第二章-鑄鋁合金的熔煉課件

第二章鑄鋁合金的熔煉熔煉工藝過程的控制包括：正確的加料順序，控制熔煉溫度和時(shí)間，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)快速熔煉，有效的精煉和效果穩(wěn)定的變質(zhì)以及可靠的爐前檢驗(yàn)等等。

高質(zhì)量鋁液應(yīng)該具有三個(gè)條件：

（1）化學(xué)成分合格，鋁液成分均勻；

（2）氣體、氧化夾雜、熔劑夾雜少，不致在鑄件中形成氣孔和夾渣，造成廢品；

（3）變質(zhì)良好第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉精煉的目的在于去除鋁液中的氣體和各種非金屬夾雜物，保證獲得高質(zhì)量的鋁液。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉一、鋁鑄件中氣孔和夾渣的形式第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（一）鋁鑄件中氣孔的形式及對(duì)鑄件性能的影響第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（二）氧化夾雜的形式及對(duì)鑄件性能的影響澆注前在鋁液中的氧化夾雜統(tǒng)稱“一次氧化渣”，在鑄件中分布沒有規(guī)律，總量約占鋁液的0.002%－0.02%。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉二、鋁液中氣體和氧化夾渣的來源鋁液中的氫和氧化夾雜物來自鋁液和水汽的反應(yīng)。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（一）鋁和水汽的反應(yīng)低于250℃時(shí)，鋁錠和空氣中的水汽接觸，產(chǎn)生下列反應(yīng)：Al(OH)3分布在鋁錠的表面，是一種白色粉末，組織疏松，對(duì)鋁錠沒有保護(hù)作用，稱“鋁銹”。爐料及熔煉工具經(jīng)表面清理后，必須預(yù)熱，除去表面吸附的水汽，方能進(jìn)入鋁液。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（二）氫在鋁液中的溶解度已知?dú)湓阡X液中的溶解過程是吸熱過程，ES是正值，因此和T值越大，氫在鋁液中的溶解度S也越大。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（三）鋁液吸收氣體的動(dòng)力學(xué)過程氫分壓和鋁液溫度T越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，吸收氫的速度就越大，鋁液中的合金元素及氧化夾雜物對(duì)氫的擴(kuò)散系數(shù)具有相當(dāng)大的影響。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（四）氧化膜的性能及對(duì)吸氫的影響鋁和氧的親和力很大，極易氧化，鋁的表面總是覆蓋著一層氧化膜，必須考慮氧化膜的影響。決定氧化膜保護(hù)性能的因素有二：其一是元素或氧化膜本身的蒸汽壓，蒸汽壓越低，越穩(wěn)定，保護(hù)性能越好。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（五）鋁液中Al2O3和H2之間的相互作用鋁液中一旦含有大量Al2O3后，會(huì)增加鋁液的含氫量，而且很難除去。當(dāng)鋁液中Al2O3含量很低時(shí)，鋁液含氫量也低，即使人為地通入氫氣，也會(huì)自動(dòng)脫氣，并很快恢復(fù)到原來的含量；用這種純凈的鋁液澆注鑄件，很少出現(xiàn)針孔，鋁液中的Al2O3含量對(duì)鋁鑄件中氣孔的形成有很大影響。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（六）合金元素對(duì)吸氫的影響1、對(duì)氧化膜性能的影響：常用合金元素按對(duì)氧親和力的大小可以下列次序排列：Be→Mg→Al→Ce→Ti→Si→Mn→Cr→Zn→Fe→Ni→Cu。2、對(duì)氫的溶解度的影響：鎂含量增加使含氫量增加主要是由于改變了氧化膜的性質(zhì)，促進(jìn)了鋁和水汽反應(yīng)的結(jié)果。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（七）熔煉時(shí)間對(duì)吸氫的影響在大氣中熔煉鋁合金，總要產(chǎn)生氧化膜，增加鋁液的含氣量，熔煉時(shí)間越長(zhǎng)，鋁液溫度越高，氧化夾雜物含量越多，合金的吸氣就越嚴(yán)重。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉三、鋁液中析出氫（呼氫）的條件第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（一）呼氫的熱力學(xué)條件第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉1、氣泡的形成2、氫在鋁液中向氣泡核或熔池表面的運(yùn)動(dòng)3、氣體透過相界面（表面氧化膜）第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉四、合金成分（凝固特性）對(duì)形成氣孔的影響第一節(jié)鑄鋁合金的精煉結(jié)晶溫度范圍小的合金在一般的冷卻條件下呈殼狀凝固，鑄件中心部位的液體一直到凝固前都處于大氣壓力和冒口中金屬液靜壓力的作用下，因此溶于鋁液中的氣體不易析出形成氣孔，而呈過飽和狀態(tài)留于合金中。

結(jié)晶溫度范圍大的合金，在通常的冷卻速度下呈糊狀凝固，在凝固期的某一，在發(fā)達(dá)的枝晶間形成許多相互隔絕的空間，不受大氣壓力和金屬液靜壓力的作用，在封閉的空間內(nèi)由于液體冷卻時(shí)收縮而造成一定程度的真空，使溶于金屬液中的氣體易于析出形成氣孔。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉

Al-Si合金形成氣孔的傾向取決于凝固時(shí)金屬液中的含氫量、鑄件冷卻條件及合金的成分第一節(jié)鑄鋁合金的精煉五、鋁合金的精煉工藝精煉的目的是除氣、除渣以獲得優(yōu)良的鋁液。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（一）吸附精煉吸附精煉依靠精煉劑產(chǎn)生的吸附作用達(dá)到去除氧化夾雜、氣體的目的，精煉作用僅發(fā)生在吸附界面上，不能對(duì)全部鋁液發(fā)生作用，效果受到限制。具體又可分為浮游法，熔劑法和過濾法三種。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉1、浮游法（1）通氮精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉設(shè)夾雜物Al2O3被N2氣泡吸附后，和氣泡接觸的面積為S，則面積S上終態(tài)所具有的表面自由能為F2吸附前氮?dú)馀菁把趸瘖A雜都與鋁液接觸，因此始態(tài)所具有的表面自由能是F1第一節(jié)鑄鋁合金的精煉根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)系統(tǒng)表面能量減低的方向即為過程進(jìn)行的方向。夾雜物Al2O3自動(dòng)吸附在氣泡上應(yīng)滿足下式：即∴第一節(jié)鑄鋁合金的精煉鋁液和氧化夾雜Al2O3是相互不潤(rùn)濕的，即，有如下關(guān)系（∵θ＞90。，∴cosθ<0）第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉因?yàn)闉檎担凿X液中的夾雜物Al2O3能自動(dòng)吸附在N2氣泡上，而被帶出液面。反之，已被帶至液面的氧化夾雜物Al2O3和爐氣接觸不能自動(dòng)地脫離和氣相的接觸而重新溶入鋁液中。不斷吹入氮?dú)?，產(chǎn)生氣泡，即能不斷地從鋁液中帶出氧化夾雜物。另一方面由于氮?dú)馀葜衅鹣萈H2＝0，在氣泡和鋁液的界面上有一個(gè)壓力差，溶于金屬液中的氫即不斷吸入氣泡，這一吸入過程直至氣泡中氫的分壓力和鋁液中氫的分壓力相等時(shí)，才會(huì)停止。氣泡浮出液面后，氣泡中之H2即逸入大氣，因此氣泡上升過程中既帶出氧化夾雜，也帶出H2。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉通氮的溫度應(yīng)控制在710－720℃，以免氮和鋁液反應(yīng)，形成大量的氮化鋁，影響鋁液質(zhì)量。鎂和氮易生成氮化鎂，因此鋁－鎂系合金ZL301、ZL302不希望用氮?dú)饩珶?。在大氣壓力下，通過鋁液的氮?dú)馀葜形氲臍溥_(dá)到平衡時(shí)，氫分壓約為0.1大氣壓，即氮?dú)馀葜荒芪綖楸旧?.1倍的氫。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（2）通氯精煉和氮一樣，氯本身也不溶于鋁液中，但氯和鋁及溶于鋁液中的氫都發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)：反應(yīng)生成物HCl和AlCl3（沸點(diǎn)183℃）都是氣態(tài)，不溶于鋁液，和未參加反應(yīng)的氯一起都能起精煉作用。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉鋁液溫度在670－690℃之間，通氯時(shí)間Al-Si類合金ZL102、ZL109、ZL104、ZL101為7~10分鐘，Al-Cu類合金為5~7分鐘，精煉后，除渣，進(jìn)行變質(zhì)。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（3）三氣精煉在N2-Cl2混合氣體中再加入CO，能使精煉效果進(jìn)一步提高，這種精煉方法稱為三氣精煉法。鋁液中通入Cl2、N2、CO會(huì)產(chǎn)生下列反應(yīng)：

AlCl3和CO2都有精煉作用，還能化合部分Al2O3，因而明顯地提高精煉效果。三氣精煉所需時(shí)間比通氯精煉可縮短近一半。精煉溫度為705~820℃。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（4）氯鹽精煉常用的氯鹽有氯化鋅（ZnCl2）、氯化錳（MnCl2）、六氯乙烷（C2Cl6）、四氯化碳（CCl4）、四氯化鈦（TiCl4）等。氯鹽的精煉作用是由于產(chǎn)生下列反應(yīng)：生成的AlCl3可起精煉作用。各種氯鹽的特性分述如下：第一節(jié)鑄鋁合金的精煉a）ZnCl2：熔點(diǎn)365℃，沸點(diǎn)732℃，與鋁液接觸后，發(fā)生下列反應(yīng)：產(chǎn)生大量AlCl3氣泡，上浮時(shí)即起精煉作用。ZnCl2的價(jià)格便宜，因此使用很普遍。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉b）MnCl2：吸濕性較小，脫水及保存都比較方便。MnCl2不易揮發(fā)，壓塊后AlCl3氣泡生成速度較慢，氣泡也較小，精煉效果比較好。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉c）C2Cl6：為白色的結(jié)晶體，比重為2.091，升化溫度185.5℃。C2Cl6和鋁液產(chǎn)生下列反應(yīng)：C2Cl4的沸點(diǎn)為121℃，不溶于鋁液，和AlCl3一起參予精煉，故精煉效果比ZnCl2顯著。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉2、熔劑法熔制Al-Mg類合金，或重熔小塊回爐料，切屑、廢邊時(shí)，必須在熔劑覆蓋下進(jìn)行，Al-Si類合金所用的變質(zhì)劑，也屬于熔劑。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（1）對(duì)熔劑的要求a）不和鋁液發(fā)生相互作用，既不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也不相互溶解。b）熔點(diǎn)應(yīng)低于鋁的熔點(diǎn)，或低于熔煉溫度，這樣，在熔煉時(shí)起覆蓋作用，澆注前結(jié)成硬殼，易于扒去，不致落入鑄型中，造成熔劑夾雜。c）熔劑的比重和鋁液的比重應(yīng)有顯著的差別，使熔劑容易上浮。d）有良好的流動(dòng)性，容易在鋁液表面形成連續(xù)的覆蓋層。e）能夠吸附或溶解Al2O3，有良好的精煉作用。f）來源充沛，價(jià)格便宜。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（2）熔劑的工藝性能熔劑的工藝性能主要是指鋪開性，即熔劑在金屬液面上自動(dòng)鋪開，形成連續(xù)的覆蓋層的能力；分離性，即熔劑和金屬自動(dòng)分離的能力；精煉性，即除渣、除氣通力。這三種工藝性能都是由熔劑的表面性能決定的。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉3、過濾過濾劑可分為二類：一類為非活性過濾劑，依靠機(jī)械作用，清除鋁液中的非金屬夾雜物，屬于這類過濾劑的有石墨碎屑、玻璃纖維等。加一類是活性過濾劑，能吸附氧化夾雜，除機(jī)械作用外，還依靠吸附作用清除氧化夾雜，因此精煉效果比非活性過濾劑好，屬于這一類過濾劑的有NaF、CaF、Na3AlF6等。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第一節(jié)鑄鋁合金的精煉（二）非吸附精煉依靠其它物理作用達(dá)到精煉目的的精煉方法，統(tǒng)稱非吸附精煉，它對(duì)全部鋁液有精煉作用。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉1、真空精煉真空精煉是將盛有鋁液的坩堝置于密閉的真空室內(nèi)，在一定溫度下鎮(zhèn)靜一定時(shí)間，使溶入鋁液中的氣體及非金屬夾雜析出，上浮至表面，然后加以排除。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉這種精煉方法具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）針孔率顯著下降，一般可降低二級(jí)左右（2）可以在變質(zhì)后進(jìn)行精煉，不會(huì)破壞鈉的變質(zhì)作用，避免了變質(zhì)過程中二次吸氫、氧化。（3）可以代替高壓釜鑄造，能獲得致密的鑄件。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉真空熔煉的基本原理是：

一方面在真空中，鋁液吸氣的傾向趨于零；另一方面，已經(jīng)溶入鋁液中的氫有強(qiáng)烈的析出傾向，在氣泡上浮過程中非金屬夾雜也被帶出鋁液。鋁液表面的氧化膜γ-Al2O3組織致密，能阻止氫氣泡的通過，因此真空精煉時(shí)，表面要撒一層覆蓋熔劑，這層覆蓋劑能通過氫氣，可以提高精煉效果。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉2、超聲波處理超聲波精煉的原理是：向鋁液通入彈性波時(shí)，會(huì)在鋁液內(nèi)部引起“空穴”現(xiàn)象，破壞了鋁液的連結(jié)性，產(chǎn)生了無數(shù)顯微空穴，溶于鋁液中的氫便逸入這些空穴中，成為氣泡核心，繼續(xù)長(zhǎng)大成為氣泡，逸出鋁液，達(dá)到精煉目的。第一節(jié)鑄鋁合金的精煉第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理一、共晶、亞共晶鋁硅合金的變質(zhì)處理鈉（Na）對(duì)Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用，能改變合金的顯微組織，顯著提高合金的機(jī)械性能，從此變質(zhì)處理即成為含硅量為6~11%的鋁合金（如ZL101、ZL102、ZL104）砂型鑄造或硬模鑄造厚壁鑄件時(shí)必要的熔煉工藝。第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理（一）變質(zhì)劑成分的選擇和制備第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理變質(zhì)劑和鋁液接觸后，產(chǎn)生下列反應(yīng)：

在變質(zhì)劑成分中，只有NaF能起變質(zhì)作用，KCl、NaCl本身不能起變質(zhì)作用，它們的作用是和NaF組成混合鹽降低熔點(diǎn)。此外，液態(tài)變質(zhì)劑容易在液面形成一層連續(xù)的覆蓋層，提高變質(zhì)劑的覆蓋作用。KCl、NaCl一般稱為“稀釋劑”或“助熔劑”。

變質(zhì)劑中加入一定量的冰晶石粉（Na3AlF6），這種變質(zhì)劑同時(shí)有變質(zhì)、覆蓋、精煉的作用，一般稱為“泛用變質(zhì)劑”。第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理（二）變質(zhì)工藝的要點(diǎn)1、溫度：變質(zhì)溫度越高，Na的回收率越高，變質(zhì)速度快2、變質(zhì)時(shí)間：變質(zhì)溫度越高，鋁液和變質(zhì)劑接觸越好，所需變質(zhì)時(shí)間也越少。3、變質(zhì)劑用量：變質(zhì)劑的用量一般規(guī)定為占爐料的2~3%。4、操作方法：精煉以后，扒去鋁液表面上的氧化皮和熔渣，均勻地撒上一層占鋁液重2~3%的粉狀變質(zhì)劑，并在此溫度下保持10~12分鐘。變質(zhì)工藝的要點(diǎn)有四：即變質(zhì)溫度；時(shí)間；變質(zhì)劑用量和變質(zhì)操作方法。第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理（三）其它變質(zhì)方法1、發(fā)熱變質(zhì)丸2、用銻（Sb）變質(zhì)3、用鍶（Sr）變質(zhì)第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理（四）變質(zhì)效果的檢驗(yàn)及常用的廢品變質(zhì)不足時(shí)，晶料粗大，斷口呈暗灰色，發(fā)亮的Si晶粒明顯可見。變質(zhì)正常時(shí)，斷口有如銀白色絲絨，晶粒很細(xì)變質(zhì)劑過多，時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生變質(zhì)過度，斷口呈青灰色，晶粒粗大第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理二、過共晶鋁硅合金的熔煉、變質(zhì)第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理（一）初晶Si的細(xì)化未經(jīng)變質(zhì)處理的過共晶鋁硅合金組織中存在著板狀初晶硅及粗針狀的共晶硅，機(jī)械性能很低，如含25%Si的合金，σb只有8公斤/毫米2，δ只有0.9%，比一般共晶鋁硅合金還低，因而細(xì)化初晶硅是制造過共晶鋁硅合金的關(guān)鍵之一，而且含硅量越高，初晶硅的細(xì)化就越是關(guān)鍵。第二節(jié)鋁硅合金的變質(zhì)處理1、細(xì)化劑及其