【引用格式】
张钰鑫，张文达，王宇，等.气-粉复合精炼方式对ZL205A净化效果的影响［J］.特种铸造及有色合金，2024，44（3）：354-358.
Citation:ZHANGYX，ZHANGWD，WANGY，［J］.SpecialCastingNonferrousAlloys，2024，44（3）：354-358.
铝合金在熔炼过程中易与水气反应而氧化吸氢，导致合金凝固成形后产生气孔和夹杂等冶金缺陷，恶化材料的力学性能。ZL205A铝合金作为Al-Cu系合金，力学性能优异，广泛应用于生产汽车和航天航空等领域的高端铸件，然而ZL205A合金熔体黏度大，细小夹杂（尺寸20μm）难以去除，无法满足高品质铝合金铸件对高洁净熔体控制要求。
在合金生产过程中对熔体进行精炼处理是控制氢含量和夹杂物含量的有效技术手段。针对铝熔体有过滤法、静置处理法、熔剂法、气泡浮游法、超声波处理法和真空处理法等净化处理方式。过滤法和静置处理法对尺寸大于10μm的夹杂具有较好的去除效果，但除氢效果不显著；熔剂法受限于熔剂与熔体的有效接触和熔剂的理化性质，其净化效果有待进一步提高；超声处理以细化作用为主，除氢作用虽有涉及但有效功率范围有限，且无法处理大量熔体，在生产中很少被使用；真空处理具有优异的除气效果，但无法有效去除熔体中的杂质，且设备相对昂贵，限制了其推广使用；旋转喷吹法属于气泡浮游法，因其具有较好的精炼效果，无污染且操作简单，易于实现自动化等特点被大多数铝生产厂家采用。随着铝工业的发展和各行业对高品质铝合金需求的增大，单一的熔体净化方式无法满足高品质铸件对铝熔体洁净度的要求，各种复合精炼净化技术因此产生。目前常选用氩气旋转喷吹氩气结合熔剂法进行复合精炼除气除渣，取得了较单一旋转喷吹法或熔剂法更好的净化效果。郑卫东等通过先旋转喷吹后添加熔剂的方式对铝熔体进行复合精炼，使熔体中氢含量降低至0.09mL/（100g）Al；樊振中等则采取先添加熔剂后旋转喷吹的精炼方式结合真空处理使铝熔体中氢含量降低至1.9×10-7。然而，目前对旋转喷吹和熔剂复合方式的选择及其对净化效果的影响规律尚不明确。
中北大学研究团队在2024年第44卷第3期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“气-粉复合精炼方式对ZL205A净化效果的影响的文章，作者对ZL205A合金进行了不同顺序的熔剂（粉）和旋转喷吹（氩气）以及旋转喷吹内喷粉复合精炼，利用测氢仪、金相显微镜、拉伸试验机、扫描电镜分析了不同气-粉复合方式的净化效果。结果表明，熔剂能增大夹杂与熔体界面活性，降低铝液黏度，其与旋转喷吹氩气复合方式对ZL205A合金熔体除气除杂效果有较大影响；旋转喷吹内喷粉工艺取得了最佳净化效果，熔体氢含量从0.176mL/（100g）Al降到了0.087mL/（100g）Al，材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率较未精炼合金分别提高了19.2%、18.3%和100%。
【研究方法】
试验材料为商用ZL205A合金，其成分见表1。熔炼设备采用配有80号黏土坩埚的12kW井式熔炼炉。熔剂选用HERA排杂型商用铝合金精炼剂，其成分为NaF、KCl、NaAlF6和Na2SO4。旋转喷吹设备为XC（P）230-1型在线旋转除气机，使用的净化气体为高纯氩气（体积分数为99.999%）。
每炉试验所用ZL205A合金为7kg，熔炼前进行清洗、烘干等预处理；熔化后将铝液温度调整至725~735℃后进行精炼，具体工艺见表2。以下旋转喷吹与精炼剂的不同复合方式简述为不同气-粉复合方式。试验过程中，环境湿度为30%~40%。
熔剂精炼时，熔剂加入量为铝液质量的0.2%，精炼时间为15min；旋转喷吹精炼时，喷头转速为200r/min，精炼时间为15min，喷吹流量为20L/min。精炼完成后，熔体静置10min。
采用HYCALMINI手持式测氢仪对合金熔体进行在线测氢。测氢完成后在720℃左右进行浇注，模具为预热至200℃的铸铁型。用于组织观察和性能测试的试样见图1。对金相试样进行打磨、抛光、阳极覆膜后清洗，采用ZEISS-Imager金相显微镜进行观察；借助ImageJ软件对晶粒尺寸进行统计；细小、微片状夹杂在基体中可看作均匀分布，可利用ImageJ软件对不少于5个金相视场下缺陷占视场面积分数进行统计分析，求取平均值用作净化效果的定量表征。依据GB/将铸件加工成标距段直径为ϕ5mm的拉伸试棒，尺寸见图2。利用CMT-5105型万能试验机测试标准力学试棒的力学性能，拉伸速率为1mm/min，每组试验至少3个试样的平均值。采用配有OxfordAZtec能谱分析仪的ZEISSEVOMA15扫描电镜进行夹杂判定（EDS）和拉伸断口观察（SEM）。
图1试样取样位置示意图（厚度为30mm）
图2拉伸试棒尺寸示意图
【研究结果】
与未经过精炼处理的合金相比，精炼后的合金金相表面黑色缺陷（孔洞与夹杂）区域占视场面积比例明显减少。图3b中夹杂与孔洞尺寸大于图3c中的，但图3c中夹杂数量明显多于图3b，图3d中夹杂与孔洞的尺寸和数量都明显更小。
图3未精炼与不同气-粉复合方式精炼处理后合金显微组织
ZL205A合金经不同气-粉复合方式精炼处理后，其晶粒较精炼前有不同程度的长大，平均晶粒尺寸由精炼前的93.1μm分别增大至107.4、117.9和112.6μm。由于精炼后铝熔体中夹杂颗粒减少，微小的夹杂可能作为晶粒形核时的异质形核基础，故推断晶粒尺寸增大的现象可能与熔体中异质形核核心减少有关。
图4不同复合方式精炼处理后合金阳极腐蚀组织相
图5不同复合方式精炼处理后合金晶粒统计结果
不规则形状缺陷中往往存在夹杂伴生孔洞缺陷。对图6中各点进行EDS分析后，结果见表3。判定夹杂类型主要有3类：氧化铝膜夹渣、MgO粒子和尖晶石夹渣以及其他类型夹渣。
图6图3中夹杂形态和EDS分析
熔体净化处理前氢含量均在0.17mL/（100g）Al以上，经过不同气-粉复合方式净化工艺处理后，氢含量均降到0.11mL/（100g）Al附近。3种气-粉复合方式中，旋转喷吹精炼剂的除氢效果最好，熔体氢含量降到0.086mL/（100g）Al，除氢率达到50.6%。经复合方式Ⅰ精炼除气后，金相视场中夹杂与孔洞所占比例与未精炼试样相比下降了52.0%，复合方式Ⅱ的下降了42.3%，复合方式Ⅲ的下降比率最高，达到77.4%。
图7气-粉复合精炼方式对ZL205A铝合金熔体除气、除杂效果影响
结合金相照片和各试样中夹杂和孔洞占比分析可得，3种复合方式的精炼工艺对熔体的除杂除气都起到了积极的效果。从净化效果来看，旋转喷吹精炼剂精炼剂+旋转喷吹旋转喷吹+精炼剂。根据杂、气相互作用的“寄生机制”，铝液中含杂量高且细小弥散分布时，将明显增加吸附氢的活性“窗”并增强其综合聚集力场，使氢易寄生于夹杂上，因而加大了铝液增氢倾向，并降低了氢在铝液中的扩散速度，恶化了除气动力学条件。此时若采取除气措施，如复合方式Ⅱ，其效果并不理想。这可以从除氢速度数学表达式进一步获得解释。
在实际生产中，除氢净化技术的研究与开发主要是围绕着增大A与V比值、K值及作用时间t等3个方面展开的，并已开发了一些先进的除氢净化技术和装置，但忽视了夹杂与氢相互依赖和作用关系，复合方式Ⅰ和Ⅱ的净化效果差异正源于此。大量夹杂的存在将使铝液黏度μ增加，A与V比值减小，同时减小了扩散系数D，氢在铝液中的扩散速度因夹杂的存在而降低，从而降低除氢效率，此时夹杂物成为除氢动力学的障碍，影响了除氢速度的进一步提高，使两种除气方法的效果未能充分发挥。复合方式Ⅰ在旋转喷吹氩气精炼前先加入熔剂，尽管此时熔剂与熔体有效接触面积有限，但是依然溶解并吸附了部分夹杂，一方面降低了熔体黏度，提高了氢的扩散系数，另一方面熔剂与夹杂的反应提高了夹杂与熔体接触界面的活性，有助于氩气气泡发挥吸附作用进行后续除气除杂，因此精炼效果优于复合方式Ⅱ。复合方式Ⅲ利用氩气作为载体向熔体内部喷入粉状精炼剂，在高速旋转的石墨转子的剪切作用下均匀分散到熔体中，增大了熔剂与熔体的有效接触面积，进一步提高了熔剂法的精炼效率，同时利用浮游气泡的吸附作用排出夹杂与游离的氢，充分发挥了两种精炼方式的优势，相较于复合方式Ⅰ和Ⅱ提高了净化效果。
图8净化原理示意图
1.夹杂颗粒2.游离氢3.含精炼剂的较大气泡
4.剪切破碎后的小气泡
采用复合方式Ⅲ精炼后，合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb和伸长率δ分别达到了93MPa、233MPa和23%，分别比原始合金提高了19.2%、18.3%和100%，分别较复合方式Ⅰ和复合方式Ⅱ的提高了6.3%、4.3%和48.4%，1.6%、7.6%和56.5%。结合精炼后合金的晶粒尺寸分析，铝熔体洁净度的提高对力学性能的正向提升效果要强于晶粒尺寸增大带来的负面影响。
图9未精炼与不同气-粉复合方式精炼后合金力学性能
合金未精炼除气时，熔体含氢量较高，拉伸断口处可观察到聚集的缩孔与缩松，裂纹从缩松与缩孔处萌生，聚集的缩孔割裂了基体，导致断口中出现阶梯状的断裂花样。经过复合方式Ⅰ净化的合金中无明显缩松，缩孔尺寸较原始合金减小且未发现聚集现象；缩孔依然是裂纹萌生源头，但无明显阶梯状花样；断口有凹凸不平的三维结构，这种结构的形成是由于断裂时材料内部产生大量拉伸损伤，使得裂纹在传播时局部发生变化，在较高的应力集中区域出现塑性变形，形成凹陷然后受到应力分布等因素的共同影响而形成的。经过复合方式Ⅱ净化的合金断口中缩孔尺寸虽然较复合方式Ⅰ有增大，但未见原始合金中的缩松缺陷，断裂面较平整，表明裂纹在扩展过程中受到阻碍小，材料力学性能恶化。经过复合方式Ⅲ精炼的合金，断口无明显缩松，缩孔数量较前3组试样进一步减少，尺寸减小；断裂面有凹凸不平的三维结构，但尺寸与图10b相比有减小；三维结构凹坑处被许多细裂纹所填充，这些裂纹通常被认为是在断裂过程中形成的；断口中有明显的韧窝，表明材料可能是由于塑性失效引起的韧性断裂。
图10不同气-粉复合方式精炼前后合金拉伸断口形貌
【研究结果】
（1）对ZL205A合金进行了不同顺序的熔剂（粉）和旋转喷吹（氩气）以及旋转喷吹精炼剂复合精炼处理，熔剂能增大夹杂与熔体界面活性，有助于提高氩气吸附除杂效率。熔剂加入方式对铝合金熔体净化效果影响显著，旋转喷吹精炼剂工艺取得了最佳的净化效果。
（2）旋转喷吹（氩气+粉状熔剂）精炼，氢含量降低至0.086mL/（100g）Al，夹杂含量降至0.177%，除氢率达到50.6%，材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率较未精炼合金分别提高了19.2%、18.3%和100%。
（3）未经过复合精炼处理的ZL205A合金，熔体含氢量较高，凝固过程易形成缩孔与缩松，割裂基体，断口花样呈现阶梯状；经复合精炼后，随着熔体含氢量降低，合金基体中的缩孔减少，尺寸降低，断口呈现韧性断裂特征。
