A356铝合金具有轻质､比强度高､加工性能好等一系列特点,是十分理想的轻量化材料,被广泛应用于制造轮毂等汽车零部件｡为应对能源危机与环境污染问题,汽车行业对轻量化的需求不断增加,采用铝合金代替钢铁作为车身结构材料已成为主流发展趋势｡单车用铝量在2025 年将达到250kg,在2030 年将达到350 kg｡
随着铝合金产量和用量的不断增加,近年来国内的废铝资源量也迅速增加,2019年国内废铝回收量约为607万t｡以废铝为原料生产再生铝,能耗仅为原生铝的4.86%,温室气体排放量仅为原生铝的4.21%｡因此,废铝的再生与利用对铝加工行业未来发展具有积极意义｡由于废铝中常掺杂有油污､塑料､水汽､尘土等,在重熔回收过程中,熔体中含有较多夹杂物和杂质元素｡因此,相比于原生铝而言,再生铝的熔体净化难度较大｡除再生铝外,铝制品工厂还通常使用自己生产加工过程中产生的返回料以降低成本,并促进废铝资源循环利用｡这类返回料主要包括品质不合格的铸锭､铸造中剩余铝液浇注的铝块､铸造的冒口或底座､加工过程中产生的切削料等｡不同于再生铝加工厂所使用的成分不同且被污染严重的废铝,返回料的成分相对稳定,所含杂质较少｡
目前,已有大量关于原生铝和再生铝熔体净化技术的研究报道,但是对于添加返回料的铝熔体净化工艺关注较少｡返回料的添加比例对熔体中夹杂物尺寸､含量和种类的影响缺少定性､定量分析｡此外,相比于原生铝和再生铝而言,铝熔体由于返回料的受污染程度不同,其对精炼工艺参数的要求也会有一定差异,精炼难度会介于原生铝和再生铝之间｡因此,有必要对添加返回料的铝熔体精炼工艺进行系统研究并找出最佳工艺参数｡
北京航空航天大学宁波创新研究院张虎教授团队在2022年第42卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“返回料及精炼工艺对A356铝合金净化效果的影响”的文章｡文章研究了返回料添加比例对A356铝合金夹杂物尺寸､含量的影响,通过力学性能测试,分析了返回料的添加对A356铝合金力学性能稳定性的影响,并研究了旋转喷吹精炼工艺参数对铝液密度､夹杂物尺寸和含量的影响｡结果表明,随着返回料比例增加,合金中夹杂物尺寸增大､含量增加,合金力学稳定性下降｡通过适当增加转子转速和气体流量､设置合适的气体压力,可以提高除气､除杂效率｡添加30%返回料的A356铝合金熔体的最佳精炼工艺参数:转子转速为550r/min,气体压力为0.8 MPa,气体流量为20L/min｡在此工艺参数条件下,铝液密度可以达到2.657g/cm3,夹杂物体积分数可降低至0.08%,铝液纯净度满足生产要求｡
【试验材料及方案】
以A356铝合金新锭､返回料(工厂内部生产产生的废料)､Al-5Ti-1B 细化剂､Al-10Sr 变质剂､精炼剂(主要成分为KCl､NaCl､CaF2､Na3AlF6)以及高纯氮气(纯度≥99.99%)为原材料｡其中,A356铝合金锭成分满足A356.2标准,混合返回料由多种废料及边角料组成,包括机加工过程中产生的切削边角料以及冒口､底座等｡
将合金熔化后转移到转运包,并放置在旋转喷吹除气机转子下方,向转运包中加入精炼剂并搅拌均匀,将预热好的转子没入铝液中进行除气净化｡除气结束后,扒去铝液表面浮渣,进行铝液成分及铝液密度检测｡将检测合格的铝熔体静置一定时间,浇注到预热的模具中,获得K 模试样和拉伸试样,见图1｡其中,K模试样用于显微组织观察和夹杂物统计分析,拉伸试样用于夹杂物缺陷对力学性能的影响分析｡
【图文结果】
随着熔炼原料中返回料比例的增加,A356铝合金中夹杂物尺寸增大,含量增加｡不添加返回料时的夹杂物平均尺寸为7.3μm,体积分数为0.02%｡添加15%､30% 返回料时夹杂物平均尺寸分别为8.6､9.5μm,相较于不添加返回料时分别增加了18%､30%;添加15%､30%返回料时夹杂物体积分数分别为0.06%､0.11%,相较于不添加返回料时分别增加了约2倍和5倍｡
随着熔炼原料中返回料比例增加,A356铝合金中尺寸大于30μm 的夹杂物占比增加,由返回料引入的一次夹杂物数量增加,合金力学稳定性下降｡
确定了工业生产中对添加30%返回料的A356铝合金熔体最佳的旋转喷吹精炼工艺参数:转子转速为550r/min,气体压力为0.8 MPa,气体流量为20
L/min｡采用此工艺参数进行精炼处理,铝液密度可达2.657g/cm3,夹杂物体积分数降低为0.08%,铝液纯净度满足产品品质要求｡
