铸造铝合金熔炼原理

§13-2 铝合金熔炼工艺原理和技术
铝液吸氢的动力学过程
氢分子撞击铝液表面 氢分子在铝液表面离解为氢原子 氢原子吸附于铝液表面 氢原子通过扩散溶入铝液中
2H→2[H] 扩散速度取决于扩散系数D D=KpH21/2exp(-△H/2RT)
铝合金的净化（精炼）原理
氢在铝液中的溶解度 [H]=K0pH21/2exp(-△H/2RT) 当温度不变时
Al+O2=Al2O3(γ)---致密氧化膜 > 900 ℃ : Al2O3(γ)→ Al2O3(α)—疏松膜
γ-Al2O3 具有两面性：①和铝液接触的一面是致密的，可阻碍铝液的氧 化和吸气；②和炉气接触的那面却是粗糙、疏松的，其表面小孔吸附 着水汽和氢，搅动铝液时， γ-Al2O3将水汽和氢带入铝液，铝液氧化 生成夹杂物、吸入氢气。
气体溶解度 的Sieverts 西华特定律
[H ] Ks PH2
Ks A/T B
式中[H]-溶于铝中氢的浓度；Ks-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。
氧化铝的形态、性能及对吸氢的影响
1) 室温下生成表面膜由少量结晶态γ-Al2O3和非晶态Al2O3混合物组成。 2) 500--900 ℃ :
针孔：分布在整个铸件截面上，因铝液中的气体、夹杂含
量高、精炼效果差、铸件凝固速度低而引起。
点状针孔：呈圆点状轮廓清晰且互不相连，易和缩孔、缩松相区别。由 铸件凝固时析出的气泡所形成，多发生于结晶温度范围小、补缩能力良 好的铸件中。
网状针孔：呈密集相连成网状，伴有少数较大的孔洞。结晶温度范围宽 的合金，铸件缓慢凝固时析出的气体分布在晶界上及发达的枝晶间隙中， 此时结晶骨架已形成，补缩通道被堵，便在晶界上及枝晶间隙中形成网 状针孔。它会割裂合金基体，危害性比前者大。
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。
二次氧化夹杂：在浇注过程中形成，多分布在铸件壁的转角
处及最后凝固的部位。
铝液中气体和氧化夹杂的来源
氢气来源： 潮湿、带油污的炉料、Al2O3表面吸附水汽 及氢，搅拌时带入铝液；铝液表面吸附水。
氧化夹杂来源： 表面氧化膜、空气、水汽等被搅入铝液中。
铝-氧反应
铝与氧的亲和力很大，极易氧化，4Al+3O2=2Al2O3。表面生成致密 的氧化铝膜，可阻止继续氧化。
铝-水气反应（续）
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。
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。
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。 铝液中的氢和氧化夹杂主要来源于铝液与炉气中水气的反应。
铝铸件中氧化夹杂的形百度文库及对铸件性能影响
氧化夹杂分为两类
一次氧化夹杂：浇注前铝液中存在的氧化夹杂，总量约占铝液质
量的0.002％～0.02％。按形态可分为两类：第一类是分布不均匀的大 块夹杂物，其危害性极大，使合金基体不连续，引起铸件渗漏或成为 腐蚀的根源，明显降低铸件力学性能；第二类夹杂呈弥散状，在低倍 显微组织中不易发现，铸件凝固时成为气泡的形核基底，生成针孔， 这一类氧化夹杂很难在精炼时彻底清除。
铝—有机物反应
铝—有机物反应也是铝液吸氢的原因之一； 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
铝合金中的气体
能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； 铝液中氢的溶解度不大，很易为氢所饱和； 虽然在熔炼中可采用精炼除氢，但仍会残留一部分，而 且铝液凝固时氢的溶解度变化的相对值很大。
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和H2，熔炼时若氧化皮被搅入铝液，即起Al- H2O反应。
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。
熔炼工艺过程控制的目的是获得高质量的能满足要求的铝液：
化学成分符合国家标准，合金液成分均匀； 合金液纯净，气体、氧化夹杂、熔剂夹杂含量低； 需要变质处理的合金液，变质效果良好。
因熔炼工艺过程控制不严而产生的废品中，主要原因是合金液中的气 体、氧化夹杂、熔剂夹渣未清除所引起。
铝铸件中气孔的形态及对铸件性能的影响
混合型针孔：由点状针孔和网状针孔混杂在一起，常见于结构复杂、壁 厚不均匀的铸件中。
针孔分级
铝铸件中气孔的形态及对铸件性能的影响（续）
皮下针孔
气孔位于铸件表皮下面，因铝液和铸型中水分反应产生 气体所成，一般和铝液质量无关。
单个大气孔
产生的原因是由于铸件工艺设计不合理，如铸型或型芯 排气不畅，或由于操作不小心，如浇注时堵死气眼，型 腔中的气体被憋在铸件中引起。
第十三章 铸造铝合金熔炼
铝合金的精炼原理 铝液的精炼工艺 铝合金组织控制 铸造铝合金熔炼工艺
概述
铝合金熔炼的内容包括配料计算、炉料处理，熔炼设备的选用、熔炼工具处理及熔炼 工艺过程控制。
熔炼工艺过程控制的内容包括正确的加料次序，严格控制熔炼温度和 时间、实现快速熔炼、效果显著的铝液净化处理和变质处理及掌握可 靠的铝液炉前质量检测手段等。