《有色金屬材料制備與應(yīng)用》課件 5-鋁合金的凈化處理

《合金熔煉與制備》*15:49:342什么是鋁及其合金的凈化？鋁及其合金為什么要進行凈化？鋁及其合金如何進行凈化？一題錄二三*15:49:343一、什么是鋁及其合金的凈化？凈化要求◆含氣量國內(nèi)先進水平為0.15ml/100gAl，國際領(lǐng)先水平則要達到0.10ml/100gAl?！粞趸瘖A雜物：不允許有微米級的顆粒和聚集物。凈化目的◆由于爐料和鋁合金液在熔煉、轉(zhuǎn)送、澆注過程中吸收了氣體，產(chǎn)生了夾雜物，使合金液的純度降低，流動性變差，澆注后會使鑄件產(chǎn)生多種缺陷，影響性能。故必須在澆注前，對其作凈化處理（精煉處理）；◆鋁及其合金的凈化主要指在鋁合金熔煉過程中，降低熔體中的含氣量和氧化雜質(zhì)物含量的工藝措施。*15:49:344二、鋁及其合金為什么要進行凈化？1234熔化時間長易氧化易吸氣易吸收金屬雜質(zhì)

為了獲得氣體和雜質(zhì)含量符合要求、成分準確的鋁合金制品，必須要進行凈化處理。下一頁*15:49:345二、為什么要進行凈化？|熔化時間長返回*15:49:346二、為什么要進行凈化？Al（液）+3/4O2（氣）=1/2Al2O3(r-晶體)Al（液）+1/2N2（氣）=AlN(晶體)Al（液）+3/2H2O（氣）=1/2Al2O3(r-晶體)+3H(氣)Al（液）+3/4CO2（氣）=1/2Al2O3(r-晶體)+3/4C(結(jié)晶石墨)Al（液）+3/2CO（氣）=1/2Al2O3(r-晶體)+3/2C(結(jié)晶石墨)Al（液）+3/4CH3（氣）=1/4Al4C3(晶體)+9/4H(氣)1/4Al4C3（晶體）+3/2H2O（氣）=3/4CH4(氣)+1/2Al2O3(r-晶體)1/4Al4C3（晶體）+3/2O2（氣）=1/2Al2O3(r-晶體)+3/4CO2(氣)AlN(晶體)+3/2H2O(氣)=1/2Al2O3(r-晶體)+NH3(氣)AlN(晶體)+3/4O2(氣)=1/2Al2O3(r-晶體)+1/2N2(氣)H2(氣)=2H(溶入)|易氧化*15:49:347二、為什么要進行凈化？|氧化夾雜類型（二）◆二次氧化夾雜：澆注過程中生成的氧化夾雜。多分布在鑄件壁的轉(zhuǎn)角處及最后凝固的部位。

（一）◆一次氧化夾雜：澆注前鋁液中存在的氧化夾雜?？偭考s占鋁液質(zhì)量的0.002%～0.02%，在鑄件中分布沒有規(guī)律。按形態(tài)可分為：（1）分布不均勻的大塊夾雜物，它的危害性很大，使合金基體不連續(xù)，引起鑄件滲漏或成為腐蝕的根源，明顯降低鑄件的力學性能。（2）夾雜呈彌散狀，在低倍顯微組織中不易發(fā)現(xiàn)，鑄件凝固時成為氣泡的形核基底，生成針孔。這一類氧化夾雜很難在精煉時徹底清除。返回*15:49:348二、為什么要進行凈化？|易吸氣

根據(jù)測定，存在于鋁合金中的氣體，氫占85%以上，因而“含氣量”可視為“含氫量”的同義詞。在所有爐氣成分中，只有氫能溶解于鋁液中。*15:49:34圖常用金屬中氫的熔解度變化曲線1－氫在鎂中的熔解度；2－氫在鎳中的熔解度；3－氫在鐵中的熔解度；4－氫在鋁中的熔解度；5－氫在銅中的熔解度；二、為什么要進行凈化？|易吸氣1、主要來自鋁液和水汽的反應(yīng)：Al（s）＋3H2O（G）→Al(OH)3（s）＋3/2H2（G）2、與工裝潤滑用的各種油脂或回爐料油污的反應(yīng)：

4m/3Al+CmHn→m/3Al4+n/2H2鋁液中氫的來源1、原材料帶來水份；2、環(huán)境空氣濕度大；3、工具帶入；4、流槽、中轉(zhuǎn)包不干燥；5、熔劑結(jié)晶水含量高或潮解。水汽的來源10二、為什么要進行凈化？|氣孔類型點狀針孔?在低倍顯微組織中呈圓點狀，輪廓清晰且互不相連，能清點出單位面積上針孔數(shù)目并測得針孔的直徑?！逃设T件凝固時析出的氣泡所形成，多發(fā)生于結(jié)晶溫度范圍小、補縮能力良好的鑄件中。網(wǎng)狀針孔?在低倍顯微組織中呈密集相聯(lián)成網(wǎng)狀，伴有少數(shù)較大的孔洞，不易清點針孔數(shù)目，難以測量針孔的直徑，往往帶有末梢，俗稱“蒼蠅腳”?！探Y(jié)晶溫度寬的合金，鑄件緩慢凝固時析出的氣體分布在晶界上及發(fā)達的枝晶間隙中，此時結(jié)晶骨架已形成，補縮通道被堵塞，便在晶界上及枝晶間隙中形成網(wǎng)狀針孔?；旌闲歪樋?針孔點狀針孔和網(wǎng)狀針孔混雜一起?！坛Ｒ娪诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻的鑄件中。

（1）針孔*15:49:3411二、為什么要進行凈化？|氣孔類型返回●氣孔位于鑄件表皮下面，因鋁液和鑄型中水分反應(yīng)產(chǎn)生氣體所造成，一般和鋁液質(zhì)量無關(guān)。

（2）皮下氣孔這種氣孔產(chǎn)生的原因是由于鑄件工藝設(shè)計不合理，如鑄型或型芯排氣不暢，或者是由于操作不小心，如澆注時堵死氣眼，型腔中的氣體被憋在鑄件中所引起，也和鋁液純凈度無關(guān)。

（3）單個大氣孔*15:49:3412二、為什么要進行凈化？|易吸收金屬雜質(zhì)

鋁元素的化學活性很高，易從坩堝、爐襯、熔劑中置換出Fe、Si、Na等元素。這些雜質(zhì)進入鋁熔體后，極難被清除，對合金性能影響非常大?！乐菇饘匐s質(zhì)污染。返回*15:49:3413三、鋁及其合金如何進行凈化？|方法分類

一、按作用原理：

吸附精煉：接觸條件浮游法熔劑過濾非吸附精煉：破壞平衡條件靜置處理真空處理振蕩處理直流電解處理

二、按精煉部位：

爐內(nèi)精煉爐外精煉/在線式精煉*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法浮游法原理原理：利用通入熔體中的氣體，在上浮過程與懸浮的夾雜相遇時，夾渣被吸附在氣泡表面并帶到熔體液面的溶劑中去。對于熔點較低的鋁合金、鎂合金等特別有效。效果：氣泡數(shù)目多、尺寸小，分布均勻密集，精煉效果好。ArgasHgas*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-氣體精煉（1）氯氣Cl2鋁合金用氯氣脫氣效果好。反應(yīng)生成物HCl（沸點-85℃）、AlCl3（沸點183℃）都呈氣態(tài)，且不溶于鋁液，和未參加反應(yīng)的氯氣，均能起精煉作用。特點：凈化效果比通氮甚至通氬明顯。氯氣有毒，有害人體健康、腐蝕設(shè)備。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-氣體精煉（2）氮氣N2精煉溫度通?？刂圃?10～720℃的范圍內(nèi)，精煉效果一般。鎂比鋁更容易和氮反應(yīng)，生成Mg3N2夾雜物，鑄造鋁鎂合金不希望采取通氮氣精煉的方法。通常要求氮氣瓶中氧氣體積分數(shù)<0.03%，水分<0.3g/m3。在實際生產(chǎn)過程中，氮氣在通入鋁液之前，應(yīng)通過儲有干燥劑CaCl2、硅膠、分子篩、濃硫酸等的干燥器后再進入鋁液中，進行嚴格的脫水處理。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-氣體精煉（3）氬氣Ar2工業(yè)用氬氣瓶中含氧量較低，在0.005%～0.05%范圍內(nèi)，精煉溫度允許提高到760℃。Al-Si合金加鍶變質(zhì)后，如用氯鹽精煉，生成SrCl2，變質(zhì)失效，此時必須通氬精煉。氬得密度為1.78kg/m3，高于氧得密度1.25kg/m3，通氬精煉時，較重的氬氣富集在鋁熔池表面，能保護鋁液防止和爐氣反應(yīng)，故凈化效果好。惰性氣體族中除氬外，氦、氖、氪、氤等都有類似的凈化效果，但以氬的價格最便宜，來源較豐富，為工廠所樂用。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-氣體精煉（4）混合氣體

三種氣體是Cl2、CO、N2，配比為15∶11∶74，經(jīng)混合后吹入鋁液內(nèi)，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng)：生成的AlCl3及N2起精煉作用，CO2和鋁液繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，生成Al2O3、C，精煉后趨向平衡，微量的C有可能細化晶粒。缺點：要配備一套較復(fù)雜的三氣發(fā)生裝置及輸送管道。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-氣體精煉氣體的純度和導(dǎo)入方式對脫氣效率的影響顯著。精煉氣體導(dǎo)入方式對脫氣效果的影響1－直管，2－多孔塞磚，3－旋轉(zhuǎn)噴嘴氣體純度和導(dǎo)入方式影響*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-固體精煉氯鹽的精煉作用主要是基于氯鹽和鋁熔體的反應(yīng)。通常的氯鹽加入劑包括氯化鋅、氯化錳、四氯化鈦、六氯乙烷、四氯化碳等。1、氯鹽熔劑精煉優(yōu)點：省去了一整套氣體發(fā)生裝置和輸送管道；其次，AICl3的毒性比氯氣小得多。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-固體精煉（1）ZnCl2用量：0.1%～0.2%質(zhì)量分數(shù)；精煉溫度：700～720℃的鋁液中。加入方式：鐘罩壓入；精煉時間：5～8min；靜置：8～10min。優(yōu)點：ZnCl2的價格便宜，生產(chǎn)中使用很普遍。缺點：凈化效果一般，一部分鋅還原后進入鋁液中，經(jīng)長期反復(fù)使用，會引起回爐料中鋅含量超標。ZnCl2能強烈吸濕，使用前應(yīng)在爐旁重熔脫水，現(xiàn)配現(xiàn)用。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-固體精煉（2）C2Cl6：凈化效果比ZnCl2好用量：0.5%～0.8%；精煉溫度：720～740℃。用量與Mg有關(guān)，生成的MgCl2熔點為715℃。液態(tài)MgCl2有輔助精煉作用，當精煉溫度低于715℃時，固態(tài)MgCl2則成為夾雜物進入熔體中。為了彌補生成MgCl2所消耗的鎂和氯，配料時鎂和C2Cl6都要相應(yīng)增加；加入方式：鐘罩壓入；精煉時間：10～12min；靜置：10～15min。優(yōu)點：不吸濕，不必脫水處理，使用、儲存都很方便，為一般工廠所樂用。缺點：造成空氣污染。精煉溫度越高，逸出的氯也越多，再加上C2Cl4會形成一股嗆人的氣體，對人體、廠房、設(shè)備有害。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-固體精煉（3）MnCl2用量：0.2%～0.3%；精煉溫度：710～730℃。加入方式：鐘罩壓入；精煉時間：5～8min；靜置：5～10min。優(yōu)缺點：置換錳進入鋁液；吸濕性較ZnCl2小一些，但也需要烘干。（4）CCl4：凈化效果略次于C2Cl6用量：0.2%～0.3%；精煉溫度：690～710℃。加入方式：鐘罩壓入；精煉時間：7～10min；靜置：10～15min。優(yōu)缺點：ZL101使用效果好。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|浮游法-固體精煉

主要成分為煤粉和硝酸鹽，壓制成塊并壓入鋁液中，發(fā)生下列反應(yīng)：

4NaNO3＋5C＝2NaCO3＋2N2↑＋3CO2↑

生成的N2即起精煉作用。CO2在鋁液中也能生成Al2O3，但由于上浮速度較快，故氧化程度較輕。精煉時由于反應(yīng)產(chǎn)物無嗅無味，為工人所樂用。無公害精煉劑價格便宜，適用于不重要的中、小型鋁鑄件。缺點：沒有氯、氟等有效成分，凈化效果欠理想。2、硝酸鹽熔劑精煉（固體無公害精煉劑）*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|熔劑精煉熔劑法凈化機理：通過吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面而進入熔渣中，實現(xiàn)除渣除氣的目的。適宜對象：熔煉Al-Mg類合金或重熔切削、碎料。應(yīng)用要求：（1）不與鋁液發(fā)生化學反應(yīng)，也不能相互溶解；（2）熔點應(yīng)低于精煉溫度，高于澆注溫度，便于扒渣去除；（3）具有良好的流動性，容易在鋁液表面形成連續(xù)的覆蓋層以保護鋁液；（4）能吸附、溶解、破碎Al2O3夾雜，來源豐富、價格低廉。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|熔劑精煉性能要求：覆蓋性能即鋪展性，指熔劑在鋁液表面自動鋪開，形成連續(xù)覆蓋層的能力。分離性能指熔劑與鋁液自動分離的性能，分離性能越好，扒渣越容易，熔劑也不容易混入鋁液中澆入鑄件中而引起熔劑夾雜。精煉性能指熔劑吸附、溶解、破碎鋁液內(nèi)氧化夾雜物的能力，即除渣、除氣的凈化能力。常用的熔劑組分包括：NaCl、KCl、NaF、Na3AlF6、Na2SiF6等。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|過濾精煉過濾劑分為兩類：（1）非活性過濾劑：如石墨、陶瓷、玻璃纖維等，依靠機械作用清除鋁液中的非金屬夾雜物。（2）活性過濾劑：如NaF、CaF2、Na3AlF6等，主要是通過溶解、吸附的作用清除氧化夾雜物。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|過濾方法和裝置（1）網(wǎng)狀過濾法：讓鋁液通過由玻璃纖維或耐熱金屬絲制成的網(wǎng)狀過濾器，來清除氧化夾雜、氧化膜等，效果明顯。優(yōu)勢：過濾器制作簡單，結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況制定，一般安裝在坩堝、澆包或連續(xù)鑄造的保溫爐中；缺點：是對于小于過濾網(wǎng)眼孔的氧化夾雜物難以去除，而且過濾器直接接觸高溫鋁液，容易損壞，使用壽命短。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|過濾精煉（2）填充床過濾法圖1-60填充床過濾法的示意圖1-結(jié)晶器；2-漏斗；3-塊狀介質(zhì)；4-流槽；5-片狀氧化鋁；6-氧化鋁球；7-隔板；8-氬/氮氣；9-鋁液入口；10-鋁液出口*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|非吸附精煉-1、真空處理采用真空熔鑄法脫氣效果較好。脫氣速度和程度高。靜態(tài)真空脫氣法和動態(tài)真空脫氣法。動態(tài)真空脫氣比靜態(tài)法時間短、效果好。動態(tài)真空脫氣示意圖1－出品，2－爐體，3－噴嘴，4－密封板，5－熔劑噴嘴，6－流槽，7－氣體入口*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|非吸附精煉-2、振蕩處理原理：金屬液受到高速定向往互振動時，導(dǎo)致金屬液中的彈性波會在熔體內(nèi)部引起“空化”現(xiàn)象，產(chǎn)生無數(shù)顯微空穴。于是溶于金屬中的氣體原子就以空穴為氣泡核心，進入空穴并復(fù)合為氣體分子，長大成氣泡而逸出熔體，達到脫氣的目的。振動力法有機械振動和超聲波振動兩種。*15:49:34三、鋁及其合金如何進行凈化？|非吸附精煉-3、直流電解原理：用一對電極插入金屬液中，其表面用熔劑覆蓋，或以金屬熔體作為一個電極，另一極插入熔