第二章铸造铝合金熔炼详解课件.ppt

第二章 铸造铝合金的熔炼,铝合金熔炼时的物理化学特性 铝合金熔炼工艺原理和技术 铝合金组织控制 铸造铝合金熔炼工艺,2-1 铝合金熔炼时的物理化学特性,铝与氧的亲和力很大，极易氧化，4Al+3O2=2Al2O3，表面生成氧化铝膜，可阻止继续氧化。合金元素对铝的氧化有一定的影响，在这类合金中加入少量的铍（0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。在通常大气（湿度较大）中铝的熔炼温度下-Al2O3膜常会含1-2H2O，熔炼时若氧化皮被搅入铝液，即起Al- H2O反应。为了防止铝-氧剧烈反应，大多数铝合金的熔炼温度控制在750以下。,铝-氧反应,铝-水气反应,2Al(OH)3Al2O3+3H2O 2Al+3H2OAl2O3+6H,铝和水气的反应,Al(OH)3 在400的条件下将进一步反应,2Al+6H2O2Al(OH)3+3H2,Al2O3成氧化夹杂，氢则溶于铝液，增加气体含量。,在含硅、铜、锌等元素的铝合金，能较显著地阻缓铝水蒸气反应。含镁、钠等元素较多的铝合金，常使铝水气反应激烈进行。升温时铝水气反应速度大为加快，这说明限制熔炼温度及浇注温度的必要性。水气来源于炉料、熔剂、精炼变质剂、炉气（大气）及熔炼浇注工具。特别是锈蚀的铝料，甚至经过吹砂清理，仍会增加铝液的含氢量。,铝-水气反应（续）,课前复习题,Fe在铝合金中是完全有害的吗？为什么铸造铝镁合金和铝锌合金经过长期使用或放置后变脆？Si在Al-Mg合金中是降低力学性能的 ，但为什么有些Al-Mg合金中含有少量的Si？铝合金热处理的目的是什么？铸造合金与变形合金固溶处理有什么不同？合金熔炼时，熔炼工具、坩埚及炉料为什么要预热？为什么铝合金熔炼时，熔炼温度不能太高？,铝有机物反应是熔炼中最可能的有机物是炉料工具被油脂沾污。 4/3mAl+CmHnm/3Al4C3+nH,铝有机物反应,C和H构成的烃类,溶解于铝合金的气体主要是氢（其余是少量的CO等） 氢主要来自铝-水气反应，在熔炼中由于该反应不可避免地将氢带入铝液 铝液中氢的溶解度是不大的，很易为氢所饱和 虽然在熔炼中经精炼除氢，仍会残留一部分，而且铝液凝固时氢的溶解度变化的相对值很大,铝合金中的气体,针孔分级,在铸件凝固过程中多出的氢易析出，形成针孔,在熔铸过程中，如将表面氧化膜或空气搅入铝液，或将吸附的H2O带入铝液，均将在其中产生Al2O3夹杂物，悬浮在铝液中，而在浇注的铸件中形成氧化夹杂物。 实践证明，铝液中氧化夹杂越多，则含氢量也越高。并且氧化夹杂物提供了气泡成核的现成界面，促使铸件针孔的形成。所以，铝液中Al2O3和氢之间有着十分密切的关系。,氧化物夹渣,2-2 铝合金熔炼工艺原理和技术,铝合金的净化（精炼）原理,除氢热力学 式中KH-氢的溶解度系数；T-热力学温度；A、B-常数，对铝合金而言，不同的合金类和不同的成分，其数值各不相同。,气体溶解度的西华特定律,应尽量降低铝液表面上的氢分压，为此可采用真空处理。 向铝液中吹入气体，以在其内形成氢分压起始为零的气泡来降低含氢量。 温度的降低作用是有限的。,除氢热力学（续）,合金元素的影响,铝液中氢向惰性气泡或活性气泡中迁移示意图,去气动力学（续）,提高比表面积，增大传质系数，延长作用时间，可降低气体最终浓度，提高精炼效果。 应减少精炼气泡直径，增加气泡与铝液接触时间，在不致使溶液表面强烈翻腾而造成吸气氧化条件下，加强搅拌，以增大值。,除气的动力学方程,气泡在铝液中与固体夹杂相遇时会发生能量变化根据热力学第二定律，系统自发变化的条件时能量必须降低由于夹杂被气泡自动吸附满足的自由能变化量F0所以铝液中的Al2O3夹杂能自动吸附在气泡上，而被带出液面。,除夹杂的热力学,相切俘获系数为：式中：r气泡半径；2a夹杂直径。当2a r时，俘获效率很小。只有尽量减小气泡直径增大夹杂尺寸，以提高清除夹杂的效率。,气体除夹杂的动力学（续）,铝液通过固态的多孔物质，可把夹杂拦截下来。目前在熔炼浇注工艺中采用三种形式的过滤器： 颗粒材料过滤器 刚质微孔陶瓷过滤器 泡沫陶瓷过滤器,过滤除夹杂原理,物理方法吹惰性气体：用单管或多孔透气吹头；过滤：包括颗粒、刚质陶瓷、泡沫陶瓷过滤器；真空处理：包括静态和动态处理；氢气的电萃取：通直流电使氢分子逸出；超声处理。,铸造铝合金净化（精炼）技术,物理化学方法加气化溶剂，在铝液中生成AlCl3或本身气化；吹活性气体，用Cl2或F12(CCl2F2);加活性溶剂，用碱金属的氯、氟盐；喷吹活性溶剂；加稀土金属，与溶解氢形成化合物，将氢固定。,铸造铝合金净化（精炼）技术,概念：在铝液中吹入气体或产生气体，利用气泡在铝液中的浮升，将氢及夹杂排出液面。原理：铝液内气泡中氢的分压起始为零，因此溶解氢按西华特定律不断进入气泡，随气泡很快逸入大气。精炼方法：包括氯盐精炼、硝酸盐精炼、吹惰性或活性气体精炼等。,浮游法精炼,原理 向铝液中通入活性气体和惰性气体以及它们的混合物，可以较有效的起精炼作用。 2Al+3Cl2 = 2AlCl3 H= -1591.8KJ H2+Cl2 = 2HCl H= -184.2KJ 反应生成物都是气态，不溶于铝，和未发生反应的氯气都成气泡起精炼作用。,吹气精炼,浮游法去除夹杂物和气体原理示意图,精炼工艺铝液温度680700，通氯压力0.02Mpa、时间约10min，通氯速度以沸腾而不飞溅为原则，管口离坩埚底约100-150mm，气体消耗量一般为铝液质量的0.3-1.0，通氯后铝液需静置10min。效果氯的精炼效果最好，原因是它兼有物理的和化学的精炼作用；而惰性气体仅有物理作用。,吹气精炼（续）,ZnCl2和MnCl2 二者的基体性质、作用是相似的，在铝液中发生下列反应： 3ZnCl2+2Al = 3Zn+2AlCl3 3MnCl2+2Al = 3Mn+2AlCl3 反应产物在铝液中形成大量无氢气泡，起精炼作用。优点：工艺简单，成本低；有较好的除气效果，但除夹杂能力较差；清渣能力强，渣易与铝液分开。缺点：产生有毒的腐蚀性氯化物气体。,气化熔剂氯盐精炼,六氯乙烷精炼C2Cl6加入铝液后，发生反应： C2Cl6 C2Cl4+Cl2 C2Cl4 2C+2Cl2 产生的Cl2在铝液中可继续反应产生气体AlCl3和HCl，还可能有未全反应的Cl2、C2Cl4,都会成为气泡起精炼作用。,气化熔剂氯盐精炼（续）,精炼工艺六氯乙烷的用量及精炼温度与合金成分有关。不含镁的铝合金加入量为0.20.5（占铝液量），精炼温度为700720 ；含镁的合金用量为0.30.75，精炼温度为730750 。优点：不吸湿，精炼效果很好，操作较简单。缺点：产生有毒烟雾，污染环境。,气化熔剂氯盐精炼（续）,4NaNO3+5C = 2Na2CO3+2N2+3CO2 上浮的N2、CO2气泡起精炼作用。 精炼工艺： 精炼剂的用量为0.3-0.5%，钟罩压入。 效果： 经使用证实确有去气效果，但铝液易氧化，夹杂含量较多。有毒与否曾引起广泛争论。,硝酸钠精炼,铝镁类合金必须在熔剂保护下熔炼；合金中含镁多，不宜用氯或氯盐精炼。分类 一是覆盖熔剂，只起隔离保护作用； 二是覆盖精炼熔炼剂，兼有保护和精炼作用。,熔剂精炼,成分 一般由碱金属及碱土金属卤素盐类混合组成，NaCl和KCl的混合盐是各种熔剂的基础。 机理 能破碎氧化皮并吸收氧化物夹杂，附带除去夹杂上的气体。操作工艺先将熔化时的旧熔剂清除，再向液面均匀撒精炼熔剂，搅拌几分钟，将其压入铝液深部。静置约10min后除熔渣。,熔剂精炼,喷吹活性熔剂精炼采用惰性气体将粉状熔剂直接喷入铝液深部。该法发挥了气体除气效果好，熔剂除渣效率高的双重优点，精炼效果极佳。真空处理真空处理有静态真空处理和动态真空处理，主要根据西华特定律来进行除气、去夹杂。过滤精炼主要是用过滤器进行除夹杂。,其它精炼方法,1）气体含量的检验 观察针孔度 观察减压凝固试样 气相色谱法 真空测气仪2）氧化夹杂的检测Al2O3等氧化物夹杂常用溴甲醇法的化学方法测定。,精炼效果的检验,铝合金熔炼小结,各种工艺措施概括为“防” “排” “溶”“防”就是严防水汽及各种含气脏物混入铝液中；“排”就是通过精炼，清除氧化夹杂和气体，除渣是除气的基础；“溶”就是利用快速凝固，或增大凝固时的结晶压力，使铝液中的氢全部固溶于铝铸件内。严格遵循“以防为主”的原则,铝液中氧化夹杂与针孔有何关系？原因何在？铝合金中的气体主要是什么？它是如何产生的？对铸件性能有什么影响？铝合金精炼的目的是什么，主要方法有哪些？浮游法精炼的基本原理和方法，气泡大小对精炼效果有什么影响？铸造铝合金熔炼用熔剂的分类和作用？合金精炼后为什么要静置一段时间？精炼效果检验的内容和方法？,课前思考题,2-3 铝合金组织控制,铝合金基体晶粒的细化元素常用Ti、B、Zr； 细化剂则为它们与铝的中间合金； 用上述元素的盐类作细化剂效果更好； 细化机理形成的各种高温稳定的化合物质点成为异质晶核。,基体晶粒的细化处理（孕育处理）,钠变质、纯钠 、钠盐 、钠碱其他变质 锶变质、稀土变质、锑变质、碲变质,铝硅合金中共晶硅的变质处理,生产中广泛应用的变质剂是含NaF的卤盐混合物。加入铝液后发生反应：6NaF+Al = Na3AlF6+3Na 由于NaF熔点高（986），加入KCl、NaCl 降低熔点，使在熔炼温度下成液态，利于反应的进行和覆盖液面。Na3AlF6能吸收氧化物，加它后具有变质精炼作用，称为多用变质剂，用于重要铸件的变质。,钠盐的变质处理,采用碳酸钠作变质剂高温下与镁反应还原出钠起变质作用：Na2CO3+3Mg = 2Na+3MgO+C 此变质剂用Na2CO3 ，镁粉和耐火砖屑（载体）压成块，压入铝液内反应。,钠碱的变质处理,（1）变质剂 赤磷或含赤磷的混合变质剂； 含磷的中间合金如Cu-P； 偏磷酸钠+Al2O3+V2O5（2）二次精炼 变质处理前后都应进行精炼，变质后的二次精炼用的精炼剂应量少时间短。,铝硅合金中初生硅的变质处理,新型变质剂Al-P中间合金,磷变质在铝活塞行业中应用越来越广泛，但复合变质剂存在严重的环境污染问题。随着社会文明的不断进步，环保意识不断增强，改善工作环境，实现铸造过程的绿色化，已成为铸造业追求的目标。基于以上原因，研制无污染的“绿色”变质剂Al-P中间合金，可解决上述问题。,Al-P中间合金的主要特点,Al-P颗粒已生成，加入后，无烟、无污染；无反应渣生成，不腐蚀炉衬，且降低铝耗；熔点低，加入后迅速熔化；P可定量控制。,Al-P中间合金,（a）圆饼状（0.250.50公斤/块） (b) 10棒状 Al-P中间合金规格,内部微观结构组织,变质前,P变质态,primary Si,eutectic Si,Al-P中间合金对ZL109合金的变质行为,环保要求提高 生活质量提高社会文明进步环保要求越来越高。绿色铸造，清洁生产，赤磷磷盐Cu-P Al-P中间合金。活塞质量要求不断提高 大功率活塞，对使用性能提出更高要求，靠微观组织控制得以实现。美国研制出一种铝合金，其300度下的拉伸强度比目前的活塞合金高3-5倍。,磷变质处理的发展方向,（1）冷却（凝固）速度对变质效果的影响（2）变质潜伏期问题（3）变质合金中元素的相互作用 变质作用相互叠加或促进； 变质作用相互干扰抵消。,影响变质处理效果的几个普遍问题,变质新技术外加物理场处理技术,通电方式,磁场施加方式,超声波导入方式,普通凝固,低压脉冲电场处理,变质新技术外加物理场处理技术,普通凝固,低压脉冲电场处理,变质新技术外加物理场处理技术,1）断口检验这是生产中常用的简便方法。用砂型浇注1520200mm的圆棒，凝固冷却后击断，观察断口。 2）热分析法各变质元素对AlSi合金凝固特性的影响不同，可用热分析曲线来判别。,变质效果的检验,2-4 铝合金的炉料,炉料形态 新金属锭，回炉料、二次合金锭中间合金和金属化合物等。分类 一级回炉料：工厂常把废铸件及大块浇冒口。 二级回炉料：小块浇冒口及杂质较多的金属。 三级回炉料：切屑、溅渣、小毛边等需经重熔精练后才能使用。 二次合金锭：废料以及废、旧铸件重熔后铸成之锭块。炉料比例回炉料用量占炉料总量的比例85，铸造重要件则应在60以下，三级回炉料不超过15。,炉料形态及合金元素和炉料的加入,合金元素的加入形式 熔点较低，纯金属不稀贵，一般以纯金属加入。 熔点较高，纯金属不稀贵，一般以中间合金加入。 纯金属比较稀贵，一般可利用其化合物置换炉料的加入次序炉料加入次序的原则是：尽量增大炉料与坩埚的接触面积，加速熔化过程，并尽可能减少耗损。,合金元素和炉料的加入,混熔法中间合金是由两种元素互相熔合而成。置换法置换法也称热反应法，以铝钛中间合金为例： 2Ti2+2Na3AlF6 2Na2TiF6+Na2O+Al2O3 2Na2TiF6+6Al 4NaF+4F2 +2TiAl3,中间合金及其制造,炉料具有遗传性在生产实践中，有时同一牌号的合金在不同时期用不同炉料生产的铸件,其组织和性能发生较大的波动。Al-Cu类、Al-Mg类铸铝遗传性不明显，AlSi类则很明显。,铝合金炉料质量,2-5 铸造铝合金熔炼工艺,熔炼炉,主要使用坩埚炉，一般用铸铁铸成，也可采用无铁芯工频感应电炉。,二、铸造铝合金熔炼工艺,基本概念:变质潜伏期、孕育衰退、炉料遗传性铝液中氧化夹杂与针孔有何关系？原因何在？铝合金中的气体主要是什么？它是如何产生的？对铸件性能有什么影响？铝合金精炼的目的是什么，主要方法有哪些？浮游法精炼的基本原理和方法，气泡大小对精炼效果有什么影响？铸造铝合金熔炼用熔剂的分类和作用？合金精炼后为什么要静置一段时间？精炼效果检验的内容和方法？铝硅合金液态处理控制组织包括哪些方面，方法如何？影响变质处理效果的因素有哪些？,思考题,课后作业,南方航空公司采用Sr对A356合金进行变质处理，发现缓慢冷却时变质效果不好，请分析产生这种现象的原因，并提出改进措施！,