合金熔化与精炼4

1、大 型 铝 合 金 铸 件 n. 合金熔化及炉外精炼 有色合金 材冶学院:张国志 第一章.铸造铝合金的熔炼 n铝合金熔炼要求铝液: n(1).成分合格,均匀; n(2).气体少,夹杂物少;(比铸铁和铸钢要求严格) n(3).变质良好;(细化组织) n(4).温度适宜。 n铝合金的熔炼特点: n(1).易氧化;(2).易吸气;(3).易夹渣;(4)合金元素比重差大,熔 点差别大,易偏析. n 要获得质量良好的合金液,要控制许多环节:熔炼工艺, 加料;精炼;变质;炉前检验等;其中主要是精炼和变质. n铝合金熔炼用炉主要有: n 焦炭坩埚炉; 煤气炉; 电阻炉; 火焰反射炉;电阻反射炉; 感应炉(工

2、频; 中频) 铝合金熔炼用炉 n(1)焦炭坩埚炉. n优点: 适应性强,投资少, 结构简单,适合于中小车 间.（地下） n缺点: 易氧化; 不易控温, 工作环境差, 产量小. 焦炭反射炉 n单设燃烧室,高 温炉气加热坩埚 n. (2)煤气炉 优点:熔化快,温 度比焦炭炉容 易控制,合金液 质量好,工作条 件好.容量150千 克,需23小时熔 化. 倾转式煤气熔铝炉 n. (3)火焰反射炉 n通过喷嘴,烧重油,用于大型连续铸锭. 熔十几吨铝液. n. (4)电阻炉 n优点:炉气中性,不易 氧化,容易控温,劳动 条件好. n20200千克,大的可 容500千克. n缺点:耗电多,成本高, 熔化慢.

3、 (5)电阻反射炉 (硅碳棒式,电 阻丝式) 优点:炉气稳 定,吸气少,铝 液质量好,条 件好, 缺点:耗电多, 不能在炉内进 行变质处理. n. (6)感应炉 n无芯工频感应电炉 n优等:氧化少,控温好, 劳动条件好,容量变化 大,熔化速度快. n缺点:设备投资大,用 电多.成本高. n一般工厂用电阻炉;焦 炭炉;煤气炉,油炉多. n大容量的用火焰反射 炉. 有芯感应电炉 n. 1-2铸造铝合金的精炼 n(1)精炼的目的:去除氧化夹杂,Al2O3,除H2气. n(2)氧化夹杂的来源: nN2;O2;CO2; CO不溶于铝液中,形成化合物; nAl+3/4O2 =1/2Al2O3 Al+1/2

4、N2=AlN (T900) nAl+3/2H2O =Al2O3+3H2 Al+3/4CO2 =1/2Al2O3 +3/4C nAl+1/2CO =Al2O3 +1/6Al4C3 nAl的上述反应都形成Al2O3 n(3) H2的来源及在Al中的溶解: nH2 2H H的原子半径R H =0.37A; R Al=1.428A,铝中 空气体的2080%是H2, 空气中H2的分压很低, 5X10-5 H2 主要来自水蒸气反应: nAl+H2O Al(OH)3+3/2H2 炉料中含有水分易形成H2, n油类C.H化合物:Al+CmHn m/3Al4C3+n/2 H2 n铝合金炉料要防水,防油. H2在

5、铝中的溶解度与温度有关,也与H2分 压有关,溶解度S, 单位ml/100g n S=mPH2O .EXP(ES/2RT) nM常数; T绝对温度; R气体常数; ES H2的克分子溶解热. n从上式可看出: PH2O, T ,则S ,吸H2增加. n(4)影响H2在铝中溶解的因素: n1).铝的氧化膜保护合金熔体;Al-Cu;Al-Si;Al-Zn合金 不需覆盖,Mg,Ca形成疏松的氧化膜加入 0.030.07%Be,优先氧化,填补MgO的空隙,有效地 防止氧化. n2).合金元素的影响,Si增加,氢的溶解度增加. n3).熔炼速度的影响,快速熔炼,不允许过热,减少吸气. (5)铝液中H2的析

6、出. n1). PH2O 和T温度的影响 nT=700时, PH2O=100汞柱时, H2溶解度:0.426ml/100g n 10 0.135 nT=600时 PH2O=100汞柱时, H2溶解度:0.139ml/100g n降低PH2O 和T,则溶解的H减少. n2).铝液中H2的析出的动力学.形核,析出,扩散,逸出,要去除 铝液中的气体,需要一定的条件. n PH2 P外= PA+ PM + 2/R nPH2 气泡压力; nP外气泡外部压力, nPA 炉气压力; nPM 金属静压力. nR 气泡半径; n 表面张力, 由于有氧化物作为核心, 2/R可以略去. n在真空条件下,外压低,有利

7、于H2的析出 降低原始H2含量的工艺措施. n1)炉料干燥脱水,设备工具预热,控制水蒸汽不与铝液接触. n2)真空熔炼;惰性气体保护熔炼. n3)精炼除气. n(6).铝合金熔体的精炼. n精炼的目的:除渣除气; n精炼方法主要分两大类:吸附精炼;非吸附精炼; n1).吸附精炼 n 吸附精炼是依靠精炼剂(形成气泡)的吸附 作用,达到去除氧化物和气体的目的,具体又分 为浮游法和过滤法. 浮游法 na.通氮精炼 n铝液中通入N2气,形成N2气泡,在表面张力的作用下,夹杂物 吸附在气泡上,被带出液面被去除. 同时, N2气泡内的H2分 压为零,铝液中的H2向N2气泡内扩散,气泡上升,逸出液面, 除去

8、铝液中的H2 n通氮温度控制在710720,避免N2和Al形成大量AlN（大 于900 生成）.含镁的Al-Mg合金ZL301;ZL302不用氮气 精炼,因为会形成MgN. n通入N2-Cl2混合气体更好,通入的气体应干燥脱氧,防止铝 液氧化. nb. 通Cl2精炼 Cl2不溶于铝, 与Al和H2形成HCl和Al Cl3 (沸点183 )都是气体,不溶于铝液中,起到吸附精炼的 作用.气体应干燥去氧,防止铝液氧化. nC. N2- Cl2 CO三气精炼 nd,氩气精炼 浮游法除 气的示意 图 浮游法除 渣 浮 游 法 除 渣 示 意 图 n. 吹氯精炼 e.氯盐精炼. n常用:NaCl2; Mn

9、Cl2; C2Cl6; CCl4; TiCl4; nAl+3MeCl= AlCl3+3Me 生成的AlCl3可起吸附精炼 的作用. 氯盐精炼不用通气设备, AlCl3的毒性比Cl2小. nZnCl2熔点:365;沸点:372 ; 加0.1-0.2%.吸潮性大, 应重熔脱水处理. Zn价格便宜。 n MnCl2精炼效果好,对铝合金性能有利,价格较贵 nC2Cl6生成CCl4和AlCl3 .一起起精炼作用.比ZnCl2好, 不吸潮,使用方便.压块后,用钟罩压入铝液中,无金属元素 污染,产生Cl2气体,有刺激性. n精炼温度:720-740 ;加入量0.2-0.7%.时间6-10分钟.精 止7-10

10、分钟.使渣充分上浮. 无毒精炼:使用硝盐 n以硝酸钠(NaNO3)和(KNO3)为主,加石墨 n4 NaNO3+5C2Na2NO3+2N2+3CO2 n氮气无毒,消除刺激性气味. n沈阳铸造研究所研制的无毒精炼剂,以硝盐为主,有除气除渣作用,和 覆盖作用.获国家科技进步二等奖.后来长春光机所的工程师提出质疑, 硝盐精炼产生的氮氧化物比Cl2气毒性大,曾成立调查小组调查,现在不 用. n吹氩精炼:工业用Ar气,含O2低,0.005-0.05%,氩的密度低于O2的密度, n熔剂法 n熔炼Al-Mg合金时(氧化膜疏松),要用熔剂覆盖,要求覆盖剂的熔点比铝 低,比重小,不与铝反应,流动性好,能吸附Al

11、2O3 n价格便宜. n以KCl和NaCl为主, NaF; Na3AlF6 CAF2等 过滤法 n 只能除渣,不能除气,铝液中夹杂物多时 效果较好.分为非活性过滤和活性过滤两种. nA.非活性过滤:机械作用,(过筛;用石墨块,镁 砖块. nB.活性过滤:过滤剂有吸附作用,效果更好. NaF; CaF; Na3AlF6 过滤法除渣 n. 2)非吸附精炼 n.真空精炼,除气效果好,设备复杂, 要求温度高,应用不多. n.超声波处理:在铝液中形成空穴,起 作气泡作用,吸附气体,加强气体形核, 同时细化晶粒.应用不多. n精炼效果检验:浇试棒看断口,断口有 白点说明含气多. 2-3.铝合金的变质处理.

12、 (1).共晶-亚共晶铝合金的变质处理 n变质处理能改变铝合金的显微组织,细化共晶硅,提高机械 性能,含硅量大于5%，(611%)硅都必须进行变质处 理.(ZL101; ZL102; ZL104;) n1)变质剂:最初用Na变质， Na(沸点低,883 )易飞溅, 保 存也困难.2Na+H2ONa2+H2使合金含气量增加.所以生产中 一般不用金属Na， 多用钠盐变质. nNaF; NaCl; KCl; Na3AlF6(冰晶石). 起变质作用的主要是 NaF. ( 45:40:15). n 6 NaF+Al Na3AlF6+Na-Na起变质作用,进入铝 液. NaCl; KCl本身无变质作用,其

13、作用是与NaF混合后,降 低熔点,有利于上述反应进行. NaF的熔点(992 ),混合 后熔点降为600800 ,在750800 变质处于熔融状态, 有利于反应.另外,液态也易于覆盖在铝液表面,保护铝液 不吸气,不氧化. NaCl; KCl作为稀释剂或助熔剂. 铝硅合金的变质组织 2)变质剂除水 n氯化物易吸水，使用前要烘干。NaF(200300 ); NaCl; KCl(500600 )烘干，破碎过筛，按比例混合，在密封 容器中保存。也可按比例在坩埚中熔化，浇在铁模中，破 碎过筛使用，较麻烦，多用烘干法。 n3)变质剂加入量 n按变质所需的钠量计算，需要的变质量很少，只需 0.010.014

14、%的Na，三元变质剂0.06%，但实际上反应不 充分，吸收率很低，需要多加一些，一般三元变质剂的用 量为铝液重量的23%，这样也有较好的覆盖作用。 n4)变质温度 n温度高有利于变质剂与铝反应生成Na，Na的回收率高,变 质时间短。温度高也有缺点，浪费燃料，易吸气，Na易 挥发，变质效果易消失(衰退)。一般变质温度高于浇注温 度，720750 。 5)变质剂加入方法 n压入法;切盐法;搅拌法. n切盐法:把变质剂放在铝液表面,烧结成壳后,把碎块压入铝 液中,35分钟就可以,效果较稳定. n6)其他变质方法 n加Sb:0.20.4%, 以中间合金形式加入. n Sr;(0.020.06%), 中

15、间合金形式 n B:0.4%) 中间合金形式 n变质效果检查:观察试棒断口 n 变质不足:晶粒粗大;断口暗灰色,发亮的硅晶粒; n 变质正常:银白色丝绒,晶粒细;看不到亮点; n 变质过度:晶粒粗大;断口呈青灰色, n铝液表面花纹判断:花纹大,变质好,(Na的氧化膜) n测定导电率和热分析法也可判断变质效果 二)过共晶铝合金的熔炼和变质 n 过共晶铝合金变质的目的是细化初晶硅，用P变质细 化初晶硅，超声振动，急冷，加压铸造等细化作用。使用 最多的还是加P变质细化，加入量为合金重量的0.5%，变 质剂最佳残留量0.0010.05%。 n.10%P+90%C2Cl6 (加入量:0.25%) n.20%P+