水氣對(duì)擠壓黑線的影響及控制方法

王奕雷

（山東大學(xué)材料學(xué)院，濟(jì)南250000）

水氣對(duì)擠壓黑線的影響及控制方法

王奕雷

（山東大學(xué)材料學(xué)院，濟(jì)南250000）

針對(duì)水氣對(duì)熔煉合金品質(zhì)的影響，分析了水氣造成鑄錠黑線缺陷率偏高的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

水氣；黑線；影響；控制方法

0 前言

3C類電子產(chǎn)品擠壓前要對(duì)鑄棒進(jìn)行黑線的檢測(cè)，這已經(jīng)成為業(yè)界生產(chǎn)此類電子型材的共識(shí)。但對(duì)黑線的形成機(jī)理等問(wèn)題，業(yè)界目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的定性。筆者通過(guò)多年擠壓生產(chǎn)電子型材的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即在相同的鑄造條件和鑄造工藝下，陰雨天生產(chǎn)的鑄棒測(cè)試后黑線率普遍比晴天鑄造的高。針對(duì)這一現(xiàn)象，筆者首先對(duì)陰雨天和晴天的大氣情況進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)而分析了熔煉和鑄造過(guò)程中水氣對(duì)鑄棒品質(zhì)的影響，提出了相應(yīng)可行的改進(jìn)措施，從另一個(gè)方面驗(yàn)證了黑線產(chǎn)生的機(jī)理。

1 熔煉爐內(nèi)氣氛分析對(duì)比

如表1所示，陰雨天對(duì)比晴天最明顯的一個(gè)區(qū)別就是空氣濕度明顯偏大，空氣中較多的水蒸氣加劇了其與鋁液的反應(yīng)。

表1 雨天與晴天大氣對(duì)比表

爐內(nèi)氣氛：

爐內(nèi)氣氛是指熔煉爐內(nèi)的氣體組成，在大氣壓下熔煉，爐內(nèi)氣氛包括空氣和燃燒物及燃燒產(chǎn)生物的氣體。

根據(jù)熔煉爐的爐型及結(jié)構(gòu)，以及所使用的燃料和發(fā)熱方式，爐內(nèi)氣氛往往含有各種不同比例的氫、氧、水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)?、二氧化硫，此外還有各種碳?xì)浠衔铩５湫蜖t氣成分見(jiàn)表2。

表2 爐內(nèi)氣體組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

通過(guò)表2可以看出，爐內(nèi)氣氛中含有大量的水蒸氣，其含量的大小將對(duì)熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

2 鋁液與水反應(yīng)機(jī)理

2.1 鋁-水氣反應(yīng)

熔鑄過(guò)程中水氣的來(lái)源主要來(lái)自以下幾方面：

（1）空氣中含有大量的水蒸氣，特別是在潮濕的季節(jié)和陰雨天氣，空氣中水蒸氣的含量更大。（2）原材料帶來(lái)的水分。特別是銹蝕的鋁料。（3）燃料。當(dāng)采用放射爐熔煉鋁合金時(shí)，燃料燃燒所產(chǎn)生的水分，是氣體的主要來(lái)源。

（4）溶劑、精煉變質(zhì)劑及熔煉澆鑄工具等。

（5）耐火材料。耐火材料內(nèi)和表面吸附的水分，以及砌磚泥漿的水分，在烘爐不徹底時(shí)，熔煉的頭幾爐中熔體中氣體含量將明顯增加。

因?yàn)殛幱晏旌颓缣扈T造過(guò)程中，鑄造工藝和溶劑、爐料等均沒(méi)有顯著變化，只有爐氣變化較大，所以，在此我們只討論爐氣對(duì)鑄造質(zhì)量的影響。

鋁在熔煉過(guò)程中，空氣中的水蒸氣接觸到高溫的鋁液會(huì)發(fā)生鋁-水氣反應(yīng)，形成氧化物并生成氫氣：

2.2 鋁-水反應(yīng)特點(diǎn)

（1）升溫時(shí)，鋁-水氣反應(yīng)速度大為加快，這說(shuō)明限制熔煉溫度和鑄造溫度的重要性。

（2）含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較明顯地阻緩鋁-水氣反應(yīng)。含鎂、鈉等元素較多的鋁合金，常使鋁-水氣反應(yīng)激烈進(jìn)行。

（3）鋁-水氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫是熔煉和鑄棒中氫的主要來(lái)源，在熔煉中，該反應(yīng)不可避免地將氫帶入鋁液中。

2.3 氫的溶解

氫是鋁合金中最易溶解的氣體。由于氫是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的雙原子氣體，其原子半徑很小，故容易溶解于金屬中。鋁所溶解的氣體，按照其溶劑能力，其順序?yàn)闅錃?、有機(jī)物、二氧化碳、一氧化碳和氮?dú)狻Ｔ阡X中的氣體，氫占90%，其次是一氧化碳。

氫在鋁中及其合金中的溶解是依照吸附-擴(kuò)散-溶解的過(guò)程進(jìn)行，即：H2-2H-2[H]。

2.4 氫的溶解特點(diǎn)

（1）氫與鋁不起化學(xué)反應(yīng)，而是以游離狀態(tài)存在于晶體點(diǎn)陣的間隙內(nèi)，形成間隙式固溶體。

（2）熔體溫度越高，則氫分子離解速度越快，擴(kuò)散速度也越快，氫在熔體的溶解度也越大。

（3）從固態(tài)鋁到液態(tài)鋁，氫在鋁中的溶解度出現(xiàn)一個(gè)突變現(xiàn)象。這種溶解度急劇變化的特點(diǎn)，決定了鋁在凝固時(shí)，大量的氫原子從熔體中以分子氫的形式析出，最后以疏松、氣孔等缺陷的形式存在于鑄錠中。

（4）氫析出在鑄錠表面形成針孔。鑄錠表面針孔的大小和數(shù)量可以定性反映鑄錠中氫含量的大小。

（5）實(shí)踐證明，鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越多。并且氧化夾雜物提供了氣泡成核的現(xiàn)成界面，促使鑄錠表面針孔的形成。所以，鋁液中氧化物夾雜和氫之間有十分密切的聯(lián)系。

通過(guò)表3可以看出，鋁由固態(tài)到液態(tài)，其氫的溶解度發(fā)生突變。

表3 不同溫度下氫在鋁中的溶解度

3 改善措施

既然水氣對(duì)鋁液的品質(zhì)有如此重要的影響，在熔煉和鑄造過(guò)程中如何盡量減少水氣的帶入就是鑄造高品質(zhì)鑄錠的關(guān)鍵所在。

3.1 減少水氣的帶入

（1）調(diào)整爐氣成分，盡量減少爐氣內(nèi)水氣的含有量?？梢酝ㄟ^(guò)通入惰性氣體的方法或是密閉爐室等方法，對(duì)于燃油和燃?xì)馊蹮挔t，要嚴(yán)格控制空氣的送入量，實(shí)現(xiàn)油、氣的完全燃燒，減少多余空氣的進(jìn)入。

（2）減少水氣的帶入。使用干凈的鋁錠，盡量減少銹蝕鋁料的加入。對(duì)于溶劑、精煉變質(zhì)劑要保持干燥，有條件的在加入前可以進(jìn)行必要的烘干。

（3）控制熔煉和鑄造溫度。鋁-水氣反應(yīng)對(duì)溫度反應(yīng)較為敏感，升溫時(shí)，反應(yīng)速度明顯加快。對(duì)于大多數(shù)鋁合金的熔煉溫度要控制在750℃以下。

（4）減少有機(jī)物的帶入。對(duì)于被油脂污染的廢料要及時(shí)挑揀，及時(shí)清理爐料工具上的油脂。

3.2 控制氫的含量

伴隨著鋁-水氣反應(yīng)，鋁液中氫的含量明顯增加，除氫就是確保鑄錠品質(zhì)的另一個(gè)重要的措施。

3.2.1 除氣方法

對(duì)于除氣，國(guó)內(nèi)目前使用的有氣體精煉法和溶劑精煉法，此外還有真空處理精煉法、向溶液內(nèi)通直流電使氫分子逸出的方法、超聲處理方法、加稀土金屬，使其與溶解氫形成化合物，將氫固定等方法。從操作和使用復(fù)雜程度上看，效果較好的是惰性氣體加溶劑吹入，使用較普遍的是氣體精煉法。

氣體精煉法又稱氣體凈化法，是以氣體為精煉劑，向鋁液中吹入，達(dá)到降低含氣量、減少熔體中非金屬夾雜物的一種方法。它又可以分為惰性氣體精煉法、活性氣體精煉法、混合氣體精煉法等。比較常用的是惰性氣體精煉法。

3.2.2 惰性氣體精煉法

惰性氣體精煉法，是指使用不與熔體以及溶解于熔體中的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，吹入熔體中，按照西華特定律，利用分壓差除氣的方法。常用的氣體是氮?dú)?。因氮?dú)庠跍囟鹊陀?00℃時(shí)，很少與鋁起反應(yīng)，也不溶于鋁中，并且制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

3.2.3 惰性氣體精煉法操作要點(diǎn)

（1）盡量降低鋁液表面上的氫分壓，有條件的可以采用真空處理。

（2）降低熔煉溫度對(duì)除氣效率有一定效果。

（3）應(yīng)減少吹入精煉氣體的直徑，增加氣泡與鋁液接觸時(shí)間，在不致使鋁液表面強(qiáng)烈翻騰而造成吸氣氧化條件下，應(yīng)加強(qiáng)攪拌，增加氣體排放效果。

（4）提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，可降低氣體最終濃度，提高精煉效果。

3.2.4 精煉機(jī)理

溶劑精煉的機(jī)理，主要是通過(guò)組成溶劑的氯化鹽和氟化鹽的吸附、溶解和化學(xué)作用，達(dá)到除渣和除氣的作用。

反應(yīng)產(chǎn)生物在鋁液中形成大量的氣泡，將氫吸附一起漂浮于液面，起到除氣的作用。

噴吹活性劑精煉是目前操作簡(jiǎn)單、效果非常好的一種精煉方法。該方法使用惰性氣體將粉末溶劑直接噴入鋁液深部，惰性氣體攜帶氫上浮，溶劑與鋁液發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體有起到除氣的作用，該法發(fā)揮了氣體除氣效果好和溶劑除渣除氣效率高的雙重優(yōu)點(diǎn)，精煉效果非常好。

4 總結(jié)

雨天鑄造鋁合金，因大氣中濕度較大，空氣中的水氣更易于鋁液發(fā)生反應(yīng)，增加了熔體中氣體的含量，同時(shí)增加了氧化物夾雜的含量，降低了鑄錠的品質(zhì)，使出現(xiàn)黑線的幾率增加。利用噴吹活性劑精煉法，可以同時(shí)發(fā)揮氣體除氣效果好和溶劑除渣除氣效率高的雙重優(yōu)點(diǎn)，精煉效果非常好，在一定程度上可以控制鑄錠中氧化物夾雜的含量，起到提高擠壓產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

[1]向凌霄.原鋁及其合金的熔煉與鑄造[M].冶金工業(yè)出版社，2005，10

[2]王立娟.變形鋁合金熔煉與鑄造[M].中南大學(xué)出版社有限責(zé)任公司，2010，9

Influence of Moisture on Black Line for Extrusion and Its Control Methods

WANG Yi-lei
（College of materials,Shandong University，Jinan 250000，China）

In view of effect of moisture on the quality of melting alloy analysis,the cause for higher rate of black line defect result from moisture is analyzed,and the corresponding improvement measures are put forward。

moisture;black line;effect;control method

TG275＋.41

A

1005-4898(2017)03-0058-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.13

王奕雷（1978-），男，山東魚臺(tái)人，碩士，高級(jí)工程師。

2016－09－06