论述铝合金的熔体处理

论述铝合金的熔体处理1 前言铝及铝合金因其优异的性能被广泛应用于航天、航空、交通运输、建筑、包装、电子、印刷、装饰等众多国防和民用领域。

在金属材料中，铝合金的应用范围和用量仅次于铁，约占有色金属用量的1/3，随着铝及铝合金的大范围应用，对其性能要求也越来越高、越来越多样，而铝及铝合金的良好性能与其熔炼铸造是分不开的。

熔铸是铝加工的第一道工序，为后序的轧制、锻造、挤压等生产提供锭坯，铸锭质量的好坏直接与各种铝材的最终质量紧密相关，故要获得良好的构件，必须从熔体处理开始。

铝合金熔体净化处理是生产高质量的铝铸件的基本保证措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段之一，对疏松、气孔、夹杂等的形成有重要影响，而且直接影响铝铸件的物理性能、机械性能以及使用性能。

2 熔体净化方法所谓净化处理就是就是采用各种措施使铝熔体中不希望存在的气体与固态物质降到所允许的范围以内，以确保材料的性能符合标准或某些特殊要求。

铝合金净化方法按其作用机理可分为吸附净化和非吸附净化两大基本类型。

2.1 吸附净化吸附净化主要是利用精炼剂的表面作用，当精炼剂（如各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质）在铝熔体中与氧化物夹杂或气体相接触时，杂质或气体被精炼剂吸附在其表面上，从而改变杂质的物理性质，随精炼剂一起被除去，以达到除气除杂的目的。

吸附净化的方法主要有：浮游法、熔剂法、过滤法等。

(1)浮游法浮游法也叫气体吹洗法，它是将气体通入到铝熔体内部，形成气泡，熔体中的氢在分压差的作用下扩散进这些气泡中，并随气泡的上浮而被排除，达到除气的目的。

浮游法主要包括惰性气体吹洗、活性气体吹洗混合气体吹洗以及氯盐净化等。

无毒精炼剂主要由硝酸盐等氧化剂和碳组成，在高温下反映生成氮气和二氧化碳都能起到精炼作用，由于其不产生刺激性气味的气体且精炼效果也好从而得到广泛应用。

(2)溶剂法熔剂法是在铝合金熔炼过程中，将熔剂加入到熔体内部，通过一系列物理化学作用，达到除气除杂的目的。

熔剂的精炼作用主要是依靠其吸附和溶解氧化夹杂的能力，铝合金净化所用的溶剂主要是碱金属的氯盐和氟盐的混合物。

(3)过滤法过滤法是指让铝熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮在熔体中的固态夹杂物的净化方法。

从过滤方式的除渣原理大致分为机械除渣和物理化学除渣。

机械除渣主要是靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体的压力使杂质沉降和渎职，以达到净化熔体的目的。

物理化学除渣主要依靠介质表面的吸附和范德华力的作用。

一般，过滤介质的空隙越小、厚度越大、金属熔体流速越底，过滤效果越好。

过滤材质一般使用玻璃布、刚玉球以及泡沫陶瓷。

过滤法主要是去除熔体中的夹杂物，对除氢效果甚微，所以在实际应用中，过滤法往往与吹气法相结合。

2.2 非吸附净化非吸附净化是指不依靠向熔体中添加吸附剂，而是通过某种物理作用（比如真空、超声波、密度差等）来改变金属-气体系统或金属-夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。

非吸附净化方法主要有：静置处理、真空处理、超声波处理等。

静置处理指将铝熔体在浇注前静置一段时间，因为夹杂物的密度比铝熔体密度大，故夹杂物会下沉，从而使夹杂物从熔体中分离，不过小颗粒的夹杂难以用该法去除。

真空处理是指将熔体放置在一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔体中和气体中的分压差，促使熔体中的氢不断生成气泡，上浮逸出而被除去的方法。

真空处理是降低铝熔体中氢含量极其有效的方法，能使熔体中氢降到0.1-0.2 ml/(100g)Al，但由于这种处理需要真空密封设备，经济性差，而且使熔体温度的损失较大，除雜能力一般，因此在工业生产中使用不多。

超声波处理是20世纪90年代发展起来的一项新的铝合金熔体净化方法，原理是利用弹性波在铝熔体中引起的“空穴”现象，产生气泡核心，从而达到除气之目的。

超声波处理也是一种除氢效果较好的方法，同样由于超声波发生器的局限性，经济型也差，该方法很难处理大批量的铝熔体，因而也限制了其在工业中的应用。

2.3 炉外在线净化处理技术由于炉内熔体净化处理对铝合金熔体的净化效果十分有限，要进一步提高铝合金熔体的质量，更有效除去铝合金液体中的气体、非金属夹杂物等，就要应用炉外在线净化处理了。

炉外在线净化处理按照处理方式和目的可分为以除气为主的在线除气，以除渣为主的熔体过滤处理和两者兼有的在线处理。

炉外熔体在线处理主要发展方向是提高熔体纯洁度、寻求高效廉价的净化技术，满足铝加工熔体净化技术的多样需求。

在线除气是当前各大铝加工企业熔铸的重点研究方向和发展对象，典型的在线除气方式有采用透气塞的过流除气方式Air-Liquicle法、采用固定喷嘴方式的MINT 法以及旋转喷头除气法。

目前应用最为广泛的是旋转喷头除气法，在国外有联合碳化公司（现在的Pyrotek公司）最早研制了旋转喷头除气装置SNIF，法国的Alpur除气装置等，国内主要是西南铝业自行开发的旋转喷头除气装置DFU、DDF等。

这些除气装置均采用氮气或氩气做精炼气体，或者两者混合气体加少量的氯气等活性气体作为精炼气，能有效的除去铝熔体中的氢以及碱金属或碱土金属，还能提高渣液分离效果。

在线熔体过滤处理是去除熔体中非金属夹杂物最有效、最可靠的一种方法，按其原理分为饼状过滤和深过滤，其过滤方式主要有玻璃丝布过滤、床式过滤器刚玉管过滤和泡沫陶瓷过滤等。

最简单的是玻璃丝布过滤，效果最好的是过滤管和泡沫陶瓷过滤板。

3 晶粒细化熔炼时，通过向铝熔体中加入一定量的钛、硼、锆、稀土等细化剂，使初始晶粒€%Z(Al)由粗大的树枝晶变成细小的等轴晶，同时促进形核，抑制晶粒长大,从而使晶粒细化。

晶粒细化是提高铝材强度和塑性的一种重要手段，也是改善铝材质量的重要途径。

铝材在工业生产以及高新技术领域中的应用越来越广，因而对其组织、性能的要求也越严格，而控制其组织和性能的主要因素之一就是熔铸出细小均匀的晶粒组织。

晶粒细化机理的主要观点有相图理论、包晶反应、硼化物理论、亚稳相理论、粒子理论、碳化物硼化物理论、相图和粒子双重理论等，其中具有代表性的是包晶反应理论和碳化物硼化物粒子理论；通常所用的细化剂有盐类细化剂、铝钛和铝硼细化剂以及铝钛碳细化剂等。

包晶反应理论强调由于固化而成核的重要性，中间合金中金属间化合物的微粒形态、尺寸和大小决定细化效果的优劣。

包晶反应理论以Al-Ti相图中的包晶反应为基础，TiAl3质点开始溶解时导致了其周围含有高浓度的钛，当达到所需浓度和温度时，包晶反应开始，固态铝在质点表面形核。

碳化物硼化物粒子理论认为：加入少量Al-Ti-B后，在熔体中形成TiC和TiB质点，由于它们不溶于铝熔体，可作为异质核心。

随着保温时间的延长，将出现细化效果衰退，是TiB质点的聚集、沉淀的结果。

此外，有学者提出Al2Ti2B中间合金细化效果的组织遗传性理论，该理论认为中间合金晶粒细化剂在制备过程中，因元素的加入方法、温度、保温时间、凝固条件和固态处理等因素的不同，可以得到不同形态、尺寸以及在铝基体上不同分布的化合物，这种组织差异可导致中间合金细化效果的显著差别。

根据组织遗传性理论也提出了一种新型的工业纯铝晶粒细化方法，即自身细化理论，其使铝晶粒细化的外来细化剂取自凝固以前的自身熔体。

目前提出的晶粒细化机理并不能完全解释全部晶粒细化过程中的细化现象和行为，各机理间甚至相矛盾，不过根据大量的研究工作可以确定的是钛可以细化铝晶粒，硼的存在能显著增强铝钛中间合金得的细化效果，并可延长衰减时间。

4 变质处理铸造铝合金中的共晶硅呈粗大的针状或板状，会导致合金力学性能的显著下降。

变质处理的目的就是改变共晶硅的形貌和尺寸，使共晶硅由粗大的针状或板状变成细小的纤维状或层片状。

常用的变质剂有以下几种：含钠变质剂、含锶变质剂、碲变质剂、磷变质剂、稀土变质剂和复合变质剂等。

钠是变质共晶硅最有效的变质剂，生产中主要是以钠盐的形式加入，钠盐变质剂主要是氟化钠、氯化钠和冰晶石组成的二元或三元钠变质剂，变质过程只有NaF起作用，其反应：加入混合盐的目的，一是降低混合物的熔点，提高变值速度和效果，二是对熔体中钠进行熔化剂保护，防止钠的烧损。

其缺点：钠含量不易控制，有效变质时间短，变质后炉内残余钠对随后生产合金的影响很大，造成熔体粘度大，增加合金的裂纹和拉裂倾向，NaF有毒等。

锶变质剂包括锶盐和铝锶中间合金两种。

锶盐的变质效果受熔体温度和铸造时间影响大，故应用较少。

目前国内应用较多的是Al-Sr中间合金。

其变质效果好，变质有效时间长，多次重熔也不失效，又称为长效变质剂，不仅细化初晶硅，还细化共晶硅。

锶变质剂无毒，对炉子污染小。

缺点是锶烧损大，要加入含锶盐类熔剂保护；有严重的吸气倾向，合金容易产生疏松、气孔等缺陷，使铸件的致密性降低。

碲变质剂既不能促进硅相生枝，也不能使共晶硅变为纤维状。

但由于可使硅相以片状分枝的方式细化，变质效果良好且具有长效性。

缺点是价格较贵。

磷可作为铝硅合金的变质剂，细化初晶硅。

早期所用的磷变质剂是赤磷，由于烧损、污染大，现在多以中间合金的方式加入，能有效防止磷的燃烧，其变质效果明显提高。

稀土金属原子的半径为0.174～0.204nm，比铝原子半径大，易于填补生长中的铝硅合金晶粒新相的表面缺陷，阻碍晶粒继续长大，细化晶粒。

稀土变质剂有很好的长效性和重熔性。

复合变质不仅能减少变质元素的加入量，一些变质元素的变质作用还可以互相叠加和弥补，使变质效果大幅度提高。

常用的复合变质剂有钠和锶、钠和稀土金属等。

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