夹杂物的形成与危害分析

所谓夹杂物或夹渣，是在熔炼或铸造过程中产生的金属或非金属氧化物、卤化物等，它们会对金属或合金的加工、力学性能，以及制品的表面质量、色泽等带来不利影响。了解这些夹杂物的形成过程（来源）、类型、特点及其危害，在熔炼与铸造过程中防止或减少其产生，对确保产品质量、节能降耗、提高经济效益有重要作用。

1.夹杂物的分类及特点

铝合金夹杂物，按其大小和形态，可分为块状夹杂物和弥散夹杂物两种；按结构类型，可分为熔铸中产生的非金属物（氧化物）、金属间化合物、盐、硼化物、碳化物和外来夹杂物六种。

（1）大块夹杂物和弥散夹杂物 大块夹杂物是指其平均大小（尺寸）在10μm以上的氧化物（或氧化膜），它分散在合金液里或飘浮在液面上；弥散夹杂物是指其平均大小（尺寸）在5μm以下的很细小的氧化物，它大部分悬浮在合金液里，很少部分飘浮在液面上。

（2）熔炼、铸造中产生的非金属物（氧化物）这是在熔化到浇注的过程中，由于炉料、溶剂、变质剂和氧气、水蒸气等相互发生复杂的化学反应而产生的一类非金属（或氧化物）皮膜、片状或分散的夹杂物。图1-10所示为Al-5Mg合金试样断口的氧化膜皱褶的SEM图像[10]。此类非金属物又分为下述三种：

①γ-Al₂O₃及α-Al₂O₃，如前面1.2.2节所述。

②氧化镁（MgO）。这也是一种由熔融合金与氧气、水蒸气等直接接触而被氧化生成的氧化物。它为分散的群体皮膜状、簇状等形态，大小在5μm的较多，厚度在1～8μm左右，呈黑色。

③尖晶石（MgAl₂O₄）。这是熔融合金表面被炉气包围，当温度升到500℃以上时，合金液被直接氧化所形成的氧化物。其外形呈簇状或皮膜状。当合金液中有MgO夹杂物存在时，将更会促使其形成。

图1-10 Al-5Mg合金断口的氧化 膜皱褶的SEM图像

（3）金属间化合物 由于Al对其他元素的固溶度很小，所以即使其合金中所含不纯物在规定的范围内，那些不纯物与不纯物之间或不纯物与合金成分之间，都会产生金属间化合物。这些金属间化合物呈不定型的中国汉字状、粒状或针状，如FeAl₃、Al₅FeSi、Al₁₅（Mn，Fe）₃Si₂等（后者为最典型的金属间化合物）。这些金属间化合物多是在合金凝固时，作为共晶成分结晶出来的，即使经过热处理，仍能保持原来的形状。对这些夹杂物，可通过变质处理、急冷凝固等办法细化晶粒，使之不致影响合金的性能和形成铸件、型材或制品的缺陷。

（4）卤化物盐 这是为了去除铝合金液中的氢气和夹杂物，使用氯气、氩气与氮—氯气的混合气体，或使用氯系熔剂作精炼剂时所产生的副产品。其反应式为

当有Mg存在时，反应式为

上式中产生的MgCl₂，根据不同温度，呈液相或固相存在。

用作变质剂的Na和用作熔剂的Ca，也会与氯发生化学反应形成固态的NaCl、CaCl₂。由于这些化合物的颗粒较细，因此很难用过滤器把它们去除。

（5）硼化物 这是由于在对铝合金液做去气除渣的精炼处理时，使用了合有硼化物[如硼酸（H₂BO₃）、氟硼酸钠（Na₃BF₆）等]的熔剂成分所产生的副产品AlB₂、TiB₂等六角形或矩形板状的硼化物。它们或呈暗灰色，或呈褐灰色。

（6）碳化物 在使用除气除渣剂六氯乙烷C₂Cl₆等精炼剂对铝合金液进行精炼处理时，产生了Al₄C₃等碳化物。其反比式为

形成的碳化物Al₄C₃会随AlCl₃上浮到合金液的表面熔渣中，在撇渣时可去除。其粒径达到40μm以上，呈坚硬的黑点状。

（7）外来夹杂物及炉衬材料反应生成物 主要是耐火材料的崩落物，或耐火材料与合金、熔剂、精炼剂的反应生成物。

1）使用SiO₂质耐火材料时，SiO₂与Al、Mg发生下述反应：(www.xing528.com)

生成的Si会进入合金液中成为杂质，所以熔炼铝合金不能使用这种既损坏炉子，又污染合金液的耐火材料，而要使用高铝质耐火砖（Al₂O₃含量高）作炉衬材料。

2）熔融盐作熔剂，会使耐火材料毁坏、崩溃，这些崩溃的耐火材料进入合金液被Al还原，形成Al₂O₃氧化夹杂物。

3）含碱（碱土）金属元素的熔剂与Al-Mg合金中的Mg发生下列化学反应：

反应所产生的Na存在于合金液中，成为污染合金液的杂质。

大部分氧化夹杂物的熔点高，密度比铝合金小，化学性能稳定，很难通过热处理和重熔来改变其形态，也很难用化学方法把它从合金液中分解出来。

2.夹杂物的危害

混入铝合金中的夹杂物，在铸件或铸锭凝固后，便以固态形式分布在合金的晶体内、晶界或局部区域，给合金的性能、产品质量和生产加工带来严重危害。

（1）大块夹杂物和弥散夹杂物 大块夹杂物，特别是平均直径达到20～30μm（或直径达到1mm以上）的夹杂物会造成以下危害：

1）割裂金属或合金的组织，使产品渗漏，并成为以后产品腐蚀的根源，而且显著降低合金的力学性能，特别是伸长率、冲击韧度及疲劳强度。

2）降低合金液的流动性，给铸造工艺带来困难。

3）使切削加工性能变坏。

4）使铸件在机械加工时开裂。

5）使铸件在热处理时起泡。

弥散夹杂物（颗粒平均尺寸在10～20μm），使合金液的粘度增加，降低合金液的流动性（特别是降低凝固时的补缩能力），阻滞气体的扩散和析出，并使铸件（铸锭）形成气孔。但是另一方面，极微细的氧化物质点（尺寸在10^-5～10^-3 mm）如分布均匀，则有很高的强化合金性能的作用，特别是可显著地提高合金的高温强度。

（2）皮膜状的氧化铝 皮膜状氧化铝若混入合金液中，会在铸件（铸锭）凝固时成为气泡的成核中心，是产生气孔的最危险的夹杂物。

（3）金属间化合物 金属间化合物（平均尺寸在5～10μm）会稍微降低铝合金的伸长率和冲击韧度，但也会使抗拉强度和疲劳强度稍有提高，所以可以不认为是缺陷。如在压铸件中，即使w（Fe）达到1.7%（如YL112、ZL401），因为与Fe形成的金属间化合物是防止粘模所必要的，所以可不认为是缺陷，但其平均直径达到20_μm以上，则成为坚硬的黑点，使合金脆化，造成切削加工困难，并成为吸附气体、形成气泡的核心。

在合金液保温时生成的泥浆状的金属间化合物，熔点高、成长快、晶体粗大，卷入铸型后成为粗大的、阻碍切削加工的坚硬的黑点，如TiAl₃、TiB₂的粒子尺寸在5μm以上时，会使铝合金的力学性能和耐蚀性下降。

（4）Na Na游离存在于高Mg铝合金的晶界，会降低铝合金的强度，致使铝合金或铸锭在热轧过程中产生严重的裂纹，即出现通常所说的“钠脆”现象。所以，高Mg铝合金中的w（Na）应严格控制在≤5×10^-6的范围内，其他铝合金的w（Na）也应控制在15×10^-6左右。

（5）AlCl₃和MgCl₂等卤化物盐粒子 碳化物、卤化物盐粒子熔化温度高，如混入合金液中，将成为降低铝合金的力学性能、物理性能、耐蚀性和增加吸气的夹杂物。

（6）硼化物、耐火材料等 硼化物、耐火材料、以及耐火材料与熔剂、精炼剂、合金液的反应生成物等外来夹杂物，多为密度小、硬脆、化学稳定性好的质点，它们若存在于铝合金中会严重降低铝合金的力学性能、物理性能、加工性能和气密性。