用部分废铝为原料生产A356.2铝合金锭及其性能评价

2021-03-12谭国寅孙彦华陈劲戈胥福顺岳有成

轻合金加工技术 2021年10期

谭国寅，孙彦华，陈劲戈，张辉，胥福顺，岳有成，李恒

(昆明冶金研究院有限公司，云南昆明 650031)

我国是世界铝产业大国，但蕴藏的铝资源并不丰富，虽然拥有部分铝土矿资源，但质量相对较差，且开采量有限，有一些铝合金生产企业用的原料中一部分是从国外进口[1-2]。随着我国铝合金产品生产量和消费量激增，可供使用的废铝资源也逐渐增加，废铝的应用潜力不断显现。从能源消耗角度看，生产一吨电解铝需要耗电12 000 kWh～13 000 kWh，而用废铝取代，废铝再生耗能仅为电解铝的10%[3-4]。因此，在铝合金产品生产过程中采用部分废铝替代重熔用铝锭，甚至全部用废铝重熔进行再生铝生产，可以大幅度降低企业的生产成本[5-6]。本文作者试验研究以部分废铝为原料生产A356.2铝合金铸锭，并对产品进行性能评价，来实现废旧铝资源的循环利用。

1 试验方法及步骤

以占比30%废铝作为原料进行A356.2铝合金试验生产，所使用的废铝来源以废旧铝车轮为主，另一部分是废旧发动机及减速器的铝壳体，配料的其余部分采用重熔用铝锭。在配料阶段进行合金成分核算，确保配料中各元素的含量符合A356.2铝合金的标准成分要求。为确保生产出合格的产品，在熔炼合金生产过程中使用了本公司自制的再生铝打渣剂。打渣剂的使用量按炉料总重0.2%加入，加入时熔体温度为740 ℃～780 ℃，加入后静置20 min再扒渣，最后将铝合金熔体浇铸成成品方锭。

从方铸锭切取金相试样，使用德国蔡司Axiovert 200光学显微镜进行金相显微组织观察，所用腐蚀剂为HF 0.5 mL+H2O 99.5 mL。切取力学性能检测试样，使用CMT5105型电子万能材料试验机进行拉伸力学性能测试；在奥地利Qness Q3000布氏硬度计上测试布氏硬度；在JB-300C摆锤式冲击试验机上进行冲击性能测试。利用测渣仪PoDFA-f结合SEM对铝合金熔体中的熔渣进行定量分析。

2 结果及讨论

2.1 合金显微组织

试验生产的A356.2铝合金铸锭的显微组织如图1所示。从图1可以看出，金相组织由α-Al相和共晶硅组成，α-Al相的形状存在明显差别，大部分共晶硅的形状为颗粒状。使用车床对合金试样表面加工后进行针孔度分析结果表明，合金铸锭的针孔度达到1级。进行试样断口组织分析表明，断口处组织致密，无熔渣及夹杂物，这是由于在熔炼过程中使用了再生铝专用打渣剂。该打渣剂与传统铝-硅合金熔炼用的打渣剂相比，它不会带入其他杂质元素(如Mg、Cu、Zn)，因而保证了所熔炼合金的化学成分稳定；它可以在较宽的温度范围内(740 ℃～780 ℃)使用，并且无刺激性气体产生；它能够将各种复杂成分的熔渣吸附到铝合金熔体表面，在扒渣时熔渣与铝合金熔体彻底分离而去掉，同时可以有效防止铝合金熔体的吸气，避免产生铸锭气孔、疏松等缺陷，提高了铸锭的品质。

图1 试验生产的A356.2铝合金铸锭显微组织Fig.1 Microstructure of A356.2 aluminum alloy ingot in trial production

为了更精准地确定铝合金熔体中渣含量，通过测渣仪PoDFA-f对熔渣进行了定量分析。PoDFA-f是一种金属熔体洁净度的质量控制工具，主要通过夹杂物的富集来计算熔体中的渣含量，该设备的工作原理如图2所示[7]。

图2 PoDFA-f测渣仪工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of working principle of PoDFA-f slag meter

具体操作方法如下：将约2 kg待测铝合金熔体在负压下经过泡沫陶瓷过滤器滤过，称量过滤后的洁净熔体重；取出带有夹杂物的过滤片，将其从中心部位切开，对熔渣进行定量金相分析，获得剖面上的夹杂物面积，用此面积除以洁净熔体重量可以获得单位为mm2/kg的量，以此量来衡量铝合金熔体的洁净度。

利用PoDFA-f仪器对试验生产的铝合金熔体取样，在SEM下进行显微分析(如图3)，同时结合图像分析软件Image J进行检测。结果表明，铝合金熔体中的渣含量为0.011 mm2/kg，使用再生铝专用打渣剂能够有效地净化铝合金熔体，保证铸锭产品的质量。

图3 熔渣的SEM照片Fig.3 SEM photograph of slag

2.2 合金综合性能评价

为了更加全面评价试验生产的A356.2铝合金的性能，采用拉伸试验机、布氏硬度计、冲击试验机对合金进行各项性能检测分析，将全用原铝为原料生产的A356.2铝合金(简称原铝组)与含有30%废铝原料所生产的A356.2铝合金(简称再生铝组)的性能测试结果列于表1。将测试结果与合金显微组织分析结果进行综合评价可知，使用含有废铝原料所生产出的铸锭与全用原铝为原料生产的铸锭二者在有些性能上比较接近，二者的测试值均达到GB/T8733-2016《铸造铝合金锭》的要求。现在废铝的市场价格仅为原铝的80%，对企业而言加大废铝原料在铝合金生产中的应用比例能大幅度降低生产成本，具有较大的经济效益，值得在行业内推广。