有色金属熔炼与铸锭4-2

1、大型铝合金铸件n.合金熔化及炉外精炼 有色合金 材冶学院:张国志第一章.铸造铝合金的熔炼n铝合金熔炼要求铝液:n(1).成分合格,均匀;n(2).气体少,夹杂物少;(比铸铁和铸钢要求严格)n(3).变质良好;(细化组织)n(4).温度适宜。n铝合金的熔炼特点:n(1).易氧化;(2).易吸气;(3).易夹渣;(4)合金元素比重差大,熔点差别大,易偏析.n 要获得质量良好的合金液,要控制许多环节:熔炼工艺,加料;精炼;变质;炉前检验等;其中主要是精炼和变质.n铝合金熔炼用炉主要有:n 焦炭坩埚炉; 煤气炉; 电阻炉; 火焰反射炉;电阻反射炉;感应炉(工频; 中频)铝合金熔炼用炉n(1)焦炭坩埚炉

2、.n优点: 适应性强,投资少,结构简单,适合于中小车间.（地下）n缺点: 易氧化; 不易控温, 工作环境差, 产量小.焦炭反射炉n单设燃烧室,高温炉气加热坩埚n.(2)煤气炉优点:熔化快,温度比焦炭炉容易控制,合金液质量好,工作条件好.容量150千克,需23小时熔化.倾转式煤气熔铝炉n.(3)火焰反射炉n通过喷嘴,烧重油,用于大型连续铸锭.熔十几吨铝液.n.(4)电阻炉n优点:炉气中性,不易氧化,容易控温,劳动条件好.n20200千克,大的可容500千克.n缺点:耗电多,成本高,熔化慢.(5)电阻反射炉(硅碳棒式,电阻丝式)优点:炉气稳定,吸气少,铝液质量好,条件好,缺点:耗电多,不能在炉内进

3、行变质处理.n.(6)感应炉 n无芯工频感应电炉n优等:氧化少,控温好,劳动条件好,容量变化大,熔化速度快.n缺点:设备投资大,用电多.成本高.n一般工厂用电阻炉;焦炭炉;煤气炉,油炉多.n大容量的用火焰反射炉.有芯感应电炉n.1-2铸造铝合金的精炼n(1)精炼的目的:去除氧化夹杂,Al2O3,除H2气.n(2)氧化夹杂的来源:nN2;O2;CO2; CO不溶于铝液中,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的上述反应都形成Al2O3n(3) H2的来源及在Al中的溶解:nH2 2H H的原子半径R H =0.37A; R Al=1.428A,铝中空气体的2080%是H2, 空气中H2的分压很低, 5X10-5 H2主要来自水蒸气反应:nAl+H2O Al(OH)3+3/2H2 炉料中含有水分易形成H2, n油类C.H化合物:Al+CmHn m/3Al4C3+n/2 H2n铝合金炉料要防水,防油.H2在铝中的溶解度与温度有关,也与H2分压有关,溶解度S, 单位ml/100gn S=mPH2O .EXP(ES/2RT)nM常数; T绝对温度; R气体常数; ES H2的克分子溶解热.n

5、从上式可看出: PH2O, T ,则S ,吸H2增加.n(4)影响H2在铝中溶解的因素:n1).铝的氧化膜保护合金熔体;Al-Cu;Al-Si;Al-Zn合金不需覆盖,Mg,Ca形成疏松的氧化膜加入0.030.07%Be,优先氧化,填补MgO的空隙,有效地防止氧化.n2).合金元素的影响,Si增加,氢的溶解度增加.n3).熔炼速度的影响,快速熔炼,不允许过热,减少吸气.(5)铝液中H2的析出.n1). PH2O 和T温度的影响nT=700时, PH2O=100汞柱时, H2溶解度:0.426ml/100gn 10 0.135nT=600时 PH2O=100汞柱时, H2溶解度:0.139ml/

6、100gn降低PH2O 和T,则溶解的H减少.n2).铝液中H2的析出的动力学.形核,析出,扩散,逸出,要去除铝液中的气体,需要一定的条件.n PH2 P外= PA+ PM + 2/RnPH2 气泡压力;nP外气泡外部压力,nPA 炉气压力;nPM 金属静压力.nR 气泡半径;n 表面张力, 由于有氧化物作为核心, 2/R可以略去.n在真空条件下,外压低,有利于H2的析出降低原始H2含量的工艺措施.n1)炉料干燥脱水,设备工具预热,控制水蒸汽不与铝液接触.n2)真空熔炼;惰性气体保护熔炼.n3)精炼除气.n(6).铝合金熔体的精炼.n精炼的目的:除渣除气;n精炼方法主要分两大类:吸附精炼;非吸

7、附精炼;n1).吸附精炼n 吸附精炼是依靠精炼剂(形成气泡)的吸附作用,达到去除氧化物和气体的目的,具体又分为浮游法和过滤法.浮游法na.通氮精炼n铝液中通入N2气,形成N2气泡,在表面张力的作用下,夹杂物吸附在气泡上,被带出液面被去除. 同时, N2气泡内的H2分压为零,铝液中的H2向N2气泡内扩散,气泡上升,逸出液面,除去铝液中的H2n通氮温度控制在710720,避免N2和Al形成大量AlN（大于900 生成）.含镁的Al-Mg合金ZL301;ZL302不用氮气精炼,因为会形成MgN.n通入N2-Cl2混合气体更好,通入的气体应干燥脱氧,防止铝液氧化.nb. 通Cl2精炼 Cl2不溶于铝,

8、 与Al和H2形成HCl和Al Cl3 (沸点183 )都是气体,不溶于铝液中,起到吸附精炼的作用.气体应干燥去氧,防止铝液氧化.nC. N2- Cl2 CO三气精炼nd,氩气精炼浮游法除气的示意图浮游法除渣浮游法除渣示意图n.吹氯精炼e.氯盐精炼.n常用:NaCl2; MnCl2; C2Cl6; CCl4; TiCl4; nAl+3MeCl= AlCl3+3Me 生成的AlCl3可起吸附精炼的作用. 氯盐精炼不用通气设备, AlCl3的毒性比Cl2小.nZnCl2熔点:365;沸点:372 ; 加0.1-0.2%.吸潮性大,应重熔脱水处理. Zn价格便宜。 n MnCl2精炼效果好,对铝合金

9、性能有利,价格较贵nC2Cl6生成CCl4和AlCl3 .一起起精炼作用.比ZnCl2好,不吸潮,使用方便.压块后,用钟罩压入铝液中,无金属元素污染,产生Cl2气体,有刺激性.n精炼温度:720-740 ;加入量0.2-0.7%.时间6-10分钟.精止7-10分钟.使渣充分上浮.无毒精炼:使用硝盐n以硝酸钠(NaNO3)和(KNO3)为主,加石墨n4 NaNO3+5C2Na2NO3+2N2+3CO2 n氮气无毒,消除刺激性气味.n沈阳铸造研究所研制的无毒精炼剂,以硝盐为主,有除气除渣作用,和覆盖作用.获国家科技进步二等奖.后来长春光机所的工程师提出质疑,硝盐精炼产生的氮氧化物比Cl2气毒性大,

10、曾成立调查小组调查,现在不用.n吹氩精炼:工业用Ar气,含O2低,0.005-0.05%,氩的密度低于O2的密度,n熔剂法n熔炼Al-Mg合金时(氧化膜疏松),要用熔剂覆盖,要求覆盖剂的熔点比铝低,比重小,不与铝反应,流动性好,能吸附Al2O3n价格便宜.n以KCl和NaCl为主, NaF; Na3AlF6 CAF2等过滤法n 只能除渣,不能除气,铝液中夹杂物多时效果较好.分为非活性过滤和活性过滤两种.nA.非活性过滤:机械作用,(过筛;用石墨块,镁砖块.nB.活性过滤:过滤剂有吸附作用,效果更好. NaF; CaF; Na3AlF6过滤法除渣n.2)非吸附精炼n.真空精炼,除气效果好,设备复

11、杂,要求温度高,应用不多.n.超声波处理:在铝液中形成空穴,起作气泡作用,吸附气体,加强气体形核,同时细化晶粒.应用不多.n精炼效果检验:浇试棒看断口,断口有白点说明含气多.2-3.铝合金的变质处理.(1).共晶-亚共晶铝合金的变质处理n变质处理能改变铝合金的显微组织,细化共晶硅,提高机械性能,含硅量大于5%，(611%)硅都必须进行变质处理.(ZL101; ZL102; ZL104;)n1)变质剂:最初用Na变质， Na(沸点低,883 )易飞溅, 保存也困难.2Na+H2ONa2+H2使合金含气量增加.所以生产中一般不用金属Na， 多用钠盐变质.nNaF; NaCl; KCl; Na3Al

12、F6(冰晶石). 起变质作用的主要是NaF. ( 45:40:15).n 6 NaF+Al Na3AlF6+Na-Na起变质作用,进入铝液. NaCl; KCl本身无变质作用,其作用是与NaF混合后,降低熔点,有利于上述反应进行. NaF的熔点(992 ),混合后熔点降为600800 ,在750800 变质处于熔融状态,有利于反应.另外,液态也易于覆盖在铝液表面,保护铝液不吸气,不氧化. NaCl; KCl作为稀释剂或助熔剂.铝硅合金的变质组织2)变质剂除水n氯化物易吸水，使用前要烘干。NaF(200300 ); NaCl; KCl(500600 )烘干，破碎过筛，按比例混合，在密封容器中保存

13、。也可按比例在坩埚中熔化，浇在铁模中，破碎过筛使用，较麻烦，多用烘干法。n3)变质剂加入量n按变质所需的钠量计算，需要的变质量很少，只需0.010.014%的Na，三元变质剂0.06%，但实际上反应不充分，吸收率很低，需要多加一些，一般三元变质剂的用量为铝液重量的23%，这样也有较好的覆盖作用。n4)变质温度 n温度高有利于变质剂与铝反应生成Na，Na的回收率高,变质时间短。温度高也有缺点，浪费燃料，易吸气，Na易挥发，变质效果易消失(衰退)。一般变质温度高于浇注温度，720750 。5)变质剂加入方法n压入法;切盐法;搅拌法.n切盐法:把变质剂放在铝液表面,烧结成壳后,把碎块压入铝液中,35

14、分钟就可以,效果较稳定.n6)其他变质方法n加Sb:0.20.4%, 以中间合金形式加入.n Sr;(0.020.06%), 中间合金形式n B:0.4%) 中间合金形式n变质效果检查:观察试棒断口n 变质不足:晶粒粗大;断口暗灰色,发亮的硅晶粒;n 变质正常:银白色丝绒,晶粒细;看不到亮点;n 变质过度:晶粒粗大;断口呈青灰色,n铝液表面花纹判断:花纹大,变质好,(Na的氧化膜)n测定导电率和热分析法也可判断变质效果二)过共晶铝合金的熔炼和变质n 过共晶铝合金变质的目的是细化初晶硅，用P变质细化初晶硅，超声振动，急冷，加压铸造等细化作用。使用最多的还是加P变质细化，加入量为合金重量的0.5%，变质剂最佳残留量0.0010.05%。n.10%P+90%C2Cl6 (加入量:0.25%)n.20%P+70%