第十三章鑄造鋁合金熔煉

鋁合金的精煉原理鋁液的精煉工藝鋁合金組織控制鑄造鋁合金熔煉工藝第十三章鑄造鋁合金熔煉鋁合金的精煉原理1概述鋁合金熔煉的內(nèi)容包括配料計(jì)算、爐料處理，熔煉設(shè)備的選用、熔煉工具處理及熔煉工藝過(guò)程控制。熔煉工藝過(guò)程控制的內(nèi)容包括正確的加料次序，嚴(yán)格控制熔煉溫度和時(shí)間、實(shí)現(xiàn)快速熔煉、效果顯著的鋁液凈化處理和變質(zhì)處理及掌握可靠的鋁液爐前質(zhì)量檢測(cè)手段等。熔煉工藝過(guò)程控制的目的是獲得高質(zhì)量的能滿足要求的鋁液：化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，合金液成分均勻；合金液純凈，氣體、氧化夾雜、熔劑夾雜含量低；需要變質(zhì)處理的合金液，變質(zhì)效果良好。因熔煉工藝過(guò)程控制不嚴(yán)而產(chǎn)生的廢品中，主要原因是合金液中的氣體、氧化夾雜、熔劑夾渣未清除所引起。概述鋁合金熔煉的內(nèi)容包括配料計(jì)算、爐料處理，熔煉設(shè)備的選2鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響針孔：分布在整個(gè)鑄件截面上，因鋁液中的氣體、夾雜含量高、精煉效果差、鑄件凝固速度低而引起。點(diǎn)狀針孔：呈圓點(diǎn)狀輪廓清晰且互不相連，易和縮孔、縮松相區(qū)別。由鑄件凝固時(shí)析出的氣泡所形成，多發(fā)生于結(jié)晶溫度范圍小、補(bǔ)縮能力良好的鑄件中。網(wǎng)狀針孔：呈密集相連成網(wǎng)狀，伴有少數(shù)較大的孔洞。結(jié)晶溫度范圍寬的合金，鑄件緩慢凝固時(shí)析出的氣體分布在晶界上及發(fā)達(dá)的枝晶間隙中，此時(shí)結(jié)晶骨架已形成，補(bǔ)縮通道被堵，便在晶界上及枝晶間隙中形成網(wǎng)狀針孔。它會(huì)割裂合金基體，危害性比前者大。混合型針孔：由點(diǎn)狀針孔和網(wǎng)狀針孔混雜在一起，常見(jiàn)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻的鑄件中。鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響針孔：分布在整個(gè)鑄件截面3針孔分級(jí)針孔可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分等級(jí)，等級(jí)越差，鑄件的力學(xué)性能越低，抗蝕性能和表面質(zhì)量越差。針孔分級(jí)針孔可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分等級(jí)，等級(jí)越差，鑄件的力學(xué)性能越低4鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響（續(xù)）皮下針孔

氣孔位于鑄件表皮下面，因鋁液和鑄型中水分反應(yīng)產(chǎn)生氣體所成，一般和鋁液質(zhì)量無(wú)關(guān)。單個(gè)大氣孔

產(chǎn)生的原因是由于鑄件工藝設(shè)計(jì)不合理，如鑄型或型芯排氣不暢，或由于操作不小心，如澆注時(shí)堵死氣眼，型腔中的氣體被憋在鑄件中引起。鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響（續(xù)）皮下針孔5鋁鑄件中氧化夾雜的形態(tài)及對(duì)鑄件性能影響一次氧化夾雜：澆注前鋁液中存在的氧化夾雜，總量約占鋁液質(zhì)量的0.002％～0.02％。按形態(tài)可分為兩類：第一類是分布不均勻的大塊夾雜物，其危害性極大，使合金基體不連續(xù)，引起鑄件滲漏或成為腐蝕的根源，明顯降低鑄件力學(xué)性能；第二類夾雜呈彌散狀，在低倍顯微組織中不易發(fā)現(xiàn)，鑄件凝固時(shí)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(shí)徹底清除。二次氧化夾雜：在澆注過(guò)程中形成，多分布在鑄件壁的轉(zhuǎn)角處及最后凝固的部位。氧化夾雜分為兩類鋁鑄件中氧化夾雜的形態(tài)及對(duì)鑄件性能影響一次氧化夾雜：澆注前鋁6鋁液中氣體和氧化夾雜的來(lái)源氫氣來(lái)源：潮濕、帶油污的爐料、Al2O3表面吸附水汽及氫，攪拌時(shí)帶入鋁液；鋁液表面吸附水。氧化夾雜來(lái)源：表面氧化膜、空氣、水汽等被攪入鋁液中。鋁液中氣體和氧化夾雜的來(lái)源氫氣來(lái)源：7鋁與氧的親和力很大，極易氧化，4Al+3O2=2Al2O3。表面生成致密的氧化鋁膜，可阻止繼續(xù)氧化。在通常大氣（濕度較大）中鋁的熔煉溫度下γ-Al2O3膜常會(huì)含1-2﹪H2O和H2，熔煉時(shí)若氧化皮被攪入鋁液，即起Al-H2O反應(yīng)。合金元素對(duì)鋁的氧化有一定的影響，在這類合金中加入少量的鈹（0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。為了防止鋁-氧劇烈反應(yīng)，大多數(shù)鋁合金的熔煉溫度控制在750℃以下。鋁-氧反應(yīng)鋁與氧的親和力很大，極易氧化，4Al+3O2=2Al2O3。8鋁-水氣反應(yīng)

2Al(OH)3→Al2O3+3H2O

2Al+3H2O→Al2O3+6[H]

鋁和水氣的反應(yīng)Al(OH)3

在400℃的條件下將進(jìn)一步反應(yīng)2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑Al2O3成氧化夾雜，氫則溶于鋁液，增加氣體含量。鋁液中的氫和氧化夾雜主要來(lái)源于鋁液與爐氣中水氣的反應(yīng)。鋁-水氣反應(yīng)2Al(OH9在含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較顯著地阻緩鋁－水蒸氣反應(yīng)。含鎂、鈉等元素較多的鋁合金，常使鋁－水氣反應(yīng)激烈進(jìn)行。升溫時(shí)鋁－水氣反應(yīng)速度大為加快，這說(shuō)明限制熔煉溫度及澆注溫度的必要性。水氣來(lái)源于爐料、熔劑、精煉變質(zhì)劑、爐氣（大氣）及熔煉澆注工具。特別是銹蝕的鋁料，甚至經(jīng)過(guò)吹砂清理，仍會(huì)增加鋁液的含氫量。鋁-水氣反應(yīng)（續(xù)）在含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較顯著地阻緩鋁－水蒸氣反應(yīng)。10

鋁—有機(jī)物反應(yīng)也是鋁液吸氫的原因之一；最可能的有機(jī)物是爐料、工具被油脂沾污。

4/3mAl+CmHn→m/3Al4C3+n[H]

鋁—有機(jī)物反應(yīng)C和H構(gòu)成的烴類鋁—有機(jī)物反應(yīng)也是鋁液吸氫的原因之一；最可能的有機(jī)11

能溶解于鋁合金的氣體主要是氫（其余是少量的CO等）；氫主要來(lái)自鋁-水氣反應(yīng)，在熔煉中由于該反應(yīng)不可避免地將氫帶入鋁液；鋁液中氫的溶解度不大，很易為氫所飽和；雖然在熔煉中可采用精煉除氫，但仍會(huì)殘留一部分，而且鋁液凝固時(shí)氫的溶解度變化的相對(duì)值很大。鋁合金中的氣體能溶解于鋁合金的氣體主要是氫（其余是少量的CO等）；鋁合金12鑄造鋁合金熔煉原理課件13

在熔鑄過(guò)程中，如將表面氧化膜或空氣攪入鋁液，或?qū)⑽降腍2O帶入鋁液，均將在其中產(chǎn)生γ－Al2O3夾雜物，懸浮在鋁液中，而在澆注的鑄件中形成氧化夾雜物。實(shí)踐證明，鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越高。并且氧化夾雜物提供了氣泡成核的現(xiàn)成界面，促使鑄件針孔的形成。所以，鋁液中Al2O3和氫之間有著十分密切的關(guān)系。氧化物夾渣在熔鑄過(guò)程中，如將表面氧化膜或空氣攪入鋁液，或?qū)⑽降腍214§13-2鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)

§13-2鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)15鋁液吸氫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程氫分子撞擊鋁液表面氫分子在鋁液表面離解為氫原子氫原子吸附于鋁液表面氫原子通過(guò)擴(kuò)散溶入鋁液中

2H→2[H]

擴(kuò)散速度取決于擴(kuò)散系數(shù)D

D=KpH21/2exp(-△H/2RT)鋁液吸氫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程氫分子撞擊鋁液表面16鋁合金的凈化（精煉）原理氫在鋁液中的溶解度[H]=K0pH21/2exp(-△H/2RT)當(dāng)溫度不變時(shí)

式中[H]-溶于鋁中氫的濃度；Ks-氫的溶解度系數(shù)；T-熱力學(xué)溫度；A、B-常數(shù)，對(duì)鋁合金而言，不同的合金類和不同的成分，其數(shù)值各不相同。氣體溶解度的Sieverts西華特定律鋁合金的凈化（精煉）原理氫在鋁液中的溶解度氣體溶解度的Sie17氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響1)室溫下生成表面膜由少量結(jié)晶態(tài)γ-Al2O3和非晶態(tài)Al2O3混合物組成。2)500--900℃:Al+O2=Al2O3(γ)---致密氧化膜>900℃:Al2O3(γ)→Al2O3(α)—疏松膜

γ-Al2O3

具有兩面性：①和鋁液接觸的一面是致密的，可阻礙鋁液的氧化和吸氣；②和爐氣接觸的那面卻是粗糙、疏松的，其表面小孔吸附著水汽和氫，攪動(dòng)鋁液時(shí)，γ-Al2O3將水汽和氫帶入鋁液，鋁液氧化生成夾雜物、吸入氫氣。氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響1)室溫下生成表面膜由少量18氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響（續(xù)）η-Al2O3

、γ-Al2O3在600-700℃范圍內(nèi)吸附水汽和氫的能力最強(qiáng)，因此，鋁液中的氫有兩種形式：溶解氫和吸附在氧化夾雜縫隙中的氫，前者約占90％以上，后者約占10％以下。故鋁液中的氧化夾雜越多，則含氫量也越高。鋁液中卷入Al2O3

夾雜，既增加了含氫量，吸附H2的Al2O3又是溫度下降時(shí)氣泡形核的基底，容易在鑄件中形成氣孔。為消除鋁鑄件中的氣孔，應(yīng)遵循“除雜為主，除氣為輔”、“除雜是除氣的基礎(chǔ)”的原則。氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響（續(xù)）η-Al2O3、γ-19元素

Zn

Si

Cu﹤20%

Mg

TiMn﹤0.1%Ni

Be鋁中氫量變化

減少減少減少增加增加無(wú)影響增加減少合金元素對(duì)鋁液吸氫的影響注：鋁液中加Mg、Na、Ca，形成疏松MeO膜,如Mg>1.0%,生成疏松MgO,加入003-0.07%Be使氧化膜致密。熔煉溫度<750℃。元素ZnSiCu﹤20%MgTiMn﹤0.1%N20

應(yīng)盡量降低鋁液表面上的氫分壓，為此可采用真空處理。

向鋁液中吹入氣體，以在其內(nèi)形成氫分壓起始為零的氣泡來(lái)降低含氫量。

溫度的降低作用是有限的。除氫熱力學(xué)應(yīng)盡量降低鋁液表面上的氫分壓，為此可采用真空處理。除氫熱力21除氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程大致經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)階段：氣體原子從鋁液內(nèi)部向表面或精煉氣泡界面遷移；氣體原子從溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲綘顟B(tài)；在吸附層中的氣體原子生成氣體分子；氣體分子從界面上脫附；氣體分子擴(kuò)散進(jìn)入大氣或精煉氣泡內(nèi)，精煉氣泡上浮到鋁液表面進(jìn)入大氣。除氣動(dòng)力學(xué)除氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程大致經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)階段：除氣動(dòng)力學(xué)22除氣動(dòng)力學(xué)（續(xù)）

提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，可降低氣體最終濃度，提高精煉效果。

應(yīng)減少精煉氣泡直徑，增加氣泡與鋁液接觸時(shí)間，在不致使溶液表面強(qiáng)烈翻騰而造成吸氣氧化條件下，加強(qiáng)攪拌，以增大k值。采用高純度惰性氣體或不溶于鋁液的活性氣體及真空除氣，使Cms趨于0，改善除氣條件等。除氣的動(dòng)力學(xué)方程Cm－時(shí)間t時(shí)鋁液內(nèi)氫濃度；

Cms－氣液界面層氫濃度；Cm0－鋁液內(nèi)氫的原始濃度；k－傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；A－表面積；V－鋁液的容積；除氣動(dòng)力學(xué)（續(xù)）提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，23

從熱力學(xué)角度，精煉溫度應(yīng)低些為好；

從動(dòng)力學(xué)角度，精煉溫度希望高些，以降低熔體粘度。精煉溫度鋁液的粘度一般較小，故以降低精煉溫度為宜。從熱力學(xué)角度，精煉溫度應(yīng)低些為好；精煉溫度鋁液的粘度一般較24氣泡在鋁液中與固體夾雜相遇時(shí)會(huì)發(fā)生能量變化；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)自發(fā)變化的條件時(shí)能量必須降低；由于夾雜被氣泡自動(dòng)吸附滿足的自由能變化量△F﹤0；所以鋁液中的Al2O3夾雜能自動(dòng)吸附在氣泡上，而被帶出液面。氣泡除夾雜的原理氣泡在鋁液中與固體夾雜相遇時(shí)會(huì)發(fā)生能量變化；氣泡除夾雜的原理25鋁液精煉工藝吸附精煉非吸附精煉浮游法溶劑法過(guò)濾法真空精煉超聲波處理通氮精煉通氬精煉通氯精煉氯鹽精煉三氣混合氣精煉固體無(wú)公害精煉劑固體三氣精煉塊噴粉精煉按作用機(jī)理可分為吸附精煉和非吸附精煉。鋁液精煉工藝吸附精煉非吸附精煉浮游法溶劑法過(guò)濾法真空精煉超聲26概念：在鋁液中吹入氣體或產(chǎn)生氣體，利用氣泡在鋁液中的浮升，將氫及夾雜排出液面。原理：鋁液內(nèi)氣泡中氫的分壓起始為零，鋁液中的溶解氫即在氫壓力差驅(qū)動(dòng)下不斷進(jìn)入氣泡，隨氣泡很快逸入大氣。精煉方法：包括氯鹽精煉、硝酸鹽精煉、吹惰性或活性氣體精煉等。一浮游法概念：一浮游法27通氮精煉設(shè)鋁液中Al2O3夾雜物被氮?dú)馀菸胶螅舜讼嘟佑|的面積為S，則吸附后在面積S上所具有的表面自由能F2可用下式表示

σG-I－氣泡與Al2O3夾雜物之間的表面自由能，即表面張力

吸附前Al2O3、氮?dú)馀荻寂c鋁液接觸，但彼此不相接觸，故吸附前面積S上的表面自由能可用下式表示F1

σM-I－鋁液與Al2O3夾雜物之間的表面自由能；

σM-G－鋁液與氣泡之間的表面自由能。通氮精煉設(shè)鋁液中Al2O3夾雜物被氮?dú)馀菸胶螅舜讼嘟佑|的28通氮精煉（續(xù)）根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)表面能降低的方向，即為過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行的方向。故Al2O3夾雜物自動(dòng)吸附在氮?dú)馀萆蠎?yīng)滿足即有（13-40）由于鋁液與Al2O3夾雜物之間互不潤(rùn)濕，其接觸角，由右圖有因表面張力均為正值，故式（13-40）成立，即鋁液中的Al2O3夾雜物能自動(dòng)吸附于氮?dú)馀?，被帶出液面。通氮精煉（續(xù)）根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)表面能降低的方向，即為29通氮精煉（續(xù)）鋁液內(nèi)的氮?dú)馀葜袣浞謮簆H2=0，氫即在氫壓力差的驅(qū)動(dòng)下自鋁液擴(kuò)散進(jìn)入氮?dú)馀?。這一過(guò)程直至氮?dú)馀葜械臍浞謮汉弯X液內(nèi)的氫分壓相平衡時(shí)才會(huì)停止。氮?dú)馀萆仙龝r(shí)能同時(shí)帶走Al2O3夾雜物及氫氣。通氮溫度應(yīng)控制在710～720℃，溫度過(guò)低，降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，溫度過(guò)高，將生成大量AlN夾雜，同樣污染鋁液。要求使用的氮?dú)庵泻趿康陀?.03％，含水量低于0.3g/m3。鎂比鋁更易和氮反應(yīng)，生成Mg3N2夾雜，因此鋁鎂合金不希望用氮?dú)饩珶?。通氮精煉（續(xù)）鋁液內(nèi)的氮?dú)馀葜袣浞謮簆H2=0，氫即在氫壓力30通氬精煉工業(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℃。氬的密度比氧大，通氬精煉時(shí)，較重的氬氣富集在鋁熔池表面，能保護(hù)鋁液，防止和爐氣反應(yīng)，故凈化效果較好。Al-Si合金加Sr變質(zhì)后，如用氯鹽精煉，生成SrCl2，變質(zhì)失效，必須通氬精煉。通氬精煉工業(yè)用氬氣瓶中含氧量較低，在0.005％～0.05％31向鋁液中通入氯氣，可以較有效的起精煉作用。

2Al+3Cl2=2AlCl3↑ΔH=-1591.8KJH2+Cl2=2HCl↑

ΔH=-184.2KJ

反應(yīng)生成物都是氣態(tài)，不溶于鋁，和未發(fā)生反應(yīng)的氯氣都成氣泡起精煉作用，因此精煉效果比通氮甚至通氬明顯。通氯精煉精煉使用的氯氣含水量應(yīng)控制在0.08％以下；氯氣是劇毒氣體，要防止其泄漏；通風(fēng)良好；通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力學(xué)性能，故多改用氮－氯聯(lián)合精煉。向鋁液中通入氯氣，可以較有效的起精煉作用。通氯精煉精煉使用的32

常用的氯鹽有ZnCl2、MnCl2、C2Cl6、CCl4、TiCl4等氯鹽在鋁液中發(fā)生下列反應(yīng)：

3MeCl2+2Al=3Me+nAlCl3↑

反應(yīng)產(chǎn)物在鋁液中形成大量無(wú)氫氣泡，起精煉作用。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低；有較好的除氣效果，但除夾雜能力較差；清渣能力強(qiáng)，渣易與鋁液分開(kāi)。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒的腐蝕性氯化物氣體。氯鹽精煉常用的氯鹽有ZnCl2、MnCl2、C2Cl6、CCl33六氯乙烷精煉C2Cl6加入鋁液后，發(fā)生反應(yīng)：

C2Cl6→C2Cl4+Cl2↑

2Al+3Cl2

→2AlCl3↑

3C2Cl6+2Al

→3C2Cl4+2AlCl3

↑

產(chǎn)生的Cl2在鋁液中可繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生氣體AlCl3和HCl，還可能有未全反應(yīng)的Cl2、C2Cl4,都會(huì)成為氣泡起精煉作用。氯鹽精煉（續(xù)）六氯乙烷精煉氯鹽精煉（續(xù)）34精煉工藝六氯乙烷的用量及精煉溫度與合金成分有關(guān)。不含鎂的鋁合金加入量為0.2～0.5％（占鋁液量），精煉溫度為700～720℃

；含鎂的合金用量為0.3～0.75％，精煉溫度為730～750℃

。優(yōu)點(diǎn)：不吸濕，精煉效果很好，操作較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒煙霧，污染環(huán)境。氯鹽精煉（續(xù)）精煉工藝氯鹽精煉（續(xù)）35各氯鹽精煉劑的特點(diǎn)ZnCl2：強(qiáng)烈吸水，使用前重熔脫水，澆成薄片，150-250℃下保存?zhèn)溆谩Ｆ鋬r(jià)格便宜，精煉效果一般，鋁液中附加鋅。MnCl2：吸水較小，但使用前仍需在200-250℃下烘3-5小時(shí)，精煉效果一般，鋁液中附加錳。C2Cl6：產(chǎn)生兩類氣泡，精煉效果好。但產(chǎn)生氯氣和C2Cl4有害氣體。應(yīng)用較多。各氯鹽精煉劑的特點(diǎn)ZnCl2：強(qiáng)烈吸水，使用前重熔脫水，澆成36三氣混合氣精煉

三種氣體是Cl2、CO、N2，配比是15：11：74，經(jīng)混合吹入鋁液，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng)：

Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O23/2O2+3CO→3CO2Al2O3+3Cl2+3CO→2AlCl3+3CO2優(yōu)點(diǎn)：其凈化效果與使用C2Cl6的相當(dāng)，而精煉時(shí)間可縮短近一半，污染程度減輕。缺點(diǎn)：配備一套較復(fù)雜的三氣發(fā)生裝置及輸送管道。三氣混合氣精煉三種氣體是Cl2、CO、N2，配比是37

4NaNO3+5C=2Na2CO3+2N2↑+3CO2↑

上浮的N2、CO2氣泡起精煉作用。

精煉工藝：精煉劑的用量為0.3-0.5%，鐘罩壓入。

效果：

經(jīng)使用證實(shí)確有去氣效果，但鋁液易氧化，夾雜含量較多。固體無(wú)公害精煉劑（煤粉和硝酸鈉）4NaNO3+5C=2Na2CO3+2N2↑+3CO238固體三氣精煉塊無(wú)公害的基礎(chǔ)上，加入C2Cl6，形成AlCl3、N2、C2Cl4及CO2，凈化效果優(yōu)于無(wú)公害精煉劑。特點(diǎn)：在鋁液內(nèi)的上浮時(shí)間較長(zhǎng)，提高了C2Cl6的利用率，污染程度較小。但壓塊前攪拌不均勻，凈化效果不穩(wěn)定。固體三氣精煉塊無(wú)公害的基礎(chǔ)上，加入C2Cl6，形成AlCl339噴粉精煉當(dāng)氣泡被Al2O3包覆時(shí)，妨礙氫向氣泡擴(kuò)散，粉狀熔劑與惰性氣體一塊吹入時(shí)，熔化后包圍在氣泡表面，將氧化膜溶解、破碎，有利于氫向氣泡內(nèi)擴(kuò)散。噴粉精煉當(dāng)氣泡被Al2O3包覆40鋁鎂類合金必須在熔劑保護(hù)下熔煉；合金中含鎂多，不宜用氯或氯鹽精煉。分類一是覆蓋熔劑，只起隔離保護(hù)作用；二是覆蓋精煉熔煉劑，兼有保護(hù)和精煉作用。二熔劑法鋁鎂類合金必須在熔劑保護(hù)下熔煉；合金中含鎂多，不宜用氯或氯鹽41熔劑法機(jī)理：通過(guò)吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進(jìn)入熔渣中，達(dá)到除渣、除氣的目的。凈化效果好，尤其是熔煉Al-Mg類合金或重熔切削、碎料時(shí)，必須采用熔劑法。對(duì)熔劑的要求不與鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不相互溶解。熔點(diǎn)低于精煉溫度，流動(dòng)性好，容易在鋁液表面形成連續(xù)的覆蓋層保護(hù)鋁液，最好熔點(diǎn)高于澆注溫度，便于扒渣清除。能吸附、溶解、破碎Al2O3夾雜。來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。熔劑法機(jī)理：通過(guò)吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上42熔劑法（續(xù)）熔劑的工藝性能主要決定于熔劑的表面性能，包括覆蓋性能：即鋪開(kāi)性，指熔劑在鋁液表面自動(dòng)鋪開(kāi)，形成連續(xù)覆蓋層的能力。分離性能：指熔劑與鋁液自動(dòng)分離的性能，分離性能越好，扒渣容易、熔劑不容易混入鋁液內(nèi)澆入鑄件中，不會(huì)引起熔劑夾渣。精煉性能：指熔劑吸附、溶解、破碎鋁液內(nèi)氧化夾雜的能力，即除渣、除氣的凈化能力。熔劑法（續(xù)）熔劑的工藝性能主要決定于熔劑的表面性能，包括43熔劑工藝性能的綜合分析熔劑工藝性能σF-MσF-GσF-IσM-IσM-G覆蓋性能小小大分離性能大小小精煉性能大小大σF-M－熔劑－鋁液間的表面自由能；σF-G－熔劑－爐氣間的表面自由能；σF-I－熔劑－氧化夾雜間表面自由能；σM-I－鋁液－氧化夾雜間表面自由能；σM-G－鋁液－爐氣間的表面自由能；σF-G、σF-I越小，能同時(shí)獲得良好的覆蓋、分離及精煉性能，因此要選擇表面張力小的熔劑；σM-I越大，精煉性能越好，如能加入增大潤(rùn)濕角的元素，將提高熔劑的精煉能力；σM-G越大，覆蓋性能越好。鋁液中加入Li、Ca、Mg、Bi等元素會(huì)降低

σM-G，使熔劑的覆蓋性能變差，Cu、Si、Zn、Fe、Mn、Ni等則基本無(wú)影響。另，覆蓋性能和分離性能對(duì)σM-G

的要求是矛盾的，選擇時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。覆蓋、分離及精煉三種性能對(duì)σF-M的要求不一，為便于扒渣，

σF-M應(yīng)大，但σF-M超過(guò)一定值后，鋁液表面的熔劑將不能自動(dòng)鋪開(kāi)。熔劑工藝性能的綜合分析熔劑工藝性能σF-MσF-GσF-Iσ44常用熔劑及其選擇呈分子晶體結(jié)構(gòu)的熔融鹽CCl4、SiCl4、AlCl3、BiCl3等的表面張力較小，而離子融鹽LiCl、NaCl、KCl、MgCl2等具有較高的表面張力。在堿金屬鹵化物中，表面張力按LiClKCl的次序遞減。這是由于陽(yáng)離子的尺寸增大，熔劑表面的離子數(shù)目減少，表面層對(duì)熔劑內(nèi)部離子的引力也減少，因而表面張力降低。陽(yáng)離子尺寸不變，陰離子的尺寸同樣也降低熔劑的表面張力。二價(jià)的堿土金屬鹵化物MgCl2、CaCl2、BaCl2等的表面張力比堿金屬鹵化物NaCl、KCl的表面張力大。常用的熔劑組分有NaCl、NaF、KCl、Na3AlF3、NaSiF6、CaF2等，不同組分按不同配比制成熔劑。常用熔劑及其選擇呈分子晶體結(jié)構(gòu)的熔融鹽CCl4、SiCl4、45三過(guò)濾法分為兩類：一類是非活性過(guò)濾劑，如石墨塊、鎂屑磚、玻璃纖維等，依靠機(jī)械作用清除鋁液中的非金屬夾雜物；另一類是活性過(guò)濾劑，如NaF、CaF2、Na3AlF3等，除機(jī)械作用外，主要通過(guò)吸附、溶解Al2O3的作用清除氧化夾雜。三過(guò)濾法分為兩類：46三過(guò)濾法（續(xù)）常見(jiàn)的過(guò)濾方法、過(guò)濾裝置有：網(wǎng)狀過(guò)濾法：使鋁液通過(guò)由玻璃纖維或耐熱金屬絲制成的網(wǎng)狀過(guò)濾器，來(lái)清除氧化夾雜。填充床過(guò)濾法：填充床由固體過(guò)濾介質(zhì)或液態(tài)熔劑組成，鋁液與過(guò)濾介質(zhì)之間有較大接觸面積。除機(jī)械擋渣作用外，過(guò)濾介質(zhì)與夾雜之間還有溶解、吸附作用，凈化效果較好。三過(guò)濾法（續(xù)）常見(jiàn)的過(guò)濾方法、過(guò)濾裝置有：47四稀土精煉機(jī)理：稀土與氫形成穩(wěn)定的REH2，以固體形式吸收鋁液中大量的氫，降低含氫量，消除針孔。最佳加入量及“潛伏期”：0.2％~0.3%為最佳添加量；稀土加入鋁液后，需靜置一定時(shí)間，使其擴(kuò)散均勻。加入形式：有三種，即純稀土、Al-RE中間合金及稀土化合物。純稀土價(jià)格貴，潛伏期長(zhǎng)，加入量不易控制，較少采用。應(yīng)用范圍：最適用的是Al-Si類合金，它在消除針孔的同時(shí)細(xì)化共晶硅。四稀土精煉機(jī)理：稀土與氫形成穩(wěn)定的REH2，以固體形式吸收48依靠其它物理作用的精煉方法，統(tǒng)稱為非吸附精煉。其特點(diǎn)是同時(shí)對(duì)全部鋁液起精煉作用。真空精煉將鋁液置于真空室內(nèi)，在一定的溫度下靜置，鋁液中的氫或因溫度下降引起溶解度降低，或因含氫量超過(guò)溶解度，氫自動(dòng)從鋁液中呈氣泡排出并帶走氧化夾雜。超聲波處理向鋁液中通入彈性波時(shí)，會(huì)在鋁液內(nèi)形成“空穴”現(xiàn)象，破壞鋁液的連續(xù)性，形成無(wú)數(shù)顯微空穴，氫原子便滲入空穴中形核長(zhǎng)大成氣泡上浮，并帶走氧化夾雜。非吸附精煉依靠其它物理作用的精煉方法，統(tǒng)稱為非吸附精煉。其特點(diǎn)是同時(shí)對(duì)491）氣體含量的檢驗(yàn)

常壓凝固試樣：鋁液澆入φ（40-50）mm×（20-30）mm、預(yù)熱200℃的鑄型中，刮去表面氧化皮，觀察表面形貌，看凝固過(guò)程中是否冒泡。含氣斷口分析：圓點(diǎn)狀白點(diǎn)（點(diǎn)狀針孔）；片狀白點(diǎn)（網(wǎng)狀針孔）。減壓凝固試樣在0.65-6.5kPa壓力下，觀察100克鋁液表面的冒氣情況。若試樣不凸起，凈化效果好，若表面凸起冒泡，說(shuō)明凈化效果差。減壓凝固標(biāo)準(zhǔn)試樣：測(cè)量試樣的密度

精煉效果的檢驗(yàn)（一）爐前檢測(cè)1）氣體含量的檢驗(yàn)精煉效果的檢驗(yàn)（一）爐前檢測(cè)50精煉效果的檢驗(yàn)（續(xù)）2）氧化夾雜的檢測(cè)污染度測(cè)定法

將圓柱形φ（30-50）mm×（100-120）mm試樣熱軋成厚20-30mm的圓餅，觀察其橫斷面的氧化皮的面積。

η=S1/S%S1—斷口中氧化皮所占面積，cm2

S---試樣斷口面積，cm2溴—甲醇法

在一定溫度下，將試樣溶解于溴—甲醇溶液中，除Si外，鋁及其它合金元素都能生成溴化物而溶解于甲醇中。將溶液過(guò)濾，分離出Si、Al2O3等不溶物，將其烘干，灰化，稱重，扣除Si量和濾紙質(zhì)量，即得氧化夾雜的質(zhì)量。定量金相法制金相試樣，測(cè)30-50個(gè)視場(chǎng)，利用定量分析軟件分析夾雜物的面積或體積百分比。適用于第一類氧化夾雜精煉效果的檢驗(yàn)（續(xù)）2）氧化夾雜的檢測(cè)適用于第一類氧化夾雜51（二）成品檢測(cè)1.低倍組織檢測(cè)試樣表面磨光或精刨后，用12%NaOH溶液室溫腐蝕3-5min，顯示針孔，根據(jù)針孔大小，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定級(jí)。2.X光透照檢驗(yàn)

X射線對(duì)金屬基體和缺陷的穿透力不同，顯示孔洞等缺陷。（二）成品檢測(cè)1.低倍組織檢測(cè)52鋁合金熔煉小結(jié)各種工藝措施概括為“防”“排”“溶”“防”就是嚴(yán)防水汽及各種含氣臟物混入鋁液中；“排”就是通過(guò)精煉，清除氧化夾雜和氣體，除渣是除氣的基礎(chǔ)；“溶”就是利用快速凝固，或增大凝固時(shí)的結(jié)晶壓力，使鋁液中的氫全部固溶于鋁鑄件內(nèi)。嚴(yán)格遵循“以防為主”的原則鋁合金熔煉小結(jié)各種工藝措施概括為“防”“排”“溶”53

第十三章鑄造鋁合金熔煉

鋁合金的精煉原理鋁液的精煉工藝鋁合金組織控制鑄造鋁合金熔煉工藝第十三章鑄造鋁合金熔煉鋁合金的精煉原理54概述鋁合金熔煉的內(nèi)容包括配料計(jì)算、爐料處理，熔煉設(shè)備的選用、熔煉工具處理及熔煉工藝過(guò)程控制。熔煉工藝過(guò)程控制的內(nèi)容包括正確的加料次序，嚴(yán)格控制熔煉溫度和時(shí)間、實(shí)現(xiàn)快速熔煉、效果顯著的鋁液凈化處理和變質(zhì)處理及掌握可靠的鋁液爐前質(zhì)量檢測(cè)手段等。熔煉工藝過(guò)程控制的目的是獲得高質(zhì)量的能滿足要求的鋁液：化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，合金液成分均勻；合金液純凈，氣體、氧化夾雜、熔劑夾雜含量低；需要變質(zhì)處理的合金液，變質(zhì)效果良好。因熔煉工藝過(guò)程控制不嚴(yán)而產(chǎn)生的廢品中，主要原因是合金液中的氣體、氧化夾雜、熔劑夾渣未清除所引起。概述鋁合金熔煉的內(nèi)容包括配料計(jì)算、爐料處理，熔煉設(shè)備的選55鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響針孔：分布在整個(gè)鑄件截面上，因鋁液中的氣體、夾雜含量高、精煉效果差、鑄件凝固速度低而引起。點(diǎn)狀針孔：呈圓點(diǎn)狀輪廓清晰且互不相連，易和縮孔、縮松相區(qū)別。由鑄件凝固時(shí)析出的氣泡所形成，多發(fā)生于結(jié)晶溫度范圍小、補(bǔ)縮能力良好的鑄件中。網(wǎng)狀針孔：呈密集相連成網(wǎng)狀，伴有少數(shù)較大的孔洞。結(jié)晶溫度范圍寬的合金，鑄件緩慢凝固時(shí)析出的氣體分布在晶界上及發(fā)達(dá)的枝晶間隙中，此時(shí)結(jié)晶骨架已形成，補(bǔ)縮通道被堵，便在晶界上及枝晶間隙中形成網(wǎng)狀針孔。它會(huì)割裂合金基體，危害性比前者大?；旌闲歪樋祝河牲c(diǎn)狀針孔和網(wǎng)狀針孔混雜在一起，常見(jiàn)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻的鑄件中。鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響針孔：分布在整個(gè)鑄件截面56針孔分級(jí)針孔可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分等級(jí)，等級(jí)越差，鑄件的力學(xué)性能越低，抗蝕性能和表面質(zhì)量越差。針孔分級(jí)針孔可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分等級(jí)，等級(jí)越差，鑄件的力學(xué)性能越低57鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響（續(xù)）皮下針孔

氣孔位于鑄件表皮下面，因鋁液和鑄型中水分反應(yīng)產(chǎn)生氣體所成，一般和鋁液質(zhì)量無(wú)關(guān)。單個(gè)大氣孔

產(chǎn)生的原因是由于鑄件工藝設(shè)計(jì)不合理，如鑄型或型芯排氣不暢，或由于操作不小心，如澆注時(shí)堵死氣眼，型腔中的氣體被憋在鑄件中引起。鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)鑄件性能的影響（續(xù)）皮下針孔58鋁鑄件中氧化夾雜的形態(tài)及對(duì)鑄件性能影響一次氧化夾雜：澆注前鋁液中存在的氧化夾雜，總量約占鋁液質(zhì)量的0.002％～0.02％。按形態(tài)可分為兩類：第一類是分布不均勻的大塊夾雜物，其危害性極大，使合金基體不連續(xù)，引起鑄件滲漏或成為腐蝕的根源，明顯降低鑄件力學(xué)性能；第二類夾雜呈彌散狀，在低倍顯微組織中不易發(fā)現(xiàn)，鑄件凝固時(shí)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(shí)徹底清除。二次氧化夾雜：在澆注過(guò)程中形成，多分布在鑄件壁的轉(zhuǎn)角處及最后凝固的部位。氧化夾雜分為兩類鋁鑄件中氧化夾雜的形態(tài)及對(duì)鑄件性能影響一次氧化夾雜：澆注前鋁59鋁液中氣體和氧化夾雜的來(lái)源氫氣來(lái)源：潮濕、帶油污的爐料、Al2O3表面吸附水汽及氫，攪拌時(shí)帶入鋁液；鋁液表面吸附水。氧化夾雜來(lái)源：表面氧化膜、空氣、水汽等被攪入鋁液中。鋁液中氣體和氧化夾雜的來(lái)源氫氣來(lái)源：60鋁與氧的親和力很大，極易氧化，4Al+3O2=2Al2O3。表面生成致密的氧化鋁膜，可阻止繼續(xù)氧化。在通常大氣（濕度較大）中鋁的熔煉溫度下γ-Al2O3膜常會(huì)含1-2﹪H2O和H2，熔煉時(shí)若氧化皮被攪入鋁液，即起Al-H2O反應(yīng)。合金元素對(duì)鋁的氧化有一定的影響，在這類合金中加入少量的鈹（0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。為了防止鋁-氧劇烈反應(yīng)，大多數(shù)鋁合金的熔煉溫度控制在750℃以下。鋁-氧反應(yīng)鋁與氧的親和力很大，極易氧化，4Al+3O2=2Al2O3。61鋁-水氣反應(yīng)

2Al(OH)3→Al2O3+3H2O

2Al+3H2O→Al2O3+6[H]

鋁和水氣的反應(yīng)Al(OH)3

在400℃的條件下將進(jìn)一步反應(yīng)2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑Al2O3成氧化夾雜，氫則溶于鋁液，增加氣體含量。鋁液中的氫和氧化夾雜主要來(lái)源于鋁液與爐氣中水氣的反應(yīng)。鋁-水氣反應(yīng)2Al(OH62在含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較顯著地阻緩鋁－水蒸氣反應(yīng)。含鎂、鈉等元素較多的鋁合金，常使鋁－水氣反應(yīng)激烈進(jìn)行。升溫時(shí)鋁－水氣反應(yīng)速度大為加快，這說(shuō)明限制熔煉溫度及澆注溫度的必要性。水氣來(lái)源于爐料、熔劑、精煉變質(zhì)劑、爐氣（大氣）及熔煉澆注工具。特別是銹蝕的鋁料，甚至經(jīng)過(guò)吹砂清理，仍會(huì)增加鋁液的含氫量。鋁-水氣反應(yīng)（續(xù)）在含硅、銅、鋅等元素的鋁合金，能較顯著地阻緩鋁－水蒸氣反應(yīng)。63

鋁—有機(jī)物反應(yīng)也是鋁液吸氫的原因之一；最可能的有機(jī)物是爐料、工具被油脂沾污。

4/3mAl+CmHn→m/3Al4C3+n[H]

鋁—有機(jī)物反應(yīng)C和H構(gòu)成的烴類鋁—有機(jī)物反應(yīng)也是鋁液吸氫的原因之一；最可能的有機(jī)64

能溶解于鋁合金的氣體主要是氫（其余是少量的CO等）；氫主要來(lái)自鋁-水氣反應(yīng)，在熔煉中由于該反應(yīng)不可避免地將氫帶入鋁液；鋁液中氫的溶解度不大，很易為氫所飽和；雖然在熔煉中可采用精煉除氫，但仍會(huì)殘留一部分，而且鋁液凝固時(shí)氫的溶解度變化的相對(duì)值很大。鋁合金中的氣體能溶解于鋁合金的氣體主要是氫（其余是少量的CO等）；鋁合金65鑄造鋁合金熔煉原理課件66

在熔鑄過(guò)程中，如將表面氧化膜或空氣攪入鋁液，或?qū)⑽降腍2O帶入鋁液，均將在其中產(chǎn)生γ－Al2O3夾雜物，懸浮在鋁液中，而在澆注的鑄件中形成氧化夾雜物。實(shí)踐證明，鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越高。并且氧化夾雜物提供了氣泡成核的現(xiàn)成界面，促使鑄件針孔的形成。所以，鋁液中Al2O3和氫之間有著十分密切的關(guān)系。氧化物夾渣在熔鑄過(guò)程中，如將表面氧化膜或空氣攪入鋁液，或?qū)⑽降腍267§13-2鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)

§13-2鋁合金熔煉工藝原理和技術(shù)68鋁液吸氫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程氫分子撞擊鋁液表面氫分子在鋁液表面離解為氫原子氫原子吸附于鋁液表面氫原子通過(guò)擴(kuò)散溶入鋁液中

2H→2[H]

擴(kuò)散速度取決于擴(kuò)散系數(shù)D

D=KpH21/2exp(-△H/2RT)鋁液吸氫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程氫分子撞擊鋁液表面69鋁合金的凈化（精煉）原理氫在鋁液中的溶解度[H]=K0pH21/2exp(-△H/2RT)當(dāng)溫度不變時(shí)

式中[H]-溶于鋁中氫的濃度；Ks-氫的溶解度系數(shù)；T-熱力學(xué)溫度；A、B-常數(shù)，對(duì)鋁合金而言，不同的合金類和不同的成分，其數(shù)值各不相同。氣體溶解度的Sieverts西華特定律鋁合金的凈化（精煉）原理氫在鋁液中的溶解度氣體溶解度的Sie70氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響1)室溫下生成表面膜由少量結(jié)晶態(tài)γ-Al2O3和非晶態(tài)Al2O3混合物組成。2)500--900℃:Al+O2=Al2O3(γ)---致密氧化膜>900℃:Al2O3(γ)→Al2O3(α)—疏松膜

γ-Al2O3

具有兩面性：①和鋁液接觸的一面是致密的，可阻礙鋁液的氧化和吸氣；②和爐氣接觸的那面卻是粗糙、疏松的，其表面小孔吸附著水汽和氫，攪動(dòng)鋁液時(shí)，γ-Al2O3將水汽和氫帶入鋁液，鋁液氧化生成夾雜物、吸入氫氣。氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響1)室溫下生成表面膜由少量71氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響（續(xù)）η-Al2O3

、γ-Al2O3在600-700℃范圍內(nèi)吸附水汽和氫的能力最強(qiáng)，因此，鋁液中的氫有兩種形式：溶解氫和吸附在氧化夾雜縫隙中的氫，前者約占90％以上，后者約占10％以下。故鋁液中的氧化夾雜越多，則含氫量也越高。鋁液中卷入Al2O3

夾雜，既增加了含氫量，吸附H2的Al2O3又是溫度下降時(shí)氣泡形核的基底，容易在鑄件中形成氣孔。為消除鋁鑄件中的氣孔，應(yīng)遵循“除雜為主，除氣為輔”、“除雜是除氣的基礎(chǔ)”的原則。氧化鋁的形態(tài)、性能及對(duì)吸氫的影響（續(xù)）η-Al2O3、γ-72元素

Zn

Si

Cu﹤20%

Mg

TiMn﹤0.1%Ni

Be鋁中氫量變化

減少減少減少增加增加無(wú)影響增加減少合金元素對(duì)鋁液吸氫的影響注：鋁液中加Mg、Na、Ca，形成疏松MeO膜,如Mg>1.0%,生成疏松MgO,加入003-0.07%Be使氧化膜致密。熔煉溫度<750℃。元素ZnSiCu﹤20%MgTiMn﹤0.1%N73

應(yīng)盡量降低鋁液表面上的氫分壓，為此可采用真空處理。

向鋁液中吹入氣體，以在其內(nèi)形成氫分壓起始為零的氣泡來(lái)降低含氫量。

溫度的降低作用是有限的。除氫熱力學(xué)應(yīng)盡量降低鋁液表面上的氫分壓，為此可采用真空處理。除氫熱力74除氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程大致經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)階段：氣體原子從鋁液內(nèi)部向表面或精煉氣泡界面遷移；氣體原子從溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲綘顟B(tài)；在吸附層中的氣體原子生成氣體分子；氣體分子從界面上脫附；氣體分子擴(kuò)散進(jìn)入大氣或精煉氣泡內(nèi)，精煉氣泡上浮到鋁液表面進(jìn)入大氣。除氣動(dòng)力學(xué)除氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程大致經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)階段：除氣動(dòng)力學(xué)75除氣動(dòng)力學(xué)（續(xù)）

提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，可降低氣體最終濃度，提高精煉效果。

應(yīng)減少精煉氣泡直徑，增加氣泡與鋁液接觸時(shí)間，在不致使溶液表面強(qiáng)烈翻騰而造成吸氣氧化條件下，加強(qiáng)攪拌，以增大k值。采用高純度惰性氣體或不溶于鋁液的活性氣體及真空除氣，使Cms趨于0，改善除氣條件等。除氣的動(dòng)力學(xué)方程Cm－時(shí)間t時(shí)鋁液內(nèi)氫濃度；

Cms－氣液界面層氫濃度；Cm0－鋁液內(nèi)氫的原始濃度；k－傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；A－表面積；V－鋁液的容積；除氣動(dòng)力學(xué)（續(xù)）提高比表面積，增大傳質(zhì)系數(shù)，延長(zhǎng)作用時(shí)間，76

從熱力學(xué)角度，精煉溫度應(yīng)低些為好；

從動(dòng)力學(xué)角度，精煉溫度希望高些，以降低熔體粘度。精煉溫度鋁液的粘度一般較小，故以降低精煉溫度為宜。從熱力學(xué)角度，精煉溫度應(yīng)低些為好；精煉溫度鋁液的粘度一般較77氣泡在鋁液中與固體夾雜相遇時(shí)會(huì)發(fā)生能量變化；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)自發(fā)變化的條件時(shí)能量必須降低；由于夾雜被氣泡自動(dòng)吸附滿足的自由能變化量△F﹤0；所以鋁液中的Al2O3夾雜能自動(dòng)吸附在氣泡上，而被帶出液面。氣泡除夾雜的原理氣泡在鋁液中與固體夾雜相遇時(shí)會(huì)發(fā)生能量變化；氣泡除夾雜的原理78鋁液精煉工藝吸附精煉非吸附精煉浮游法溶劑法過(guò)濾法真空精煉超聲波處理通氮精煉通氬精煉通氯精煉氯鹽精煉三氣混合氣精煉固體無(wú)公害精煉劑固體三氣精煉塊噴粉精煉按作用機(jī)理可分為吸附精煉和非吸附精煉。鋁液精煉工藝吸附精煉非吸附精煉浮游法溶劑法過(guò)濾法真空精煉超聲79概念：在鋁液中吹入氣體或產(chǎn)生氣體，利用氣泡在鋁液中的浮升，將氫及夾雜排出液面。原理：鋁液內(nèi)氣泡中氫的分壓起始為零，鋁液中的溶解氫即在氫壓力差驅(qū)動(dòng)下不斷進(jìn)入氣泡，隨氣泡很快逸入大氣。精煉方法：包括氯鹽精煉、硝酸鹽精煉、吹惰性或活性氣體精煉等。一浮游法概念：一浮游法80通氮精煉設(shè)鋁液中Al2O3夾雜物被氮?dú)馀菸胶?，彼此相接觸的面積為S，則吸附后在面積S上所具有的表面自由能F2可用下式表示

σG-I－氣泡與Al2O3夾雜物之間的表面自由能，即表面張力

吸附前Al2O3、氮?dú)馀荻寂c鋁液接觸，但彼此不相接觸，故吸附前面積S上的表面自由能可用下式表示F1

σM-I－鋁液與Al2O3夾雜物之間的表面自由能；

σM-G－鋁液與氣泡之間的表面自由能。通氮精煉設(shè)鋁液中Al2O3夾雜物被氮?dú)馀菸胶螅舜讼嘟佑|的81通氮精煉（續(xù)）根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)表面能降低的方向，即為過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行的方向。故Al2O3夾雜物自動(dòng)吸附在氮?dú)馀萆蠎?yīng)滿足即有（13-40）由于鋁液與Al2O3夾雜物之間互不潤(rùn)濕，其接觸角，由右圖有因表面張力均為正值，故式（13-40）成立，即鋁液中的Al2O3夾雜物能自動(dòng)吸附于氮?dú)馀?，被帶出液面。通氮精煉（續(xù)）根據(jù)熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)表面能降低的方向，即為82通氮精煉（續(xù)）鋁液內(nèi)的氮?dú)馀葜袣浞謮簆H2=0，氫即在氫壓力差的驅(qū)動(dòng)下自鋁液擴(kuò)散進(jìn)入氮?dú)馀?。這一過(guò)程直至氮?dú)馀葜械臍浞謮汉弯X液內(nèi)的氫分壓相平衡時(shí)才會(huì)停止。氮?dú)馀萆仙龝r(shí)能同時(shí)帶走Al2O3夾雜物及氫氣。通氮溫度應(yīng)控制在710～720℃，溫度過(guò)低，降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，溫度過(guò)高，將生成大量AlN夾雜，同樣污染鋁液。要求使用的氮?dú)庵泻趿康陀?.03％，含水量低于0.3g/m3。鎂比鋁更易和氮反應(yīng)，生成Mg3N2夾雜，因此鋁鎂合金不希望用氮?dú)饩珶?。通氮精煉（續(xù)）鋁液內(nèi)的氮?dú)馀葜袣浞謮簆H2=0，氫即在氫壓力83通氬精煉工業(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℃。氬的密度比氧大，通氬精煉時(shí)，較重的氬氣富集在鋁熔池表面，能保護(hù)鋁液，防止和爐氣反應(yīng)，故凈化效果較好。Al-Si合金加Sr變質(zhì)后，如用氯鹽精煉，生成SrCl2，變質(zhì)失效，必須通氬精煉。通氬精煉工業(yè)用氬氣瓶中含氧量較低，在0.005％～0.05％84向鋁液中通入氯氣，可以較有效的起精煉作用。

2Al+3Cl2=2AlCl3↑ΔH=-1591.8KJH2+Cl2=2HCl↑

ΔH=-184.2KJ

反應(yīng)生成物都是氣態(tài)，不溶于鋁，和未發(fā)生反應(yīng)的氯氣都成氣泡起精煉作用，因此精煉效果比通氮甚至通氬明顯。通氯精煉精煉使用的氯氣含水量應(yīng)控制在0.08％以下；氯氣是劇毒氣體，要防止其泄漏；通風(fēng)良好；通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力學(xué)性能，故多改用氮－氯聯(lián)合精煉。向鋁液中通入氯氣，可以較有效的起精煉作用。通氯精煉精煉使用的85

常用的氯鹽有ZnCl2、MnCl2、C2Cl6、CCl4、TiCl4等氯鹽在鋁液中發(fā)生下列反應(yīng)：

3MeCl2+2Al=3Me+nAlCl3↑

反應(yīng)產(chǎn)物在鋁液中形成大量無(wú)氫氣泡，起精煉作用。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，成本低；有較好的除氣效果，但除夾雜能力較差；清渣能力強(qiáng)，渣易與鋁液分開(kāi)。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒的腐蝕性氯化物氣體。氯鹽精煉常用的氯鹽有ZnCl2、MnCl2、C2Cl6、CCl86六氯乙烷精煉C2Cl6加入鋁液后，發(fā)生反應(yīng)：

C2Cl6→C2Cl4+Cl2↑

2Al+3Cl2

→2AlCl3↑

3C2Cl6+2Al

→3C2Cl4+2AlCl3

↑

產(chǎn)生的Cl2在鋁液中可繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生氣體AlCl3和HCl，還可能有未全反應(yīng)的Cl2、C2Cl4,都會(huì)成為氣泡起精煉作用。氯鹽精煉（續(xù)）六氯乙烷精煉氯鹽精煉（續(xù)）87精煉工藝六氯乙烷的用量及精煉溫度與合金成分有關(guān)。不含鎂的鋁合金加入量為0.2～0.5％（占鋁液量），精煉溫度為700～720℃

；含鎂的合金用量為0.3～0.75％，精煉溫度為730～750℃

。優(yōu)點(diǎn)：不吸濕，精煉效果很好，操作較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：產(chǎn)生有毒煙霧，污染環(huán)境。氯鹽精煉（續(xù)）精煉工藝氯鹽精煉（續(xù)）88各氯鹽精煉劑的特點(diǎn)ZnCl2：強(qiáng)烈吸水，使用前重熔脫水，澆成薄片，150-250℃下保存?zhèn)溆?。其價(jià)格便宜，精煉效果一般，鋁液中附加鋅。MnCl2：吸水較小，但使用前仍需在200-250℃下烘3-5小時(shí)，精煉效果一般，鋁液中附加錳。C2Cl6：產(chǎn)生兩類氣泡，精煉效果好。但產(chǎn)生氯氣和C2Cl4有害氣體。應(yīng)用較多。各氯鹽精煉劑的特點(diǎn)ZnCl2：強(qiáng)烈吸水，使用前重熔脫水，澆成89三氣混合氣精煉

三種氣體是Cl2、CO、N2，配比是15：11：74，經(jīng)混合吹入鋁液，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng)：

Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O23/2O2+3CO→3CO2Al2O3+3Cl2+3CO→2AlCl3+3CO2優(yōu)點(diǎn)：其凈化效果與使用C2Cl6的相當(dāng)，而精煉時(shí)間可縮短近一半，污染程度減輕。缺點(diǎn)：配備一套較復(fù)雜的三氣發(fā)生裝置及輸送管道。三氣混合氣精煉三種氣體是Cl2、CO、N2，配比是90

4NaNO3+5C=2Na2CO3+2N2↑+3CO2↑

上浮的N2、CO2氣泡起精煉作用。

精煉工藝：精煉劑的用量為0.3-0.5%，鐘罩壓入。

效果：

經(jīng)使用證實(shí)確有去氣效果，但鋁液易氧化，夾雜含量較多。固體無(wú)公害精煉劑（煤粉和硝酸鈉）4NaNO3+5C=2Na2CO3+2N2↑+3CO291固體三氣精煉塊無(wú)公害的基礎(chǔ)上，加入C2Cl6，形成AlCl3、N2、C2Cl4及CO2，凈化效果優(yōu)于無(wú)公害精煉劑。特點(diǎn)：在鋁液內(nèi)的上浮時(shí)間較長(zhǎng)，提高了C2Cl6的利用率，污染程度較小。但壓塊前攪拌不均勻，凈化效果不穩(wěn)定。固體三氣精煉塊無(wú)公害的基礎(chǔ)上，加入C2Cl6，形成AlCl392噴粉精煉當(dāng)氣泡被Al2O3包覆時(shí)，妨礙氫向氣泡擴(kuò)散，粉狀熔劑與惰性氣體一塊吹入時(shí)，熔化后包圍在氣泡表面，將氧化膜溶解、破碎，有利于氫向氣泡內(nèi)擴(kuò)散。噴粉精煉當(dāng)氣泡被Al2O3包覆93鋁鎂類合金必須在熔劑保護(hù)下熔煉；合金中含鎂多，不宜用氯或氯鹽精煉。分類一是覆蓋熔劑，只起隔離保護(hù)作用；二是覆蓋精煉熔煉劑，兼有保護(hù)和精煉作用。二熔劑法鋁鎂類合金必須在熔劑保護(hù)下熔煉；合金中含鎂多，不宜用氯或氯鹽94熔劑法機(jī)理：通過(guò)吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進(jìn)入熔渣中，達(dá)到除渣、除氣的目的。凈化效果好，尤其是熔煉Al-Mg類合金或重熔切削、碎料時(shí)，必須采用熔劑法。對(duì)熔劑的要求不與鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不相互溶解。熔點(diǎn)低于精煉溫度，流動(dòng)性好，容易在鋁液表面形成連續(xù)的覆蓋層保護(hù)鋁液，最好熔點(diǎn)高于澆注溫度，便于扒渣清除。能吸附、溶解、破碎Al2O3夾雜。來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。熔劑法機(jī)理：通過(guò)吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上95熔劑法（續(xù)）熔劑的工藝性能主要決定于熔劑的表面性能，包括覆蓋性能：即鋪開(kāi)性，指熔劑在鋁液表面自動(dòng)鋪開(kāi)，形成連續(xù)覆蓋層的能力。分離性能：指熔劑與鋁液自動(dòng)分離的性能，分離性能越好，扒渣容易、熔劑不容易混入鋁液內(nèi)澆入鑄件中，不會(huì)引起熔劑夾渣。精煉性能：指熔劑吸附、溶解、破碎鋁液內(nèi)氧化夾雜的能力，即除渣、除氣的凈化能力。熔劑法（續(xù)）熔劑的工藝性能主要決定于熔劑的表面性能，包括96熔劑工藝性能的綜合分析熔劑工藝性能σF-MσF-GσF-IσM-IσM-G覆蓋性能小小大分離性能大小小精煉性能大小大σF-M－熔劑－鋁液間的表面自由能；σF-G－熔劑－爐氣間的表面自由能；σF-I－熔劑－氧化夾雜間表面自由能；σM-I－鋁液－氧化夾雜間表面自由能；σM-G－鋁液－爐氣間的表面自由能；σF-G、σF-I越小，能同時(shí)獲得良好的覆蓋、分離及精煉性能，因此要選擇表面張力小的熔劑；σM-I越大，精煉性能越好，如能加入增大潤(rùn)濕角的元素，將提高熔劑的精煉能力；σM-G越大，覆蓋性能越好。鋁液中加入Li、Ca、Mg、Bi等元素會(huì)降低

σM-G，使熔劑的覆蓋性能變差，Cu、Si、Zn、Fe、Mn、Ni等則基本無(wú)影響。另，覆蓋性能和分離性能對(duì)σM-G

的要求是矛盾的，選擇時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。覆蓋、分離及精煉三種性能對(duì)σF-M的要求不一，為便于扒渣，

σF-M應(yīng)