《有色金属材料制备与应用》课件 5-铝合金的净化处理

《合金熔炼与制备》*15:49:342什么是铝及其合金的净化？铝及其合金为什么要进行净化？铝及其合金如何进行净化？一题录二三*15:49:343一、什么是铝及其合金的净化？净化要求◆含气量国内先进水平为0.15ml/100gAl，国际领先水平则要达到0.10ml/100gAl。◆氧化夹杂物：不允许有微米级的颗粒和聚集物。净化目的◆由于炉料和铝合金液在熔炼、转送、浇注过程中吸收了气体，产生了夹杂物，使合金液的纯度降低，流动性变差，浇注后会使铸件产生多种缺陷，影响性能。故必须在浇注前，对其作净化处理（精炼处理）；◆铝及其合金的净化主要指在铝合金熔炼过程中，降低熔体中的含气量和氧化杂质物含量的工艺措施。*15:49:344二、铝及其合金为什么要进行净化？1234熔化时间长易氧化易吸气易吸收金属杂质

为了获得气体和杂质含量符合要求、成分准确的铝合金制品，必须要进行净化处理。下一页*15:49:345二、为什么要进行净化？|熔化时间长返回*15:49:346二、为什么要进行净化？Al（液）+3/4O2（气）=1/2Al2O3(r-晶体)Al（液）+1/2N2（气）=AlN(晶体)Al（液）+3/2H2O（气）=1/2Al2O3(r-晶体)+3H(气)Al（液）+3/4CO2（气）=1/2Al2O3(r-晶体)+3/4C(结晶石墨)Al（液）+3/2CO（气）=1/2Al2O3(r-晶体)+3/2C(结晶石墨)Al（液）+3/4CH3（气）=1/4Al4C3(晶体)+9/4H(气)1/4Al4C3（晶体）+3/2H2O（气）=3/4CH4(气)+1/2Al2O3(r-晶体)1/4Al4C3（晶体）+3/2O2（气）=1/2Al2O3(r-晶体)+3/4CO2(气)AlN(晶体)+3/2H2O(气)=1/2Al2O3(r-晶体)+NH3(气)AlN(晶体)+3/4O2(气)=1/2Al2O3(r-晶体)+1/2N2(气)H2(气)=2H(溶入)|易氧化*15:49:347二、为什么要进行净化？|氧化夹杂类型（二）◆二次氧化夹杂：浇注过程中生成的氧化夹杂。多分布在铸件壁的转角处及最后凝固的部位。

（一）◆一次氧化夹杂：浇注前铝液中存在的氧化夹杂。总量约占铝液质量的0.002%～0.02%，在铸件中分布没有规律。按形态可分为：（1）分布不均匀的大块夹杂物，它的危害性很大，使合金基体不连续，引起铸件渗漏或成为腐蚀的根源，明显降低铸件的力学性能。（2）夹杂呈弥散状，在低倍显微组织中不易发现，铸件凝固时成为气泡的形核基底，生成针孔。这一类氧化夹杂很难在精炼时彻底清除。返回*15:49:348二、为什么要进行净化？|易吸气

根据测定，存在于铝合金中的气体，氢占85%以上，因而“含气量”可视为“含氢量”的同义词。在所有炉气成分中，只有氢能溶解于铝液中。*15:49:34图常用金属中氢的熔解度变化曲线1－氢在镁中的熔解度；2－氢在镍中的熔解度；3－氢在铁中的熔解度；4－氢在铝中的熔解度；5－氢在铜中的熔解度；二、为什么要进行净化？|易吸气1、主要来自铝液和水汽的反应：Al（s）＋3H2O（G）→Al(OH)3（s）＋3/2H2（G）2、与工装润滑用的各种油脂或回炉料油污的反应：

4m/3Al+CmHn→m/3Al4+n/2H2铝液中氢的来源1、原材料带来水份；2、环境空气湿度大；3、工具带入；4、流槽、中转包不干燥；5、熔剂结晶水含量高或潮解。水汽的来源10二、为什么要进行净化？|气孔类型点状针孔♠在低倍显微组织中呈圆点状，轮廓清晰且互不相连，能清点出单位面积上针孔数目并测得针孔的直径。√由铸件凝固时析出的气泡所形成，多发生于结晶温度范围小、补缩能力良好的铸件中。网状针孔♣在低倍显微组织中呈密集相联成网状，伴有少数较大的孔洞，不易清点针孔数目，难以测量针孔的直径，往往带有末梢，俗称“苍蝇脚”。√结晶温度宽的合金，铸件缓慢凝固时析出的气体分布在晶界上及发达的枝晶间隙中，此时结晶骨架已形成，补缩通道被堵塞，便在晶界上及枝晶间隙中形成网状针孔。混合型针孔♥针孔点状针孔和网状针孔混杂一起。√常见于结构复杂、壁厚不均匀的铸件中。

（1）针孔*15:49:3411二、为什么要进行净化？|气孔类型返回●气孔位于铸件表皮下面，因铝液和铸型中水分反应产生气体所造成，一般和铝液质量无关。

（2）皮下气孔这种气孔产生的原因是由于铸件工艺设计不合理，如铸型或型芯排气不畅，或者是由于操作不小心，如浇注时堵死气眼，型腔中的气体被憋在铸件中所引起，也和铝液纯净度无关。

（3）单个大气孔*15:49:3412二、为什么要进行净化？|易吸收金属杂质

铝元素的化学活性很高，易从坩埚、炉衬、熔剂中置换出Fe、Si、Na等元素。这些杂质进入铝熔体后，极难被清除，对合金性能影响非常大。——防止金属杂质污染。返回*15:49:3413三、铝及其合金如何进行净化？|方法分类

一、按作用原理：

吸附精炼：接触条件浮游法熔剂过滤非吸附精炼：破坏平衡条件静置处理真空处理振荡处理直流电解处理

二、按精炼部位：

炉内精炼炉外精炼/在线式精炼*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法浮游法原理原理：利用通入熔体中的气体，在上浮过程与悬浮的夹杂相遇时，夹渣被吸附在气泡表面并带到熔体液面的溶剂中去。对于熔点较低的铝合金、镁合金等特别有效。效果：气泡数目多、尺寸小，分布均匀密集，精炼效果好。ArgasHgas*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-气体精炼（1）氯气Cl2铝合金用氯气脱气效果好。反应生成物HCl（沸点-85℃）、AlCl3（沸点183℃）都呈气态，且不溶于铝液，和未参加反应的氯气，均能起精炼作用。特点：净化效果比通氮甚至通氩明显。氯气有毒，有害人体健康、腐蚀设备。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-气体精炼（2）氮气N2精炼温度通常控制在710～720℃的范围内，精炼效果一般。镁比铝更容易和氮反应，生成Mg3N2夹杂物，铸造铝镁合金不希望采取通氮气精炼的方法。通常要求氮气瓶中氧气体积分数<0.03%，水分<0.3g/m3。在实际生产过程中，氮气在通入铝液之前，应通过储有干燥剂CaCl2、硅胶、分子筛、浓硫酸等的干燥器后再进入铝液中，进行严格的脱水处理。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-气体精炼（3）氩气Ar2工业用氩气瓶中含氧量较低，在0.005%～0.05%范围内，精炼温度允许提高到760℃。Al-Si合金加锶变质后，如用氯盐精炼，生成SrCl2，变质失效，此时必须通氩精炼。氩得密度为1.78kg/m3，高于氧得密度1.25kg/m3，通氩精炼时，较重的氩气富集在铝熔池表面，能保护铝液防止和炉气反应，故净化效果好。惰性气体族中除氩外，氦、氖、氪、氤等都有类似的净化效果，但以氩的价格最便宜，来源较丰富，为工厂所乐用。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-气体精炼（4）混合气体

三种气体是Cl2、CO、N2，配比为15∶11∶74，经混合后吹入铝液内，与铝液发生下列反应：生成的AlCl3及N2起精炼作用，CO2和铝液继续发生反应，生成Al2O3、C，精炼后趋向平衡，微量的C有可能细化晶粒。缺点：要配备一套较复杂的三气发生装置及输送管道。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-气体精炼气体的纯度和导入方式对脱气效率的影响显著。精炼气体导入方式对脱气效果的影响1－直管，2－多孔塞砖，3－旋转喷嘴气体纯度和导入方式影响*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-固体精炼氯盐的精炼作用主要是基于氯盐和铝熔体的反应。通常的氯盐加入剂包括氯化锌、氯化锰、四氯化钛、六氯乙烷、四氯化碳等。1、氯盐熔剂精炼优点：省去了一整套气体发生装置和输送管道；其次，AICl3的毒性比氯气小得多。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-固体精炼（1）ZnCl2用量：0.1%～0.2%质量分数；精炼温度：700～720℃的铝液中。加入方式：钟罩压入；精炼时间：5～8min；静置：8～10min。优点：ZnCl2的价格便宜，生产中使用很普遍。缺点：净化效果一般，一部分锌还原后进入铝液中，经长期反复使用，会引起回炉料中锌含量超标。ZnCl2能强烈吸湿，使用前应在炉旁重熔脱水，现配现用。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-固体精炼（2）C2Cl6：净化效果比ZnCl2好用量：0.5%～0.8%；精炼温度：720～740℃。用量与Mg有关，生成的MgCl2熔点为715℃。液态MgCl2有辅助精炼作用，当精炼温度低于715℃时，固态MgCl2则成为夹杂物进入熔体中。为了弥补生成MgCl2所消耗的镁和氯，配料时镁和C2Cl6都要相应增加；加入方式：钟罩压入；精炼时间：10～12min；静置：10～15min。优点：不吸湿，不必脱水处理，使用、储存都很方便，为一般工厂所乐用。缺点：造成空气污染。精炼温度越高，逸出的氯也越多，再加上C2Cl4会形成一股呛人的气体，对人体、厂房、设备有害。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-固体精炼（3）MnCl2用量：0.2%～0.3%；精炼温度：710～730℃。加入方式：钟罩压入；精炼时间：5～8min；静置：5～10min。优缺点：置换锰进入铝液；吸湿性较ZnCl2小一些，但也需要烘干。（4）CCl4：净化效果略次于C2Cl6用量：0.2%～0.3%；精炼温度：690～710℃。加入方式：钟罩压入；精炼时间：7～10min；静置：10～15min。优缺点：ZL101使用效果好。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|浮游法-固体精炼

主要成分为煤粉和硝酸盐，压制成块并压入铝液中，发生下列反应：

4NaNO3＋5C＝2NaCO3＋2N2↑＋3CO2↑

生成的N2即起精炼作用。CO2在铝液中也能生成Al2O3，但由于上浮速度较快，故氧化程度较轻。精炼时由于反应产物无嗅无味，为工人所乐用。无公害精炼剂价格便宜，适用于不重要的中、小型铝铸件。缺点：没有氯、氟等有效成分，净化效果欠理想。2、硝酸盐熔剂精炼（固体无公害精炼剂）*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|熔剂精炼熔剂法净化机理：通过吸附、溶解铝液中的氧化夹杂及吸附其上的氢，上浮至液面而进入熔渣中，实现除渣除气的目的。适宜对象：熔炼Al-Mg类合金或重熔切削、碎料。应用要求：（1）不与铝液发生化学反应，也不能相互溶解；（2）熔点应低于精炼温度，高于浇注温度，便于扒渣去除；（3）具有良好的流动性，容易在铝液表面形成连续的覆盖层以保护铝液；（4）能吸附、溶解、破碎Al2O3夹杂，来源丰富、价格低廉。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|熔剂精炼性能要求：覆盖性能即铺展性，指熔剂在铝液表面自动铺开，形成连续覆盖层的能力。分离性能指熔剂与铝液自动分离的性能，分离性能越好，扒渣越容易，熔剂也不容易混入铝液中浇入铸件中而引起熔剂夹杂。精炼性能指熔剂吸附、溶解、破碎铝液内氧化夹杂物的能力，即除渣、除气的净化能力。常用的熔剂组分包括：NaCl、KCl、NaF、Na3AlF6、Na2SiF6等。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|过滤精炼过滤剂分为两类：（1）非活性过滤剂：如石墨、陶瓷、玻璃纤维等，依靠机械作用清除铝液中的非金属夹杂物。（2）活性过滤剂：如NaF、CaF2、Na3AlF6等，主要是通过溶解、吸附的作用清除氧化夹杂物。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|过滤方法和装置（1）网状过滤法：让铝液通过由玻璃纤维或耐热金属丝制成的网状过滤器，来清除氧化夹杂、氧化膜等，效果明显。优势：过滤器制作简单，结构可根据实际情况制定，一般安装在坩埚、浇包或连续铸造的保温炉中；缺点：是对于小于过滤网眼孔的氧化夹杂物难以去除，而且过滤器直接接触高温铝液，容易损坏，使用寿命短。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|过滤精炼（2）填充床过滤法图1-60填充床过滤法的示意图1-结晶器；2-漏斗；3-块状介质；4-流槽；5-片状氧化铝；6-氧化铝球；7-隔板；8-氩/氮气；9-铝液入口；10-铝液出口*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|非吸附精炼-1、真空处理采用真空熔铸法脱气效果较好。脱气速度和程度高。静态真空脱气法和动态真空脱气法。动态真空脱气比静态法时间短、效果好。动态真空脱气示意图1－出品，2－炉体，3－喷嘴，4－密封板，5－熔剂喷嘴，6－流槽，7－气体入口*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|非吸附精炼-2、振荡处理原理：金属液受到高速定向往互振动时，导致金属液中的弹性波会在熔体内部引起“空化”现象，产生无数显微空穴。于是溶于金属中的气体原子就以空穴为气泡核心，进入空穴并复合为气体分子，长大成气泡而逸出熔体，达到脱气的目的。振动力法有机械振动和超声波振动两种。*15:49:34三、铝及其合金如何进行净化？|非吸附精炼-3、直流电解原理：用一对电极插入金属液中，其表面用熔剂覆盖，或以金属熔体作为一个电极，另一极插入熔