格也会导致在压铸生产中出现各种质量问题。对于此类质量问题，应当追根溯源，分析问题产生机制及要素，以找出避免导致问题的解决办法。例如，在某压铸生产厂的Al-Si系铸造铝合金压铸生产过程中，对一些熔炼炉和机边炉进行清理时，经常在炉壁和炉底发现一些不明原因的块状的结晶体沉淀物。此种沉淀物坚硬、致密，高温下不分解，为避免此种结晶体沉淀物混入铝液，造成硬质点夹渣缺陷，生产中对其产生的原因和寻求避免此种沉淀物的解决方法的要求十分迫切，为此，进行了此类沉淀物成因分析的试验。

图1 沉淀物样貌图片

1 试验材料及方法

1.1试验材料

本试验提取了熔炼炉清理时扒出的沉淀物进行外观及物理化学检验。同时，取99.8%的A00铝锭用于沉淀物溶解、成分测定试验。采用与生产现场相类似的ADC12铝锭分别以不同熔炼温度进行熔炼，并制备化学成分试样，用于对照生产过程中实际的化学成分。

1.2 试验过程

首先对提取熔炼炉扒出的沉淀物，进行高温煅烧。使用马弗炉在670℃~800℃进行0.5小时的定温煅烧，来确认其高温状态下的熔点。然后，采用沉淀物与99.8%铝锭1:9混合沉淀物与铝金属混合，并采用720℃~800℃熔炼，并制取化学成分试样，用ARL-3460型直读光谱仪进行化学成分检测，以确定沉淀物的主要化学成分。采用1:1盐酸清洗溶解沉淀物，并通过其剥落层观察来分析其凝结及结晶过程，并对结晶体进行低倍、高倍检测，分析其内部组织结构、凝结条件和产生原因。利用实验电炉，分别进行ADC12铸锭的复熔、定温、保温熔炼过程复现，并模拟660℃~850℃不同温度温度区间的工艺条件，以确定沉淀物析出、生成长大的温度区间和形成时间，以分析沉淀物形成的形成过程，最终得到避免此类沉淀物的生成条件以利于生产工艺的改进与提高。

2 试验结果与分析

2.1 沉淀物的高温分解

沉淀物试样经马弗炉温度670℃，煅烧35分钟后，沉淀物未发生明显性状改变。当炉温升至720℃，煅烧30分钟，沉淀物试验只有极少部分出现剥离凝结块的现象，但表面出现部分灼烧氧化痕迹。当炉温升至800℃，煅烧35min后，块状沉淀物开始分解成熔融状，仍然可见颗粒状结晶体，重新降温凝结后，沉淀物呈分散团簇状，团簇周边为金属铝和铝氧化物样貌，结晶体多数呈颗粒状散落单体。因此可推定沉淀物中的结晶体熔点不低于800℃，受试验条件未能确定结晶体的熔点。但通过在高温煅烧后，沉淀物融解状态可以看出，沉淀物的粘结组织中铝金属熔化、渗出、氧化等现象，可以推定沉淀物应为铝金属与结晶体的粘结的混合物，当部分铝金属由于重力渗出后和出现烧损后，降温凝固后铝金属在新的沉淀物外部，结晶体由于失去粘合联接，且又未达到其晶体长大温度和时间时，则会呈分散的散粒状结晶体。

2.2 沉淀物在铝中的溶解

沉淀物与99.8%铝锭按1:9配比混合，当马弗炉温度升至720℃，保温0.5小时后结晶体开始溶解于熔融铝液，直至结晶体与铝液完全溶解，经搅拌确认无块状沉淀物，因此可以确定结晶体在铝中的溶解温度为720℃。为保证结晶体在铝液中溶解充分性、成分均匀性，浇铸温度750℃下制取了成分样品，并利用AL-3460直读光谱仪对试样进行检测分析。主要发生变化的元素含量及分析结果如表1：

表1 样品检测结果及与铝锭原始成分对比结果ω%

根据检测结果可见，经过复熔检测试验中铝液中元素含量增加最多的是Fe、Mn、Cr，同时也包括一定量的Si、Cu元素。因为铝液主要成分中含有大量的Si元素，因此可以推断结晶体应为Si、Fe、Mn、Cr为主要元素的多元化合物。

在Al-Si合金中，当合金中Fe杂质含量较高和Mn量较多时，由于铝液中的 FeMn等元素有向铝液下部偏析的倾向[1]，促使形成AISiMnFe相。铝液温度较低、停放时间较长时这种偏析倾向也更为强烈就会使AISiMnFe化合物在铝液底部析出、长大当大块 AlSiMnFe化合物混入铝液进入压铸件时即成为硬质金属杂质相[2]。

此外，在Al-Si系合金的生产中，AlSiMnFeCr的化合相极易生成沉淀相，形成铝液中的淤渣。当铝液中淤泥系数ω（Fe）+2ω（Mn）+3ω（Cr）≥1.5%时，这种现象尤为明显。为此，我们调阅了清炉前的生产数据中淤泥指数的相关数据，此阶段各炉次化学成分的淤泥指数均在1.6~1.7%之间，高于1.5%的水平，所以容易生成易于沉淀的AlSiMnFeCr的化合相[3]。

2.3 沉淀物的形成

块状沉淀物呈堆积形貌特征，使用盐酸对块状沉淀物进行浸蚀冲洗可以判断块状沉淀物的生长方向。在冲洗结晶体时，最先剥落出外层的细小结晶颗粒，然后向内可以逐层剥离出尺寸更大的结晶颗粒。因此，可以推定沉淀物先由游离状小的结晶体晶粒在低温液态区析出，再与后析出的结晶体晶粒附着生长，在熔炼炉的底部区域逐渐沉积，在适宜温度区间形成簇状结晶体粘结结构，并最终形成块状沉淀物。

2.4 熔炼工艺对沉淀物的影响

在生产条件进行ADC12铝锭重熔试验时，待炉料充分熔化后，不做搅拌处理，在665℃~685℃温度条件下，静置保温42小时后。当进行铝液清掏时发现，炉壁上有颗粒状突起，而在685~710℃及以上温度则没有此类现象，由此可以断定沉淀物的形成温度应在665℃~685℃区间内开始析出金属化合物的结晶体颗粒。

一般在生产中为避免铝液过度烧损，一般炉内铝液温度控制在690℃~710℃左右，而对现场炉内铝液的测量时发现，炉底温度往往会比上层铝液温度低15~20℃。当按铝液表层690℃~710℃温度控制保温温度时，炉底层铝液温度区间在670~685℃之间，这个温度区间恰恰是AlSiMnFeCr的化合相开始析出，并易于生成沉淀物的条件，因此非常容易此类结晶体沉淀物。

3 结论

1.造成沉淀物形成的原因有：

1）铝液中Fe、Mn、Cr三元素质量成分的烂泥指数偏高，形成AlSiMnFeCr金属化合物沉淀相；

2）铝液熔炼、保温温度过低，在665~685℃形成晶体生长适宜环境温度，易于AlSiMnFeCr金属化合物析出、长大和沉淀；

3）当铝液Si含量接近共晶点时，不搅拌的情况下，炉内存在上下温差，底层炉温。

2.解决措施：

1）控制Fe、Mn、Cr材料的添加，尤其是Fe元素的含量，将铝液淤泥指数控制在≤1.5%；

2）提高铝液炉的熔炼保温温度700~720℃以上，并保证炉内铝液的层温均匀性；

3）加强搅拌，保证铝液的成分均匀性，避免沉淀相向炉底低温区聚集，造成过饱和析出。

参考文献

[1]陆树荪，徐明钢，赵愉等.铝压铸件中的硬质点及硬质金属杂质相[J].特种铸造及有色合金，2000（4）：10-12.

[2]庞晋龙，方敏.变质处理对B390铝合金组织的影响研究[J].热加工工艺，2014（9）：92-94.

[3]田荣璋.铸造铝合金[M].长沙：中南大学出版社.2006.9.

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