铝及铝合金基础知识.ppt

1、铝及铝合金熔铸基础知识,一切从零开始,什么叫不简单，就是把别人认为简单的事情一次次做下去就是不简单； 什么叫不容易，把别人视为容易的事千百遍地做正确就叫不容易。,一、铝的基本知识,1、铝的工业史 1.1 铝在自然界中分布广泛，地壳中的铝含量占到7.73%，位居第三，仅次于氧和硅，在金属中位居第一。 1.2 铝的化学性质活性非常强，因此在自然界中铝均以化学态存在。 1.3 1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁不约而同的发明了冰晶石熔盐电解法，从此，铝的工业化生产进入了突飞猛进的阶段。,一、铝的基本知识,1.4 铝从1886年冰晶石熔盐电解法问世后，在短短的一百多上年间，铝及铝合金得到了极其广泛的应

2、用。工农业、航空、航天、国防工业乃至人们的的日常生活中，无不广泛的应用铝。,一、铝的基本知识,2、铝的物理和化学性质 2.1金属铝是银白色的，20时的密度2.699g/cm3 ，熔融状态密度为2.371g/cm3 2.2铝是较为活泼的金属，属于两性元素，能跟酸碱等起反应。所以铝制品应该避免在碱、盐酸、卤化物及碳酸盐等介质中使用。（在化验过程中） 2.3铝及铝合在常温下的空气中即可钝化，产生一层致密而坚固的氧化膜。所以铝及铝合金的耐腐蚀性很好。,一、铝的基本知识,3、铝的优良性能 3.1密度小 纯铝20时的密度约为2.699g/cm3 约为钢铁的35%。 3.2可强化 纯铝的强度虽然不高，但通过

3、冷加工可以使其提高一倍以上，并通过添加Mg、Zn、Cu、Si、Li、 Sc等元素合金化，再经过热处理进一步强化，其强度可与合金钢媲美。 3.3易加工 铝可用任何一种铸造方法铸造，可轧成薄板和箔、拉成管材和细丝、挤压成各种型材。,一、铝的基本知识,3.4耐腐蚀 铝及铝合金表面易生产一层致密、牢固的氧化膜。这层膜只有卤素离子或碱离子激烈作用下才会遭到破坏。 3.5无低温脆性 铝在摄氏零度以下，随温度的下降，抗拉强度反而上升。 3.6导电导热性能好 铝的导电性能仅次于银、铜、金， 3.7反射性好 铝及铝合金的抛光表面对白光的反射率达80%以上。 3.8无磁性冲击不产生火花 主要作为电气设备的屏蔽材料

4、，如仪表材料。,一、铝的基本知识,3.9有吸音性 用于室内装饰 3.10耐核辐射 对照射生成感应放射能衰减很快。 4杂质及合金元素对铝及铝合金性能的影响 4.1杂质对铝及铝合金性能的影响（见表一）,一、铝的基本知识表一,一、铝的基本知识,4.2合金元素对铝及铝合金性能的影响 4.2.1 Mn中和了铁的有害影响，是提高合金耐热强度的主要元素，能提高合金的淬火时效强度和持久强度。添加量一般不超过1%。 4.2.2 Cu与铝形成固溶体，部分形成强化相CuAl2， 能改善合金的焊接性能。 4.2.3Mg和Si形成Mg2Si化合物，能弥散分布在铝基体中，显著提高合金的强度。,一、铝的基本知识,5、铝及铝

5、合金的分类 5.1按合金的性能和用途分为 纯铝、抗腐蚀铝合金、可焊接铝合金、高强铝合金、超强铝合金、锻造铝合金、特殊铝合金。 5.2按热处理特点分类 热处理不可强化 Al-Mn系、Al-Mg系、工业纯铝 热处理可强化 除Al-Mn系、Al-Mg系、工业纯铝以外 5.3按主要合金元素分（表二）,一、铝的基本知识表二,5.4国际上铝合金分类对照表,一、铝的基本知识,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,1铝合金熔炼目的 1.1达到合适的浇注温度 熔炼的下道工序是铸造，铸造时要求将熔体的温度控制在一定的范围内，而熔铸的原材料一般是固体料（铝锭、切头、废棒、大块铝）和电解铝液（温度过高）达不到熔铸工艺控制要求

6、。 1.2调整合金成分 在铝合金生产时，在熔炼时加入所需要的合金元素。降低有害杂质的浓度，达到所生产合金的化学成分。 1.3降低铝熔体中杂质的含量 无论是固体原料还是液体原料，都含有一定量的杂质（包括气体、非金属杂质和金属杂质），这些杂质存在严重危害到后续的加工和合金的性能。,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,2、合金元素的溶解和蒸发 2.1合金元素的溶解 合金元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程，合金元素通过溶解才能与基体金属或其它元素构成各种固体及化合物，形成单相或多相合金。扩散是物质从高浓度向低浓度区域移动的过程。 2.2合金元素的蒸发 金属的蒸发在熔炼过程中始终存在，金属的蒸发性，取决于

7、其蒸发气压的大小。在相同熔炼条件下，一般蒸发气压高的元素易于挥发。可把常用名合金添加元素分为两组：Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si、V、Zr等元素蒸气压比铝小，蒸发较慢Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素蒸气压比铝大，较易蒸发，在熔炼的过程中损失较大。例如镁,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,2.3铝熔体的氧化和烧损 熔炼过程中，金属以熔融或半熔融状态暴露于炉气并与之相互作用，易造成铝熔体大量吸气、氧化和形成其它非金属夹杂。铝与炉气的反应是吸咐、扩散和溶解 过程。 火焰炉炉熔铝的炉气成分（表四） 2.3.1铝与氧的反应 铝与氧的接触后产生强烈的氧化反应。生成的氧化铝是十分稳定的固态物质。它形

8、成致密的氧化膜，连续覆盖在铝表面上。4AL+3O22AL2O3,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,2.3.1铝与氧的反应 当熔炼温度达到900以上时，氧化膜破裂，所以铝合金熔炼温度不应超过900 ，一般控制在750 以下，熔炼时间也不应过长。 另外氧化膜在900 仍含有0.34%的H2O，在熔炼和铸造时把氧化膜搅入铝液中，吸附的水与铝液反应造成熔体吸氢。这就是为什么熔体中Al2O3 增加，氢含量也会随之增加。 影响铝熔体氧化的主要因素 合金元素 氧化膜的本性 温度,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,2.3.2铝与水的反应 在低于250 时，铝和空气中水蒸气接触发生变化。 2Al+3H2O2Al(OH)

9、3+3H2 Al(OH)3是一种白色粉末，没有防氧化作用且易吸潮，称为铝锈。铝锭在露天长期存放易产生这种铝锈。 而在高于400 铝与水气发生反应。生成游离态原子H 极易溶于水中，此反应为铝液吸氢的主要途径。 Al+3H2OAl(OH)3+3H,二、铝及铝合金熔炼的基本原理,2.4熔体的保护 熔体在熔炼过程中与气体的相互作用均属于化学反应，因此保护熔体的工艺制度均应从减少化学反应来考虑。防止吸气和氧化烧损的方法有： 2.4.1合理选择炉型，尽量选用熔池面积小的的炉子。 2.4.2采用合理的加料顺序，易氧化烧损的炉料，应加在炉料的下层，力求缩短熔炼的时间，防止过多的氧化烧损和吸气机会。 2.4.3

10、采用覆盖剂 2.4.4正确控制炉内气氛，熔炼铝合金采用微氧化气氛为宜。 2.4.5配入的炉料应清洁、干燥。 2.4.6尽可能采用“埋入式熔化工艺”,三铝熔体中的杂质,1气体杂质 1.1气体来源 1.1.1燃料 当采用火焰炉熔炼铝及铝合金时，燃料中水分以及燃烧时产生的水分易进入熔体。另外，大部分碳氢化合物燃烧后生成水蒸气和二氧化碳，部分剩余的碳氢化合物与熔融的铝接触时，可发生反应： 4Al+3CH4Al4C3+12H 所得原子氢被吸收而溶于铝液中，成为铸造内气孔根源之一。,三、铝熔体中的杂质,1.1.2大气 熔炼过程中，大气中水蒸气也易被熔体吸收。 1.1.3炉料 如炉料放置过久则熔体吸气量会更

11、严重。 1.1.4耐火材料 烘炉不彻底时，耐火材料表面吸附的水分以及砌炉中水分在熔炼的前几个熔次时，对熔体的气体含量将有明显影响。 1.1.5熔剂 使用保存不当而发生了潮解的熔剂，增加熔体的含气量。 1.1.6熔铸工具 在倒炉及铸造时，如果熔铸工具烘干不到位，也容易带入水分而使熔体含气量增加 1.1.7倒炉及浇铸过程中，如果熔体落差大，或液流翻滚过急，也会使气体及氧化膜,三、铝熔体中的杂质,1.2气体在铝中存在形式 1.2.1铝中的气体，主要是氢、氧、氮三种气体。根据分析铝合金中所含气体成分，氢占85%以上，因此，铝的含气量可以近似的认为就是“含氢量”。 1.2.2熔铸时铝熔铸熔体中氢含量要求

12、0.12-0.18ml/100g 1.3温度对含氢量的影响 在一般情况下，气体在金属中溶解度随温度升高而增加 。,三、铝熔体中的杂质,1.4熔炼时间对气体在金属中溶解度的影响 在任何情况下熔体在空气中暴露时间越长，增加吸气的机会。所以在熔炼中，总是力求缩短熔炼时间，以尽量降低熔体中的含气量,三、铝熔体中的杂质,2、非金属夹杂 金属中非金属化合物，如氧化物、氮化物、硫化物等若以较大颗粒独立存在金属中，会对金属及其制品的性质产生严重影响。这些化合物被称为非金属夹杂物，亦称作夹杂。这其中以氧化铝夹杂对铝影响最大。 2.1 Al和O2及H2O相互作用 4Al+ 3O2=2 Al2O3 3H2O+2Al

13、=Al2O3+6H 2.2 Al、Mg和N2相互作用 在一定温度下，氮和铝起化学反应生产AlN；与合金组元中的镁生成MgN2,三、铝熔体中的杂质,2.3 Al和 CO CO2相互作用 2.4 Al和S的反应 3金属杂质 在熔融状态铝中，除含有气体、氧化膜及非金属夹杂物外，也常有一些金属杂质。 3.1各种炉衬耐火材料含有大量的氧化物，如氧化钙、氧化镁、二氧化硅、三氧化二铁、氧化铬、氧化锆熔融金属各氧化物之间发生还原反应。 3.2铁制工具的熔解 在一定温度下，铁制工具也受到熔体的溶解。,三、铝熔体中的杂质,3.3洗炉不彻底或未洗炉 用同一炉子转不同成分的合金时，必须经过洗炉再生产，否则会被前一炉留

14、在炉衬及渣中元素所污染。 3.4原材料带入 各种原材料内含有一定量的金属杂质，尤其是在原材料控制不严格的情况下更容易污染，甚至造成化学成分不合格而成为废品。 3.5混料或误加 在生产中，如对原材料管理不当而造成混料，或配料、补料错误均导致金属严重污染，甚至造成化学成分不合格而成为废品。,三、铝熔体中的杂质,4防止吸收金属杂质的方法 4.1熔炼炉熔池以下应用高铝砖进行砌筑。 4.2要有合理的配料比，根据产品的不同，废料和低品位铝锭的用量不能使用过多。 4.3转换铝合金时，必须彻底清炉或清炉。 4.4加强管理，避免混料。 受到污染和大量吸气的熔体，可用加强精炼的措施来补救，而受到金属杂质污染的熔体

15、，用一般方法均难消除和补救，故应加强管理，避免混料。,四、铝合金熔体的净化（图示）,炉内净化 炉内净化 炉外净化,四、铝合金熔体的净化,1铝熔体净化的目的 铝合金在熔炼过程中，熔体中存在气体、各种夹杂物及其他金属杂质，影响纯度，往往使铸锭产生许多缺陷，如气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹、白斑。由此而对后续产品的加工性能及制品强度、塑性、抗蚀性、阳极氧化性和外观品质产生许多不良影响。 2、炉内处理 2.1吸附净化 主要依靠精炼剂产生的吸附作用除去氧化夹杂和气体。 2.1.1浮游法 惰性气体吹洗、活性气体吹洗、混合气体吹洗、氯盐净化 2.1.2熔剂法 工业常用熔剂（表五）,四、铝合金熔体的净化,四、铝

16、合金熔体的净化,2.1.3惰性气体喷吹熔剂粉 在净化气体中加入少量熔剂，夹带熔剂的气泡进入熔体后，粉状熔剂立刻熔化，以液体形式包围在气泡表面，熔剂膜将气泡表面氧化膜溶解，吸附，使其瓦解。这样氢从熔体中顺利进入气泡，同时气泡表面熔剂也加强了吸附除渣的能力。 2.1.4真空处理,四、铝合金熔体的净化,3、炉外连续处理 从炉内放出的熔体在铸造成型前进行连续净化处理，也称在线处理。 3.1玻璃丝布过滤 3.2刚玉微孔陶瓷管过滤 适用于生产高质量的铝材，双零5以下的箔材、飞机锻件及高强度薄壁型材、饮料罐体材。 3.3泡沫陶瓷过滤片 3.4旋转喷嘴喷吹弥散气泡在线净化法（在线除气装置）,五、原辅材料及废料

17、分类,1、主要原材料 电解铝液、原铝锭、废料、镁锭、锌锭、铜板。 2、中间合金 中间合金：由两种或三种元素熔制而成的合金 使用中间合金的目的：防止金属过热、缩短熔炼时间、降低金属烧损、便于加入高熔点，难熔合及易氧化挥发的合金元素，能获得成分均匀，准确的合金。 3、铝合金元素添加剂 4、熔剂,五、原辅材料及废料分类,5废料分类 5.1一级废料 断面尺寸较大或厚度较厚的几何废料，工艺废料且表面清洁。 5.2二级废料 断面尺寸较小或厚度较薄的几何废料，工艺废料以及被油污或泥土弄脏的一级废料。 5.3三级废料 尺寸较小，各种试样料，锯、车、铣、刨等产生的碎屑。熔铸时渣中金属或被污染的二级废料。 5.4

18、四级废料 是指那些难以分清的合金混合废料，一般称号外料。,五、配料,1、配料要求 1.1、合金的配料计算及杂质Fe、Si等的控制按化学成份标准要求执行，客户有特殊要求则根据客户提供的标准执行；,五、配料,1.2根据规定的新铝、废料、复化料的用量以及内控标准中规定的合金化学成分进行配料。 2配料程序： 2.1 首先确定熔炼合金及配料量。 2.2 在熔炼配料表上填写该合金的化学成份及各成份所需要的金属量。 需各种金属量该金属的含量的百分数配料量 2.3 确定该合金的复化料用量。 复化料用量配料量复化料用量百分数 2.4 确定废料用量。 废料量配料量废料用量百分数,五、配料,2.5 确定新铝用量。

19、新铝用量配料量复化料量废料量 2.6 将废料、复化料、新铝使用量中的主要化学成份依次填入配料表中。 2.7 确定和调整配料中所需的各种化学成份。 3、补料 3.1快速分析结果低于合金要求的化学成分时，就需要补料。 补料要按下式计算： (a-b).Q/d 式中： X所需补加的量 a某成分的要求含量 Q熔体重量(即投料量) b某成分的分析含量 d补料用中间合金该成分的含量,五、配料,3.2 生产中，按补料公式计算量进行补料后，补料结果经常与计算值产生偏差，其原因是： 3.2.1生产中，圆炉倒炉后往往有一定的剩料，加之装炉量误差，炉料量多为估算值，估料量不准是主要原因。 3.2.2补料用中间合金、金

20、属添加剂成分有一定的公差范围，如：铁剂、猛剂：753%；Al-Cu：202Kg。 3.2.3补料用中间合金、金属添加剂在炉内有效成分氧化烧损，如铁剂、猛剂实收率在95%左右。 3.2.4化验室光谱仪分析误差。 3.2.5熔炼搅拌不均、补料温度不够、静止时间不够、取样不具代表性。,五、配料,例：生产1235合金料10吨，分析结果Fe：0.27，需补铁剂多少块? （1235成分要求Fe含量取0.40，Fe剂重量0.66kg/块。） d-每块铁剂中纯铁量则：X(0.400.27)10000kg7517.33kg 需铁剂块数：17.33kg0.66kg/块=26块 也可直接按上式算出铁剂块数 式中：X

21、-所需铁剂块数 则需铁剂块数： X(0.400.27)10000（0.6675）26块,五、配料,4、冲淡 快速分析结果高于标准的化学成分上限时就需要冲淡。 冲淡时一般可按下式计算： XQ（b-a1）/（a1-a2） 式中： X所需的冲淡量 b该成分的分析含量 a1该成分的内控标准上限要求含量 a2所补料中该成分的含量 Q熔体总量 例：生产1235合金料10吨，分析成分Fe：0.47，需补多少纯铝？ X10000kg（0.470.45）（0.450.15） 667kg,六、工艺流程图,流程图简介.规程 工艺流程图制定的目的及其重要意义。 视频,六、熔铸车间设备配置及产品优势,1、产品定位高 公

22、司产品立足于高端的工业型材市场，目前在中国工业型材与建筑型材之间比例为34：66。而在发达国家则为54：46，而且这个比例在逐渐增加。公司从长远目标发展，将大力发展大规格铝合金棒材、板锭。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,2、熔炼炉（图片仅供参考） 4台35吨蓄热式熔炼炉，采用全浇注料作为内衬材料。燃料为柴油，天然气管路铺设完成后，将为油改气，实现清洁、高效生产。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,3、倾动式保温炉（图片仅供参考） 优点在于铝水导出方式与固定式保温炉的导出方式是不同的。有利于保持熔体质量。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,4、电磁搅拌器 实现对铝熔体自动的搅拌，有利于熔体成分均匀

23、，减少工人劳动强度。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,5、铸造机（图片仅供参考） 铸造机为液压内导式，它在运行中平稳，承载力大，铸造产品质量得到极大提高，尤其在生产大规格，高标准的产品上具有极大的优势。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,6、铸造平台（图片仅供参考） 采用美国Wagstaff铸造平台系统，油润滑，保证铸棒表面质量及内部质量。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,7、在线除气装置（SNIF图片仅供参考） 对铝熔体进一步除气、除渣，保证铝合金棒内部质量。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,8、均热炉（图片仅供参考） 均热能力：60吨/炉次，消除成分偏析、降低挤压工序能耗。,六、熔铸车间设备

24、配置及产品优势,9、带锯机 自动化程度高、切割速度快、高精度尺寸对正保证成品铝合金棒端面达到客户要求。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,9、低温液氩储罐、空温气化器 为炉前精炼和在线除气装置提供稳定的氩气，以利于除渣、除气保证熔体洁净，进而保证产品内部质量。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,10、循环水冷却塔 降低水温，保证铸造用冷却水达到铸造生产工艺要求。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,11、柴油储罐（图片仅供参考） 为熔炼炉和倾动式保温炉提供燃料，,六、熔铸车间设备配置及产品优势,12、除尘系统（图片仅供参考） 收集烟尘颗粒，利于保持清洁环境。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,13、喂丝

25、机 向铝熔体中添加铝钛硼丝，细化晶粒，保证铝合棒内部质量。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,13、叉车 转运、添加物料，降低劳动强度。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,14、天车 吊运物料。,六、熔铸车间设备配置及产品优势,15、产品 铝合金圆棒（图片仅供参考） 规格：308mm、 368mm、 446mm,七、均质的目的及意义,1、均质的目的 均质又称均匀化退火，是用来消除铸锭的残余应力，消除铸锭的化学成分和组织的不均匀性，进而改善铸锭的压力加工工艺性能以及制品的某些最终性能的热处理工序。 2、均质的作用及意义 2.1提高铸锭的塑性，改善工艺性能，使轧制挤压、锻造等压力加工过程易于进行。铸锭

26、均匀化后，可提高挤压速度10-20%，降低挤压功率5-10%。 2.2改善合金制品的机械性能，减小由于轧制和挤压所引起的机械性能和异向性。,七、均质的目的及意义,2.3提高金属制品的抗腐蚀性能。 2.4消除铸锭的残余应力，避免铸锭锯切时的裂纹或开裂现象。 2.5防止某些合金在再结晶退火后出现粗大晶粒。 3均质缺点 3.1铝合金在经均匀化退火后，制品的强度要降低。 3.2均质过程是一个高能耗的过程。 4、均匀化处理的工艺参数 加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度,八、均质过烧,1、均质过烧 当加热温度高于低熔点共晶的熔点，使低熔点共晶和晶界复熔的现象叫过烧。 1.1均质过烧为绝对的废品，因为合金过烧不能用热处理或加工变形消除，对合金的力学性能、疲劳和腐蚀性能等都产生严重影响。 1.2均匀化后铸棒表面颜色发黑、发暗。 1.3均匀化后铸棒表面有明显的起泡或大的麻点。 1.4高倍分析显微组织 检查铸锭及加工制品是否过烧，只以显微组织特征为依据，其他方法只能作为旁证。对变形铝合金