铝合金液熔体处理精练法完整版实用资料.docx
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职业教育材料成型与控制技术专业
教学资源库
《铝合金铸件铸造技术》课程教案
铝合金液熔体处理
—精炼法
制作人：
张保林
陕西工业职业技术学院
铝合金液熔体处理
一、铝合金液的精炼处理概述
铝合金熔体的净化是获得优质铸件的前提。
由于原材料和在熔炼、转送、浇铸过程中的吸气、氧化，铝合金液很容易受到溶解的氢、非金属夹杂物和多余的碱或碱土金属的污染，使浇注的铸件容易产生针孔、气孔、疏松、夹杂物等缺陷，并对铸件的力学性能、抗腐蚀性、气密性、阳极氧化性能及外观质量产生较大的损害。
因此，在浇铸前必须对其进行精炼净化，除气排夹杂物，以提高合金液的纯净度。
铝合金液的精炼方法很多，根据精炼机理，可分为吸附法和非吸附法两大类。
二、吸附精炼法
吸附精炼法是依靠精炼剂产生的吸附作用达到除去氧化夹杂和气体的目的。
精炼作用仅发生在吸附界面上，不能对全部铝液发生作用，效果受到限制。
具体又分为浮游法和过滤法两种。
（1）浮游法
浮游法的原理是向铝液中通入惰性气体（通常为氮、氩或加入盐类所产生的气体）产生大量的气泡，由于气泡中氢的分压为零，因此借助于铝液和气泡中氢分压之差氢便不断扩散进入气泡并上浮逸出液面。
与此同时，由于浸润性的差异，铝液中的夹杂物能被吸附在与之接触的气泡上，随之上浮而排除，从而达到除氢排夹杂的目的。
根据精炼剂的不同，浮游法分为通氮法、通氩法、通氯法和氯盐精炼法等。
①通氮精炼
氮气价格便宜，常用于精炼铝合金，如图1所示。
但它存在的不足处是：
为防止大量氮化物夹杂（如AlN、Mg3N2等）的形成，处理温度较低（700～730℃），从而限制了氢的扩散能力。
实验结果表明，在大气压下熔炼时氮气气泡只能吸入约为本身容0.1积氢，精炼效果受一定影响。
氮气纯度要求高，含有微量氧和水分会极大地降低精炼效果，有资料表明，含氧量为0.5%即可使除气效果降低40%。
②通氩精炼
精炼温度可提高到760℃，有利于增强氢的扩散能力。
此外，工业用氩气瓶中氧含量较低（0.005%～0.05%），且氩的密度1.78kg／m3，高于氧的密度1.25kg／m3，通氩精炼时氩气富集于铝熔池表面，可防止铝液与炉气的反应，因而精炼效果较好。
③通氯精炼
氯虽不溶于铝液中，但是氯作为活性气体能和铝液及溶于铝液中的氢产生剧烈反应，生成不溶于铝液且呈气态的HCl和A1C13，和未参加反应的氯气一样都具有精炼作用（见图2），因此精炼效果比通氮气好很多。
图1通氮精炼法去除氧化夹杂原理图
图2吹Cl2精炼示意图
但是，氯是剧毒气体，对人体健康有害，对厂房、设备有腐蚀作用，且通氯装置较复杂。
因此，一般不单独使用，而改为与Ar或N2搭配使用，精炼效果良好，适用于对针孔度要求极严格的铸件。
④联合精炼
在N2-Cl2混合气体中加入CO，能使精炼效果进一步提高，这种精炼方法称为三气联合精炼法。
AlCl3和CO2都有精炼作用，还能分解部分Al2O3，因而明显提高精炼效果。
根据试验，三气联合精炼所需时间为通氯气精炼时间的二分之一。
N2的作用是稀释Cl2，改善劳动条件。
当CO来源有困难时，可用CO2通过高温石墨管生成CO，然后通入铝液中。
混合气体采用Cl2︰CO︰N2＝1︰1︰8。
⑤氯盐精炼
将某些氯盐压入铝液，使其与铝发生置换反应，生成呈气态的AlCl3、HCl等起除氢去夹渣的作用。
常用的氯盐有氯化锌（ZnCl2）、六氯乙烷（C2Cl6）、氯化锰（MnCl2）、四氯化碳（CCl4）、四氯化钛（TiCl4）等。
与通气精炼相比，使用氯盐精炼操作方便，省去了一整套气体发生装置和输送管道，并且AlCl3的毒性比氯气小很多。
⑥无毒精炼剂精炼
目前国内外研究使用了无毒精炼剂，效果良好。
几种无毒精炼剂的典型配方见表1，主要成分为几种碱性金属的硝酸盐和石墨粉，将其混合压制成块加入铝液，由于反应生成的N2和C02的沸腾作用，气泡上浮时将把氢和非金属夹杂物带出铝液，所以这种混合物的除气效果良好。
表1几种无毒精炼剂的典型配方
序号
组元/﹪
用量/﹪
硝酸钠
硝酸钾
石墨粉
六氯
乙烷
冰晶粉
食盐
耐火砖粉
1
36
—
6
3～5
—
23～25
30
0.3
2
36
—
6
—
—
28
30
0.5
3
40～42
—
7～8
—
—
—
—
0.4～0.6
4
34
—
6
4
—
24
32
0.3
5
—
40
6
4
—
24
26
0.3
6
34
—
6
—
20
10
30
0.3
无毒精炼剂的配比可根据具体要求做必要的调整，当反应过慢时，可增加NaN03和石墨粉，反之，增加耐火砖粉和食盐的比例。
精炼时，用钟罩把精炼剂压到铝液中，操作与用氯盐精炼时一样。
精炼温度740～750℃，用量大约为铝液质量的0.6％～0.8％，精炼剂的实际用量取决于铝液质量、合金种类、铝液覆盖情况等，应通过现场试验来确定。
（2）过滤法
通过由各种材料制成的过滤器（网）对铝液的净化作用，能显著提高铸件的优质品率。
铝合金的过滤装置如图3所示，这种装置过滤层始终浸在铝液中，温度保持高于浇注温度，在整个过滤过程中铝液不会冷却、凝结，适用于连续铸造。
过滤后，消除了各种非金属夹杂物，增强了对气体的免疫力，提高了铝液的质量。
图3铝合金的过滤装置示意图
1—反射炉2—出铝槽3—铝液4—铝矾土5—铝矾土球
过滤物可分为两类。
一类是非活性过滤物，依靠机械作用清除铝液中的固体非金属夹杂物，如石墨粉、镁硅碎屑、玻璃丝网等。
另一类是活性过滤物，除具有机械过滤作用外，还有吸附清除氧化夹杂物的作用，因此精炼效果比非活性物好，NaF、CaF、Na3A1F6等属于这一类过滤物。
三、非吸附精炼法
依靠其他物理作用达到精炼目的的精炼方法，统称非吸附精炼法。
它对全部铝液有精炼作用，因此效果比较好。
（1）超声波处理
超声波精炼的原理是：
向铝液通入弹性波时，弹性振荡经过液体介质（熔液）传播产生空穴现象，使液相连续性破坏，在铝液内部产生了无数显微“空穴”，溶入铝中的氢逸入这些空穴中，成为气泡核心，继续长大成为气泡，逸出铝液，达到精炼目的。
用超声波处理结晶过程中的铝液时，在超声波的作用下，枝晶振碎，成为结晶核心，因而能够细化晶粒。
（2）直流电精炼
直流电处理装置如图4所示。
粮据氢在金属中可能处于离子状态的假说，提出了电流除去液态金属中气体的处理工艺，并进行了一系列纯铝和铝硅合金依次用直流电处理20～30s，在某些合金中，能得到很好的除气效果，但在某些合金中未能得到预期的效果。
用直流电可除去熔液（铝液）中的气体的事实证实了熔液中有离子氢。
因此，在某些试验中没有除气效果应认为，在此条件下氢离化很低。
在这种情况下，可观察到氢在熔液中是不均匀分布的，靠阳极处吸气增加，而靠阴极处则降低。
在关闭电流后含气量沿熔液整个体积达到平衡。
这是因为氢不仅以离子状态存在，而且也存在复杂的离子胶体颗粒，这些颗粒在熔液中移动，但氢在电极上不析出，仅仅建立起了熔液中的氮气浓度梯度。
此外，溶于金属中的氢具有金属性质，像金属一样，因此，可以认为氢在熔液中不是完全电离而只是部分电离。
图4直流电处理装置
（3）真空精炼
将待精炼的铝液置于真空室内，在一定温度下静置一段时间，由于液面上氢的分压大大降低，导致溶入铝液中的氢强烈的呈气泡析出并带走氧化夹杂，达到净化铝液的目的。
真空精炼后合金含气量约为0.15mL/100g，针孔等级和合金力学性能明显提高；采取上述静态的真空处理时不会破坏钠或锶对Al-Si合金的变质作用，为此变质处理和真空精炼可同时进行，这样可避免变质处理时的二次吸气，且提高了生产率。
真空精炼的缺点是除夹杂效果不理想，并且需一套真空设备，熔炼、浇铸、维修技术要求高，工艺流程较复杂，因此只适于同一牌号的重要铝铸件批量生产，而对批量小，合金牌号多的小铸件生产不宜采用。
四、联合精炼法
联合精炼，就是同时采用两种或两种以上的精炼工艺，为了进一步提高铝液质量，或者某些牌号铝合金要求严格控制含气量及夹杂物时，可采用联合精炼法。
主要的联合精炼法有以下几种：
（1）通惰性气体一熔剂联合精炼
在铝液表面撒粉状熔剂，当液面有一层液态熔剂时，向铝液中吹惰性气体氮或氩。
熔剂消耗量是铝液质量的2％～2.5％，熔剂的熔化温度比铝液在处理时的温度要低25～30℃，精炼气体要在铝液中均匀鼓泡4～6min（根据铝液受污程度而有增减）。
吹气量和压力影响气泡在铝液中的上升速度，在很强烈吹气时，铝液可能被氧化物和氢气污染，这是由于气体出口处产生飞溅而使渣子重新卷入铝液。
（2）过滤一通情性气体
在对铝合金液过滤处理后，再通以惰性气体氮通氩，既能去除氧化夹杂物，又能除去氢，联合精炼后，含氢量明显下降。
实践证明，过滤后吹入混合气体90％～99％Ar和1％～10％C12比采用单一Ar气的除气程度高，杂质也清除得更彻底。
（3）氯盐一过滤
经氯盐处理后再进行过滤，能获得很纯净的铝液。
过虑装置为石墨坩埚，如图5所示。
坩埚中有一块夹板将坩埚分为两部分，即主室和隔室，在主室底部盛过滤剂，高度约为坩埚高度的1/3～2/3。
精炼时，先将石墨坩埚加热至500～700℃，然后将730℃的铝液倒入主室中，经过过滤剂流至隔室，即可进行浇注。
用液态过滤剂时，先在坩埚底部盛一薄层铝液，使铝液能封住夹扳上的孔眼，然后倒入液态过滤剂，最后将氯盐精炼的铝液倒入，进行液态过滤。
由于铝液和过滤液的接触面积大，因此精炼效果更好。
（4）吹氮＋CCl4精炼
CCl4熔点为22.96℃，沸点为76.8℃，密度1.594×103kg/m3是无色的透明液体，极易挥发。
在吹（通）氮精炼装置上增加一输液装置，输液管与氮气管相连，用N2将CCl4吹入坩埚底部进行精炼能获得很好的精炼效果。
操作工艺与通氮工艺相同，CCl4用量为铝液质量的0.5％～0.7％。
（5）六氯乙烷一高冰晶石粉熔剂
当浇注小件时，铝液要在坩埚内长期保留，浇注过程中倒回铝液，破坏铝液表面，会使铝液质量变坏，影响铸件质量。
采用图6所示的联合精炼能防止上述缺点。
用六氯乙烷精炼后，在铝液表面放一个经预热的石墨环作为取铝液的孔眼，环外面的液面上始终撒一层高冰晶石粉熔剂。
铝液始终在熔剂的保护下，质量不会变坏，但静置时间超过3h以上需要更换熔剂。
图5过滤坩埚
1－坩埚2－铝液3－过滤剂
4－主室5－夹板6－隔室
图6六氯乙烷一高冰晶石粉熔剂
联合精炼示意图
1－高冰晶石粉熔剂层2－石墨环
3－取铝液口4－坩埚
（6）电渣精炼
为了完全清除铝液中的气体和氧化物，同时进行变质处理，可采用电渣精炼综合处理的方法。
电渣精炼的机理是渣中氧化物的溶解和盐类化合物吸附作用增强后使渣池中的氧化物和铝液中的氧化物进行重新分配。
渣在电流作用下保持高度的活性，其精炼作用不消失。
渣中电解质Al203的不断分解，能长时间地保持铝液中的固体非金属夹杂物被清除。
总之，联合精炼比单独精炼好。
单独精炼时，非吸附精炼比吸附精炼好，在吸附精炼方法中通氩气的效果最好。
生产中究竟采何种方法，这要根据自已的生产条件，从经济效益出发加以合理选择。
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