熔液中夹杂物的检测与处理

在实际生产中正确地了解熔液是否洁净及夹杂物含量，对于采取后处理措施和提高制品性能是极其重要的。

铝合金熔液中最常见的夹杂物是氧化物，这是因为铝极易与氧起反应，形成薄的氧化皮，或比较厚的板状或粒状的氧化物。由于很多情况下合金成分中含有镁，不仅单纯生成三氧化二铝（Al₂O₃），也生成氧化镁（MgO）或两者结合的尖晶石（MgO·Al₂O₃）等各种氧化物。氧化物悬浮在熔液中，浇注时带入产品，产生各种各样的问题。在熔液中混入的耐火材料，以及与合金成分反应而产生的金属间化合物，也需当做夹杂物来处理。

镁合金熔液夹杂物的生成原理已如前所述，夹杂物的来源主要是原镁冶炼（如在电解法生产镁的过程中，电解质如MgCl₂、NaCl等氯盐容易混入镁液中）、镁氧化、镁合金除铁及变质，以及铸造工艺中产生的夹杂物。镁合金熔液的夹杂物可分为非金属化合物类夹杂物，如MgO、Mg₃N₂、Al、Ca的碳化物（Al₄C₃、CaC），镁的硫化物（MgS）、氟化物，以及金属间化合物类夹杂物，主要是富铁相，如α-Fe粒子，锰-铁金属化合物[MnAl₆、Fe₂（Si，B）、Fe₃（Al，Si）等]。

夹杂物测定中最大的问题是夹杂物的扩散问题。就氢气而言，由于扩散速度快，在同一容器内（例如同一炉内），不同的位置几乎不存在氢气量的差别，但因为夹杂物自己不扩散，即使在同一容器内，由于夹杂物的密度不同会引起上下偏析，或由于对流而附着在炉壁，或者是夹杂物之间的凝聚等，产生诸如此类的种种形态的偏析，因此，虽然目前有一些检测的方法及设备，但能准确地、稳定地测定夹杂物的方法还很少，生产应用也很少。

夹杂物的测定有多种方法，但是每一种方法在测定原理、测定精度、测定对象、测定时间、使用环境的适应性、经济性等方面都存在差别。以下简要介绍几种方法。

1.吸引过滤速度测定法

测定原理：将装有过滤网的特殊容器与真空泵相连接，放在熔液中吸取熔液，由时间与熔液的通过量的关系来评价熔液的清洁度（见图3-22）。滤网处的金属凝固后，也能对夹杂物进行观察。

图3-22所示为熔体夹杂物真空过滤检测系统，由过滤器、过滤杯、锥形塞和真空容器等几部分组成。真空吸引过滤分析装置使用步骤如下：首先，将锥形塞子塞住过滤杯，然后将整个装置浸入到熔体当中进行预热，拔掉塞子，熔体在真空的抽吸作用下通过过滤器进入到钢制取样管中。取得一定数量的熔体后，取出过滤杯进行冷却，从过滤杯中取出凝固和冷却后的过滤体并沿垂直于过滤体表面的直径切片。

特征：将测定用具浸入熔液，能够对熔液进行直接测定，也能够进行炉前的快速测定。

图3-22 吸引过滤测定法示意图

2.加压过滤法

测定原理：如图3-23所示，在底部有熔液排出口的加压容器中放置装有过滤网的坩埚，装入需要测定的熔液数千克，在熔液温度、压力等一定的条件下加压过滤，在过滤网的表面留下夹杂物，通过凝固后的显微镜组织观察，测定出夹杂物的种类及数量。根据熔液的情况可以变换过滤网的种类或孔径，但一般的平均孔径为数十微米，使用的是耐火材料颗粒的成形品。过滤压力大多在1kg/cm²。在不能直接对熔液进行评价的情况下，注意采取的熔液不要污染，使其一次固化，通过加压容器中所装的加热装置使其再熔化，然后测定。

特征：用显微镜观察，虽然手续繁琐，但由于能够评定夹杂物的种类及数量，因此多用于要求高清洁度的型材熔液的评价。在铸件、压铸合金使用的情况下，最好是将过滤网的孔径或评价标准等条件稍微放宽一些后使用。由于显微镜观察需要较长的时间，难以作为炉前试验方法。

3.加压过滤速度测定法

测定原理：设备构成及原理与加压过滤法大体相同，但它可以通过测定过滤装置中过滤速度的变化来评价清洁度，即它利用的是当夹杂物少时过滤速度快，而相对地当夹杂物多时过滤速度慢的原理。过滤速度的测定是利用载荷管等测量接受过滤金属的容器重量，如图3-24所示。

图3-23 加压过滤测定法示意图

图3-24 夹杂物对过滤重量— 过滤时间关系的影响

特征：通过调整容许时间—过滤重量的关系，加压过滤速度测定法能够被用作炉前的迅速判断。仅从过滤速度不能区分夹杂物的种类，但另一方面，在凝固后通过采集过滤网面的试样进行显微镜观察，可以检测夹杂物的内容。虽然对粘性差异很大的熔液或夹杂物种类差异很大的熔液做直接比较是困难的，但一般操作时同一条件下的重复熔炼对熔液清洁度的比较是有效的。若要做组织观察则需要时间较长，炉前试验较困难。

4.电感应区域法

测定原理：将由耐热玻璃制的有微小孔的管状容器插入熔液中，并在容器内外间加电压，通过减压将熔液吸入容器时，把夹杂物通过引起的电导率变化以微小孔两端的电压变化的形式记录下来，通过计算机处理，对熔液的清洁度进行评价和测定（见图3-25）^[16]。这种方法是由ALCAN公司开发的叫做LiMCA的方法。

这一装置主要由探测部、电流源和信号处理系统组成。探测部包括两根电极和一个绝缘取样管，在取样管的侧面有一个小孔，两个电极和熔体中的小孔形成回路。如果熔体足够纯净，则流经小孔进入取样管的电压降是一个常数。一旦夹杂物通过小孔进入取样管，则电导率会立即下降，就可以看到一个电压脉冲。电压变化与夹杂物直径之间有以下关系：(www.xing528.com)

ΔV=f（d，1/D） （3-22）

式中d——夹杂物直径（m）；

D——小孔直径（m）。

通过信号处理系统，可以根据记录脉冲的个数和幅度来了解夹杂物的含量和尺寸。LiMCA技术已经被成功地应用到铝熔体夹杂物的检测中，最近也扩展到了镁熔体夹杂物的检测过程中。但是，由于镁熔体能够与大多数的陶瓷发生反应，因此寻找一种不与镁熔体反应且绝缘的取样管材料十分困难，而且小孔也很容易堵塞。

特征：能够在熔液中直接测定，也能够进行半连续测量。虽不能直接分辨出各个夹杂物的种类，但能够根据电流变化的波形进行某种程度的推测。但是这个方法也有其局限性，首先它不能检测导电的金属夹杂物，而且小孔很容易堵塞，导致可靠性下降；其次检测到的熔体数量十分有限。另外，对镁合金来说，满意的取样管材料也难以获得。

图3-25 LiMCA技术示意图

图3-26 K型示意图

5.K型法

本方法是由日本轻金属公司开发出的断口检查法。其测定原理是将测定熔液浇入采取试样的K型（见图3-26）^[9]，用锤子等将被急冷凝固的薄壁平板试样破碎成小片，求出破断面观察到的夹杂物总数S，除以片数n，得平均每一小片的夹杂物数，用K值表示，即K=S/n。K值与熔体质量的对应关系见表3-6。根据需要可利用放大镜、立体显微镜等以提高检测精度。

表3-6 K值与熔体质量的对应关系

本法的特征是，对夹杂物的观察容易因人而异，对小于50μm的小夹杂物不能进行评价，不适合于非常软的合金，但由于能够在炉前短时间内容易廉价地进行评价，在铸件生产厂中的应用较多。

6.光亮度检测法

测定原理：本方法是针对镁合金中夹杂物的特点专门开发用于检测镁合金中氧化物数量的技术，如图3-27所示。镁合金中的夹杂物主要是MgO，MgO与基体金属对光的反射作用明显不同，当光照射在MgO上时，由于MgO吸收可见光，从试样表面反射的光通量减少。因此，反射光的亮度与氧化夹杂物之间呈对应关系，通过测定反射光的光亮度可以估算氧化夹杂物的数量。入射光以45°角照射在试样表面，在0°角收集反射光，反射光的亮度由测光光电管测量，该仪器的有效波长为（45.7±0.5）mm，故可测蓝光反射，试样表面散射蓝光的反射度定义为“光亮度”。一般而言，试样表面越白，蓝光反射度（光亮度）越高，反之，试样表面越暗（有MgO存在时），蓝光反射度越低。为了获得较大的试样受检面，物镜孔径选为12.7mm。

图3-27 光反射系统示意图

特征：该法的特点是可以准确测定镁合金中氧化夹杂物的分布、数量，有利于实现测量过程的自动化，但利用该法不能测量不吸收可见光的夹杂物。

7.其他方法

作为夹杂物的简单测定法，有减压凝固法、捞上法等几种方法。

减压凝固法是含气量测定中的减压凝固法在夹杂物测定方面的应用。熔液中若有夹杂物，凝固时会与气泡一起浮上熔液表面。利用这一现象，通过凝固中的表面观察，凝固后的试样切断面上的气泡发生状况，借助密度测定可对夹杂物的量进行半定量的评价。虽然对于仅是夹杂物的评价精度较低，但由于能够与含气量测定同时进行，因此可以作为炉前熔液清洁度的简易评价法。这种方法主要用于铝合金。

捞上法是用玻璃布等网状物固定在框上，浸入熔液后提起，夹杂物即附在网上被捞上。对网上的夹杂物进行目视观察，可以知道夹杂物的多少。这种方法非常简单，可作为污染严重的熔液清洁度的炉前评价方法。