铝合金熔体的粘度及其影响因素

��收稿日期:2005-06-15��第一作者简介:李春生(1970-),男,山东乳山人, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师。铝合金熔体的粘度及其影响因素李春生,刘海鸥,赫�微,郝志刚,赵�涛,张�雷(东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060)摘要:简要阐述了影响金属熔体粘度的基本因素,熔体粘度对铸锭质量的影响;铝合金熔炼工艺和化学成分对熔体粘度的影响。关键词:粘度;动力粘度;铸锭质量;熔体质量中图分类号:TG292��文献标识码:A��文章编号:1007-7235(2005)10-0022-04ViscosityandEffectFactorsofAluminiumAlloyMeltLIChun�sheng,LIUHai�ou,HEWei,HAOZhi�gang,ZHAOTao,ZHANGLei(NortheastLightAlloyCo�,Ltd�,Harbin150060,China)Abstract:Thebasicfactorsthatinfluencetheviscosityofmeltwerebrieflysummarized�Meanwhile,theeffectofviscosityofmeltonthequalityofcastingandtheeffectofprocessingfactorsandchemicalcomponentonthealuminiumalloywerealsodiscussed�Keywords:viscosity;dynamicalviscosity;qualityofcasting;qualityofmelt��浇注前铝合金熔体的质量对半连续铸锭和随后加工产品的质量有重要影响。比如:�熔体的化学成分,包括主要成分、杂质含量及其相互关系控制不准确,会增大铸锭的裂纹倾向,降低其塑性;熔炼时的温度过高,浇注前的停留时间长,将降低铸锭的晶粒细化效果,增大铸锭形成粗晶组织(粗大等轴晶、柱状晶和羽毛晶)的倾向;!浇注前熔体的氢含量高,是铸锭形成气体缺陷(气孔、疏松、白点)的本质原因,可促使加工产品中出现膨胀型气泡、析出型气泡、气泡分层、气泡和夹杂物混合分层等缺陷;∀熔体中的夹杂物含量多,可使铸锭和加工产品中出现分散夹杂、点状夹杂、氧化膜、夹渣分层、夹渣和气泡混合分层等缺陷。本文仅就铝合金熔体的粘度及其影响,作一些粗浅的分析,供同行们参考。1�影响液态金属粘度的基本因素所有液体在层流运动的情况下,各液层间有摩擦阻力,称为液体的内摩擦,它妨碍液体的流动,此种内摩擦阻力称为粘度。相距为1cm的两层液体以1cm�s的速度作相对运动时,所需加于1cm2面积上的力的大小称为动力粘度。影响金属熔体粘度的基本因素如下。1�1�熔体温度的影响熔体的动力粘度随温度的升高而降低,参见图1。1�2�化学成分的影响铝合金的化学成分对熔体粘度有不可忽视的影响,以Al�Cu系合金为例,在含Cu量低于共晶成分时,其动力粘度随Cu含量增加而降低。Al�Si系合金的动力粘度也有同样的性质。参见图2。1�3�固体夹杂物的影响液态铝合金中夹杂物的数量、形状和分布在不同程度上影响其动力粘度。固态夹杂物常使熔体的粘度增加,如铝液中的氧化铝、氧化硅、氧化镁等。2�熔体粘度对铸锭质量的影响22��������轻�合�金�加�工�技�术2005,Vol.33,#10图1�液态金属的动力粘度与温度的关系图2�Al�Cu系合金的动力粘度与成分及温度的关系2�1�粘度大降低熔体的精炼效果熔体粘度大对精炼效果的影响表现:(1)降低溶质氢向精炼气泡中的扩散速度。气体精炼有较好的除氢效果,除渣效果次之。除氢过程是通过扩散实现的。根据扩散方程,扩散物质的量取决于扩散系数,而扩散系数的对数与绝对温度的倒数成直线关系,即温度越高扩散的物质的量越多。精炼时的熔体温度低,熔体粘度大,得不到满意的除氢效果。熔体中的夹杂物含量多会增加熔体的粘度,阻碍氢向精炼气泡中的扩散,也降低除氢效果。(2)降低熔剂精炼时的除渣效果。熔剂精炼有较好的除渣效果,除气效果次之。熔剂精炼的机理有吸附、溶解机理,有挥发性气体的精炼作用和熔剂上浮时的粘滞携带作用。熔体的温度低,其粘度大,吸附阻力增大,影响除渣效果。熔体温度低时,熔剂的溶解作用降低,挥发性气体减少,也影响除渣效果。(3)降低熔体中夹杂物的沉浮速度。夹杂物的沉浮速度(v)与熔体动力粘度及夹杂物半径的关系为[1]:v=2[r2(r液-r杂)]�9�式中:�∃液体的动力粘度,N%s�m2;r∃夹杂物半径;r液∃液体的重度,N�m3;r杂∃夹杂物的重度,N�m3。由上式可见,熔体的粘度愈大,夹杂物半径越小,熔体与夹杂物的重度差越小,夹杂物沉浮速度越慢,留在铸件中的可能性越大。因此,应避免采用过低温度精炼,并在精炼后要保持足够的静置时间。2�2�粘度大促使铸锭表层产生冷隔缺陷精炼后的熔体是通过浇注系统(流槽、分配流盘和分配漏斗)导入结晶器的,若导入熔体的温度低、粘度大、流速慢,则不能及时流向铸锭周边。在结晶器壁一次冷却的影响下,极易在铸锭周边形成冷隔缺陷。为了避免冷隔缺陷,通常采取以下措施:�不采用过低的铸造速度;减少液体金属流经浇注系统的温降(避免使用容积过大的浇注系统、加强浇注系统的保温、漏斗的导流口应紧邻敞露液面);!在铸锭不裂纹的前提下适当提高铸造速度;∀降低结晶器壁的一次冷却强度;&分配漏斗直径不宜过小。2�3�粘度大增加液穴内污染物的分离难度铝及铝合金铸锭结晶时有大量的氢析出,析出的氢可汇集成气泡,在重度差的作用下可从液穴内上浮,也可吸附在夹杂物表面一起上浮,当上浮速度低于铸造速度时,便结晶在铸锭中。若导入液穴内的熔体温度低、粘度大,这种析出气泡难于上升至敞露液面排出,便可转移至铸锭表面形成表面气孔。因此,应尽可能提高导入液穴内的熔体温度。2�4�粘度大易导致扁锭宽面表层皱褶缺陷产生皱褶缺陷的合金铸锭有以下特点:�合金的Mg含量较高,在变形铝合金的成分范围内,Mg含量高则合金熔体的流动性差(图3)[2],同时表面氧化膜为不能阻止Mg继续氧化而生成疏松多孔的氧化膜;合金的裂纹倾向较高,只有铸造温度和铸造速度低时,才能抑制裂纹的产生;!铸造熔体流量小,导入结晶器的熔体粘度大。分析皱褶缺陷的产生原因,认为熔体的粘度大对皱褶缺陷产生有重要影响。实测表明,因熔体的粘度大,流速慢,向扁锭引流的漏斗两侧,其敞露液面上的温度比其他部位的要低10∋~15∋,该部位的熔体得不到及时更新,形成的表面膜(氧化镁膜)较厚,在表面张力的作用下可将该表面膜拉断。当这部分表层金属翻卷至铸锭表面时,因膜的导热性232005,Vol.33,#10轻�合�金�加�工�技�术��������图3�Al�Mg系合金流动性与Mg含量的关系差,拉断缝隙所露出的金属液又不能接受结晶器壁的一次冷却,形成的液穴壁很薄,且有二次加热的影响,该液穴壁为软状态,在铸锭向宽面作横向收缩时,因收缩力作用,可导致该部位皱褶缺陷的形成。在合金成分一定的前提下,熔体粘度主要受熔体温度和熔体中夹杂物含量的影响。需要指出的是,向浇注前的熔体中添加的Al�Ti�B合金晶粒细化剂,其中有多量TiB2质点(直径约1�5�m,熔点2000∋以上)在铝中不溶,相当于夹杂物分散在铝熔体中,因而可增大熔体的粘度,对皱褶缺陷的形成产生不利影响。建议当必须用Al�Ti�B晶粒细化剂时,不宜采用Al�5Ti�1B合金,而改用Al�5Ti�0�6B或Al�5Ti�0�2B晶粒细化剂。3�影响铝合金熔体粘度的工艺因素3�1�熔体中的夹杂物含量熔体中的夹杂物含量直接影响熔体的粘度,夹杂物的含量与下列因素有关:(1)炉料的比表面大小、炉料的内部纯洁度、炉料的保管条件和保存时间;(2)熔炼条件,如火焰炉熔炼时炉气中的水分压比电阻炉的高,熔炼烧损严重,使熔体中夹杂物增多;(3)熔铝炉的烘烤质量对熔体中的夹杂物含量有重要影响,例如,熔铝炉炉底的镁砂焙烧不彻底,MgCO3和Mg(OH)2分解不完全,可在熔铝炉使用过程中继续分解并从砖缝逸至铝熔体中;(4)熔炼温度和时间、熔炼操作的平稳程度都可影响熔体中的Al2O3的含量;(5)熔体的转注方式不平稳也可使转注后熔体的夹杂物含量增加。3�2�熔体的精炼技术影响精炼效果的因素是多方面的,有精炼方法本身的影响,有精炼介质质量、精炼温度、精炼介质用量和精炼操作等。应根据产品质量要求的严格程度选择合适的精炼工艺。需要指出,精炼时熔体的温度对精炼效果有重要影响,在本文2�1节中作了阐述。这里补充说明的是,合理的工艺是在熔炼工序应采用较低温度作业以免增加合金的吸氢和氧化程度;只在临近将熔体导入精炼炉之前的短时间内才提高熔体温度。但对于含Mn、Fe、Ni、Si高的铝合金,为了确保这些元素的充分熔解,避免难熔元素及相关高熔点化合物的残留,在熔炼工序采用高温作业还是必要的。3�3�导入结晶器的熔体温度静置炉内的熔体是通过浇注系统导入结晶器。导入结晶器的熔体温度高,则熔体粘度小。影响导入结晶器的熔体温度的因素:(1)铸造时静置炉内的熔体温度(铸造温度),生产实践证明,铸锭裂纹倾向很大的Al�Zn�Mg�Cu系和Al�Cu�Mg系合金的大规格圆铸锭,采用高温铸造可有效地提高铸锭的内部纯洁度;(2)浇注系统的温降小是保证导入结晶器内熔体温度的必要条件;(3)铸造时流经浇注系统的熔体流量过小会导致熔体粘度增加,应尽可能利用铸造井口面积一次铸造多根铸锭,避免铸造(丢根)和(跑单根)的情况发生。若被迫不能一次铸造多根铸锭,则应适当提高铸造温度。4�化学成分对熔体粘度的影响4�1�合金结晶温度范围的影响从结晶开始到结晶终了的温度范围内,由于固相的出现,使该温度下的熔体粘度增加,影响结晶时析出气体和夹杂物的排出。合金的结晶温度范围宽,粘度大的区域加大,对析出气体和夹杂物的上浮和排出是不利的,易使铸锭中产生气孔、疏松、显微疏松和夹杂缺陷。4�2�合金中难熔组元的影响合金中的难熔元素有Fe、Ni、Mn、Zr、Ti、V、Cr等,它们可形成高熔点化合物FeAl3(1160∋)、�Fe3SiAl12(860∋)、!�Fe2Si2Al9(700∋)、FeNiAl9(810∋)、NiAl3(854∋)、MnAl6(710∋)、ZrAl3(1580∋)、TiAl3(1340∋)、VAl7(688∋)、CrAl7(725∋)、等。[3]在熔铸工艺控制不当时,由于浓度起伏,甚至在熔体未进入结晶器时就可出现难熔化合物质点。在铸锭的液穴内,由于温度迅速降低,难熔化合物质点出现的更加突出,这些化合物质点的存24��������轻�合�金�加�工�技�术2005,Vol.33,#10在必将急剧增加熔体的粘度,影响铸锭的质量,还可能造成金属化合物一次晶的偏析、积聚。为避免上述情况的发生,通常采取以下工艺措施:(1)正确选定难熔组元的合金化工艺。以金属Zr为例,如果采用Al�Zr中间合金进行合金化,由于Al�Zr中间合金中有多量的粗大ZrAl3化合物,在熔炼温度较低的情况下易出现上述情况。因此对于不含Mg的含Zr铝合金,不用Al�Zr中间合金而采用K2ZrF6在800∋下进行合金化,可有效的防止上述情况发生;对同时含Mg、Zr的铝合金,可采用Mg�Zr中间合金进行合金化。(2)含难熔组元较高的合金,应采用较高的熔炼温度,以加速难熔化合物的溶解和扩散。(3)在化学成分标准允许范围内,将难熔组元的含量控制在成分的下限。(4)避免采用低的精炼温度和铸造速度,减少浇注系统的温降,充分加热铸造漏斗。4�3�工艺添加剂的影响(1)铸锭晶粒细化剂。常用的铸锭晶粒细化剂有Al�Ti、Al�Ti�B中间合金,还可采用Ti�B添加剂、盐类细化剂等,它们对熔体粘度的影响已在2�4节和4�2节中介绍。(2)抗氧化剂。Mg的化学活性比铝的更强,含Mg较高(大于3%)的铝合金熔体生成的氧化镁多,增加铝熔体中夹杂物含量,使熔体的粘度增加。在含Mg较高的铝合金中常加入微量的Be抑制Mg的氧化倾向。Be的原子半径很小(0�113nm),Mg的0.160nm,Al的0.143nm;Be可优先氧化且(VBeO�VBe)>1;氧化铍很稳定,熔点2000∋以上,沸点约4100∋,其标准生成焓为609kJ�mol;氧化铍的电阻大(109∀),按氧化过程的电子�离子机理,它在铝熔体表面可阻碍其氧化过程,防止Mg的氧化烧损,对降低熔体的粘度是有利的。(3)共晶硅相变质剂的影响。Al�Si系变形铝合金在不进行变质处理条件下,铸锭中有板块状共晶硅相,降低其切削和加工性能。因此,必须对这种共晶硅相作变质处理,常用变质剂为钠盐,Na进入铝熔体后可使其粘度增加30%[4],对铸造过程不利。4�4�对铝熔体粘度有重要影响的某些元素铝合金中常有的元素:Cu、Mg、Mn、Fe、Si、Zn、Ni、Ti等,其中某些对铝熔体的粘度有重要影响。例如Si可降低熔体的粘度,因此,在合金成分允许的范围内,将Si含量控制较高是有利的,如将2A11(LY11)、6A02(LD2)、2A50(LD5)、2B50(LD6)、2A14(LD10)等合金的Si含量控制较高。5�结束语铝合金熔体粘度对铸锭的表面质量和内部组织有很大影响。影响熔体粘度的因素很多,为抑制粘度大的不利影响,应在认真分析的基础上,有针对性的采取措施。参考文献:[1]�李庆春�铸件形成理论基础[M]�哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1980�[2]�彭学仕,陈德林,唐桂林�铝熔体中黑褐色夹杂物的本质及分离方法[J]�轻合金加工技术,1989,(1):14�[3]�金相图谱编写组�变形铝合金金相图谱[M]�北京:冶金工业出版社,1974�[4]�黄良茹�铸造有色合金及其熔炼[M]�北京:国防工业出版社,1980�中国首家以原铝铸造加工锭的独立企业��四川鑫星铝业有限责任公司位于四川省眉山市修文镇眉山铝业城,与四川启明星铝业公司毗邻,是由成都恒星投资公司、重庆鑫朝实业有限公司投资组建的,专门生产1∗∗∗~8∗∗∗系合金扁锭及圆锭,利用启明星铝业有限公司的优质原铝,目前启明星公司的原铝产量为108kt�月。鑫星铝业有限责任公司是中国首家以原铝铸造加工锭的独立企业(与电解铝厂没有投资方面的关系),成立于2003年10月,一期工程2004年9月投产,设计规模为75kt�a扁锭与圆锭及盘条。同等规模的二期工程可于2006年建成。目前所产的扁锭全面销往西南铝业(集团)有限责任公司与中铝西南铝板带有限公司。鑫星铝业有限责任公司的装备先进,有35t的矩形熔炼炉与倾动式保温炉各一台,有PLC自动控制系统,极大地提高了铸造过程的稳定性;设有双级除气和双级过滤装置;铸造机为液压内导式,液压缸等关键设备从德国引进。(王祝堂)252005,Vol.33,#10轻�合�金�加�工�技�术��������