用部分廢鋁為原料生產(chǎn)A356.2鋁合金錠及其性能評(píng)價(jià)

譚國寅，孫彥華，陳勁戈，張 輝，胥福順，岳有成，李 恒

(昆明冶金研究院有限公司，云南 昆明 650031)

我國是世界鋁產(chǎn)業(yè)大國，但蘊(yùn)藏的鋁資源并不豐富，雖然擁有部分鋁土礦資源，但質(zhì)量相對(duì)較差，且開采量有限，有一些鋁合金生產(chǎn)企業(yè)用的原料中一部分是從國外進(jìn)口[1-2]。隨著我國鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)量和消費(fèi)量激增，可供使用的廢鋁資源也逐漸增加，廢鋁的應(yīng)用潛力不斷顯現(xiàn)。從能源消耗角度看，生產(chǎn)一噸電解鋁需要耗電12 000 kWh～13 000 kWh，而用廢鋁取代，廢鋁再生耗能僅為電解鋁的10%[3-4]。因此，在鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)過程中采用部分廢鋁替代重熔用鋁錠，甚至全部用廢鋁重熔進(jìn)行再生鋁生產(chǎn)，可以大幅度降低企業(yè)的生產(chǎn)成本[5-6]。本文作者試驗(yàn)研究以部分廢鋁為原料生產(chǎn)A356.2鋁合金鑄錠，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，來實(shí)現(xiàn)廢舊鋁資源的循環(huán)利用。

1 試驗(yàn)方法及步驟

以占比30%廢鋁作為原料進(jìn)行A356.2鋁合金試驗(yàn)生產(chǎn)，所使用的廢鋁來源以廢舊鋁車輪為主，另一部分是廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)及減速器的鋁殼體，配料的其余部分采用重熔用鋁錠。在配料階段進(jìn)行合金成分核算，確保配料中各元素的含量符合A356.2鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)成分要求。為確保生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，在熔煉合金生產(chǎn)過程中使用了本公司自制的再生鋁打渣劑。打渣劑的使用量按爐料總重0.2%加入，加入時(shí)熔體溫度為740 ℃～780 ℃，加入后靜置20 min再扒渣，最后將鋁合金熔體澆鑄成成品方錠。

從方鑄錠切取金相試樣，使用德國蔡司Axiovert 200光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織觀察，所用腐蝕劑為HF 0.5 mL+H2O 99.5 mL。切取力學(xué)性能檢測(cè)試樣，使用CMT5105型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試；在奧地利Qness Q3000布氏硬度計(jì)上測(cè)試布氏硬度；在JB-300C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。利用測(cè)渣儀PoDFA-f結(jié)合SEM對(duì)鋁合金熔體中的熔渣進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 合金顯微組織

試驗(yàn)生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠的顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，金相組織由α-Al相和共晶硅組成，α-Al相的形狀存在明顯差別，大部分共晶硅的形狀為顆粒狀。使用車床對(duì)合金試樣表面加工后進(jìn)行針孔度分析結(jié)果表明，合金鑄錠的針孔度達(dá)到1級(jí)。進(jìn)行試樣斷口組織分析表明，斷口處組織致密，無熔渣及夾雜物，這是由于在熔煉過程中使用了再生鋁專用打渣劑。該打渣劑與傳統(tǒng)鋁-硅合金熔煉用的打渣劑相比，它不會(huì)帶入其他雜質(zhì)元素(如Mg、Cu、Zn)，因而保證了所熔煉合金的化學(xué)成分穩(wěn)定；它可以在較寬的溫度范圍內(nèi)(740 ℃～780 ℃)使用，并且無刺激性氣體產(chǎn)生；它能夠?qū)⒏鞣N復(fù)雜成分的熔渣吸附到鋁合金熔體表面，在扒渣時(shí)熔渣與鋁合金熔體徹底分離而去掉，同時(shí)可以有效防止鋁合金熔體的吸氣，避免產(chǎn)生鑄錠氣孔、疏松等缺陷，提高了鑄錠的品質(zhì)。

圖1 試驗(yàn)生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠顯微組織Fig.1 Microstructure of A356.2 aluminum alloy ingot in trial production

為了更精準(zhǔn)地確定鋁合金熔體中渣含量，通過測(cè)渣儀PoDFA-f對(duì)熔渣進(jìn)行了定量分析。PoDFA-f是一種金屬熔體潔凈度的質(zhì)量控制工具，主要通過夾雜物的富集來計(jì)算熔體中的渣含量，該設(shè)備的工作原理如圖2所示[7]。

圖2 PoDFA-f測(cè)渣儀工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of working principle of PoDFA-f slag meter

具體操作方法如下：將約2 kg待測(cè)鋁合金熔體在負(fù)壓下經(jīng)過泡沫陶瓷過濾器濾過，稱量過濾后的潔凈熔體重；取出帶有夾雜物的過濾片，將其從中心部位切開，對(duì)熔渣進(jìn)行定量金相分析，獲得剖面上的夾雜物面積，用此面積除以潔凈熔體重量可以獲得單位為mm2/kg的量，以此量來衡量鋁合金熔體的潔凈度。

利用PoDFA-f儀器對(duì)試驗(yàn)生產(chǎn)的鋁合金熔體取樣，在SEM下進(jìn)行顯微分析(如圖3)，同時(shí)結(jié)合圖像分析軟件Image J進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，鋁合金熔體中的渣含量為0.011 mm2/kg，使用再生鋁專用打渣劑能夠有效地凈化鋁合金熔體，保證鑄錠產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3 熔渣的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of slag

2.2 合金綜合性能評(píng)價(jià)

為了更加全面評(píng)價(jià)試驗(yàn)生產(chǎn)的A356.2鋁合金的性能，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、布氏硬度計(jì)、沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)合金進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)分析，將全用原鋁為原料生產(chǎn)的A356.2鋁合金(簡(jiǎn)稱原鋁組)與含有30%廢鋁原料所生產(chǎn)的A356.2鋁合金(簡(jiǎn)稱再生鋁組)的性能測(cè)試結(jié)果列于表1。將測(cè)試結(jié)果與合金顯微組織分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可知，使用含有廢鋁原料所生產(chǎn)出的鑄錠與全用原鋁為原料生產(chǎn)的鑄錠二者在有些性能上比較接近，二者的測(cè)試值均達(dá)到GB/T8733-2016《鑄造鋁合金錠》的要求?，F(xiàn)在廢鋁的市場(chǎng)價(jià)格僅為原鋁的80%，對(duì)企業(yè)而言加大廢鋁原料在鋁合金生產(chǎn)中的應(yīng)用比例能大幅度降低生產(chǎn)成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。

表1 兩種A356.2鋁合金鑄錠的性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of test results of two kinds of A356.2 aluminum alloy ingots

3 結(jié) 論

1)再生鋁專用打渣劑對(duì)于提升含30%廢鋁原料所生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠的品質(zhì)有較大作用，該打渣劑具有無刺激氣味、熔渣與鋁熔體分離徹底而利于除渣等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以有效防止鋁合金熔體吸氣，避免鑄錠產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷，提高了鑄錠的品質(zhì)。

2)將含30%廢鋁原料所生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠與全用原鋁為原料所生產(chǎn)的A356.2鋁合金鑄錠的性能進(jìn)行對(duì)比表明，兩種產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。企業(yè)擴(kuò)大廢鋁應(yīng)用比例可降低生產(chǎn)成本，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。