铝合金液净化除气及熔体处理概述教学提纲
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。
铝的熔炼净化
铝及铝合金的熔炼及净化铝合金的熔炼是一个繁杂的过程，它包括铝合金的熔化、合金化、成分调整和净化处理等工艺。
大体说来要经过以下程序：烘炉---- 使炉体充分干燥，防止使用时释放出水气而导致氢含量增加，特别是新炉更应彻底烘烤。
洗炉---- 如果炉子不是熔化某一合金专用的，从一种合金转到不同牌号的另一种合金时应彻底清洗，以免不同牌号合金的元素相互污染。
特别是熔炼某些高品位的合金制品时，应格外注意。
配料---- 优化配料，节省新料的用量。
这就要求废料严格按品位分类保管，存放处应保持清洁、干燥，切勿把水或其他杂物混入废料中。
来路不明的废料成分复杂，一般需复化后使用。
装炉---- 装料速度要快，减少热量散失。
先装小料、碎料，再装大块料。
易熔的在下，难溶的在上。
为防止炉料的烧损，有时要撒些覆盖剂在炉料上面。
熔化---- 其核心就是如何提高热效率，加快熔化速度，减少铝的烧损。
这已成为一个专门研究课题。
扒渣---- 如果浮渣较多，粘度较大，应加入适量打渣剂，减少渣中铝含量，松散铝渣容易扒出。
搅拌---- 搅拌有两个作用，一是使成分均匀，二是使温度均匀。
分析---- 确定熔体中已有的合金元素含量，取样应有代表性，真实性。
合金化—根据分析结果，不足的按计算量加入合金元素，超量的—如果不太多的话，可加铝冲淡分析---- 再次分析是为了确认合金化后的铝中，各合金元素是否达到要求。
没达到的组分要补足。
精练---- 此时应加入精练剂、打渣剂进行炉内净化处理。
如果静止后直接浇注，此时可加细化剂。
倒炉---- 熔炼好的铝熔体转移到静止炉中保温，熔化炉中喷撒清炉剂，除去炉壁和底部积渣。
炉外精练--- 铝熔体由静止炉出来，经由旋转除气、泡沫陶瓷板过滤等直达铸造台。
在铝熔体进入除气箱前加入AlTiB杆晶粒细化剂。
第一部分添加剂与铝合金的熔炼合金种类的多样性在纯铝中加入一定量不同种类的合金元素，就可以配制成各种不同的铝合金。
大多数金属元素在铝中的溶解度随温度升高而增加。
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。
铝合金熔体净化工艺概述
陶瓷泡沫是近年来发展起来的新型陶瓷过滤材料，它是由氧 化铝和氧化铬等组成的陶瓷浆料，借助聚氨酯泡沫成型，再经干 燥、烧结而成。孔隙率高达 80%～90%。它的特点是使用方便， 过滤效果好，过滤时不需要很高的压头，价格便宜。
但陶瓷泡沫较脆，易破损，通常只能使用一次。为了增加过 滤效果，可采用双级过滤法，如DFU法等。
3、熔剂法
熔剂法是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。
熔剂的除杂能力是由熔剂对熔体中氧化夹杂物的吸附作用和溶解作用以 及熔剂与熔体之间的化学作用所决定的。因为氧化夹杂物是不被铝液润湿的， 二者之间的界面张力很小。
熔剂吸附熔体中的氧化夹杂后，能使系统的表面自由能降低，因此，熔 剂具有自动吸附氧化夹杂的能力，这种吸附作用是熔剂除杂的主要原因。熔 剂和夹杂物之间的界面张力愈小，而溶剂和金属的界面张力及铝液和夹杂物 之间的界面张力愈大，则熔剂的吸附性愈好，除杂作用愈强。
5、提高铝熔体净化效果的主要途径
避免片面追求低氢含量的倾向，才有利于开发研制更为有效的铝液净化新 技术。
在以除杂为主的净化方法中，过滤法一般是在除气后浇注前进行的（如 过滤网安放在浇口或流槽等处），其除杂机理主要是机械的和物理的作用， 对悬浮在熔体中微细夹杂的排除作用并不显著，并且该法难以实现先排杂后 除气的原则；
熔剂对氧化物的溶解作用是由熔剂的本性所决定的，通常，当熔剂的分 子结构与某些氧化物的分子结构相近或化学性质相近时，在一定温度下可以 产生互溶。
熔剂的除气作用主要表现在三个方面： 1）随络合物的除去而除去被氧化夹杂所吸收的部分络合氢； 2）熔剂产生分解或与熔体相互作用时形成气态产物，进行扩
散除氢，如产生AlCl3、N2、CO2和SiF4等； 3）由于熔体表面氧化膜被溶解而使得溶解的原子氢向大气扩
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。
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2013，01:89-91.
14
• 共晶Si变质处理 Sr---以Al-Sr 形式加入，影响共晶Si的生长以达变质效果 缺点：变质过程有严重的吸气倾向，合金容易产生疏松，使 铸件的致密性有所降低。
12
净化 除气
气体（H2）
检测---减压 凝固
除气---旋转 喷吹
熔体 处理
细化处理
变质处理
13
• 叶锦华. 含氢量对铝合金致密性检测的影响[D].沈阳理工大学，2008. • 贾征，张志强，乐启炽，崔建忠. 铝、镁合金中氢含量检测方法研究进展[J].
• Al-Ti-B-RE（有前景） RE---具有变质、精练、净化、除气等作用
10
• 目的：改变共晶硅形貌和尺寸的过程。 使共晶硅由粗大的针、板状变成细小的纤维状或层片状。
Hale Waihona Puke 11• 初晶Si变质处理 P--- AlP可以作为Al-Si合金初晶Si结晶的异质核心 低熔点P-Cu 中间合金--- “绿色变质剂”
特种铸造及有色合金，2011，06:571-575. • 黄良余，张少宗. 铝合金熔体处理及炉料处理的若干问题——铝合金熔体处理
部分[J]. 特种铸造及有色合金，2001，04:36-39+1-0. • 李杰华. 铝合金熔体旋转喷吹除气净化技术的研究[D].西北工业大学，2006. • 闫红涛. 铝熔体除氢净化理论与工艺的研究[D].中南大学，2007. • 李西前. 铝熔体快速定量测氢系统的研究开发及应用[D].华中科技大学，2006. • 袁灿. 熔体处理对356合金凝固特性的影响[D].南京航空航天大学，2012. • 孙小平，石路，管仁国，王顺成，戚文军. 铝合金晶粒细化的研究进展与发展
北京有色金属研究总院
先进控制凝固与成形工程技术研究中心
• 铝合金液中气体和夹杂物来源及 其检测方法
• 铝合金液体净化工艺及方法 • 铝合金熔体的细化处理 • 铝合金熔体的变质处理
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密度小 比强度高 塑性好
铝合金
净化除气 熔体处理
气体 夹杂物 熔体质量控制
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原子态（约90%） 分子态（约10%）
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一定量的Ti、B、Zr等中间合金或熔剂
共晶铝硅合金熔体
初晶α(A1) 粗大树枝晶变成细小等轴晶
改善合金的 补缩能力
减少热裂倾向
减小针孔的尺寸 和数量
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• Al-Ti-B中间合金 B---增强细化能力，提高稳定性和长效性
块状形式加入
（细化效果衰退）
中间合金线材
钛和硼利用率高
细化效果均匀、稳定
细化作用快，细化能力强
化合态
针孔
熔体测氢含量
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铝熔体测氢含量方法
直接法
间接法
减压凝固检验法
优点： 设备简单、快速； 装置维护也比较简单； 缺点： 灵敏度较低；
结果是铝合金熔体中 含氢量与夹杂物含量 的综合反映。
6
铝合金熔体中的夹杂物含量与 含氢量具有很大的相关性
7
旋转喷吹除气法
分压差脱气原理
借助于专门设计的吹头向金属液 中通入惰性气体，通过吹头的旋转作 用，在熔体深处形成快速运动的气、 水涡流，使气泡尺寸变得细小、分布 均匀，从而实现浮游精炼的目的。