第二章铸造铝合金熔炼详解
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南昌航空大学铸造工程系
铝-水气反应
铝和水气的 反应
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O 2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
Al(OH)3 在400℃ 的条件下将进一步
反应
Al2O3成氧化夹杂，氢则溶于铝液，增加气体含量。
南昌航空大学铸造工程系
铝-水气反应（续）
过滤除夹杂原理
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
南昌航空大学铸造工程系
铸造铝合金净化（精炼）技术
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。
南昌航空大学铸造工程系
§2-2 铝合金熔炼工艺原理ຫໍສະໝຸດ Baidu技术
南昌航空大学铸造工程系
铝合金的净化（精炼）原理
除氢热力学
[H ] KH PH2 KH A/T B
气体溶解 度的西华 特定律
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。
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β值。
南昌航空大学铸造工程系
除夹杂的热力学
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△F﹤0
南昌航空大学铸造工程系
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。
南昌航空大学铸造工程系
浮游法精炼
铝中 氢量 变化
增加
增加
减少
减少
增加
无影响 增加
南昌航空大学铸造工程系
铝液中氢向惰性气泡或活性气泡中迁移示意图
南昌航空大学铸造工程系
去气动力学（续）
lg Cmt Cms 1 A t
Cms Cm0
2.3 V
除气的动力学 方程
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。
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
南昌航空大学铸造工程系
§2-1 铝合金熔炼时的物理化学特性
南昌航空大学铸造工程系
铝-氧反应
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。
所以铝液中的Al2O3夹杂能自动吸附在气泡上，而被 带出液面。
南昌航空大学铸造工程系
气体除夹杂的动力学（续）
相切俘获系数为：
E (1 2a )2 1 r
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。
南昌航空大学铸造工程系
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γ-Al2O3膜常会含12﹪H2O，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。
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。
南昌航空大学铸造工程系
除氢热力学（续）
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。
南昌航空大学铸造工程系
合金元素的影响
元素 Zn﹤ Mg Si Cu﹤ Ti Mn﹤ Ni
18%
20%
0.1%
南昌航空大学铸造工程系
课前复习题
1. Fe在铝合金中是完全有害的吗？ 2. 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？ 3. 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？ 4. 铝合金热处理的目的是什么？ 5. 铸造合金与变形合金固溶处理有什么不同？ 6. 合金熔炼时，熔炼工具、坩埚及炉料为什么要预热？ 7. 为什么铝合金熔炼时，熔炼温度不能太高？
南昌航空大学铸造工程系
铝—有机物反应
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+CmHn→m/3Al4C3+n[H]
C和H构成的 烃类
南昌航空大学铸造工程系
铝合金中的气体
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
南昌航空大学铸造工程系
针孔分级
南昌航空大学铸造工程系
在铸件凝固过 程中多出的氢 易析出，形成
针孔
氧化物夹渣
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γ→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。
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。
铝-水气反应
铝和水气的 反应
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O 2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
Al(OH)3 在400℃ 的条件下将进一步
反应
Al2O3成氧化夹杂，氢则溶于铝液，增加气体含量。
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铝-水气反应（续）
过滤除夹杂原理
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
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铸造铝合金净化（精炼）技术
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。
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§2-2 铝合金熔炼工艺原理ຫໍສະໝຸດ Baidu技术
南昌航空大学铸造工程系
铝合金的净化（精炼）原理
除氢热力学
[H ] KH PH2 KH A/T B
气体溶解 度的西华 特定律
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。
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β值。
南昌航空大学铸造工程系
除夹杂的热力学
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△F﹤0
南昌航空大学铸造工程系
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。
南昌航空大学铸造工程系
浮游法精炼
铝中 氢量 变化
增加
增加
减少
减少
增加
无影响 增加
南昌航空大学铸造工程系
铝液中氢向惰性气泡或活性气泡中迁移示意图
南昌航空大学铸造工程系
去气动力学（续）
lg Cmt Cms 1 A t
Cms Cm0
2.3 V
除气的动力学 方程
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。
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
南昌航空大学铸造工程系
§2-1 铝合金熔炼时的物理化学特性
南昌航空大学铸造工程系
铝-氧反应
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。
所以铝液中的Al2O3夹杂能自动吸附在气泡上，而被 带出液面。
南昌航空大学铸造工程系
气体除夹杂的动力学（续）
相切俘获系数为：
E (1 2a )2 1 r
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。
南昌航空大学铸造工程系
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γ-Al2O3膜常会含12﹪H2O，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。
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。
南昌航空大学铸造工程系
除氢热力学（续）
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。
南昌航空大学铸造工程系
合金元素的影响
元素 Zn﹤ Mg Si Cu﹤ Ti Mn﹤ Ni
18%
20%
0.1%
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课前复习题
1. Fe在铝合金中是完全有害的吗？ 2. 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？ 3. 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？ 4. 铝合金热处理的目的是什么？ 5. 铸造合金与变形合金固溶处理有什么不同？ 6. 合金熔炼时，熔炼工具、坩埚及炉料为什么要预热？ 7. 为什么铝合金熔炼时，熔炼温度不能太高？
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铝—有机物反应
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+CmHn→m/3Al4C3+n[H]
C和H构成的 烃类
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铝合金中的气体
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
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针孔分级
南昌航空大学铸造工程系
在铸件凝固过 程中多出的氢 易析出，形成
针孔
氧化物夹渣
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γ→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。
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。