合金熔体的处理(part3)
铝及铝合金的熔体净化(baidu)
夹杂物的生成途径主要是： • 从炉村中吸收杂质； • 从熔剂和熔炼添加剂中吸收杂质； • 从炉气中反应并吸收杂质； • 从炉料及炉渣中吸收杂质。
•夹杂物的危害
并不是熔体中的所有异物都是有害夹杂。金属中 非金属异质点的形态和大小，对金属性质有重要影 响。细小，弥散均匀分布的夹杂颗粒，在金属凝固 时，可以成为结晶的异质核心，同时也可以阻碍晶 粒的长大，起到细化晶粒的作用。所以高纯铝较一 般的工业纯铝更容易形成粗大晶粒。
• 非金属夹杂的种类很多，按其化学成分可分为氧 化物（FeO,SiO2,Al2O3,TiO2,MgO,ZnO等）；氮化 物（AlN,ZrN,TiN等）；硫化物（Ni3S2,CeS,Cu2S 等）；氯化物（NaCl,KCl,MgCl2等）；氟化物 （CaF2,NaF等）；硅酸盐（Al2O•SiO2等）。这些 夹杂以不同形态和大小分布在金属熔体中，对金 属性能产生不同影响。
铝及铝合金的熔体净化
• 有色金属及其合金熔体在熔炼过程存在气体、各 种非金属夹杂物等，影响金属的纯洁度,往往会使 产品产生气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷,影响铸 锭的加工性能及制品强度、塑性、抗蚀性、阳极 氧化性和外观质量。同时，在有色金属中除气体 和非金属夹杂之外，还含有少量的金属杂质，如 铝合金的钠、钙等低熔点金属。钠在含镁量高的 镁-铝系合金中易引起热裂敏感性，合金热轧时易 产生开裂，通常称之谓“钠脆性”，此外还影响 熔体的流动性和铸造性。
Al中Al2O3夹杂物的形态(两维）
Al中Al2O3夹杂物的形态(三维）
AlN
采用先进的测渣方法捕捉到的夹渣
Refractories
采用先进的测渣方法捕捉到的夹渣
• 夹杂物的来源与危害 • 杂质的吸收和积累主要是熔炼过程中，金属熔体
铝合金液熔体处理晶粒细化与变质处理
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—晶粒细化与变质处理制作人：张保林陕西工业职业技术学院铝合金液熔体处理——晶粒细化与变质处理一、概述对铝合金熔体进行细化、变质处理，以控制铝铸件的铸态组织是铸造铝合金熔炼的重要一环，也是获得高品质铝铸件的基本条件。
对于A1-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等固溶体型合金，为防止产生铸造裂纹，提高力学性能，一般都需要进行细化处理，以使α(A1)固溶体的晶粒细化；对A1-Si系合金一般也常对其进行α(A1)晶粒细化处理。
二、晶粒细化α(A1)晶粒细化处理。
常用的晶粒细化剂有钛、硼、锆及稀土金属等，以中间合金或盐类形式加入铝液。
（1）中间合金形式加入常用细化剂主要有Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B和Al-Ti-C等中间合金。
这些细化剂加入铝液后产生大量的TiAl3、AlB2、TiB2、TiC等微粒，它们熔点都较高，且晶格常数与α(A1)固溶体的很相近，所以作为异质核心抑制树枝状初生α(A1)晶粒的长大。
不同的细化剂细化效果和衰退特性是有区别的。
常用的Al-5％Ti、Al-5％Ti-1％B和A1-4％B细化剂对A356合金(与ZLSi7Mg相近)晶粒作用效果比较见图1。
图1 A356合金晶粒细化效果比较细化剂的加入量和合金种类、成分、加入工艺、熔炼温度、浇注时间等有关，细化剂的加入温度一般为710～730℃，加入量占合金的0.4％～0.6％。
添加Ti、B元素细化处理的铝液中，如果存在Zr、Cr、Mn等元素，将减弱细化效果，甚至出现“中毒”而失去细化效果。
其原因有些研究者认为是由于Zr、Cr、Mn等元素与TiAl3、TiB2、TiC微粒之间发生作用，形成了新相改变了原有的点阵常数，因而失去了异质核心作用所造成的。
（2）盐类形式加入。
含有很强晶粒细化作用的Ti、B、Zr等元素的氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟锆酸钾等盐类物质。
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。
合金熔体的处理(part3)
Bravais法则总的来说是比较符合实际的，对晶体生长理 论的建立具有相当重要的贡献。
但是必须看到，Bravais法则是从晶体结构出发来判断晶体的 形态，它并没有考虑到原子和分子之间的键合性质，更没有 考虑到生长时的物理化学条件的影响。所以Bravais法则只能 预测晶体生长的一种理想形态，在实际应用中应将其作为一 种理想的近似。
变质元素的加入量和残留量
变质元素 Na盐二元变质剂
加入量% 1-2
变质元素残留量 %
0.001-0.003
Na盐三元变质剂
2-3
0.001-0.003
Sr
0.02-0.06
0.01-0.03
Bi
0.2-0.25
Sb
0.1-0.5
Re
1
❖ 变质剂的效果
变质作用会存在衰退现象—— （1）Na或Sr等变质元素被氧化 （2）变质剂与砂型中的水分作用而溶解消失 消失的速度则在一定程度上与变质元素的化学活泼性 有关，变质元素的熔点和相对密度也有影响。 （3）变质剂与合金基体元素交互作用或化学反应
v() v (1 c / )
v ——单个直台阶的扩展速度，
c ——圆形台阶的临界曲率半径：
c a / kT ln a a / kT ——每一个晶格点的台阶能，a ——晶格常数，k——玻尔兹曼常数，
T——绝对温度， ——过饱和度
假设螺旋位错台阶的形状与阿基 米德螺旋线相似
则台阶的扩展速度 ：
非完整光滑界面生长模型为晶体生长动力学奠定了一定
金属熔炼与铸锭 第五讲 有色金属及合金熔体的净化
与悬浮状态的夹渣相遇时，夹 渣便可能被吸附在气泡或熔剂 表面而被带出熔体。
驱动力：界面能降低
润湿角
θ<90° 能够吸附或润湿 θ>90°吸附或润湿较弱
熔剂滴(或气泡)与固体夹渣间吸附时的能量条件
除渣精炼
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
吸附作用—熔剂
根据夹杂物与金属熔体的相对比 重不同，可分别采用上熔剂法和 下熔剂法。
上熔剂法：夹渣的比重小于金 属熔体，多聚集熔池上部及表面 ，此时应采用上熔剂法。(重有 色金属及钢铁)
方法四：氧化除气
同时存在于铜液中的氢和氧有一定的比例关系，氧 化法除氢就是有意识提高熔体中氧含量，降低氢含量。
举例说明
向铜液中吹入氧气，大量的铜将被氧化：
4Cu+O2=2Cu2O 生成的Cu2O溶于铜液中，随后Cu2O又与铜液中 的氢发生反应：
Cu2O+2[H]=2Cu+H2O↑
本方法仅适用于紫铜的精炼
下熔剂法：夹渣的比重大于金 属熔体，采用下熔剂法。(镁及 镁合金)
全熔剂法：熔剂均匀分布于熔 体中。(铝合金)
熔剂法除渣示意图 (a)上熔剂法；(b)下熔剂法
1－熔剂；2－熔剂夹渣
除渣精炼
影响吸附的因素
熔剂的吸附能力取决于化学组成。 对铝合金，在其他条件相同时，氯化物的
吸附能力比氟化物好； 碱金属氯化物比碱土金属好； 氯化钠和氯化钾的混合物比纯氯化物好； 在氯化钠和氯化钾的混合物中加入少量氟
解决措施
精心备料、严格 预防 控制熔化、采用
覆盖剂 在熔炼后期进行 补救 脱气精炼，降低
熔体中气体含量
脱气精炼
目的与方法
目的：脱除溶解于金属中的气体。
脱气途径
铝及铝合金的熔体净化及晶粒细化
铝及铝合金的熔体净化和晶粒细化摘要：综述了铝合金熔体净化的技术特点，重点分析了气泡浮游法、过滤法、熔剂法等几种常见的熔体吸附净化方法的工作原理和工艺改进，介绍了新型的旋转脉冲喷吹工艺、超声波净化工艺和电磁净化工艺，并展望了熔体净化工艺研究发展的趋势；综述了晶粒细化剂的发展历史及细化剂的细化机理和各种细化剂的比较，并着重介绍了新一代的Al-Ti-C晶粒细化剂。
关键词：铝合金；熔体净化；细化剂；细化机理1综述近年来铝合金材料大致向两个方向发展：一是发展高强高韧等高性能铝合金新材料，以满足航空航天等军事工业和特殊工业部门的需要；二是发展一系列可以满足各种条件用途的民用铝合金新材料。
与国外相比，我国铝合金研究的整体水平还比较落后，基础理论研究和技术装备水平及其完善程度都与国外的差距很大。
目前，铝合金研究的重点之一是研究和采用各种先进的熔体净化与变质处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物，降低杂质含量，提高铝熔体的纯度，细化铝的晶粒从而改善铝合金的性能。
这也是可持续发展战略中废铝回收亟待解决的技术难题。
熔体净化是保证铝合金材料冶金质量的关键技术，引起企业界的广泛关注。
铝合金熔体净化的目的，主要是降低熔体中的含气量和非金属夹杂物含量。
对熔体纯洁度的要求，一般铝合金制品的含气量应小于0.15ml/100gAl，特殊的航空材料要求在0.10ml/100gAl以下；钠含量应在5ppm以下；非金属夹杂物不允许有1～5Lm尺寸的颗粒和聚集物，夹杂物含量越低越好。
可见，对铝合金熔体的纯洁度要求是非常严格的。
要达到上述要求，需采用各种先进的净化处理技术。
铝及其合金组织的微细化，可显著提高铝材的力学性能和加工工艺性能。
晶粒细化处理是使铝及其合金组织微细化，获取优质铝锭，改善铝材质量的重要途径。
铝加工工业的迅速发展促进了各种铝晶粒细化剂的开发与生产。
本文将在初步总结和分析国内外熔体净化和晶粒细化剂生产实践及文献资料的基础上，较全面地讨论各种铝合金熔体净化技术及其发展趋势，讨论各种晶粒细化剂及发展趋势。
铝合金液熔体处理精练法(完整版)实用资料
铝合金液熔体处理精练法（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）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。
铝合金熔体的熔剂精炼
铝合金熔体的熔剂精炼 Revised as of 23 November 2020铝合金熔体的熔剂精炼本文介绍了熔剂精炼在铝合金熔体净化过程中的作用，熔剂的分类和要求，常用熔剂的组成，适用范围及使用方法等。
在铝及铝合金熔炼过程中，氢及氧化夹杂是污染铝熔体的主要物质。
铝极易与氧生成A1202或次氧化铝(Al2O及A10)．同时也极易吸收气体（H）其含量占铝熔体中气体总量的70—90％，而铸造铝合金中的主要缺陷——气孔和夹渣，就是由于残留在合金中的气体和氧化物等固体颗粒造成的。
因此，要获得高质量的熔体，不仅要选择正确合理的熔炼工艺，而且熔体的精炼净化处理也是很重要的。
铝及铝合金熔体的精炼净化方法较多，主要有浮游法、熔剂精炼法、熔体过滤法、真空法和联合法。
本文介绍熔剂精炼法在铝合金熔炼中的应用。
1熔剂的作用熔盐熔剂广泛地用于原铝和再生铝的生产，以提高熔体质量和金属铝的回收率[]。
熔剂的作用有四个：其一，改变铝熔体对氧化物(氧化铝)的润湿性，使铝熔体易于与氧化物(氧化铝)分离，从而使氧化物(氧化铝)大部分进入熔剂中而减少了熔体中的氧化物的含量。
其二，熔剂能改变熔体表面氧化膜的状态。
这是因为它能使熔体表面上那层坚固致密的氧化膜破碎成为细小颗粒，因而有利于熔体中的氢从氧化膜层的颗粒空隙中透过逸出，进入大气中。
其三，熔剂层的存在，能隔绝大气中水蒸气与铝熔体的接触，使氢难以进入铝熔体中，同时能防止熔体氧化烧损。
其四，熔剂能吸附铝熔体中的氧化物，使熔体得以净化。
总之，熔剂精炼的除去夹杂物作用主要是通过与熔体中的氧化膜及非金属夹杂物发生吸附，溶解和化学作用来实现的。
2熔剂的分类和选择2．1熔剂的分类和要求铝合金熔炼中使用的熔剂种类很多，可分为覆盖剂(防止熔体氧化烧损及吸气的熔剂)和精炼剂(除气、除夹杂物的熔剂)两大类，不同的铝合金所用的覆盖剂和精炼剂不同。
但是，铝合金熔炼过程中使用的任何熔剂，必须符合下列条件[]。
合金熔体的处理(part1)
由外压减小和氢的原子数增加产生的气泡直径 增大过程分析
PH2V H2=nRT 理想气体方程
nRT
V H2 = PH2
V
H2 =
4 r3
3
（气泡呈球形）
PH2= Pat + 0.1ρMH （忽略气泡/熔体表面张力）
4 r3
nRT
=
3
Pat
+
0.1 H M
4 r3
nRT
=
3
Pat
+ 0.1 H M
r3 =
设：气泡内PH2 + PF=1atm
dVF
=
-
dVH2
(
1+ PH2 PH2
)
将氢的标准m3换算为cm3/100g
dVF
=
-
100 m
1+ PH2 PH2
dCH2
m – 合金熔体的重量，t; CH2–合金熔体中的氢 浓度，cm3/100g。
由西华特定律：
PH2 =
CH2 K H2
2
K
2 H2
C dCH2
C C0
2 H2
VF
=
100 m
K
2 H
2
(1C
1 C0
)
除氢所需精炼气 体的最小体积 （简化公式）
如果惰性气体用量一定时，可算出脱气程度。
▪实际操作中，气泡上浮速度较快，未达到平衡
状态时便已逸出。因此所需惰性气体量常大于平 衡计算值。
2.有化学反应的除气热力学
加入元素与气体原子之间的反应式可写为（例如Al液加 RE元素）
通常情况下，第三阶段进行得很快（扩散速度快）， 不会成为控制环节。因此，这里只分析第一和第二阶段的 传质系数。
第六章合金熔体的变质处理
导致晶体由片状 →圆断面的维纤状。
②界面台阶生长机制（略）
2
第二页，编辑于星期二：二十三点 三十分。
3、变质剂的种类
变质剂元素很多，主要： Na、Sr（锶）、 Ba （钡）、 Bi （铋）稀土等。
变质衰退问题：
变质剂易于发生氧化或与铸型中的水分作用而失效。
变质效果：见表。 表 9-2
4、变质处理工艺要点
④气泡说
图9-18
⑤位错说
图 9-19
⑥吸附说
4
第四页，编辑于星期二：二十三点 三十分。
3、球化处理方法
国内外的球化剂种类很多。 —— 查阅有关资料
处理方法 图示
图9-21 图9-22 图9-23 图9-24
图 9-25
END
5
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6
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结晶时，最密面（ 111 ）、 [111] 晶向生长最慢。
[211] 晶向生长较快。
硅生长易于沿（ 111）面，生长前沿成孪晶凹谷。
Na 原子易于吸附在孪晶凹谷处富集。
图9-11
从而降低了该方向上的生长速度，并使孪晶凹谷生长机制受到抑制。
晶体改变为在 [100] 或[110] 晶向生长，少部分在 [211] 晶向生长，
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第十一页，编辑于星期二：二十三点 ，编辑于星期二：二十三点 三十分。
金属的熔炼与凝固三有色金属及合金熔体的净化
澄清除渣原理
• 球形固体夹杂颗粒在液体中上浮或下沉的速度服 从Stokes定律：
v 2r2(2 1)g 9
• 式中v为夹杂物上浮或下沉的速度； η为金属液 的粘度；r表示球形夹杂半径; ρ1为颗粒的密度， ρ2为金属的密度，g是重力加速度。
澄清除渣原理
• 夹渣的上浮或下沉速度与两者的比重差成正比， 与熔体的粘度成反比，与夹渣颗粒半径平方成正 比。
• 如冰晶石能溶解约18.5%的Al2O3。 通常认为，冰晶石是溶解Al2O3的最好熔剂。
4.1.2.4 过滤除渣
• 目前，材料生产中难度最大的课题之一是 饮料罐的深冲和箔材的加工问题。熔体中 残留微米级的夹渣就会给加工带来不良影 响。
• 上述几种精炼法对于与熔体密度相差不大、 粒度甚小而分散度极高的非金属杂物是无 能为力的。因此，各种物理过滤除渣法就 应运而生。
过滤法是让铝合金熔体通过中性或者活性材 料制造的过滤器，借以分离悬浮在熔体中的 固态夹杂物的净化方法，主要包括玻璃丝布 过滤、刚玉微孔陶瓷管过滤、陶瓷泡沫过 滤等。
有色金属及合金熔化的净化 4.3 镁及镁合金的熔体净化
4.3.1 熔体的特性
• 镁的化学活性很强，在空气中易氧化，在 原镁生产、合金熔炼及合金化过程中易产 生大量的夹杂物并带入大量的气体，由于 夹杂物和杂质会严重影响镁合金的机械性 能和抗腐蚀性能, 所以在镁合金再生过程中 需要通过熔剂精炼、熔体静置等工艺以净 化镁合金熔体。
• 吸附净化主要利用精炼剂的表面作用 • 向金属熔体中导入惰性气体或加入熔剂产
生中性气体，在气泡上浮过程中，与悬浮 状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在 气泡表面而被带出熔体。
• 气泡或熔剂之所能吸附熔体中的非金属夹杂物， 是受界面能的作用，驱动力是界面能的降低。
铝合金熔炼工艺流程和操作工艺
3）先算低成分的中间合金，后算高成分的中间合金；
4）最后算新金属
一般可按下式近似地计算出所需补加的料量，然后予以核算，算式如下：
在冲淡时高于化学成分标准的合金元素要冲至低于标准要求的该合金元素含量上限。
我国的铝加工厂根据历年来的生产实践，对于铝合金都制定了厂内标准，以便使这些合金获得良好的铸造性能和力学性能。为此，在冲淡时一般都冲至接近或低于该元素的厂内化学成分标准上限所需的化学成分。
B、加镁加铍
扒渣后便可向熔体内加入镁锭，同时要用2号粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。
对于高镁铝合金为防止镁的烧损，并且改变熔体及铸锭表面氧化膜的性质，在加镁后须向熔体内加入少量（0.001%-0.004%）的铍。铍一般以Al-BeF4与2号粉状熔剂按1：1混合加入，加入后应进行充分搅拌。
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炉料装平，各处熔化速度相差不多这样可以防止偏重时造成的局部金属过热。
炉料应进量一次入炉，二次或多次加料会增加非金属夹杂物及含气量。
2、对于质量要求高的产品（包括锻件、模锻件、空心大梁和大梁型材等）的炉料除上述的装料要求外，在装料前必须向熔池内撒20-30kg粉状熔剂，在装炉过程中对炉料要分层撒粉状熔剂，这样可提高炉体的纯洁度，也可以减少损耗。
A、取样
熔体经充分搅拌后，即应取样进行炉前快速分析，分析化学成分是否符合标准要求。取样时的炉内熔体温度应不低于熔炼温度中限。
快速分析试样的取样部位要有代表性，开然气炉（或煤气炉）在两个炉门中心部位各取一组试样，电炉在二分之一熔体的中心部位取两组试样。取样前试样勺要进行预热，对于高纯铝及铝合金，这了防止试样勺污染，取样应采用不锈钢试样勺并涂上涂料。
合金熔体的处理(part2)
的体积自由能差,是生核的
驱动力
r*----------- 临 界 生 核 半 径,当r> r*时，下降，生 核驱动力增大
G总 =4 r2
LS
-
4 3
r
3
GV
σ – 液相与晶核 之间单位界面自
由能；ΔG- 结晶
dG总 dr
=8 r
LS -4 r2
GV
0
过程中单位体积 自由能变化；TM – 合金的熔点；L
——过冷度增加，液相与固相之间的体积自由能差增加远远高于固液界面能的增 加，因此，临界晶核半径随过冷度增加而减小。
（2）均质生核速率
当ΔT→ 0时，ΔG*→ ∞，形核速率I → 0；
当ΔT增加时， ΔG*变小，形核速率I 增大，
形核速率与过冷度的关系 形核速率 I= Cexp(-ΔGA/KT)* exp(-ΔG*/KT)
可以看出接触角越小，所需的过冷度越小。
均质形核速率和非均质形核速率随过冷度的变化
非均质形核速率曲线一般位于均质形核速率曲线的左侧，接触角越小， 大量形核所需的过冷度越小。
生核衬底应具备的条件： l 尽可能小的接触角，错配度≤5%，界面能较低； l 在合金熔体中有较高的稳定性； l 具有较大的表面积和最佳的表面特性。
– 合金的结晶潜
r 2 LS = 2 LS 2 LSTm
GV Hm LT
热；ΔT- 过冷度
——从热力学上看，凝固时，系统自由能变化由两部分组成，即液相与固相之间 的体积自由能差，它是生核的驱动力；
——固液界面能的出现和增加，它是生核的阻力。可以看出只有当晶体半径等于 r*时，随着晶体半径的增加，体系总的自由能才呈下降趋势。也就是说只有当晶 体半径等于r*时，它才有可能成为晶核。
铝合金熔体处理之精炼吸附法PPT幻灯片课件
过滤法
过滤法的具体过程
可用非活性过滤物（石墨 粉、镁硅碎屑、玻璃丝网等 ）和活性过滤物（NaF、 CaF、Na3A1F6等）
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技15造术技课术程
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
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； 6-坩埚; 7-过滤容器; 8-浇注器
24
32
0.3
4
24
26
0.3
20
10
30
0.3
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技13造术技课术程
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单管喷吹式喷粉精炼
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技14造术技课术程
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过滤法的原理
通过由各种材料制成的 过滤器（网）对铝液的净 化作用。
小结：
这节课学习了铝合金 熔体处理——吸附精 炼法！
思考题：
1、铝合金精炼方法有哪几种？它们分别有哪些具体的方法？ 2、吸附精炼法中的浮游法应用原理是什么？
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技19造术技课术程
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THANKS
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果出色。
1－旋转叶轮；2－气泡；3－金属流动；
4－Al液；5－旋转轴；6－气体
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技10造术技课术程
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通氯精炼
吹Cl2精炼示意图
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技11造术技课术程
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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。
第四章 合金熔体内杂质的去除
6
5、其他影响因素
熔炼时间，氧化更严重。 熔体表面的振动，可能破坏氧化膜，加剧氧化。
坩埚、炉衬，也可能发生氧化类反应
温度 种类 组成
7
§3 脱氧反应过程
在钢液中，大量的氧以FeO形式存在，凝固时，主要分布于 晶界→性能变坏
许多元素（脱氧剂）存在最低残氧量和残留最小量。
如：Al、B、C、Cr、Nb、V、Ta、Ti等。
表6-1
9
脱氧产物
许多脱氧元素生成不同的脱氧产物（多种）
一般： 在一定的温度下，脱氧元素的残余浓度[%M]较高时，
脱氧产物为纯氧化物 MxOy 在[%M]较低时，钢中的残氧量较高，仍存在较多的FeO，
脱氧产物常为 Mx与OyFeO组成的盐类
在1600℃，KAl1014很小，表明Al是强脱氧剂。
详细计算过程见
P128页。
11
例 在1600℃时，钢水中含氧量达到0.002%时，若单独用Al脱氧，残
Al量为多少？
K A l% O 3% A 2lK1014
∴[%Al]=0.0011
与0.0011%Al平衡残余量，残氧量为0.002%！ 可见铝的脱氧能力很强，残留量也小，钢中常用Al终脱氧。
1、金属的性质
金属与氧的亲和力越大，形成氧化夹杂的可能性越大； 金属与氧反应形成的表面氧化膜越致密，夹杂越少； 氧化膜强度低，膨胀系数与金属相差大，形成夹杂可能多。
例如： Mg、Li与O亲和力大，表面氧化膜不致密，氧化夹杂多； Al、Be与O亲和力大，表面氧化膜很致密，阻止O再进入； Cu与O亲和力大，CuO 易断裂、脱落。 Cu2O、FeO、NiO 呈液态，可溶性、保护作用差。 Sb2O3 、Mo2O3 易挥发，无保护作用。
铝合金熔体处理之精炼非吸附法PPT资料优选版
01 精 炼 法 概 述
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铝合金铸件铸造技术课程
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。
非 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
六氯乙烷一高冰晶石粉熔剂；
吸
附
法 02
铝合金铸件铸造技术铸课铝程车间 缺点：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。
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技造术技课术程
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精炼处理的目的
除气排夹杂物，以提高 合金液的纯净度。源自精炼处理的方法铝合金液
根据精炼机理，可分为吸
附法和非吸附法两大类。
精炼处理
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技造术技课术程
铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技造术技课术程
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直流电精炼
直流电处理装置
1－自耦变压器；2－整流器；3－换向开关；4－电压表；5－安培表；6－电极 铝铝合合金铸金件铸铸件造铸技造术技课术程
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真空精炼
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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。
03 小 结 与 思 考 题 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
六氯乙烷一高冰晶石粉熔剂；
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缺点：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
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Wulf 定律
Ò ndA min
A
σn —法线为n晶面的 界面能； A —界面面积
液相中晶体的生长形态符合自 由能最小原理。由于晶体的体积自 由能只与固相体积有关并且在结晶 时总是小于液相的，因此，自由能 最小对应于界面能最小
1 2 L n
h1 h2
hn
Wulf在此基础上提出：晶体的平 衡形态是由这样一些晶面围成的，它
合金材料是最具加工性的材料，组织致密、晶粒 细小均匀、相组成合理、相分布适宜、相形态圆整的 材料，其机械加工也便利迅捷，其变形加工的抗力也 下降，变形温度也降低，因此效率提高、加工水平显 著提高。
➢ 开发新型材料的要求
通过对合金熔体的处理，依赖“外加”或者 “内生”作用，在液固相变过程中会产生新的金属 晶体结晶现象，导致合金组织和微观结构的“变 异”，促进新型材料的开发，如复合材料、超高强、 高耐热材料、超临界耐腐蚀材料等。
➢ 提高铸造合金使用性能的要求
铸造的特点是合金要反复经历液相/固相转变， 经常伴随着原材料的熔化、液相原子的重新分布与键 合、凝固组织的形成，第二相的液固析出和固固析出 等过程，因此铸造晶粒粗大、组织不致密、相的组成 不匹配、相的形态不理想，导致使用性能低，材料的 效率发挥不足。
➢ 为合金材料后续机械、热加工提供便利
l01 2(R11 / R01) 1
l11
2 R11 / R01
晶面的相对生长速率与晶 体生长形态间的联系
当 R11 / R01 2 时，二维模式晶 体生长形态仅为{01}单形；
当 R11 / R01 2 / 2 时，二维模 式晶体的生长形态仅为{11}单形；
当
时，
二维模2式/ 2晶体R1生1 /长R0形1 态为2 {01}
6.3 熔体的变质处理 6.3.1 变质机理
为什么要变质 变质的本质 变质的基础知识
❖ 为什么要变质
➢ 保持合金材料传统优势的需求
合金材料的历史悠久，从春秋战国的青铜器、铁器 发展到现代的航空航天、船舶和各类兵器以及工程中应 用的钢铁合金材料、铝合金、镁合金和钛合金等，经历 了相当长的历史过程。
➢ 问题：在合金凝固中，第二相晶体与基体共生——
第二相晶体有三种基本形态 粒状（球状，点状和块状等） 棒状（条状，纤维状等） 片状。
不同合金中第二相晶体的结构不同，其自然生长形态也不 同 自然的生长形态有时恰恰是弱化合金性能的形状 晶体的自然生长形态必须通过人工的方法予以改变，获 得所需要的第二相晶体形态。
❖ 变质的基础知识
➢ 晶体学理论基础
晶体生长形态与生长速率间的关系 Bravais法则 Wulf定律 晶体面角恒等定律
➢ 金属凝固晶体经典生长模型
周期键链理论 完整光滑界面生长理论模型 非完整光滑界面生长理论模型 粗糙界面生长理论模型 扩散界面生长理论模型
பைடு நூலகம்
➢ 晶体学理论基础
晶体生长形态与生长速率间的关系
和{11}两种单形所组成的聚形
（a）
（b）
小平面生长时晶体形态的发展过程 立方晶系一般是由{100}晶面构成
（a）当{100}晶面的生长速率比{111}面快时长成由{111}面构
成的8面体; （b）若外界环境改变了特殊晶面的生长行为，假设{110}面 生长最慢，则晶体长成12面体
Bravais 法则
第二相晶体与基体共同生长，应采用何种人工方式？
➢ 措施：在合金熔体中添加第三元素，如表面活性元素，
通过控制第二相晶体的生长方式，改变其晶体生长形态——
铝-硅合金加入Na或Sr等元素之后，共晶硅呈细小的纤维状
铸铁中加入Na，Mg，Sr或者La，Ce等稀土元素石墨呈球形生 长
➢ 定义：用于改变晶体生长形态的处理称变质处理———
❖ 变质的本质
➢ 现象：例如两种重要的铸造合金————
铝-硅合金 其中共晶硅通常呈粗大的片状 铸铁（铁-碳-硅合金） 其中石墨由于其六方的晶体 结构，在一般条件下，容易长成片状 第二相这种形态的结果———— 片状的硅，不但不 提高 纯铝的强度，反而使原本 好的延展性下降； 片状的石墨，其层片性能的各向异性
法国学者Bravais从晶体结构角度出发，根据 同晶体上各晶面间相对生长速度与它们本身的面 网密度的大小成反比得出结论：晶体上的实际晶 面平行于面网密度大的网面，而且面网密度越大， 相应晶面的重要性也越大。
Bravais法则总的来说是比较符合实际的，对晶体生长理 论的建立具有相当重要的贡献。
但是必须看到，Bravais法则是从晶体结构出发来判断晶体的 形态，它并没有考虑到原子和分子之间的键合性质，更没有 考虑到生长时的物理化学条件的影响。所以Bravais法则只能 预测晶体生长的一种理想形态，在实际应用中应将其作为一 种理想的近似。
回顾 凝固固液界面的分类及晶体两种基本的生长方式
固液界面在微观尺度上可分为小 晶面和非小晶面两种
Jackson因子
H 0 kTm
内部原子配位数 界面原子配位数
通常情况下，晶体的外形是由面网密度大的面网所 包外围推移。，从其晶相体应生的长晶的面角不度论分其析生，长各速族度晶的面快的慢生，长显平露行面向 积的大小，其晶面间的夹角是恒等的。
在实际情况中，由于晶体的各向异性会导致晶体各 方向的膨胀和收缩率的不同，会引起晶面夹角之间的细 微变化。
➢ 金属凝固晶体经典生长模型
既包括铝硅合金中共晶硅的变质处理，又包括铸铁中石墨的 球化处理
不但加入某种元素可以起到变质的作用，而且采取一些物理 的方法也可以改变结晶相的形态，起到变质的作用，例如定 向凝固和强迫熔体流动等都会改变结晶相的形态。
与细化处理的区别在于：工作原理完全不同，细化处理是通 过增加晶核数量来实现的，而变质处理则是通过改变晶体的 生长条件来实现的
们的比表面能σ与晶体的起始点到这
些晶面的距离h成正比,用作图法可确 定晶体的平衡形态
Wulf定律只能确定晶体的平衡形态，即本征形态。然而凝固过程通
常都是在非平衡条件下进行的，晶体的生长形态受到传热、传质及液相 对流等环境因素的影响，大大限制了Wulf定律的应用
晶体面角恒等定律
在一定的生长条件下，成分和构造相同的晶体所对 应的晶面间夹角恒等，称为面角恒等定律。