2015, Vol. 6引用本文 |
| 利用超重力分离5052铝合金熔体中的非金属夹杂 |  [PDF全文] |
b. 钢铁冶金新技术国家重点实验室, 北京科技大学, 北京 100083
b. State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
铝合金中非金属夹杂不仅增加铝熔体黏度，降低铝合金的铸造性能，在金属变形过程中，夹杂物周围还会产生应力集中，导致疲劳裂纹、降低延伸率、塑性变差，严重影响铝合金的使用性能[1-3].随着汽车制造业和航空航天等工业对铝合金性能要求越来越严格，铝合金生产企业采用各种熔体处理方法去除非金属夹杂以生产高质量的铝合金产品.随着科学技术的发展，铝熔体净化工艺越来越成熟，净化的手段越来越丰富，然而每种方法都有自己的优点与局限性，例如传统的熔剂精炼法虽然有着良好的净化效果，且原料来源充足，但是会造成一定的环境污染；产生的废渣及用过的熔剂比较难处理[4].因此寻找一种更为高效的夹杂分离新技术显得尤为重要.
超重力技术作为一种全新的技术由于具有强化传质的特点正日益受到各个领域科学工作者的重视，超重力技术研究起步比较晚，在1979年才公开第一个相关专利[5].国内外对超重力技术的应用研究主要集中在蒸馏、精馏、环保除尘、天然气的干燥、脱碳、脱硫以及生物氧化反应过程的强化等方面[6-8].近年来，超重力技术开始应用在金属净化方面，但相关研究较少，尚处于起步阶段.20世纪90年代初，日本的Yuji Miki等[9]以电磁搅拌产生水平离心力场，研究了利用超重力脱除钢液中的氧化夹杂物，实验结果表明其脱除率提高了50 %以上，脱氧速率明显加快.Lixin Zhao等[10]研究了工业纯Al在不同的超重力场中杂质元素Fe和Si的富集及去除，当超重力场为1 000 g时，试样顶端和底部的Fe、Si的浓度之比分别达到4.05和2.80，表明这种方法可以有效去除低浓度杂质元素.孙士瞳等[11]在恒温状态下对Al-3.01 %Fe过共晶金属熔体进行超重力处理，先析出Al3Fe相完全富集至试样底部，利用Stokes公式进行了分析，认为超重力能够强化粒子沉降过程.
本文将超重力场作为一种新方法引入铝熔体净化中，旨在研究超重力对铝熔体中非金属夹杂分布的影响，分析不同重力系数条件下熔体中夹杂物的分离规律，以期为金属熔体净化提供一种新思路.
1 实验 1.1 实验合金与保护渣准备由于Al-Mg系合金熔体氧化产物主要为氧化铝和氧化镁，夹杂物种类比较简单，方便金相法观察分析，为了获得夹杂物含量较多且弥散分布的铝合金原料，将商业5052铝合金放入高纯石墨坩埚中，放入高温马弗炉中，无保护气氛，升温至800 ℃并保温1 h，保温期间搅拌多次，处理结束快速冷却，之后切割合适尺寸备用.
由于铝合金熔体容易被空气氧化，为防止净化实验时熔体被空气氧化，需要对实验熔体进行保护.根据铝熔体保护渣或覆盖剂的一般要求，本实验选取45 %NaCl+55 %KCl混合盐作为保护渣[12].
1.2 实验设备及表征实验装置为自行设计改装的加热旋转系统，其由离心旋转系统和加热系统2部分组成，图 1为超重力设备示意图.
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| 图 1 超重力装置示意图 |
本实验通过离心旋转的方式产生超重力场，定义重力系数G为离心旋转状态下的加速度与常重力加速度之比，其公式如下：
| $ G = \frac{{\sqrt {{g^2} + {{\left( {r{\omega ^2}} \right)}^2}} }}{g} = \frac{{\sqrt {{g^2} + {{\left( {\frac{{{N^2}{{\rm{\pi }}^2}r}}{{900}}} \right)}^2}} }}{g} $ | (1) |
式（1）中，ω为离心机旋转角速度，rad/s；N为离心机转速，r/min；r为旋转轴与试样间距离，0.25 m；g为常重力加速度，9.8 m/s2，当N=0时，G=1.
1.3 实验方法取10 g铝合金和3 g保护渣放入内径15 mm的高纯石墨坩埚中.将坩埚放入超重力设备炉膛内进行加热，升温至750 ℃，保温5 min使合金完全熔化，将离心机调至所需的转速，开启离心机并恒温处理5 min，之后取出试样并喷水快速冷却，具体实验见表 1.
| 表1 具体实验参数 |
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将试样沿超重力方向切开，试样进行打磨、抛光，利用JSM 6480Lv型扫描电镜观察不同位置夹杂物的分布情况，并利用图像处理软件Adobe Photoshop和Image J统计试样上、中、底部的夹杂物面积分数.
2 结果与讨论 2.1 夹杂物形貌及成分铝合金在本实验中经过重熔氧化过程，金属内部含有较多的夹杂物，而且夹杂物的颜色比铝基体要深.夹杂物在铝合金中以颗粒、短棒状以及膜状的形态存在，当夹杂物尺寸较小时，会以颗粒、短棒状存在，如图 2（b）所示；当夹杂物尺寸较大时，会以不规则的膜状存在，如图 2（a）所示.通过能谱EDS对夹杂物进行成分分析，组成夹杂物的主要元素是Al、Mg、O，说明夹杂物主要为Al2O3、MgO等氧化夹杂；大部分夹杂物还含有微量的杂质元素：S、Ca、Si、C、Cl、K等.
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| 图 2 铝合金中夹杂物形貌与能谱分析 |
2.2 金相组织观察
沿超重力方向将试样分为上、中、下3部分，利用扫描电镜对试样凝固组织进行观察并分析不同重力系数下试样的净化情况.
在普通重力条件下，保温10 min后，铝合金熔体内部夹杂物仍然弥散分布，无偏聚现象，如图 3中1-a、1-b、1-c所示.当G=50时，试样内部的夹杂物分布出现明显偏聚现象：试样上部除了尺寸小于10 μm的少量粒状夹杂外，已无大尺寸的夹杂；中部仍分布着尺寸较大的氧化夹杂，形状为粒状或块状，尺寸在20 μm以内；试样底部出现了大片夹杂物富集区域，氧化夹杂为膜状，尺寸明显增大.当合金熔体凝固时，由于大量氧化夹杂聚集在凝固前沿，阻碍了液固界面推进，最终导致基体的割裂，显微组织会出现严重的缺陷，如图 3中2-c所示.随着重力系数增大到150时，夹杂物分离效果更为明显，上部已观察不到夹杂物，中部只有少量的细小夹杂物，从图 3中4-c可以看出，试样底部的夹杂物富集现象也更明显.图 3中4-a、4-b、4-c表明，当G=250时，试样的上部、中部已经非常干净，沿超重力方向，夹杂物集中分布在试样底部，熔体得到了很好的净化.
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| 图 3 各实验试样不同部位夹杂物分布情况 |
2.3 夹杂物富集带
超重力场中，夹杂物沿超重力方向运动至试样底部富集形成夹杂富集带，如图 4所示.在普通重力条件下，试样底部无明显夹杂富集现象；在超重力条件下，试样底部部分区域出现了夹杂物富集带，且多为膜状形态存在的大尺寸夹杂物.不同重力场，夹杂物富集带的宽度不同，且随着重力系数的增大，夹杂物富集带的宽度L有减小趋势，夹杂物富集程度越好.图 5为各重力系数下试样底部夹杂物富集带的宽度，各个宽度值L均为多次测量的平均值.
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| 图 4 不同超重力条件下试样底部的夹杂富集带 |
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| 图 5 不同重力系数下试样底部夹杂富集带宽度 |
2.4 夹杂物统计
为研究夹杂物粒子沿超重力方向在试样中的分布规律，统计试样上部、中部、底部的夹杂物所占的面积分数，利用夹杂物面积分数表征夹杂物的数量，试样各部位夹杂物分布情况如图 6所示.
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| 图 6 试样各位置夹杂物的面积分数 |
由图 6可以看出常重力条件下，试样中的夹杂物无明显偏聚现象，夹杂弥散分布于试样中；重力系数G=50时，试样中的夹杂物已经发生明显的偏聚现象，夹杂物沿超重力方向呈梯度分布，夹杂物面积分数随着离试样顶端的距离增加而增大.而且随着重力系数的增大，夹杂物在试样底部的偏聚现象越显著，当超重力G=250时，夹杂物几乎全部偏聚在试样的底部.
计算每一试样三位置的夹杂物面积分数总和，将每一部位夹杂物面积分数所占的比例定义为该区域夹杂物的沉降比率.常重力条件下，夹杂物在试样底部的沉降比率为0.35；当重力系数G=250时，夹杂物在试样底部的沉降比率达到0.99.图 7为不同重力场下试样各部位夹杂物的沉降比率.当曲线的斜率>0时，表示夹杂在该区域沉降富集；当曲线的斜率 < 0时，表示夹杂在该区域分离耗损.
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| 图 7 不同超重力场下试样各部位夹杂物沉降比率 |
2.5 夹杂物理论沉降速度
超重力技术是利用离心力场模拟超重力场，通过增大离心加速度达到增大g的效果，实现增大浮力因子△（ρg）达到强化相间传递过程的目的.超重力场中，铝熔体内固相粒子在超重力方向上受力为[13-14]：
| $ F = \frac{{\rm{\pi }}}{6}\left( {{\rho _{\rm{p}}} - {\rho _{\rm{L}}}} \right){d^3}{\omega ^2}r - 3{\rm{\pi }}\eta {\rm{d}}{v_{\rm{r}}} $ | (2) |
式（2）中，ρp为粒子的密度；ρL为熔体的密度；r为粒子到旋转轴心的距离；ω为旋转角速度；d为粒子的直径；η为熔体的动力学黏度；vr为固相粒子与熔体介质之间的相对速度.
熔体中非金属夹杂物密度较大，在重力的作用下沿着重力方向沉淀，超重力场则强化了夹杂粒子的沉淀过程.其中离心力场中单个粒子沉淀速度与时间的关系为[15-16]：
| $ {v_{\rm{r}}} = \frac{{\left| {{\rho _{\rm{p}}} - {\rho _{\rm{L}}}} \right|{d^2}Gg}}{{18\eta }}\left( {1 - \exp \left( { - \frac{{18\eta }}{{{\rho _{\rm{p}}}{d^2}}}t} \right)} \right) $ | (3) |
式（3）中，t为离心机转动时间.
取铝熔体动力黏度为1.2×10-3 Pa·s，密度约为2.371×103 kg/m3，氧化夹杂颗粒的密度为3.97×103 kg/m3[14]，夹杂物颗粒的直径为10 μm.图 8为不同超重力场中夹杂物的沉降速度与时间的关系.
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| 图 8 不同超重力场中夹杂物的沉降速度与时间的关系 |
由图 8表明，在超重力场中固相颗粒能够瞬间达到临界沉降速度.重力系数G=1时，vr=7.25×10-5 m/s，当重力系数增大到250时，vr=1.813×10-2 m/s，这意味着，随着重力系数的增加，熔体中固相颗粒的临界速度指数递增，从而夹杂物以更快的速度沉降到试样底部，这与实验结果相符.
3 结论1）超重力场能够有效分离熔体中的非金属夹杂物，夹杂物在超重力作用下沿着超重力方向运动并在试样底部聚集，超重力场强化了夹杂物在熔体中的沉降过程.
2）随着重力系数的增大，熔体中夹杂物沿超重力方向偏聚程度越好，在试样底部分布越集中，熔体净化效果越显著.
3）超重力场中的夹杂物颗粒能够瞬间达到临界速度，且随着重力系数的增加，夹杂物的临界速度指数递增，从而夹杂物以更快的速度沉降到试样底部.
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