1、第十三章 鑄造鋁合金的熔煉,概 述,熔煉工藝是鑄件生產(chǎn)過程中的一個(gè)有機(jī)組成。一個(gè) 優(yōu)質(zhì)鋁鑄件的獲得，需要有一整套優(yōu)化的鑄造方法、鑄造 工藝、熔煉工藝及澆注工藝相配合。 鋁合金熔煉的內(nèi)容包括配料計(jì)算，爐料處理，熔煉 設(shè)備選用，熔煉工具處理及熔煉工藝過程控制。,熔煉工藝過程控制的內(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。,熔煉工藝過程控制的目的是獲得高質(zhì)量的能滿足下列 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； 2) 合金液純凈，氣體、氧化夾雜、熔劑夾雜含量低； 3) 需要變質(zhì)處理的合金液，變質(zhì)良

2、好。,據(jù)統(tǒng)計(jì)因熔煉工藝過程控制不嚴(yán)而產(chǎn)生的廢品中，如 滲漏、氣孔、夾渣等，主要原因是合金液中的氣體、氧化 夾渣、熔劑夾渣未清除所引起.因此在確?；瘜W(xué)成分合格 的前提下，熔煉工藝過程控制的主要任務(wù)是提高合金液的 純凈度和變質(zhì)效果。,第一節(jié) 鋁合金液的精煉原理,精煉的目的： 清除鋁液中的氣體和各類有害雜質(zhì)，凈化鋁液，防 止在鑄件中形成氣孔和夾渣。,一、鋁鑄件中氣孔的形態(tài)及對(duì)性能的影響 1、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、鑄件凝固速度低所引起。針孔可分三種類型。 (1) 點(diǎn)狀針孔 此類針孔在低倍顯微組織中呈圓點(diǎn)狀，輪廓清晰且互不相連，能清點(diǎn)出每平方厘米面積上的針孔

3、數(shù)目并測(cè)得針孔的直徑。這類針孔容易和縮孔、縮松相區(qū)別。,點(diǎn)狀針孔由鑄件凝固時(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，如ZL102合金鑄件中。當(dāng)凝固速度較快時(shí)，離共晶成分較遠(yuǎn)的ZL105合金鑄件中也會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀針孔。 (2) 網(wǎng)狀針孔 此類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(diǎn)針孔數(shù)目，難以測(cè)量針孔的直徑，往往帶有末梢，俗稱“蒼蠅腳”。 結(jié)晶溫度寬的合金，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)縮通道被堵塞，便在晶界上及枝晶間隙中形成網(wǎng)狀針孔。,(3) 混合型針孔 此類針孔點(diǎn)狀針孔和網(wǎng)狀針孔混雜一起，常見于結(jié)

4、構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均勻的鑄件中。 針孔可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分等級(jí)，等級(jí)越差，則鑄件的力學(xué)性能越低，其抗蝕性能和表面質(zhì)量越差。當(dāng)達(dá)不到鑄件技術(shù)條件所允許的針孔等級(jí)時(shí)，鑄件將被報(bào)廢。其中網(wǎng)狀針孔割裂合金基體，危害性比點(diǎn)狀針孔大。,2、皮下氣孔 氣孔位于鑄件表皮下面，因鋁液和鑄型中水分反應(yīng)產(chǎn)生氣體所造成，一般和鋁液質(zhì)量無 關(guān)口 3、單個(gè)大氣孔 這種氣孔產(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，或者是由于操作不小心，如澆注時(shí)堵死氣眼，型腔中的氣體被憋在鑄件中所引起，也和鋁液純凈度無關(guān)。,二、鋁鑄件中氧化夾雜物形態(tài)及對(duì)性能的影響 澆注前鋁液中存在的氧化夾雜稱為一次氧化夾雜，總 量約占鋁液質(zhì)量的0.0

5、02%-0.02%。在鑄件中分布沒有規(guī) 律。 澆注過程中生成的氧化夾雜稱為二次氧化夾雜，多分 布在鑄件壁的轉(zhuǎn)角處及最后凝固的部位。,一次氧化夾雜按形態(tài)可分為二類。 第一類是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(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。,鋁合金通常在大氣中熔煉，當(dāng)鋁液和爐氣中 的N2、O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHn等接 觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化合，化分，溶解、擴(kuò)散等過程。 各種爐氣成分與鋁液反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)及反

6、 應(yīng)式列于表13-1中。,三、鋁液中氣體和夾雜物的來源,圖13-1為鋁液與各種爐氣 成分反應(yīng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)自由能的 變化。,從表13-1和圖13-1可見，除按反應(yīng)式(13-2)、(13-6) 生成Al4C3外，其余反應(yīng)都將生成Al2O3，而AlN與H2O或 O2按式(13-10)、(13-11)反應(yīng)， Al4C3與H2O或O2按式 (13-8)、(13-9)反應(yīng)又都生成Al2O3，因此，表13-1所列 眾多反應(yīng)的最終產(chǎn)物中大部分是Al2O3。 Al2O3的化學(xué)穩(wěn) 定性極高，熔點(diǎn)高達(dá)201515，在鋁液中不再分解， 是鋁鑄件中主要的氧化夾雜物。,在所有的爐氣成分中，只有氫能大量地溶解于鋁液中。 根據(jù)

7、測(cè)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。 鋁液中的氫和氧化夾雜主要來源于鋁液與爐氣中水 汽的反應(yīng)。,1、鋁和水汽的反應(yīng) 低于250時(shí)，鋁錠與大氣中的水汽接觸會(huì)產(chǎn)生下列 反應(yīng) Al+H2OAl(OH)3+H2 （13-14） Al(OH)3長(zhǎng)在鋁錠表面，組織疏松，呈粉末狀，對(duì)鋁 錠沒有保護(hù)作用，俗稱鋁銹。,用帶有鋁銹的鋁錠作爐料，升溫至400左右，鋁銹 按下式分解 Al(OH)3 Al2O3+H2O （13-15） 分解產(chǎn)物Al2O3組織疏松，能吸附水汽和氫，混入鋁 液中，增大氣體和氧化夾雜的含量，使鋁液質(zhì)量變壞。因 此鋁錠不宜儲(chǔ)存在潮濕的庫房?jī)?nèi)或在

8、雨季露天堆放。爐料 庫應(yīng)保持清潔，干燥，以防生成鋁銹。對(duì)已生成鋁銹的鋁 錠，投入熔爐前應(yīng)徹底清除鋁銹，否則即使熔煉工藝操作 很嚴(yán)格，也不易獲得高質(zhì)量的鋁液。,各種油污都是由復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锼M成，與鋁 液接觸后都會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)，生成氫氣 4/3mAl+CmHn=1/3mAl4C3+1/2nH2 (13-16) 這一反應(yīng)，也是鋁液吸氫的原因之一，故生產(chǎn)中嚴(yán)格 禁用沾有油污的爐料直接投入熔池中。事先必須進(jìn)行“堿 洗”處理，清除油污。,2、氫在鋁中的溶解度 鋁液與水汽按式(13-13)反應(yīng)生成的H2按式(13-12)溶 入鋁液中，達(dá)到平衡時(shí)有 Kp=H2/pH2 (13-17) 式中 Kp平衡常

9、數(shù)； pH2一氫分壓，Mpa； H溶于鋁中氫的濃度。,dlnKp/dT=H/RT2 (13-18) 式中 H一氫的溶解熱，J/mol; T熱力學(xué)溫度，K; R一氣體常數(shù)。 設(shè)H與溫度無關(guān)，解得 H=K0pH2 exp（-H/2RT） (13-19),當(dāng)溫度不變時(shí)， H=KspH2 (13-20) 式中 K0 常數(shù); Ks 溫度不變時(shí)的參數(shù)。 式(13-20)即為有名的Sieverts公式，說明溫度不變 時(shí)，所有雙原子的氣體溶入鋁液時(shí)都服從這個(gè)公式。如果 不服從這個(gè)公式，說明氣體和鋁相互作用，形成化合物。,溶解度方程式的工程應(yīng)用式子是它的對(duì)數(shù)式，常用符號(hào)S代表H。 （13-21）,根據(jù)不同溫度時(shí)

10、的溶解度，采用線性回歸方法，求得A、B值后，即可求得溶解熱H和常數(shù)K0。 國(guó)際上公認(rèn)的溶解度公式是用超純鋁（99.998%）在真空條件下通過實(shí)驗(yàn)獲得的。,氫在固態(tài)鋁中的溶解度公式為,氫在660-850鋁液中的溶解度公式為,式中 T一鋁液溫度，K； PH2氫分壓，MPa； S氫的溶解度，mL/(100g)。,爐氣中的PH2不易測(cè)得，有人通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度、不同水汽分壓下氫在純鋁液中的溶解度服從下列關(guān)系,式中 T一鋁液溫度，K； PH2O一水汽分壓，Mpa。,圖13-2為常用金屬中氫的溶解度變化曲線。,從圖中可見，在鋁的熔點(diǎn)溫度， 從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，氫的溶解度 劇烈下降，在液態(tài)鋁中的溶解度達(dá)

11、0.68mL/(100g)，固態(tài)鋁中只有 0.036mL/(100g) ，二者相差達(dá) 0.64mL/(100g)，相當(dāng)于1.73% 的鋁液體積。以ppm作溶解度單 位時(shí)，由于此單位很小，會(huì)造成錯(cuò) 覺，如鋁中溶入1ppm的氫，等于 0. 0001%鋁液質(zhì)量，氫的密度為9 10-5g/cm3，己占有3.0%的鋁液 體積，相當(dāng)于1.14mL/(100g)。,氫在金屬液中的溶解度和金屬液的蒸氣壓有關(guān)，蒸氣壓的驅(qū)動(dòng)方向與氫溶入金屬液中的驅(qū)動(dòng)方向相反，會(huì)阻滯金屬液吸氫。當(dāng)溫度到達(dá)沸點(diǎn)，金屬液的蒸氣壓為0.1MPa時(shí)，氫的溶解度趨于零。但鋁的沸點(diǎn)高達(dá)2057，在一般熔煉條件700-760下，鋁液的蒸氣壓低于

12、0.0001MPa，因此蒸氣壓的影響可忽略不計(jì)。,3、鋁液吸收氫的動(dòng)力學(xué)過程 根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算所得的反應(yīng)式(13-19)只能確定氫溶 入鋁液中的限度和方向，而要了解吸氫的速度和最終結(jié)果， 必須分析鋁液吸氫的動(dòng)力學(xué)過程。 鋁液吸氫可分解為下列幾步: 1) 氫分子撞擊到鋁液表面； 2) 氫分子在鋁液表面離解為氫原子，H22H； 3) 氫原子吸附于鋁液表面，2H2Had； 4) 氫原子通過擴(kuò)散溶入鋁液中，2Had2H,第四步擴(kuò)散過程是整個(gè)過程的限制環(huán)節(jié)，它決定吸氫 的速度。 氫在鋁液中的擴(kuò)散速度可用原子擴(kuò)散系數(shù)D表示。根 據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，D的表達(dá)式如下 D= K0pH2 exp（-H/2RT） (13-2

13、5) 式中 H擴(kuò)散熱，J/mol； pH2氫分壓，Mpa； R氣體常數(shù)，8.3145J/(mol.K) T鋁液溫度，K； K常數(shù)。,由式(13-25)可見，氫分壓和鋁液溫度越高，擴(kuò)散熱 越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，即氫的溶解速度越大。 鋁液中的合金元素及氧化夾雜物對(duì)氫的擴(kuò)散系數(shù)有很 大的影響，通常降低氫的擴(kuò)散速。,四、氧化鋁的形態(tài)、性能對(duì)吸氫的影響 根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，鋁及其合金中存在著三種不同形態(tài)的 無水氧化鋁：、和，它們各自的特性列于表13-2中。,室溫下生成的表面氧化膜由少量結(jié)晶形態(tài)的-Al2O3 和非晶態(tài)的Al2O3混合物所組成。隨著溫度的上升，非晶 態(tài)Al2O3逐漸轉(zhuǎn)化為-Al2O3和-Al2O3

14、，到鋁熔點(diǎn)附近溫 度，氧化膜厚度達(dá)210-1mm，有較高的強(qiáng)度。在鋁液表 面形成一層致密的氧化膜，隔絕了爐氣和鋁液的直接接觸， 阻滯了鋁液的氧化和吸氣，對(duì)鋁液能起保護(hù)作用。所以， 除Al-Mg類合金外，鋁合金可直接在大氣中熔煉。不必加 覆蓋劑，這是-Al2O3膜有利的一面。隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)， -Al2O3將逐漸全部轉(zhuǎn)化為-Al2O3。,根據(jù)觀察結(jié)果，氧化膜只有和鋁液接觸的一面是致密的，和爐氣接觸的一面卻是粗糙、疏松的，存在著大量的直徑為510-3mm的小孔，小孔中吸附著水汽和氫，甚至將-Al2O3燒到890-900，仍能吸附少量水汽，只有當(dāng)溫度高于900, -Al2O3完全轉(zhuǎn)化為-Al2O3，

15、才能較完全地脫水。熔煉時(shí)攪動(dòng)鋁液，劃破連續(xù)、均勻地覆蓋在鋁液表面的氧化膜并卷入鋁液中，鋁液便和氧化膜小孔中的水汽反應(yīng)，使鋁液進(jìn)一步氧化，生成氧化夾雜，吸入氫氣。這樣， -Al2O3膜就起了傳遞水汽的作用，成為氫和氧化夾雜的載體。這就是-Al2O3膜的兩面性。,-Al2O3和-Al2O3在600-700范圍內(nèi)，吸附水汽和氮的能力最強(qiáng)，因此，鋁液中的氫有兩種存在形式：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。故鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越高。通常，熔池深處氧化夾雜濃度較高，含氫量也較高?？梢婁X液中的Al2O3和H2之間存在著密切的孿生關(guān)系。,五、合金元素對(duì)鋁液吸

16、氫的影響 1、對(duì)溶解度的影響 在pH2 =0. 1MPa的條件下，測(cè)得硅、銅、鎂對(duì)溶解 度影響，按公式(13-21)算得常數(shù)A、B值列于表13-3中。 從表中可見、含鎂量越高，氫的溶解度越高；反之， 硅、銅含量越高，氫的溶解度越低。,2、對(duì)氧化膜性能的影響 Mg、Na、Ca等氧的親和力比鋁大，是表面活性元素，密度又比鋁小，富集于鋁液表面，熔煉時(shí)，優(yōu)先被爐氣氧化。鋁液中含鎂量高于1%，表面氧化膜即全部由MgO所組成，這層MgO組織疏松，對(duì)鋁液不起保護(hù)作用，故Al-Mg類合金必須在熔劑覆蓋下進(jìn)行熔煉。,在改變氧化膜性能方面，最突出的是鈹，它比鋁輕， 富集在鋁液表層，優(yōu)先被氧化，生成的BeO蒸氣壓很

17、低， 非常穩(wěn)定。熔煉Al-Mg類合金時(shí)，BeO填補(bǔ)了MgO疏松 組織中的空隙，使這層復(fù)合氧化膜的1，對(duì)鋁液能起 保護(hù)作用；此外，BeO的電阻很大，能阻止電子交換過程， 防止鎂原子透過表面氧化膜和爐氣接觸，進(jìn)一步被氧化， 因此是一種非常有效的防氧化劑。在ZL301合金中加入Be 0.03%-0.07%，就能使氧化速度和純鋁相近，從而保護(hù) Al-Mg合金液。 加入硫，和鎂反應(yīng)生成MgS，也能成為氧化膜的填 充劑，提高氧化膜的保護(hù)性能。,六、熔煉時(shí)間對(duì)吸氫的影響 在大氣中熔煉鋁合金，鋁液不斷被氧化，熔煉時(shí)間越長(zhǎng)，生成的氧化夾雜越多，吸氣也越嚴(yán)重。因此，在生產(chǎn)中，應(yīng)遵循“快速熔煉”原則，盡量避免鋁液在

18、爐內(nèi)長(zhǎng)期停留。,七、鋁液中析出氫的條件 1、熱力學(xué)條件 根據(jù)氫在純鋁液中的溶解度經(jīng)驗(yàn)公式(13-24)，可以 作出圖13-3。,從圖中可知，當(dāng)700時(shí)，設(shè)火焰爐爐氣中的pH2O 13.16kPa(100mmHg)，氫的溶解度為0.413mL/(100g)。當(dāng)pH2O下降至1. 316kPa后，氫的溶解度將降至0.135mL/(100g) 。或者pH2O保持不變，溫度從700降到680，氫的溶解度將降至0.319mL/(100g)，氫都將自鋁液中析出。上述熱力學(xué)條件能表示析出氫的方向和限度。,2、動(dòng)力學(xué)過程 鋁液析出氫的動(dòng)力學(xué)過程包括下列幾個(gè)環(huán)節(jié)。,(1) 氫氣泡的形成 眾所周知，鋁液析出氫的動(dòng)

19、力學(xué)過程大致如圖13-4所示。,在時(shí)間t1以前，析出氫的形式有二種，一種以氣泡形式析出，它是脫氫初期的主要形式，它滿足下列條件,隨著氫含量的降低，pH2變小，在熔池深度為h處， t1時(shí)，如pH2=p，則在熔池深度h以下的鋁液中，已不能產(chǎn)生氣泡。此時(shí)氫的極限濃度可用下列表示,式中 Cn氫的極限濃度; K 常數(shù)。 在深度h以下的鋁液只能靠另一種形式，即擴(kuò)散脫氫。到時(shí)間t2時(shí)，鋁液含氫量已接近平衡值。到t3時(shí)，含氫量到達(dá)平衡值，析氫過程終了。,（13-29）,由于鋁液中總含有Al2O3夾雜，成為氫氣泡的形核基底，2/R可忽略不計(jì)，式(13-29)簡(jiǎn)化為,利用式(13-30)，通過系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)得Cn值

20、，求出K值，即可作出圖13-5。圖中陰影區(qū)域內(nèi)，鋁液中含氫量既高于平衡狀態(tài)含氫量，又高于Cn值，因而在此區(qū)域內(nèi)將析出氫氣泡。在陰影區(qū)廠面，熔池深度加大Cn值相應(yīng)增大，鋁液中含氫量將低于Cn值，已不能產(chǎn)生氣泡，但仍高于平衡狀態(tài)含氫量，將通過擴(kuò)散析出氫。至陰影區(qū)域，仍以氣泡形式逸出鋁液，直至t3時(shí)，鋁液中氫含量到達(dá)平衡值為止。,（13-30）,(2) 鋁液中形成的氣泡上浮至熔池表面 氣泡上浮速度由Stokes公式估算,式中 氣泡上浮速度，cm/s； R氣泡半徑，cm； 金屬液的動(dòng)力粘度系數(shù)，N.s/m2； M金屬液重度， g/cm3； B氣泡重度， g/cm3。,由于M- B值很大，氣泡上浮速度通

21、常不是鋁液脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。 雖然氫在鋁液中的擴(kuò)散系數(shù)比合金元素在鋁液中的擴(kuò)散系數(shù)高2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，但在鋁液脫氫過程中，擴(kuò)散卻是一個(gè)決定脫氫速度的限制環(huán)節(jié)。 氧化夾雜明顯降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，鋁液中的合金元素如硅、鎂、銅、欽等都降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，尤其是氧化夾雜影響大，阻滯鋁液脫氫。,鋁液由熔池底部向液面造成定向運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)流，能提高氫的擴(kuò)散系數(shù)，見式（13-27），加大氫的擴(kuò)散速度，促使氣泡快速生成、長(zhǎng)大的同時(shí)，快速上浮至液面而被除去，提高除氣效果。 為此，在生產(chǎn)中可采取下列工藝措施: 冷凝除氣依靠熔池表面層、坩堝壁的空冷，使鋁液產(chǎn)生自然對(duì)流。, 真空處理藉氫氣泡上浮帶動(dòng)鋁液產(chǎn)生對(duì)流； 或電磁

22、攪拌在熔池內(nèi)造成強(qiáng)制對(duì)流。 采取上述工藝措施后，氫在鋁液中的擴(kuò)散不再是脫氫除氣的限制環(huán)節(jié)。此時(shí)，氫氣泡通過鋁液表面氧化膜成為脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。,(3) 氣泡通過表面氧化膜逸出 鋁液中氫氣泡通過表而氧化膜逸出是脫氫過程的最后階段。鋁液的表而氧化膜組織致密，強(qiáng)度高。因此，氣泡逸出的速度取決于相界面上存在的氧化膜組織。能破碎、溶解表面氧化摸的熔劑，可消除氣泡逸出的屏障，提高鋁液脫氫速度。如真空處理時(shí)，通常覆蓋一層熔劑，氧化膜溶入熔劑中，氣泡能順利逸出，使除氣效果大大改善。,在鋁液內(nèi)部，如果氧化夾雜含量高，氫氣泡表面被氧化膜包覆，氫氣滲入氣泡的擴(kuò)散受阻，同樣成為脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。如果通入惰性氣

23、體Ar或不溶于鋁液的活性氣體Cl2，C2Cl6， CCl4等，則氫氣可直接向這些氣體所形成的氣泡中遷移，然后被氣泡帶出液面，從而提高除氣速度，見圖13-6。,八、鋁液的除氫速度 如果能計(jì)算出鋁液內(nèi)氫原子向氣泡表面的傳質(zhì)速度，就可以算出除氫速度。根據(jù)擴(kuò)散定律，通過邊界層的傳質(zhì)速度和鋁液內(nèi)氫濃度Cm與氣泡側(cè)界面層氫濃度Cms之差(Cm-Cms)成正比。假定鋁液的容積為v，則單位時(shí)間內(nèi)通過表面積A的物質(zhì)通量J可表示為,式中 k傳質(zhì)系數(shù)，cm/s。,從物質(zhì)平衡可得到下式,從式(13-32)、 (13-33)可得,由于氣泡上浮速度大，通常Cms可視為常數(shù)，對(duì)上式積分得,（13-34）,式中 Cm一時(shí)間t

24、時(shí)鋁液內(nèi)氫的濃度； Cm0一鋁液內(nèi)氫的原始濃度; Cms一氣液界面處氫的濃度;。 式(13-34)可改寫為,(13-35),當(dāng)式(13-35)中的A，k，t任一項(xiàng)趨于零或V趨于無窮大時(shí)，Cm= Cm0，此時(shí)沒有除氣效果。當(dāng)式(13-35)右邊第一項(xiàng)的分母趨于無窮大時(shí)，Cm=Cms， Cms 即為除氣能達(dá)到的最低極限濃度。,假定氣液邊界層的擴(kuò)散阻力可以忽略，則Cms可以從氫在氣泡中的分壓或化學(xué)平衡數(shù)據(jù)求出。如通入活性氣體氛，它將和氣泡中的氫反應(yīng)，Cl+2H2HCl，消除氣液界面處的氫，使Cms 趨于零。真空除氣也能出現(xiàn)同樣的情況。式(13-34)可簡(jiǎn)化為,（13-36）,式(13-34)， (1

25、3-36)是氣液邊界層成為氫擴(kuò)散滲入氣泡的限制環(huán)節(jié)時(shí)的除氣速度公式。,設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，測(cè)得除氣前后鋁液氫的濃度Cm0和Cm，然后取lg(Cm /Cm0)值對(duì)除氣時(shí)間作圖，連接各點(diǎn)得到一條直線，從直線的斜率可求得傳質(zhì)系數(shù)k。 如果能從理論上計(jì)算出傳質(zhì)系數(shù)k，則不用實(shí)驗(yàn)即可直接計(jì)算除氫速度。 根據(jù)表面更新理論可求得,（13-37）,式中 D氫在鋁液中的擴(kuò)散系數(shù)，可從有關(guān)表格中查得； t 氣泡與體積元之間的接觸時(shí)間； Vb氣泡上浮速度; db氣泡直徑。,綜上所述，改善除氣動(dòng)力學(xué)條件，提高除氣速度的有效途徑如下: 1) 盡可能增加氣泡數(shù)目，增加鋁液與氣泡間的有效接觸比表面積A/V； 2) 盡可能減小氣泡

26、直徑，并在不引起鋁液表面飛濺的前提下，增大氣泡在鋁液內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，即增大攪動(dòng)度，強(qiáng)化氣液表面更新率，增大傳質(zhì)系數(shù)k；,3) 盡可能延長(zhǎng)氣泡在鋁液中上升浮游的路程，以增加氣泡在鋁液內(nèi)的停留時(shí)間，亦即增加氣泡帶走氫氣的時(shí)間t，提高除氣效率； 4) 采用高純度惰性氣體或不溶于鋁液的活性氣體除氣及真空除氣，使Cm，趨于零，改善除氣條件等。,第二節(jié) 鋁液熔煉工藝,按作用機(jī)理，精煉工藝可分為吸附精煉和非吸附精煉兩大類。 一、吸附精煉 吸附精煉依靠精煉劑產(chǎn)生吸附氧化夾雜的作用同時(shí)清除氧化夾雜及其表面依附的氫氣，達(dá)到凈化鋁液的目的。精煉作用僅發(fā)生在吸附界面上，具體又可分為浮游法、熔劑法、過濾法等。,1、浮游法

27、 （1）通氮精煉 通氮精煉的原理圖見圖13-7，設(shè)鋁液中的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 F2= G-1 (13-38) 式中 G-1氣泡與Al2O3夾雜物之間的表面自由能，亦即表面張力。,吸附前Al2O3、氮?dú)馀荻寂c鋁液相接觸，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,（13-39）,式中 M-1一鋁液一Al2O3夾雜物之間的表面自由能； M-G鋁液一氣泡之間的表面自由能。 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)系統(tǒng)表面能降低的方向，即為過程自動(dòng)進(jìn)行的方向。故Al2O3夾雜物自動(dòng)吸附在氮?dú)馀萆蠎?yīng)滿足下式：,即,有,

28、（1340）,由于鋁液與Al2O3夾雜物之間互不潤(rùn)濕，其接觸角134，由圖13-8可列出下式,已知表面張力均為正值，故式(13-40)成立，即鋁 液中的Al2O3夾雜物能自動(dòng)吸附在氮?dú)馀萆希S氣泡上 浮而被帶出液面。如不斷向鋁液中通入氮?dú)猓纬蓺馀?流，即能不斷地從鋁液中帶走Al2O3夾雜物，見圖13-9。,鋁液內(nèi)的氮?dú)馀葜袣浞謮喝鏿H2=0，氫即在氫壓力差的驅(qū)動(dòng)下自鋁液擴(kuò)散進(jìn)人氮?dú)馀葜?。這一擴(kuò)散過程直至氮?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。因此，氮?dú)馀萆仙龝r(shí)能同時(shí)帶走Al2O3夾雜物及氫氣，見圖13-10。,通氮溫度應(yīng)控制在710-720，溫度過低，降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，溫度過高，將

29、生成大量AlN夾雜物，同樣污染鋁液。鎂比鋁更容易和氮反應(yīng)，生成Mg3N2夾雜物，因此ZL301、ZL303、ZL305合金不希望用氮?dú)饩珶挕?實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，在大氣壓力下熔煉，當(dāng)?shù)獨(dú)馀葜械膒H2=0.01MPa建立起平衡，即氮?dú)馀葜荒芪爰s為本身容積0. 1倍的氫，因此通氮精煉的效果并不明顯。,工業(yè)用氮?dú)馄恐型ǔ：形⒘垦鯕?，通氮時(shí)將生成Al2O3，降低除氣效果。有人進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮?dú)馄恐泻趿繛?.5%和1.0%時(shí)，除氣效果分別下降40%和90%。如果氮?dú)馄恐泻兴?，則危害更大。按有關(guān)規(guī)定，氮?dú)馄恐泻跫?jí)應(yīng)低于0.03%，水分應(yīng)低于0.3g/m3。 在生產(chǎn)中，為了清除氮?dú)庵械乃郑谕ㄈ脘X

30、液之前，應(yīng)通過儲(chǔ)有于燥劑CaCl2、硅膠、分子篩、濃硫酸等的干燥器后再進(jìn)入鋁液中，進(jìn)行嚴(yán)格脫水處理。,（2）通氯精煉 工業(yè)用氫氣瓶中含氧量較低，在0.005%-0.05%范圍內(nèi)，精煉溫度允許提高到760，氫的密度為1.78kg/m3 ，高于氧的密度1.25kg/m3，通氮精煉時(shí)，較重的紅氣富集在鋁熔池表面，能保護(hù)鋁液防止和爐氣反應(yīng)，故凈化效果好。對(duì)原始質(zhì)量較好的鋁錠，如大塊護(hù)料，凈化效果和六氯乙烷C2Cl6相近，而對(duì)于質(zhì)量較差的爐料，如回爐料，有時(shí)其凈化效果還優(yōu)于C2Cl6。,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(shí)必須通氫精煉。操作上變質(zhì)、精煉可以同步進(jìn)行，精煉

31、時(shí)氫氣泡對(duì)鋁液起攪動(dòng)作用，加速變質(zhì)元素的擴(kuò)散，從而縮短鍶變質(zhì)的潛伏期，提高生產(chǎn)率。通氬精煉和鍶變質(zhì)相配合，能獲得純凈的鋁液，正常的變質(zhì)組織。合金的密度高于不同步、先精煉后變質(zhì)工藝所獲得的合金密度。 惰性氣體族中除氬外，氦、氖、氪等都有類似的凈化效果，但以氬的價(jià)格最便宜，來源較豐富，為工廠所樂用。,（3）通氯精煉 氯不溶于鋁液中，但能和鋁液及溶于鋁液內(nèi)的氫產(chǎn)生劇烈反應(yīng),反應(yīng)生成物HCl（沸點(diǎn)85 ) ，AlCl3(沸點(diǎn)183)都呈氣態(tài)，且不溶于鋁液，和未參加反應(yīng)的氯均能起精煉作用，見圖13-11，因此凈化效果比通氮甚至通氬明顯。,工業(yè)用氯氣瓶中常摻有水分，影響凈化效果。精煉使用的氯氣含水量應(yīng)控制

32、在0.08%以下。隨著使用時(shí)間的推移，氯氣瓶中的含水量將逐漸增加，最終可增加1倍以上，在生產(chǎn)中必須注意。 氯是劇毒氣體，通氯裝置應(yīng)安放在密封的房間內(nèi)，以防泄漏。熔爐、坩堝上方應(yīng)安裝通風(fēng)罩，凈化操作環(huán)境。,通氯的凈化效果雖好，但氯氣對(duì)人體有害，通氯設(shè)備較復(fù)雜，泄漏的氯氣嚴(yán)重腐蝕廠房、設(shè)備。其次，通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力學(xué)性能，故生產(chǎn)中極少采用，已改用氮-氯聯(lián)合精煉工藝：先通氯，再通氮，以凈化通氯管道、設(shè)備，保護(hù)廠方及車間設(shè)備，改善勞動(dòng)條件。也可用N290%+Cl210%的混合氣進(jìn)行精煉，亦能獲得良好的凈化效果。,（4）氯鹽精煉 常用的氯鹽有氯化鋅ZnCl2，氯化錳MnCl2、六氯乙烷C2

33、Cl6、四氯化碳CCl4，四氯化鈦ClTi4等。 氯鹽精煉時(shí)和鋁液發(fā)生下列反應(yīng),（13-43）,式中Me 各種金屬的代號(hào)。 反應(yīng)產(chǎn)物AlCl3即起精煉作用。 氯鹽精煉的優(yōu)點(diǎn)是省去了一整套氣體發(fā)生裝置和輸送管道，其次，AlCl3的毒性比氯氣小得多。,氯鹽精煉工藝簡(jiǎn)述如下: （1） ZnCl2熔點(diǎn)365，沸點(diǎn)7320，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng),（13-44）,精煉時(shí)將占鋁液質(zhì)量0.1%-0.2%的無水ZnCl2分批用鐘罩壓入700-720的鋁液中。操作時(shí)鐘罩離坩堝底部約100mm，以免將底部雜質(zhì)泛起。在同一水平高度上，在鋁液內(nèi)順時(shí)鐘方向移動(dòng)鐘罩直至不再有AlCl3氣泡上浮至液面為止。取出鐘罩，靜置鋁液3

34、-5min，使鋁液內(nèi)殘留,的AlCl3帶走Al2O3夾雜物繼續(xù)上浮，然后扒去浮渣，迅速加熱到澆注溫度后進(jìn)行澆注。對(duì)于Al-Si類合金，則變質(zhì)處理后再進(jìn)行澆注。 精煉溫度超過ZnCl2的沸點(diǎn)732， ZnCl2劇烈氣化，氣泡大，鋁液劇烈翻滾引起飛濺，降低凈化效果。因此，精煉溫度應(yīng)控制在730以下。,ZnCl2能強(qiáng)烈吸濕，使用前應(yīng)在爐旁重熔脫水，現(xiàn)配現(xiàn)用。重熔時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰，經(jīng)3-5min，沸騰停止后，白色水汽轉(zhuǎn)為ZnCl2黃色蒸氣時(shí)即可澆到干凈的鐵板上，一旦凝固后趁熱用鐘罩壓入鋁液內(nèi)。ZnCl2的脫水質(zhì)量可根據(jù)凝固時(shí)尚呈糊狀的ZnCl2拉出細(xì)絲的長(zhǎng)短來勤斷。絲拉得越長(zhǎng)，說明重熔脫水越徹底。 ZnC

35、l2的價(jià)格便宜，生產(chǎn)中使用很普遍，缺點(diǎn)是凈化效果一般，使用前要重熔，一部分鋅還原后進(jìn)人鋁液中，經(jīng)長(zhǎng)期反復(fù)使用，會(huì)引起回爐料中鋅含量超標(biāo)，因此必須注意防止。,（2）C2Cl6 是白色結(jié)晶體，密度為2.091g/cm3，升華溫度185.5，壓入鋁液后產(chǎn)生下列反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物C2Cl4的沸點(diǎn)為121，不溶于鋁液，和AlCl3同時(shí)參與精煉，故凈化效果比ZnCl2好。 C2Cl6不吸濕，不必脫水處理，使用、儲(chǔ)存都很方便，為一般工廠所樂用。,為了防止松散的C2Cl6和鋁液反應(yīng)過于劇烈，應(yīng)將其壓制成塊狀使用。如摻入1/2-1/3的N2SiF6壓塊，由于N2SiF6具有化解Al2O3的作用，凈化效果更好。有時(shí)摻

36、入NaBF4壓塊，則同時(shí)還具有細(xì)化合金組織的效果。 C2Cl6的用量與合金成分有關(guān)，特別與含鎂量有關(guān)，因?yàn)榫珶挄r(shí)鎂將與C2Cl6的分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),合金中的鎂元素部分被燒損，生成的MgCl2熔點(diǎn)為715 ，液態(tài)MgCl2有輔助精煉作用，當(dāng)精煉溫度低于715時(shí)，固態(tài)MgCl2則成為夾雜物進(jìn)入熔渣中，因此精煉溫度要求高于730-740。為了彌補(bǔ)生成MgCl2所消耗的鎂和氯，配料時(shí)鎂和C2Cl6都要相應(yīng)增加。 C2Cl6的缺點(diǎn)是造成空氣污染，升華的C2Cl6即和大氣中的氧反應(yīng),（13-50）,且平衡常數(shù)隨溫度下降而增大，故室溫時(shí)就能嗅到氯的氣味；精煉時(shí)，按式(13-45)分解出的Cl2有部分未與Al

37、進(jìn)行反應(yīng)即逸出液面，污染環(huán)境。精煉溫度越高，逸出的氯也越多，再加上C2Cl4會(huì)形成一股嗆人的氣體，對(duì)人體、廠房、設(shè)備有害。,（5） 三氣混合氣精煉 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),在混合氣中Cl2被稀釋，有可能來得及全部參與反應(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)(13-4) ，生成Al2O3 。從反應(yīng)(13-53)， (13-4)可知。精煉前后趨向平衡，微量的C有可能細(xì)化晶粒。因此，使用三氣混合氣的凈化效果與使用C2Cl6的相當(dāng)，而精煉時(shí)間可縮短近一半，污染程度減輕。 三氣混合氣的缺點(diǎn)是要配備一套較復(fù)

38、雜的三氣發(fā)生裝置及輸送管道。,（6）固體無公害精煉劑 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),（13-54）,生成的N2即起精煉作用。CO2雖按反應(yīng)(13-4)生成Al2O3 ，但由于上浮速度較快，故氧化程度較輕。精煉時(shí)由于反應(yīng)產(chǎn)物無嗅無味，為工人所樂用，缺點(diǎn)是沒有氯、氟等有效成分，凈化效果欠理想。無公害精煉劑價(jià)格便宜，適用于不重要的中、小型鋁鑄件。,（7）固體三氣精煉塊 在無公害精煉劑的基礎(chǔ)上，加進(jìn)適量的C2Cl6組成三氣精煉塊，從反應(yīng)（13-47）、（13-54）可知，將在鋁液內(nèi)生成A1Cl3，C2Cl4 ，N2及CO2 。反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物通過填充劑的空隙逸出，形成的氣

39、泡較小，在鋁液內(nèi)的上浮時(shí)間較長(zhǎng)，使C2Cl6按式(13-47)反應(yīng)較完全，提高 C2Cl6的利用率，凈化效果優(yōu)于無公害精煉劑，反應(yīng)產(chǎn)物中除C2Cl4外無嗅無味，能用于較重要的鋁鑄件。缺點(diǎn)是原材料烘干不徹底，壓塊前攪拌不均勻時(shí)，凈化效果不穩(wěn)定。,（8）噴粉精煉 惰性氣體氮、氬精煉后期，容器內(nèi)逐漸積聚水汽和氧，帶入鋁液中將生成Al2O3 ，吸附在氮、氬氣泡的表面，見圖13-12a。,當(dāng)氣泡表面被Al2O3包覆后，將妨礙氫擴(kuò)散進(jìn)入氣泡中。根據(jù)理論計(jì)算，氫通過氣泡表面氧化膜的時(shí)間可用下式表示,生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，氬氣中氧含量大于1.2%時(shí)，凈化效果趨于零。 為了消除氣泡表面一層氧化膜，可將粉狀熔劑和惰性氣體

40、一起吹入鋁液內(nèi)，熔化后包圍在氣泡表面，見圖13-12b，將氧化膜溶解、破碎，充分發(fā)揮惰性氣體氣泡的精煉作用，其凈化效果甚至勝于真空精煉。噴粉凈化裝置由吹氮、氬裝置中間增加一粉狀熔劑容器及閥門所組成，近年來逐步得到推廣用來凈化熔爐、澆包中的鋁液。,2、熔劑法 熔劑法的機(jī)理在于通過吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進(jìn)入熔渣中，達(dá)到除渣、除氣的日的。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。,（1） 對(duì)熔劑的要求 不與鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不互相溶解 熔點(diǎn)低于精煉溫度、流動(dòng)性好容易往鋁液表面 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

41、清除 能吸附、溶解、破碎Al2O3夾雜 來源豐富，價(jià)格便宜,（2）熔劑的工藝性能 覆蓋性能 覆蓋性能即鋪開性，指熔劑在鋁液表面自動(dòng)鋪開，形成連續(xù)覆蓋層的能力。 圖13-13為熔劑在鋁液表面自動(dòng)鋪開前后的截面積示意圖。,設(shè)鋪開前系統(tǒng)的總能量為F1。,（13-57）,熔劑自動(dòng)鋪開后，系統(tǒng)的表面總能最為,（13-58）,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熔劑自動(dòng)鋪開應(yīng)滿足下列條件,定義熔劑的鋪開系數(shù)KF,（13-59）,從式(13-59)可知， M-G越大，F(xiàn)-M、F-G越小，則KF越大，越有利于熔劑在鋁液表面自動(dòng)鋪開，覆蓋性能越好。, 分離性能 分離性能指熔劑與鋁液自動(dòng)分離的性能，分離性能好，扒渣容易、熔劑不容

42、易混入鋁液內(nèi)澆入鑄件中，不會(huì)引起熔劑夾渣。 圖13-14為熔劑與鋁液分離示意圖。,設(shè)熔劑分離前與鋁液接觸的面積為S，具有的表面自由能F1，為,（13-60）,分離后表面自由能為F2,（13-61）,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熔劑與鋁液自動(dòng)分離應(yīng)滿足下列條件,把單位面積粘附著的界面分井所作的功稱為粘著功，用As表示，則,（13-62）,由式(13-62)可見， F-M 、M-G越小，F(xiàn)-M越大，則As越小，即熔劑與鋁液越容易分離，扒渣越容易。, 精煉性能 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、除氣凈化能力。 圖13-15為熔劑吸附氧化夾雜物示意圖。,設(shè)熔劑吸附氧化夾雜物的面積為

43、S，吸附前系統(tǒng)具有的表面自由能為F1,(13-63),吸附后系統(tǒng)具有的表面自由能為F2,(13-64),式中M-1、F-1分別為鋁液-氧化夾雜物間、熔劑-氧化夾雜物間的表面自由能。,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熔劑自動(dòng)吸附氧化夾雜物應(yīng)滿足下列條件,（13-65),從式（13-65)可知， F-M、M-1越大，F(xiàn)-1越小.則載化夾雜物越容易被熔劑吸附，精煉性能越強(qiáng)。,（3）熔劑工藝性能的綜合分析 綜上所述?？蓪⑷蹌┑墓に囆阅芘c表面性能之間的關(guān) 系歸納于表13-4中。,從表13-4中的關(guān)系，可作如下分析: F-G、F-1越小，越能同時(shí)獲得良好的覆蓋、分離及精煉性能，因此要選擇對(duì)爐氣、氧化夾雜物呈表面活性，

44、即表面張力小的熔劑，并且趁小越好。 M-1越大，精煉性能越好。鋁液和Al2O3互不濕潤(rùn)，接觸角130，如能加入增大濕潤(rùn)角的元素，將提高熔劑的精煉能力。, M-G越大，覆蓋性能越好。鋁液中加入鋰、鈣、鎂、鉍等元素會(huì)降低M-G，將使熔劑的覆蓋性能變差。鋁液中的銅、硅、鋅、鐵、錳、鎳等非表面活性元素，對(duì)M-G沒有影響，不影響熔劑的覆蓋性能。應(yīng)當(dāng)看到，覆蓋性能和分離性能對(duì)M-G的要求是矛盾的，選擇時(shí)要統(tǒng)籌兼顧。 覆蓋、分離及精煉三種性能對(duì)M-G的要求不一，為了便于扒渣F-M應(yīng)大些，但F-M超過一定值后，KF趨于零，鋁液表面的熔劑將不能自動(dòng)鋪開。,當(dāng)出現(xiàn)如圖13-16中的情況時(shí)，有,（13-66）,因?yàn)?/p>

45、90，熔劑與鋁液互不潤(rùn)濕，如果熔劑坩堝間的表面張力較小，熔劑會(huì)自動(dòng)附到坩堝壁上去，使鋁液裸露在爐氣中，失去熔劑的保護(hù)作用。,（4）常用溶劑及其選擇 熔劑的工藝性能與熔劑的表面性能密切相關(guān)，而表面性能又決定于熔劑組分的性能，為了獲得良好的綜合工藝性能，通常要配制多組分的熔劑，某些常用熔劑組分的表面性能列于表13-5中。,當(dāng)缺乏現(xiàn)成數(shù)據(jù)時(shí)，可自行測(cè)定，當(dāng)自行測(cè)定有困難時(shí)，可根據(jù)下列三點(diǎn)進(jìn)行分析、比較。 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LiCl

46、KCl的次序遞減。這是由子陽離子的尺寸增大了，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，因面表面張力降低。, 陽離子尺寸不變，增加陰離子的尺寸同樣也降低熔劑的表面張力，以鈉的鹵化物為例:, 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，因?yàn)榍罢叨r(jià)金屬離子比后者一價(jià)金屬離子帶的電荷多一倍，因面表面張力也大。,根據(jù)上面所闡明的規(guī)律，可以按不同的工藝要求，合理地選擇熔劑的組分。 常用的熔劑組分有:NaCl、NaF、 KCl、Na3AlF6、 Na2SiF6、CaF2等，不同組分按不同配比制成的熔劑，有不同的熔點(diǎn)、不同

47、的表面性能及不同的工藝性能，以滿足不同的要求。,NaCl、KCl的熔點(diǎn)都較低，共晶成分在NaCl45% , KCl15%附近，熔點(diǎn)只有660，表面張力小，價(jià)格便宜，是最常用的覆蓋劑，加入一定比例的NaF，就是常用的鋁硅合金的變質(zhì)劑。此外，NaF能侵蝕Al2O3-Al界面上的金屬本體，使氧化膜脫落，溶入熔劑，因此，變質(zhì)劑本身就有較好的精煉能力。 圖13-17為NaCl-KCl-NaF三元系的液相面，有了液相面，就可以按照不同的熔點(diǎn)選擇合適的配比，以滿足工藝要求。,Na3AlF6能溶解Al2O3，見圖13-18，F(xiàn)-M又大，熔劑容易和鋁液分離，精煉能力強(qiáng)。在三元變質(zhì)劑NaCl-KCl-NaF中加入

48、一定比例的Na3AlF6，同時(shí)具有覆蓋、精煉、變質(zhì)作用，故常稱為萬能熔劑。 Na2SiF6進(jìn)入鋁液會(huì)發(fā)生分解 SiF4呈氣泡上浮，有部分精煉作用，NaF是有效的變質(zhì)、精煉組分。,（13-67）,Na2SiF6還能與Al2O3產(chǎn)生反應(yīng)，除去氧化夾雜,生成的Na3AlF6精煉作用強(qiáng)，且和SiO2結(jié)合成粒狀渣，極易扒去，AlF3、呈氣泡上浮，有輔助精煉作用。因此， Na2SiF6是常用的精煉劑組分，既可加入熔劑中，也可作為緩沖劑，和C2Cl6混合壓塊，可提高C2Cl6的凈化效果。,（13-68）,3、過濾法 過濾精煉由于凈化效果好，對(duì)于重要的鋁鑄件，采用過濾精煉是方向。 過濾劑可分為兩類，一類是非活

49、性過濾劑，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。另一類是活性過濾劑，如NaF, CaF2, Na3AlF6等，除機(jī)械作用外，主要通過吸附、溶解Al2O3的作用清除氧化夾雜。,（1）網(wǎng)狀過濾法 網(wǎng)狀過濾法示意圖見圖13-19。此法是使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，清除薄片狀氧化膜或大塊氧化夾渣，效果很明顯。過濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，可安裝在坩堝、澆包中或連續(xù)鑄造的保溫爐中，缺點(diǎn)是比過濾器網(wǎng)眼小的氧化夾雜物難以除去，過濾器容易損壞，使用壽命短。,（2）填充床過濾法 填充床由固體過濾介質(zhì)或液態(tài)熔劑組成、鋁液與過濾介質(zhì)之間有較大的接觸面積

50、。除機(jī)械擋渣作用外，過濾介質(zhì)與夾渣之間還有溶解、吸附作用，凈化效果好。缺點(diǎn)是整個(gè)裝置笨重，占地面積大，介質(zhì)粒度太小。減少鋁液流量，降低生產(chǎn)率，過濾時(shí)要加熱保溫，消耗能源，增加生產(chǎn)成本。圖13-20為填充床過濾法示意圖。,通過過濾介質(zhì)間的空隙越小，過濾介質(zhì)越厚，熔體流速越低，機(jī)械過濾效果越好。過濾介質(zhì)捕捉夾雜物的速度與夾雜物在熔體中的濃度成正比，即,（13-69）,式中 N過濾器中捕捉的夾渣量； Z過濾器入口處的深度； C 熔體中夾渣的濃度； t過濾時(shí)間; K動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可用下式表示,（13-70）,式中 K0一動(dòng)力學(xué)參數(shù)，與熔體性質(zhì)、過濾器網(wǎng)目大小、 夾雜物形狀、大小有關(guān)； Nm一被過濾器捕捉

51、的最大災(zāi)渣量。 當(dāng)式(13-70)中的NNm時(shí)，K0，表示過濾完畢，此時(shí)熔體中的夾渣濃度可用下式表示,（13-71）,式中 C、C0一分別為過濾前、后熔體中夾渣的濃度； L一過濾介質(zhì)厚度； um一熔體在過濾介質(zhì)巾的流速。 過濾效率用下式表示,（13-72）,綜上所述，采用泡沫陶瓷過濾鋁液，L/um是一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響過濾效果，從而影響合金的力學(xué)性能。為了提高過濾效果，應(yīng)該在不影響充型的條件下，在工藝上保證適當(dāng)大的L/um 。,4、稀土精煉 （1）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。 （2）稀土最佳加入量及“潛伏期” 稀土最佳加入量

52、為2%-3%，加入過多，不但浪費(fèi)稀土，而且?guī)霘浠瘖A雜，降低凈化效果。稀土加入鋁液后，需靜置一定時(shí)間，使其擴(kuò)散均勻，達(dá)到最佳凈化效果，這段時(shí)間即為“潛伏期”。,（3）稀土加入形式 稀土加入形式有三種，即純稀土，Al-RE中間合金及稀土化合物。純稀土包括單一稀土或混合稀土，價(jià)格貴，潛伏期長(zhǎng)，加入量不易控制，很少采用。 （4）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，明顯提高合金的力學(xué)性能。,二、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)全部鋁液起精煉作用。 1、真空精煉 真空精煉是將鋁液置于真空室內(nèi)，在一定的溫度下靜置一段時(shí)間，鋁液中的氫或

53、因溫度下降引起溶解度降低，或因含氫量超過溶解度，氫自動(dòng)從鋁液中呈氣泡排出并帶走氧化夾雜，達(dá)到凈化鋁液的目的。,真空精煉具有下列優(yōu)點(diǎn): （1）針孔等級(jí)明顯改善，合金的力學(xué)性能普遍提高10%左右； （2）精煉時(shí)不會(huì)破壞鈉、鍶對(duì)Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用，可以在變質(zhì)的同時(shí)進(jìn)行精煉，既能避免變質(zhì)處理時(shí)的二次吸氣，又能提高生產(chǎn)率； （3）可以代替高壓釜中鑄造，同樣獲得致密的鑄件。,真空精煉的缺點(diǎn)：精煉后鋁液溫度下降，鋁熔池深度過大時(shí)，凈化效果受影響。當(dāng)生產(chǎn)批量小、鑄件小、合金牌號(hào)不同時(shí)，對(duì)坩堝吊運(yùn)、鋁液溫度調(diào)整等均帶來麻煩，故不宜采用。其次，要有一套真空設(shè)備，熔煉、澆注、維修技術(shù)的要求都提高，因此只適

54、用于批量生產(chǎn)同一牌號(hào)的重要鋁鑄件。,2、超聲波處理 超聲波處理的原理是向鋁液中通入彈性波時(shí)，會(huì)在鋁液內(nèi)部生成“空穴”現(xiàn)象，破壞了鋁液的連續(xù)性，形成無數(shù)顯微空穴，氫原子便滲入這些空穴中，形核長(zhǎng)大成氣泡上浮，并帶走氧化夾雜，達(dá)到凈化的目的。此外，在超聲波作用下，枝晶被振碎，促進(jìn)枝晶增殖，有細(xì)化晶粒作用。 當(dāng)超聲波發(fā)生器功率足夠時(shí)，作用范圍可達(dá)全部鋁液，凈化效果好。 由于要配備超聲波發(fā)生器，消耗功率大，故不易在生產(chǎn)中獲得推廣。,三、凈化效果檢測(cè)方法 1、爐前檢測(cè) 爐前檢測(cè)是控制熔煉工藝，保證鑄件質(zhì)量的重要手段。尤其在采用大容量熔爐進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，更為重要。爐前檢測(cè)的項(xiàng)目主要是含氣量和氧化夾雜含量。

55、,目前檢測(cè)的方法很多，應(yīng)用較普遍的有下列幾種: （1）含氣量檢測(cè) 常壓凝固試樣 常壓凝固試樣的尺寸通常為(40-50)mm(20-30) mm，鑄型可用于砂型、耐火磚型、石墨型等。將鑄型預(yù)熱到200以上，澆入待測(cè)的鋁液。凝固前用干凈鐵皮刮去表面氧化膜，觀察凝固過程中試樣表面形貌的變化。含氣量多時(shí)，會(huì)有小氣泡冒出。比較精煉前后凝固試樣表面情況，有無小泡冒出，即可判斷凈化效果。一旦冒泡，說明凈化效果差，需重新精煉。,敲開試樣斷口，如出現(xiàn)白點(diǎn)，則是含氣斷口。白點(diǎn)有兩種：一種呈圓點(diǎn)狀，面積不大，彼此不相連，這就是點(diǎn)狀針孔的孔穴，孔穴壁光滑，呈球形。另一種呈片狀，面積較大，有時(shí)連成一片，看不出明顯的孔穴

56、，呈棉絮狀，這是由網(wǎng)狀針孔所形成。用顯徽鏡觀察，可以看出白點(diǎn)的孔壁由(A1)枝晶所組成，固面呈白色。根據(jù)斷口中有無白點(diǎn)及白點(diǎn)形態(tài)、多寡很容易判斷凈化效果。,常壓凝固試樣一般適用于Al-Si類合金，對(duì)于Al-Cu，Al-Mg類合金，由于熔化潛熱低，凝固速度比Al-Si類合金快，氣泡來不及冒出，不易判斷；其次，它的靈敏度低，當(dāng)鋁液含氣量低于0.5mL/(100g)時(shí)，不易看到氣泡，當(dāng)雨季下雨時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)過敏，凈化效果好的鋁液也會(huì)冒小氣泡，易引起誤判。, 減壓凝固試樣 減壓凝固檢測(cè)裝置的示意圖見圖13-21,將100g左右的鋁液倒入小坩堝內(nèi)，在0.65-6.5MPa壓力下凝固，如不 冒泡，表面不

57、凸起，則說明含氣量低，凈化效果好；若試樣表面凸起，冒1-2個(gè)泡，則凈化效果欠佳，需重新精煉；如表面不斷冒泡，則說明含氣量很高，需采取有效的精煉 手段，重新精煉。,減壓凝固試樣檢測(cè)的缺點(diǎn)是只有定性的結(jié)果，難以量化；凝固條件如真空度、試樣冷卻速度等不同時(shí)，不易比較檢測(cè)結(jié)果。, 減壓凝固標(biāo)準(zhǔn)試樣 在設(shè)定的凝固條件下，鋁液在標(biāo)準(zhǔn)形狀的殼型中凝固，切去冒口，然后分別在空氣、水中稱重，然后按下式求得試樣的密度,s值越大，含氣量越低，凈化效果越好。這種檢測(cè)方法既可靠又能量化，為現(xiàn)代化的鑄鋁車間所樂用。,圖13-22為標(biāo)準(zhǔn)形狀的減壓凝固試樣的鑄型。 還有一些定量檢測(cè)含氣量的方法，如第一氣泡法、Telegas法

58、、氣相色譜測(cè)氛儀等等，在鋁材廠或科研單位應(yīng)用較普遍，能獲得定量的數(shù)據(jù)，但在鑄鋁車間很少采用，此處不再介紹。,（2）氧化夾雜檢測(cè) 污染度測(cè)定法 將圓柱形(30-50)mm(100-120)mm常壓凝固試樣熱軋成厚20-30mm的圓餅，熱軋時(shí)，氧化夾雜沿變形方向移動(dòng)而被壓扁，集中鋪開在和壓力垂直的平面上，面積擴(kuò)大，然后沿變形方向打開斷口，測(cè)得斷口上氧化皮的面積，用污染度作為判斷氧化夾雜含量的尺度，即,這種方法適用于鋁型材工廠判斷第一類氧化夾雜的含量，但對(duì)第一二類氧化夾雜不易判斷。 Br-CH3OH(溴-甲醇)法 第二類氧化夾雜太小，既不能采用污染度測(cè)定法，也不能采用金相磨片進(jìn)行觀察，只能用化學(xué)分析方法；溴-甲醇法，基本原理是在一定溫度下，將試樣溶解于溴-甲醇溶液中，除硅以外，鋁及其它合金元素都能生成溴化物而溶解在甲醇中，然后將溶液過濾，分離出硅、Al2O3等不溶物，將其烘干，灰化，稱重，扣除硅量和濾