有色金屬熔煉與鑄錠4-2

1、大型鋁合金鑄件n.合金熔化及爐外精煉 有色合金 材冶學(xué)院:張國(guó)志第一章.鑄造鋁合金的熔煉n鋁合金熔煉要求鋁液:n(1).成分合格,均勻;n(2).氣體少,夾雜物少;(比鑄鐵和鑄鋼要求嚴(yán)格)n(3).變質(zhì)良好;(細(xì)化組織)n(4).溫度適宜。n鋁合金的熔煉特點(diǎn):n(1).易氧化;(2).易吸氣;(3).易夾渣;(4)合金元素比重差大,熔點(diǎn)差別大,易偏析.n 要獲得質(zhì)量良好的合金液,要控制許多環(huán)節(jié):熔煉工藝,加料;精煉;變質(zhì);爐前檢驗(yàn)等;其中主要是精煉和變質(zhì).n鋁合金熔煉用爐主要有:n 焦炭坩堝爐; 煤氣爐; 電阻爐; 火焰反射爐;電阻反射爐;感應(yīng)爐(工頻; 中頻)鋁合金熔煉用爐n(1)焦炭坩堝爐

2、.n優(yōu)點(diǎn): 適應(yīng)性強(qiáng),投資少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合于中小車間.（地下）n缺點(diǎn): 易氧化; 不易控溫, 工作環(huán)境差, 產(chǎn)量小.焦炭反射爐n單設(shè)燃燒室,高溫爐氣加熱坩堝n.(2)煤氣爐優(yōu)點(diǎn):熔化快,溫度比焦炭爐容易控制,合金液質(zhì)量好,工作條件好.容量150千克,需23小時(shí)熔化.傾轉(zhuǎn)式煤氣熔鋁爐n.(3)火焰反射爐n通過(guò)噴嘴,燒重油,用于大型連續(xù)鑄錠.熔十幾噸鋁液.n.(4)電阻爐n優(yōu)點(diǎn):爐氣中性,不易氧化,容易控溫,勞動(dòng)條件好.n20200千克,大的可容500千克.n缺點(diǎn):耗電多,成本高,熔化慢.(5)電阻反射爐(硅碳棒式,電阻絲式)優(yōu)點(diǎn):爐氣穩(wěn)定,吸氣少,鋁液質(zhì)量好,條件好,缺點(diǎn):耗電多,不能在爐內(nèi)進(jìn)

3、行變質(zhì)處理.n.(6)感應(yīng)爐 n無(wú)芯工頻感應(yīng)電爐n優(yōu)等:氧化少,控溫好,勞動(dòng)條件好,容量變化大,熔化速度快.n缺點(diǎn):設(shè)備投資大,用電多.成本高.n一般工廠用電阻爐;焦炭爐;煤氣爐,油爐多.n大容量的用火焰反射爐.有芯感應(yīng)電爐n.1-2鑄造鋁合金的精煉n(1)精煉的目的:去除氧化夾雜,Al2O3,除H2氣.n(2)氧化夾雜的來(lái)源:nN2;O2;CO2; CO不溶于鋁液中,形成化合物;nAl+3/4O2 =1/2Al2O3 Al+1/2N2=AlN (T900)nAl+3/2H2O =Al2O3+3H2 Al+3/4CO2 =1/2Al2O3 +3/4CnAl+1/2CO =Al2O3 +1/6A

4、l4C3nAl的上述反應(yīng)都形成Al2O3n(3) H2的來(lái)源及在Al中的溶解:nH2 2H H的原子半徑R H =0.37A; R Al=1.428A,鋁中空氣體的2080%是H2, 空氣中H2的分壓很低, 5X10-5 H2主要來(lái)自水蒸氣反應(yīng):nAl+H2O Al(OH)3+3/2H2 爐料中含有水分易形成H2, n油類C.H化合物:Al+CmHn m/3Al4C3+n/2 H2n鋁合金爐料要防水,防油.H2在鋁中的溶解度與溫度有關(guān),也與H2分壓有關(guān),溶解度S, 單位ml/100gn S=mPH2O .EXP(ES/2RT)nM常數(shù); T絕對(duì)溫度; R氣體常數(shù); ES H2的克分子溶解熱.n

5、從上式可看出: PH2O, T ,則S ,吸H2增加.n(4)影響H2在鋁中溶解的因素:n1).鋁的氧化膜保護(hù)合金熔體;Al-Cu;Al-Si;Al-Zn合金不需覆蓋,Mg,Ca形成疏松的氧化膜加入0.030.07%Be,優(yōu)先氧化,填補(bǔ)MgO的空隙,有效地防止氧化.n2).合金元素的影響,Si增加,氫的溶解度增加.n3).熔煉速度的影響,快速熔煉,不允許過(guò)熱,減少吸氣.(5)鋁液中H2的析出.n1). PH2O 和T溫度的影響nT=700時(shí), PH2O=100汞柱時(shí), H2溶解度:0.426ml/100gn 10 0.135nT=600時(shí) PH2O=100汞柱時(shí), H2溶解度:0.139ml/

6、100gn降低PH2O 和T,則溶解的H減少.n2).鋁液中H2的析出的動(dòng)力學(xué).形核,析出,擴(kuò)散,逸出,要去除鋁液中的氣體,需要一定的條件.n PH2 P外= PA+ PM + 2/RnPH2 氣泡壓力;nP外氣泡外部壓力,nPA 爐氣壓力;nPM 金屬靜壓力.nR 氣泡半徑;n 表面張力, 由于有氧化物作為核心, 2/R可以略去.n在真空條件下,外壓低,有利于H2的析出降低原始H2含量的工藝措施.n1)爐料干燥脫水,設(shè)備工具預(yù)熱,控制水蒸汽不與鋁液接觸.n2)真空熔煉;惰性氣體保護(hù)熔煉.n3)精煉除氣.n(6).鋁合金熔體的精煉.n精煉的目的:除渣除氣;n精煉方法主要分兩大類:吸附精煉;非吸

7、附精煉;n1).吸附精煉n 吸附精煉是依靠精煉劑(形成氣泡)的吸附作用,達(dá)到去除氧化物和氣體的目的,具體又分為浮游法和過(guò)濾法.浮游法na.通氮精煉n鋁液中通入N2氣,形成N2氣泡,在表面張力的作用下,夾雜物吸附在氣泡上,被帶出液面被去除. 同時(shí), N2氣泡內(nèi)的H2分壓為零,鋁液中的H2向N2氣泡內(nèi)擴(kuò)散,氣泡上升,逸出液面,除去鋁液中的H2n通氮溫度控制在710720,避免N2和Al形成大量AlN（大于900 生成）.含鎂的Al-Mg合金ZL301;ZL302不用氮?dú)饩珶?因?yàn)闀?huì)形成MgN.n通入N2-Cl2混合氣體更好,通入的氣體應(yīng)干燥脫氧,防止鋁液氧化.nb. 通Cl2精煉 Cl2不溶于鋁,

8、 與Al和H2形成HCl和Al Cl3 (沸點(diǎn)183 )都是氣體,不溶于鋁液中,起到吸附精煉的作用.氣體應(yīng)干燥去氧,防止鋁液氧化.nC. N2- Cl2 CO三氣精煉nd,氬氣精煉浮游法除氣的示意圖浮游法除渣浮游法除渣示意圖n.吹氯精煉e.氯鹽精煉.n常用:NaCl2; MnCl2; C2Cl6; CCl4; TiCl4; nAl+3MeCl= AlCl3+3Me 生成的AlCl3可起吸附精煉的作用. 氯鹽精煉不用通氣設(shè)備, AlCl3的毒性比Cl2小.nZnCl2熔點(diǎn):365;沸點(diǎn):372 ; 加0.1-0.2%.吸潮性大,應(yīng)重熔脫水處理. Zn價(jià)格便宜。 n MnCl2精煉效果好,對(duì)鋁合金

9、性能有利,價(jià)格較貴nC2Cl6生成CCl4和AlCl3 .一起起精煉作用.比ZnCl2好,不吸潮,使用方便.壓塊后,用鐘罩壓入鋁液中,無(wú)金屬元素污染,產(chǎn)生Cl2氣體,有刺激性.n精煉溫度:720-740 ;加入量0.2-0.7%.時(shí)間6-10分鐘.精止7-10分鐘.使渣充分上浮.無(wú)毒精煉:使用硝鹽n以硝酸鈉(NaNO3)和(KNO3)為主,加石墨n4 NaNO3+5C2Na2NO3+2N2+3CO2 n氮?dú)鉄o(wú)毒,消除刺激性氣味.n沈陽(yáng)鑄造研究所研制的無(wú)毒精煉劑,以硝鹽為主,有除氣除渣作用,和覆蓋作用.獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng).后來(lái)長(zhǎng)春光機(jī)所的工程師提出質(zhì)疑,硝鹽精煉產(chǎn)生的氮氧化物比Cl2氣毒性大,

10、曾成立調(diào)查小組調(diào)查,現(xiàn)在不用.n吹氬精煉:工業(yè)用Ar氣,含O2低,0.005-0.05%,氬的密度低于O2的密度,n熔劑法n熔煉Al-Mg合金時(shí)(氧化膜疏松),要用熔劑覆蓋,要求覆蓋劑的熔點(diǎn)比鋁低,比重小,不與鋁反應(yīng),流動(dòng)性好,能吸附Al2O3n價(jià)格便宜.n以KCl和NaCl為主, NaF; Na3AlF6 CAF2等過(guò)濾法n 只能除渣,不能除氣,鋁液中夾雜物多時(shí)效果較好.分為非活性過(guò)濾和活性過(guò)濾兩種.nA.非活性過(guò)濾:機(jī)械作用,(過(guò)篩;用石墨塊,鎂磚塊.nB.活性過(guò)濾:過(guò)濾劑有吸附作用,效果更好. NaF; CaF; Na3AlF6過(guò)濾法除渣n.2)非吸附精煉n.真空精煉,除氣效果好,設(shè)備復(fù)

11、雜,要求溫度高,應(yīng)用不多.n.超聲波處理:在鋁液中形成空穴,起作氣泡作用,吸附氣體,加強(qiáng)氣體形核,同時(shí)細(xì)化晶粒.應(yīng)用不多.n精煉效果檢驗(yàn):澆試棒看斷口,斷口有白點(diǎn)說(shuō)明含氣多.2-3.鋁合金的變質(zhì)處理.(1).共晶-亞共晶鋁合金的變質(zhì)處理n變質(zhì)處理能改變鋁合金的顯微組織,細(xì)化共晶硅,提高機(jī)械性能,含硅量大于5%，(611%)硅都必須進(jìn)行變質(zhì)處理.(ZL101; ZL102; ZL104;)n1)變質(zhì)劑:最初用Na變質(zhì)， Na(沸點(diǎn)低,883 )易飛濺, 保存也困難.2Na+H2ONa2+H2使合金含氣量增加.所以生產(chǎn)中一般不用金屬Na， 多用鈉鹽變質(zhì).nNaF; NaCl; KCl; Na3Al

12、F6(冰晶石). 起變質(zhì)作用的主要是NaF. ( 45:40:15).n 6 NaF+Al Na3AlF6+Na-Na起變質(zhì)作用,進(jìn)入鋁液. NaCl; KCl本身無(wú)變質(zhì)作用,其作用是與NaF混合后,降低熔點(diǎn),有利于上述反應(yīng)進(jìn)行. NaF的熔點(diǎn)(992 ),混合后熔點(diǎn)降為600800 ,在750800 變質(zhì)處于熔融狀態(tài),有利于反應(yīng).另外,液態(tài)也易于覆蓋在鋁液表面,保護(hù)鋁液不吸氣,不氧化. NaCl; KCl作為稀釋劑或助熔劑.鋁硅合金的變質(zhì)組織2)變質(zhì)劑除水n氯化物易吸水，使用前要烘干。NaF(200300 ); NaCl; KCl(500600 )烘干，破碎過(guò)篩，按比例混合，在密封容器中保存

13、。也可按比例在坩堝中熔化，澆在鐵模中，破碎過(guò)篩使用，較麻煩，多用烘干法。n3)變質(zhì)劑加入量n按變質(zhì)所需的鈉量計(jì)算，需要的變質(zhì)量很少，只需0.010.014%的Na，三元變質(zhì)劑0.06%，但實(shí)際上反應(yīng)不充分，吸收率很低，需要多加一些，一般三元變質(zhì)劑的用量為鋁液重量的23%，這樣也有較好的覆蓋作用。n4)變質(zhì)溫度 n溫度高有利于變質(zhì)劑與鋁反應(yīng)生成Na，Na的回收率高,變質(zhì)時(shí)間短。溫度高也有缺點(diǎn)，浪費(fèi)燃料，易吸氣，Na易揮發(fā)，變質(zhì)效果易消失(衰退)。一般變質(zhì)溫度高于澆注溫度，720750 。5)變質(zhì)劑加入方法n壓入法;切鹽法;攪拌法.n切鹽法:把變質(zhì)劑放在鋁液表面,燒結(jié)成殼后,把碎塊壓入鋁液中,35

14、分鐘就可以,效果較穩(wěn)定.n6)其他變質(zhì)方法n加Sb:0.20.4%, 以中間合金形式加入.n Sr;(0.020.06%), 中間合金形式n B:0.4%) 中間合金形式n變質(zhì)效果檢查:觀察試棒斷口n 變質(zhì)不足:晶粒粗大;斷口暗灰色,發(fā)亮的硅晶粒;n 變質(zhì)正常:銀白色絲絨,晶粒細(xì);看不到亮點(diǎn);n 變質(zhì)過(guò)度:晶粒粗大;斷口呈青灰色,n鋁液表面花紋判斷:花紋大,變質(zhì)好,(Na的氧化膜)n測(cè)定導(dǎo)電率和熱分析法也可判斷變質(zhì)效果二)過(guò)共晶鋁合金的熔煉和變質(zhì)n 過(guò)共晶鋁合金變質(zhì)的目的是細(xì)化初晶硅，用P變質(zhì)細(xì)化初晶硅，超聲振動(dòng)，急冷，加壓鑄造等細(xì)化作用。使用最多的還是加P變質(zhì)細(xì)化，加入量為合金重量的0.5%，變質(zhì)劑最佳殘留量0.0010.05%。n.10%P+90%C2Cl6 (加入量:0.25%)n.20%P+70%