第二章鑄造鋁合金熔煉詳解課件

第二章鑄造鋁合金的熔煉

鋁合金熔煉時(shí)的物理化學(xué)特性鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)鋁合金組織控制鑄造鋁合金熔煉工藝§2-1鋁合金熔煉時(shí)的物理化學(xué)特性鋁與氧的親和力很大，極易氧化，4Al+3O2=2Al2O3，表面生成氧化鋁膜，可阻止繼續(xù)氧化。合金元素對(duì)鋁的氧化有一定的影響，在這類合金中加入少量的鈹（0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。在通常大氣（濕度較大）中鋁的熔煉溫度下γ-Al2O3膜常會(huì)含1-2﹪H2O，熔煉時(shí)若氧化皮被攪入鋁液，即起Al-H2O反應(yīng)。為了防止鋁-氧劇烈反應(yīng)，大多數(shù)鋁合金的熔煉溫度控制在750℃以下。鋁-氧反應(yīng)鋁-水氣反應(yīng)

2Al(OH)3→Al2O3+3H2O

2Al+3H2O→Al2O3+6[H]

鋁和水氣的反應(yīng)Al(OH)3

在400℃的條件下將進(jìn)一步反應(yīng)2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑Al2O3成氧化夾雜，氫則溶于鋁液，增加氣體含量。在含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較顯著地阻緩鋁－水蒸氣反應(yīng)。含鎂、鈉等元素較多的鋁合金，常使鋁－水氣反應(yīng)激烈進(jìn)行。升溫時(shí)鋁－水氣反應(yīng)速度大為加快，這說(shuō)明限制熔煉溫度及澆注溫度的必要性。水氣來(lái)源于爐料、熔劑、精煉變質(zhì)劑、爐氣（大氣）及熔煉澆注工具。特別是銹蝕的鋁料，甚至經(jīng)過(guò)吹砂清理，仍會(huì)增加鋁液的含氫量。鋁-水氣反應(yīng)（續(xù)）課前復(fù)習(xí)題Fe在鋁合金中是完全有害的嗎？為什么鑄造鋁鎂合金和鋁鋅合金經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用或放置后變脆？Si在Al-Mg合金中是降低力學(xué)性能的

，但為什么有些Al-Mg合金中含有少量的Si？鋁合金熱處理的目的是什么？鑄造合金與變形合金固溶處理有什么不同？合金熔煉時(shí)，熔煉工具、坩堝及爐料為什么要預(yù)熱？為什么鋁合金熔煉時(shí)，熔煉溫度不能太高？

鋁—有機(jī)物反應(yīng)是熔煉中最可能的有機(jī)物是爐料工具被油脂沾污。

4/3mAl+CmHn→m/3Al4C3+n[H]

鋁—有機(jī)物反應(yīng)C和H構(gòu)成的烴類溶解于鋁合金的氣體主要是氫（其余是少量的CO等）氫主要來(lái)自鋁-水氣反應(yīng)，在熔煉中由于該反應(yīng)不可避免地將氫帶入鋁液鋁液中氫的溶解度是不大的，很易為氫所飽和雖然在熔煉中經(jīng)精煉除氫，仍會(huì)殘留一部分，而且鋁液凝固時(shí)氫的溶解度變化的相對(duì)值很大鋁合金中的氣體針孔分級(jí)在鑄件凝固過(guò)程中多出的氫易析出，形成針孔

在熔鑄過(guò)程中，如將表面氧化膜或空氣攪入鋁液，或?qū)⑽降腍2O帶入鋁液，均將在其中產(chǎn)生γ→Al2O3夾雜物，懸浮在鋁液中，而在澆注的鑄件中形成氧化夾雜物。實(shí)踐證明，鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越高。并且氧化夾雜物提供了氣泡成核的現(xiàn)成界面，促使鑄件針孔的形成。所以，鋁液中Al2O3和氫之間有著十分密切的關(guān)系。氧化物夾渣§2-2鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)

鋁合金的凈化（精煉）原理除氫熱力學(xué)

式中KH-氫的溶解度系數(shù)；T-熱力學(xué)溫度；A、B-常數(shù)，對(duì)鋁合金而言，不同的合金類和不同的成分，其數(shù)值各不相同。氣體溶解度的西華特定律

應(yīng)盡量降低鋁液表面上的氫分壓，為此可采用真空處理。向鋁液中吹入氣體，以在其內(nèi)形成氫分壓起始為零的氣泡來(lái)降低含氫量。溫度的降低作用是有限的。除氫熱力學(xué)（續(xù)）元素

Zn﹤18%

MgSiCu﹤20%

TiMn﹤0.1%Ni鋁中氫量變化增加增加減少減少增加無(wú)影響增加合金元素的影響鋁液中氫向惰性氣泡或活性氣泡中遷移示意圖

去氣動(dòng)力學(xué)（續(xù)）提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，可降低氣體最終濃度，提高精煉效果。應(yīng)減少精煉氣泡直徑，增加氣泡與鋁液接觸時(shí)間，在不致使溶液表面強(qiáng)烈翻騰而造成吸氣氧化條件下，加強(qiáng)攪拌，以增大β值。除氣的動(dòng)力學(xué)方程氣泡在鋁液中與固體夾雜相遇時(shí)會(huì)發(fā)生能量變化根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)自發(fā)變化的條件時(shí)能量必須降低由于夾雜被氣泡自動(dòng)吸附滿足的自由能變化量△F﹤0所以鋁液中的Al2O3夾雜能自動(dòng)吸附在氣泡上，而被帶出液面。除夾雜的熱力學(xué)

相切俘獲系數(shù)為：式中：r—?dú)馀莅霃剑?a—夾雜直徑。當(dāng)2a?r時(shí)，俘獲效率很小。只有盡量減小氣泡直徑增大夾雜尺寸，以提高清除夾雜的效率。氣體除夾雜的動(dòng)力學(xué)（續(xù)）鋁液通過(guò)固態(tài)的多孔物質(zhì)，可把夾雜攔截下來(lái)。目前在熔煉澆注工藝中采用三種形式的過(guò)濾器：

顆粒材料過(guò)濾器剛質(zhì)微孔陶瓷過(guò)濾器泡沫陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾除夾雜原理物理方法吹惰性氣體：用單管或多孔透氣吹頭；過(guò)濾：包括顆粒、剛質(zhì)陶瓷、泡沫陶瓷過(guò)濾器；真空處理：包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)處理；氫氣的電萃?。和ㄖ绷麟娛箽浞肿右莩觯怀曁幚?。鑄造鋁合金凈化（精煉）技術(shù)物理化學(xué)方法加氣化溶劑，在鋁液中生成AlCl3或本身氣化；吹活性氣體，用Cl2或F12(CCl2F2);加活性溶劑，用堿金屬的氯、氟鹽；噴吹活性溶劑；加稀土金屬，與溶解氫形成化合物，將氫固定。鑄造鋁合金凈化（精煉）技術(shù)概念：在鋁液中吹入氣體或產(chǎn)生氣體，利用氣泡在鋁液中的浮升，將氫及夾雜排出液面。原理：鋁液內(nèi)氣泡中氫的分壓起始為零，因此溶解氫按西華特定律不斷進(jìn)入氣泡，隨氣泡很快逸入大氣。精煉方法：包括氯鹽精煉、硝酸鹽精煉、吹惰性或活性氣體精煉等。浮游法精煉原理

向鋁液中通入活性氣體和惰性氣體以及它們的混合物，可以較有效的起精煉作用。

2Al+3Cl2=2AlCl3↑ΔH=-1591.8KJH2+Cl2=2HCl↑

ΔH=-184.2KJ

反應(yīng)生成物都是氣態(tài)，不溶于鋁，和未發(fā)生反應(yīng)的氯氣都成氣泡起精煉作用。吹氣精煉浮游法去除夾雜物和氣體原理示意圖

精煉工藝鋁液溫度680～700℃，通氯壓力0.02Mpa、時(shí)間約10min，通氯速度以沸騰而不飛濺為原則，管口離坩堝底約100-150mm，氣體消耗量一般為鋁液質(zhì)量的0.3-1.0％，通氯后鋁液需靜置10min。效果氯的精煉效果最好，原因是它兼有物理的和化學(xué)的精煉作用；而惰性氣體僅有物理作用。吹氣精煉（續(xù)）

ZnCl2和MnCl2

二者的基體性質(zhì)、作用是相似的，在鋁液中發(fā)生下列反應(yīng)：

3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3↑

3MnCl2+2Al=3Mn+2AlCl3↑

反應(yīng)產(chǎn)物在鋁液中形成大量無(wú)氫氣泡，起精煉作用。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低；有較好的除氣效果，但除夾雜能力較差；清渣能力強(qiáng)，渣易與鋁液分開(kāi)。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒的腐蝕性氯化物氣體。氣化熔劑—氯鹽精煉六氯乙烷精煉C2Cl6加入鋁液后，發(fā)生反應(yīng)：

C2Cl6→C2Cl4+Cl2↑

C2Cl4→2C+2Cl2↑

產(chǎn)生的Cl2在鋁液中可繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生氣體AlCl3和HCl，還可能有未全反應(yīng)的Cl2、C2Cl4,都會(huì)成為氣泡起精煉作用。氣化熔劑—氯鹽精煉（續(xù)）精煉工藝六氯乙烷的用量及精煉溫度與合金成分有關(guān)。不含鎂的鋁合金加入量為0.2～0.5％（占鋁液量），精煉溫度為700～720℃

；含鎂的合金用量為0.3～0.75％，精煉溫度為730～750℃

。優(yōu)點(diǎn)：不吸濕，精煉效果很好，操作較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒煙霧，污染環(huán)境。氣化熔劑—氯鹽精煉（續(xù)）

4NaNO3+5C=2Na2CO3+2N2↑+3CO2↑

上浮的N2、CO2氣泡起精煉作用。

精煉工藝：精煉劑的用量為0.3-0.5%，鐘罩壓入。效果：經(jīng)使用證實(shí)確有去氣效果，但鋁液易氧化，夾雜含量較多。有毒與否曾引起廣泛爭(zhēng)論。硝酸鈉精煉鋁鎂類合金必須在熔劑保護(hù)下熔煉；合金中含鎂多，不宜用氯或氯鹽精煉。分類一是覆蓋熔劑，只起隔離保護(hù)作用；二是覆蓋精煉熔煉劑，兼有保護(hù)和精煉作用。熔劑精煉成分

一般由堿金屬及堿土金屬鹵素鹽類混合組成，NaCl和KCl的混合鹽是各種熔劑的基礎(chǔ)。機(jī)理

能破碎氧化皮并吸收氧化物夾雜，附帶除去夾雜上的氣體。操作工藝

先將熔化時(shí)的舊熔劑清除，再向液面均勻撒精煉熔劑，攪拌幾分鐘，將其壓入鋁液深部。靜置約10min后除熔渣。熔劑精煉噴吹活性熔劑精煉

采用惰性氣體將粉狀熔劑直接噴入鋁液深部。該法發(fā)揮了氣體除氣效果好，熔劑除渣效率高的雙重優(yōu)點(diǎn)，精煉效果極佳。真空處理真空處理有靜態(tài)真空處理和動(dòng)態(tài)真空處理，主要根據(jù)西華特定律來(lái)進(jìn)行除氣、去夾雜。過(guò)濾精煉主要是用過(guò)濾器進(jìn)行除夾雜。其它精煉方法1）氣體含量的檢驗(yàn)

觀察針孔度觀察減壓凝固試樣氣相色譜法真空測(cè)氣儀2）氧化夾雜的檢測(cè)Al2O3等氧化物夾雜常用溴—甲醇法的化學(xué)方法測(cè)定。精煉效果的檢驗(yàn)鋁合金熔煉小結(jié)各種工藝措施概括為“防”“排”“溶”“防”就是嚴(yán)防水汽及各種含氣臟物混入鋁液中；“排”就是通過(guò)精煉，清除氧化夾雜和氣體，除渣是除氣的基礎(chǔ)；“溶”就是利用快速凝固，或增大凝固時(shí)的結(jié)晶壓力，使鋁液中的氫全部固溶于鋁鑄件內(nèi)。嚴(yán)格遵循“以防為主”的原則鋁液中氧化夾雜與針孔有何關(guān)系？原因何在？鋁合金中的氣體主要是什么？它是如何產(chǎn)生的？對(duì)鑄件性能有什么影響？鋁合金精煉的目的是什么，主要方法有哪些？浮游法精煉的基本原理和方法，氣泡大小對(duì)精煉效果有什么影響？鑄造鋁合金熔煉用熔劑的分類和作用？合金精煉后為什么要靜置一段時(shí)間？精煉效果檢驗(yàn)的內(nèi)容和方法？課前思考題§2-3鋁合金組織控制

鋁合金基體晶粒的細(xì)化元素常用Ti、B、Zr；細(xì)化劑則為它們與鋁的中間合金；用上述元素的鹽類作細(xì)化劑效果更好；細(xì)化機(jī)理形成的各種高溫穩(wěn)定的化合物質(zhì)點(diǎn)成為異質(zhì)晶核?；w晶粒的細(xì)化處理（孕育處理）鈉變質(zhì)

①、純鈉②、鈉鹽③、鈉堿

其他變質(zhì)

鍶變質(zhì)、稀土變質(zhì)、銻變質(zhì)、碲變質(zhì)鋁硅合金中共晶硅的變質(zhì)處理生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的變質(zhì)劑是含NaF的鹵鹽混合物。加入鋁液后發(fā)生反應(yīng)：

6NaF+Al=Na3AlF6+3Na

由于NaF熔點(diǎn)高（986℃），加入KCl、NaCl

降低熔點(diǎn)，使在熔煉溫度下成液態(tài)，利于反應(yīng)的進(jìn)行和覆蓋液面。Na3AlF6能吸收氧化物，加它后具有變質(zhì)精煉作用，稱為多用變質(zhì)劑，用于重要鑄件的變質(zhì)。鈉鹽的變質(zhì)處理采用碳酸鈉作變質(zhì)劑高溫下與鎂反應(yīng)還原出鈉起變質(zhì)作用：

Na2CO3+3Mg=2Na+3MgO+C

此變質(zhì)劑用Na2CO3

，鎂粉和耐火磚屑（載體）壓成塊，壓入鋁液內(nèi)反應(yīng)。鈉堿的變質(zhì)處理（1）變質(zhì)劑

①

赤磷或含赤磷的混合變質(zhì)劑；②

含磷的中間合金如Cu-P；③

偏磷酸鈉+Al2O3+V2O5（2）

二次精煉

變質(zhì)處理前后都應(yīng)進(jìn)行精煉，變質(zhì)后的二次精煉用的精煉劑應(yīng)量少時(shí)間短。鋁硅合金中初生硅的變質(zhì)處理新型變質(zhì)劑－Al-P中間合金磷變質(zhì)在鋁活塞行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但復(fù)合變質(zhì)劑存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。隨著社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，改善工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)鑄造過(guò)程的綠色化，已成為鑄造業(yè)追求的目標(biāo)?；谝陨显颍兄茻o(wú)污染的“綠色”變質(zhì)劑—Al-P中間合金，可解決上述問(wèn)題。Al-P中間合金的主要特點(diǎn)Al-P顆粒已生成，加入后，無(wú)煙、無(wú)污染；無(wú)反應(yīng)渣生成，不腐蝕爐襯，且降低鋁耗；熔點(diǎn)低，加入后迅速熔化；P可定量控制。Al-P中間合金（a）圓餅狀（0.25\0.50公斤/塊）(b)φ10棒狀

Al-P中間合金規(guī)格

內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組織變質(zhì)前P變質(zhì)態(tài)primarySieutecticSi

Al-P中間合金對(duì)ZL109合金的變質(zhì)行為●環(huán)保要求提高

生活質(zhì)量提高→社會(huì)文明進(jìn)步→環(huán)保要求越來(lái)越高。綠色鑄造，清潔生產(chǎn)，赤磷→磷鹽→Cu-P→Al-P中間合金?！窕钊|(zhì)量要求不斷提高

大功率活塞，對(duì)使用性能提出更高要求，靠微觀組織控制得以實(shí)現(xiàn)。美國(guó)研制出一種鋁合金，其300度下的拉伸強(qiáng)度比目前的活塞合金高3-5倍。磷變質(zhì)處理的發(fā)展方向（1）冷卻（凝固）速度對(duì)變質(zhì)效果的影響（2）變質(zhì)潛伏期問(wèn)題（3）變質(zhì)合金中元素的相互作用

變質(zhì)作用相互疊加或促進(jìn)；變質(zhì)作用相互干擾抵消。影響變質(zhì)處理效果的幾個(gè)普遍問(wèn)題變質(zhì)新技術(shù)—外加物理場(chǎng)處理技術(shù)通電方式磁場(chǎng)施加方式超聲波導(dǎo)入方式普通凝固低壓脈沖電場(chǎng)處理變質(zhì)新技術(shù)—外加物理場(chǎng)處理技術(shù)

普通凝固低壓脈沖電場(chǎng)處理變質(zhì)新技術(shù)—外加物理場(chǎng)處理技術(shù)

1）斷口檢驗(yàn)

這是生產(chǎn)中常用的簡(jiǎn)便方法。用砂型澆注φ15～φ20×200mm的圓棒，凝固冷卻后擊斷，觀察斷口。

2）熱分析法

各變質(zhì)元素對(duì)Al～Si合金凝固特性的影響不同，可用熱分析曲線來(lái)判別。變質(zhì)效果的檢驗(yàn)§2-4鋁合金的爐料爐料形態(tài)新金屬錠，回爐料、二次合金錠中間合金和金屬化合物等。分類一級(jí)回爐料：工廠常把廢鑄件及大塊澆冒口。二級(jí)回爐料：小塊澆冒口及雜質(zhì)較多的金屬。三級(jí)回爐料：切屑、濺渣、小毛邊等需經(jīng)重熔精練后才能使用。二次合金錠：廢料以及廢、舊鑄件重熔后鑄成之錠塊。爐料比例

回爐料用量占爐料總量的比例≤85％，鑄造重要件則應(yīng)在≤60％以下，三級(jí)回爐料不超過(guò)15％。

爐料形態(tài)及合金元素和爐料的加入合金元素的加入形式熔點(diǎn)較低，純金屬不稀貴，一般以純金屬加入。熔點(diǎn)較高，純金屬不稀貴，一般以中間合金加入。純金屬比較稀貴，一般可利用其化合物置換爐料的加入次序

爐料加入次序的原則是：盡量增大爐料與坩堝的接觸面積，加速熔化過(guò)程，并盡可能減少耗損。合金元素和爐料的加入