廢料預(yù)處理方法對(duì)6061再生鋁合金組織及性能的影響

代自瑩,王東輝,謝方亮,張 宇,李秋梅,張 偉,董劉穎

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6061合金屬一種典型的Al-Mg-Si系中強(qiáng)鋁合金,具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)秀性能,被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、軌道交通等領(lǐng)域[1,2]。6061廢雜鋁合金市場(chǎng)占有率大,對(duì)其進(jìn)行回收并高質(zhì)利用迫在眉睫[3]。文獻(xiàn)[4,5]指出,在再生鋁熔煉之前對(duì)廢鋁進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的,預(yù)處理可以除去廢料中夾雜的其它金屬和非金屬,除去廢鋁表面的油污和涂層,并根據(jù)合金成分對(duì)廢鋁進(jìn)行分類(lèi)。Shahrom[6]等人以6061合金為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種循環(huán)背壓壓縮技術(shù)作為鋁固態(tài)回收前的預(yù)壓實(shí)方案,該方案能夠?qū)⑴髁厦芏忍岣?2.11%,優(yōu)化了熱鍛后的切屑界面。萬(wàn)兵兵[7]研制了一種新型鋁合金多功能精煉熔劑,氣渣降低率達(dá)97.68%。

本文對(duì)鋁合金車(chē)削鋁屑進(jìn)行不同方式預(yù)處理,通過(guò)低倍、高倍組織及力學(xué)性能等檢測(cè),探究廢料預(yù)處理方式對(duì)鋁合金組織的提升效果,為后續(xù)再生鋁的質(zhì)量提升和推廣應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)和理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原料為機(jī)加車(chē)間收集的6061切削鋁屑廢料,其為螺旋狀,蓬松且卷繞成團(tuán),主要含有油和乳化液,無(wú)電鍍涂層等其他雜質(zhì)。6061合金的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.4～0.8,Mg 0.8～1.2,Fe 0.7,Cu 0.15～0.40,Mn 0.15,Cr 0.04～0.35,Ti 0.15,Zn 0.25。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用電阻爐熔煉鋁屑廢料,澆鑄得到Φ80mm再生鑄錠,按照廢料預(yù)處理方式的不同將試驗(yàn)設(shè)計(jì)為三組,1#組為烘干(80℃×2h),2#組為烘干+壓實(shí),3#組為除油(55℃×5min)+烘干+壓實(shí);廢料比例均為100%。采用烘干手段以去除乳化液,烘干溫度為80℃,時(shí)間為2h,除油方式為超聲波除油,溫度為55℃,時(shí)間為5min。圖1是預(yù)處理后廢料狀態(tài)。再生熔鑄試驗(yàn)的主要工藝參數(shù)為,精煉劑用量粉末精煉劑50g,模具預(yù)熱溫度>200℃,澆鑄溫度750℃;1#組熔煉溫度740℃～770℃,熔煉時(shí)間8h;2#組和3#組熔煉溫度730℃～760℃,熔煉時(shí)間6h。由于壓實(shí)處理會(huì)減小2#組和3#組廢料的受熱表面積,提高傳熱速度,所以2#組和3#組熔煉所需時(shí)間更短。

(a)烘干后;(b) 除油后;(c) 壓實(shí)后

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理方式對(duì)廢料回收率的影響

(1)鋁回收率。試驗(yàn)對(duì)廢料進(jìn)行烘干處理,去除了其中夾雜的乳化液。鋁屑原重3.25kg,烘干后重量3.00kg,乳化液含量0.25kg,則乳化液比例7.69%(乳化液比例=(原重-烘干后重量) /原重×100%)。由表1可知,對(duì)鋁屑進(jìn)行烘干單一處理時(shí),鋁屑的回收率僅為51.7%,對(duì)鋁屑添加壓實(shí)處理后,回收率提高了17.6%,達(dá)到73.3%。

表1 廢料回收率

(2)化學(xué)成分。鋁屑與再生鑄錠的實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表2。由表2可知,通過(guò)再生熔鑄試驗(yàn),合金中的Fe元素含量明顯增加,Mg元素?zé)龘p較嚴(yán)重,含量低于國(guó)標(biāo)范圍。其中,1#合金中Mg元素含量最低,僅有0.14 wt.%。

表2 實(shí)測(cè)化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.2 預(yù)處理方式對(duì)再生合金組織的影響

(1)低倍組織。圖2是再生鑄錠的低倍組織。由圖2可知,1#鑄錠邊部存在羽毛晶缺陷,內(nèi)部存在疏松和夾雜缺陷。2#鑄錠內(nèi)部存在一處夾雜,無(wú)羽毛晶缺陷。3#鑄錠內(nèi)部組織良好,無(wú)疏松、羽毛晶和夾雜等缺陷。

(a) 1#鑄錠;(b) 2#鑄錠;(c) 3#鑄錠

(2)金相組織。圖3是再生鑄錠的金相組織。由圖3(a)可知,在1#合金組織中,基體內(nèi)存在較多顆粒狀彌散相,晶界上多為長(zhǎng)條狀析出相,晶界交匯處存在有棱角的黑色孔洞,屬疏松缺陷的典型特征,其長(zhǎng)度達(dá)104.7μm。由圖3(b)(c)可知,2#和3#合金組織中無(wú)黑色孔洞,基體內(nèi)析出相數(shù)量逐漸減少,晶界處主要存在骨骼狀和長(zhǎng)條狀第二相,且3#合金晶界上的骨骼狀相數(shù)量較2#多。

(a)1#鑄錠;(b)2#鑄錠;(c)3#鑄錠

(3)晶粒度組織。采用陽(yáng)極化制膜法,在偏振光下觀察合金的晶粒度組織,結(jié)果如圖4所示。通過(guò)截距法測(cè)量平均晶粒尺寸可知,1#合金平均晶粒尺寸最大,達(dá)到1000μm以上,2#和3#合金的平均晶粒尺寸分別約為339μm和293μm。

(a)1 #合金-50×;(b) 2 #合金-100×;(c) 3 #合金-100×

2.3 預(yù)處理方式對(duì)再生合金性能的影響

(1)力學(xué)性能及硬度。圖5是試驗(yàn)合金的鑄態(tài)性能。由圖5(a)可知,1#合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為72.3MPa和158.4MPa,斷后伸長(zhǎng)率為10.0%。2#和3#合金的力學(xué)性能均優(yōu)于1#合金,與1#合金相比,2#合金的屈服強(qiáng)度和抗拉屈服分別提升了9.1%和5.0%,斷后伸長(zhǎng)率降低了2.44%。3#合金的強(qiáng)度最大,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到85.4MPa和172.3MPa,斷后伸長(zhǎng)率僅為6.64%。由圖5(b)可知,三組再生合金的硬度逐漸增加,3#合金的硬度最大,為67.0HBW。

(a)力學(xué)性能;(b) 布氏硬度

(2)導(dǎo)電率。再生合金的導(dǎo)電率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,1#合金的導(dǎo)電率最大,為31.79%IACS,其次是2#,3#合金的導(dǎo)電率最小。各再生合金樣品的心部和邊部也呈逐漸降低的趨勢(shì),其中1#合金心部的導(dǎo)電率最小,僅為29.74%IACS。

表3 各再生鑄錠的導(dǎo)電率

2.4 結(jié)果分析

本試驗(yàn)的2#合金和3#合金比1#合金熔煉時(shí)間縮了2h,且鋁屑回收率提高17.6%,這是因?yàn)樵囼?yàn)原料為螺旋狀車(chē)削鋁屑,較蓬松,壓實(shí)處理可使鋁屑的比表面積減小,從而減少受熱表面積,提高傳熱速度,縮短熔煉時(shí)間且提高鋁合金回收率。再生鋁熔體中的Mg元素在廢料重熔過(guò)程中不可避免地?zé)龘p,其中1#合金熔煉時(shí)間最長(zhǎng),Mg元素?fù)p失最多;鋁屑中的Fe元素在循環(huán)利用的過(guò)程中,不斷積累,且通過(guò)本試驗(yàn)預(yù)處理手段難以去除Fe元素,所以實(shí)測(cè)的Fe元素含量較高。

由于1#熔體在鑄造溫度下停留時(shí)間較長(zhǎng),熔體過(guò)熱,產(chǎn)生羽毛晶缺陷和收縮間疏松缺陷(圖2(a)、圖3(a))。1#合金的原料也未經(jīng)除油處理,油污內(nèi)部所含雜質(zhì)種類(lèi)較多,會(huì)導(dǎo)致合金在熔煉過(guò)程中產(chǎn)生較多的非金屬氧化物,形成夾雜缺陷。觀察圖2(b)(c)可知,2#鑄錠、3#鑄錠內(nèi)部缺陷明顯減少甚至消除。由圖4可知,2#合金、3#合金的晶粒尺寸明顯減小,這是由于壓實(shí)鋁屑,可縮短原料熔煉時(shí)間,提高了熔體過(guò)冷度,使凝固形成的晶核數(shù)量增加,晶粒尺寸縮小。再生合金中雜質(zhì)元素較多,觀察圖3可知,再生合金組織基體內(nèi)顆粒狀析出相為雜質(zhì)相,3#合金的原料經(jīng)過(guò)除油+烘干+壓實(shí)處理,組織基體內(nèi)和晶界上的雜質(zhì)相數(shù)量減少。

由圖3可知,1#合金組織中有疏松等缺陷,在受外力時(shí),易萌生裂紋,且晶粒形態(tài)多為柱狀晶。2#合金和3#合金中柱狀晶開(kāi)始向等軸晶轉(zhuǎn)變,且3#合金組織中的析出相較細(xì)小,所以,力學(xué)性能及布氏硬度呈逐漸增加的趨勢(shì)。由圖4可知,1#合金的晶粒尺寸最大,2#合金和3#合金逐漸減小,所以1#合金的電阻率較高,而電導(dǎo)率較低。1#合金心部的導(dǎo)電率較低可能是由于1#心部存在較多疏松和縮孔等缺陷。

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)所用廢料中含7.7%乳化液,對(duì)廢料進(jìn)行除油+烘干+壓實(shí)預(yù)處理,可使廢料回收率達(dá)到73%以上。

(2)對(duì)廢料進(jìn)行除油+烘干+壓實(shí)預(yù)處理,可消除再生鑄錠內(nèi)部羽毛晶、疏松和夾雜等缺陷,細(xì)化晶粒,該預(yù)處理方式下的6061再生合金晶粒尺寸可細(xì)化到280μm。

(3)對(duì)廢料進(jìn)行除油+烘干+壓實(shí)預(yù)處理,可提高6061再生合金的力學(xué)性能和硬度,降低導(dǎo)電率,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到85.4MPa和172.3 MPa,硬度可達(dá)到67.0HBa,導(dǎo)電率為30%IACS以上。