铝合金及型材生产原理熔炼.pdf
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1、熔炼 熔炼和铸造生产是铝及铝合金加工工艺中的组成部分,其主要目的是: 配制合金; 通过 适当的工艺措施 (如精练和过滤)提高金属净度;铸造成型。 它不仅提供符合加工要求的优 质铸锭, 而且铸锭质量在很大程度上影响压力加工过程和制品的质量,熔炼过程中的吸气和 夹杂物会在铸锭中造成疏松、气孔、 夹渣等冶金缺陷。为此必须采取相应的净化处理措施予 以防止和清除。 烘炉操作: 新修、大修后的熔炼炉,其自然干燥时间在夏季不应小于半个月,在冬季不 应小于一个月,中修后的炉子,其自然干燥时间不应小于一个星期。 烘炉的目的是: 使炉体各部分内外层均匀缓慢地升温,避免炉衬受急冷急热而开裂。同 时,更充分地排除砌体
2、中的水分,防止熔炼时金属吸气和氧化。 煤气反射炉烘炉制度 序号炉膛温度 / 新修及大修后中修及长期停炉后 升温速度 /h 保温时间 /h 烘炉时间 累计 /h 升温速度 /h 保温时间 /h 烘炉时间 累计 /h 1 室温 206 - 30 15 - 12 2 200 - 24 54 - 8 20 3 200 10 - 79 25 - 52 4 450 - 8 87 - - - 5 450 10 - 112 - - - 6 700 - 12 124 - - - 7 700 15 - 144 - - - 8 1000 - 6 150 - 4 56 注: 1.大修后,自然干燥时间少于半个月时,夏季
3、应延长低温(200)烘炉时间24h,冬季 延长 36h。 2.停炉在 5 昼夜以内及5-10 昼夜时,关上炉门用微火苗分别烘烤8h 和 12h 后,将炉温 升至 900即可装炉。 3.停炉在 10-15 昼夜及小修后, 先敞开炉门用木柴烘烤4h,再关上炉门用轻微火苗烘烤 12h,然后将炉温升至900 , 即可装炉。 一、烧损 合金在熔炼过程中由于氧化反应,挥发, 以及与炉墙, 精练剂等作用而造成的不可回收 的金属损失称为烧损,总烧损率一般为2.5-5.0%之间。 在火焰炉中熔炼成品合金和重熔低品位废料时的不可回收损失 合金组别 成品合金低品位废料 烧损 /% 渣中金属 +溅渣 +浮渣烧损 /%
4、 总熔损 /% 其中,烧损 /% 工业纯铝、 3A21、6061、6063 0.7 1.4 0.85 5.0 2xxx 及其他0.9 2.1 1.3 7.0 5xxx 、7xxx 1.1 2.4 1.4 8.0 二、熔炼温度 过低的熔炼温度在生产实践中没有实际意义,在生产中既要防止熔体过热(使金属与炉 气、炉衬等相互作用) ,又要缩短熔炼时间。 过热不仅容易大量吸收气体,而且易使在凝固后铸锭的晶粒组织粗大,增加铸锭裂纹 的倾向性,影响合金性能。 半熔融的温度下,合金易吸气 (铝液溶解的气体中80-90%是氢气)。氢与铝不起化学反 应,而是以原子状态存在于晶体点阵的间隙内,形成间隙式固溶体。 熔
5、炼铝及铝合金时,应该选择微氧化性气氛:还原性气氛对铝合金并不是还原性的, CO 可使铝继续氧化,H2及碳氢化合物还可与铝反应产生大量原子氢进入溶体; 还原性气氛 燃烧不完全, 温度低; 微氧化性气氛能使熔体表面生成一层氧化膜,使氧化过程变得非常缓 慢。因此,氧化性气氛反而有利。 不同温度下氢在铝中的溶解度(在101.325kPa 下) 温度300 400 500 600 660 700 750 800 900 1000 溶解度 ml/100gAl 固0.001 0.005 0.011 0.024 0.034 - - - - - 液- - - - 0.65 0.86 1.15 1.56 2.41
6、 3.9 铝液凝固后氢原子从金属中析出成为氢分子,最后以疏松、气孔的形式存在于铸锭中。 实际生产中多选择高于液相线温度50-60熔炼。 常用铝合金的熔炼温度: 3A21 3003 2618 2A70 2A80 2A90 720-770 其余铝合金700-760 纯铝700-750 三、净化和除渣 降低熔体中的气体含量(主要是氢气,通常要求0.15cm 3/100g 以下),减少非金属夹杂 物和各种有害金属杂质。 氢和氧化物对铝合金性能的危害 氢的危害氧化物的危害 在 铸 造 性 能 方 面 随铝及铝合金中氢含量增加,铸锭 中形成疏松、气孔、小白点、小尾巴等 缺陷的倾向增加,并使铸件及变形铝合
7、金半制品的气密性降低。 氧化物降低铝合金熔体的流动 性和充填铸型的能力,并使合金产生 分散缩孔和铸锭裂纹的倾向增大。氧 化物在铸锭中可直接形成夹渣、氧化 膜缺陷,降低铸锭成品率。 在 表 面 及 热 处 理 和 加 工 方面 合金中的氢也是促进电解抛光时 产生蚀坑的原因之一,并使车削后的表 面状态变坏。 过饱和状态和化合态存在的氢是 促使半制品中产生二次疏松和表面起 泡的重要原因。 分层起皮起光亮鳞片都是由氢直 接造成的,还易引起氢脆。 氧化物是铝加工支配产生分层和 许多表面缺陷的重要原因。在热处理 和加热过程中,氧化物的存在可促进 二次疏松和气泡的形成。 在 力 学 性 能 方 面 随铝及铝
8、合金中氢含量增加,铸锭 及半成品的强度、塑性、冲击韧性及断 裂韧性都明显降低。 随着铝合金被氧化物污染程度 的增加,合金的强度极限和延伸率降 低。特别是横向延伸率及动态力学性 能,其中对冲击韧性、疲劳强度和断 裂韧性降低更为严重。另外,氧化物 还能降低合金的抗应力腐蚀性能。 铝熔体中金属杂质的主要来源是炉衬用耐火材料( Al2O3、Fe2O3、SiO2等)的反应产物。 4Al+3SiO2=2Al2O3+3Si 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe 在铝及铝合金熔体中,能通过物理的、化学的或物理化学的相互作用,从熔体中除去气 体和固态非金属夹杂物的物质叫精练剂。 按物态分,常用的铝合金精练剂有
9、气体、液体和固体精练剂三类。 气体精练剂有氯气、氮气等;液体精练剂主要是高温下呈液态的氯盐,如四氯化碳、四 氯化钛;固体精练剂有氯盐、复合溶剂和无毒精练剂。 1.氯盐精炼 (净化 ):许多氯化物在高温下可以和铝发生反应,生成挥发性的AlCl3 而起净化 作用。 如 3TiCl4+4Al 4AlCl 3+3Ti 3MnCl 2(或 ZnCl2)+2Al 2AlCl 3+3Mn (或 Zn) 氯盐易吸潮,应注意保持干燥。 加入氟化物 (如冰晶石Na3AlF 6)与铝熔体具有更高的反应能力, 促进了氧化物的排除。 2.几种铝合金的吸附净化方法 2.1 浮游法 2.1.1 惰性气体吹洗法 氮气、氩气不
10、与氢也不与熔融铝起反应。夹杂被氮气、氩气小气泡吸附在表面而上升至 液面。 2.1.2 活性气体吹洗 Cl2+H22HCl 3Cl2+2Al 2AlCl 3 2Al 2O3+6Cl24AlCl3+3O 2 生成的 AlCl 3沸点 183。 2.1.3 混合气体吹洗 N2+Cl2(9: 1 或 8: 2) 或 N2+Cl2+CO (8:1:1) 2.2 氯盐净化 除金属盐外,还有C2Cl6(185.5升华)、CCl4等。 C2Cl6C2Cl4+Cl2 2Al+3Cl2 2AlCl3 C2Cl4CCl4+C CCl4 2Cl2 +C H2+Cl22HCl C2Cl4沸点 121 度 2.3 无毒精
11、炼剂 如 NaNO3+C 4NaNO3+5C2Na2O+2N2+5CO2 2.4Al-Mg 、Al-MgSi 系合金常用精炼剂(打渣剂 ): KCl+MgCl2:CaF2=60:40(或 80:20), CaF2的加入为了提高熔剂的分离性,防止产 生熔剂夹杂。 KCl 、MgCl 2混合熔剂的熔点约 650。 打渣剂要求粉状,以便覆盖;而精练熔剂则要求一定粒度,以延长精练时间,充分、有 效地利用熔剂。 3.铝合金熔体的除渣原理 3.1 澄清除渣(静置) :氧化物渣密度轻上浮。 3.2 吸附除渣:氧化物夹渣被气体精炼剂或熔剂精炼剂吸附在表面上。 3.3 过滤除渣(炉外净化) :玻璃丝布除去尺寸较
12、大的夹杂,一次性使用。陶瓷板过滤,陶瓷 板应预热至600 度左右使用。 玻璃丝布孔眼尺寸1.2*1.5mm, 孔目数为30 目/cm 2。 陶瓷过滤板由氧化铝和氧化铬等组成,一般厚度50mm,长宽 200-600mm,孔隙度高达 0.8-0.9。 4.常用涂料的组成 滑石粉( 3MgO.4SiO2.H2O) :水玻璃( Na2SiO3) :水( H2O)=22:3:75 四、变质处理 向金属液中添加少量活性物质,促进液体金属内部生核或改变晶体成长过程的一种方 法,生产中常用的变质剂有形核变质剂和吸附变质剂。 1.形核变质剂 稳定,熔点高,分散度高,均匀分布于熔体中。如: TiAl3密度3.11
13、g/l 熔点1337 TiB2密度3.2g/l 熔点2920 TiC 密度3.4g/l 熔点3147 Al-Ti是传统细化剂,Al-Ti-B (5%Ti 1%B )目前是最有效的细化剂,TiB2质点易聚集 成块,偏析聚集。有B 加入 Ti 含量要求 0.01-0.05%,无 B 加入 Ti 需 0.1-0.3%,生产中一般 有硼加入钛取0.05%。TiAl 3质点加入熔体中 10min 时效果最好, 40min 后衰退, 因此铸造前 在线加入最好。 Al-Ti 中间合金加入到熔体中静置一定的时间后,会产生细化效果消失的现象。一般认为是由于TiAl3 粒子溶解的原因所致。 TiAl3是目前为止所
14、发现的铝合金中最为有效的活性质点它不仅可以减少柱状晶组织的 出现和细化等轴晶粒,同时也能影响柱状晶的横向尺寸。因此, 铝合金中钛含量的多少是决 定铸锭晶粒度变化的基本因素。在工业生产中, 为了得到稳定而细小的晶粒,除了少数几个 有特殊要求的合金外,都毫无例外地人工加入0.02-0.1%的钛。应该指出,合金中加钛过量 也是无益的, 这样会促使生成粗大的金属化合物,不仅影响制品最终性能,而且会因聚集沉 积而降低细化效果。 有钛的突出作用,总的来讲,合金中主要组元(铜、镁、硅、锌、锰、铁、镍等)对铸 锭晶粒度的影响还是不明显的。 2.吸附变质剂 含 Na、Sr(锶)变质剂等。缺点是常引起热脆。 五、
15、铸锭的结晶组织和铸锭的缺陷 结晶组织的好坏,不仅影响工艺性能,而且影响最终制品的质量(如力学性能高低,断 口质量的优劣等) 。因此生产中力求获得晶粒细小,致密度高,均匀一致的结晶组织。 1. 影响铸锭结晶组织的因数: 1.1 合金成分及活性微量元素的影响 主要合金组元对铸锭晶粒影响一般不明显。含活性微量元素少的合金,易形成柱状晶 (长 条形)或粗大等轴晶(颗粒状)组织,人工加入少量活性微量元素(如Ti)促进熔体内部 非自发成核,这对细化晶粒很有益处。 当晶粒度超过允许范围时,铸锭中的这种组织缺陷称为晶粒粗大。 在铝合金半连续铸造中(立式直接水冷。连续供流浇铸且配同步锯,便成为全连续铸锭。) ,
16、铸锭穴中 的熔体温度对形成晶粒的大小起着决定性的作用。铸造时,如果降低熔体温度,虽然使液穴中熔体温度降 低很小,但是也能促使铸锭的晶粒度明显细化。 浇注前,熔体在炉中的熔炼温度过高,停留时间过长是铸锭晶粒粗大又一形成原因。 冷却速度是决定金属组织状态的重要因素之一。如果冷却十分缓慢,则结晶不能立即开始。此种条件 下,铸锭边缘往往出现发达的柱状晶组织,而在铸锭中心则呈现粗大的等轴晶组织。 1.2 熔体过热温度的影响 熔炼时过热和采用不适当的高温铸造时,均可能得到柱状晶和粗大等轴晶。 6063 铸造温度一般为710-720。 1.3 熔体相对结晶面运动的影响 在连铸时改变导流方式,直接向结晶前沿供
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- 铝合金 生产 原理 熔炼
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