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2019中国汽车新材料应用高峰论坛

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2019中国汽车新材料应用高峰论坛

西盛铝业董事长:熔铸工艺控制 熔剂对铝及铝合金熔体物理净化

来源:SMM

SMM 9月19日讯:郑州西盛铝业有限公司董事长李有望在《2019中国汽车新材料应用高峰论坛暨第七届铝加工产业链供需交易峰会》上表示熔剂对铝及铝合金熔体的物理净化中熔铸工艺控制是基础。从熔体净化的基本对象到铝合金熔体净化的分类再到炉内净化与在线净化都是铝合金熔体净化必不可少的工序,其中炉内净化是熔体净化的基本保证;熔剂净化是熔体净化的重要组成部分。

一、铝合金熔体净化


高品质铸锭与熔体净化——重熔铝锭制备构件的一般成形工艺

熔铸—均匀化处理—塑性变形—热处理

随着构件服役性能要求的不断提高,需从构件制备的全过程进行质量控制,其中铸锭作为铝加工的原始坯料,其质量决定其加工性能与构件服役性能。熔铸工艺控制是基础。

熔体净化(基本前提)+铸造工艺——高品质铸锭

熔体净化与铸锭微观缺陷

铸坯气孔、夹渣等遗传性缺陷将严重恶化铸坯加工性能及构件服役性能。

铸造前熔体净化是规避铸坯气孔、夹渣等冶金缺陷的有效手段。

熔体净化的基本对象

气:主要为氢、90%为原子态、10%为分子态 

氢会使铸坯产生尺寸不等的气孔,破坏的连续性,减少了构件的有效承截截面,在气孔周围引起应力集中,对铸坯的加工性能和力学性能不利;在半成品中会出现分层缺陷和第二类氢脆现象,增大加工脆性。

渣:主要为氧化物、碳化物、氮化物、硼化物 

夹渣的存在容易在其尖角处产生应力集中,且割断基体组织,使产品渗漏或易于腐烛,显著降低力学性能及抗应力腐蚀性能;也会降低合金的流动性和充填铸型的能力,增大铸件的缺陷倾向;增加铝熔体的吸气倾向,并阻滞气体的扩散和析出,在热处理过程中,促进二次疏松和孔洞的形成。

杂:主要为杂质元素,各系合金各有侧重

杂质元素的存在容易在材料凝固过程中形成有害杂相,恶化合金力学性能与加工性能。

碱金属/碱土金属:主要为锂、钠、钙

单质态存在的碱金属/碱土金属,在凝固过程中易存于晶界,塑性变形过程中,由于其熔点低,重新恢复游离态,从而形成裂纹源,随着变形量的增加,裂纹汇集形成开裂,如 “钠脆”。

铝合金熔体净化的分类

炉内净化与在线净化

炉内净化是熔体净化的基本保证;熔剂净化是熔体净化的重要组成部分。

二、熔剂化学净化的弊端


二次污染铝熔体

二次烧损

有害气体排放

熔剂化学反应常见有害气体的排放有:氟化氢(HF)、氯化氢(HCl)、氯 气(Cl2)等。

腐蚀侵蚀熔炼控制系统和设备材料

a、熔剂化学反应产生的排放气体对熔炼炉控制系统探测头的腐蚀

b、熔剂化学反应产生的排放气体对熔炉炉衬材料的腐蚀

三、汽车用再生铸造铝合金熔体净化的难点


1、熔点低

2、原料比表面积大导致渣量大

3、渣铝分离困难,烧损大

四、铝及铝合金净化用熔剂的热力学计算


热力学计算发展历程及Thermo-Calc软件构成

五.铝及铝合金熔剂净化的动力学分析


熔剂净化铝熔体的动力学模型

熔剂净化铝熔体的动力学过程

在上图中以γsl 、 γsv 、 γlv在铝熔体表⾯分别代表熔剂与铝熔体间、铝熔体与⽓体间以及熔剂与⽓体间的表⾯张⼒,或在铝熔体内部分别代表熔剂与固态夹渣间、夹渣与铝熔体间以及熔剂与铝熔体间的表⾯张⼒,θ代表熔剂的润湿⾓度,在上图中的表⾯张⼒间到达平衡时存在下述关系:γsl =γsv – γlv cosθ

熔剂配置的动力学原则

熔剂作用在铝熔体表面时,当γsv <γsl, cosθ<0, θ角>90°,熔剂将吸附熔体表面的浮渣,起到除渣的作用,同时γlv越小,θ角越大,除渣的效果则越好,按此原则配置的熔剂称之为造渣剂

熔剂作用在铝熔体表面时出现相反的情况,即γsv >γsl, cosθ>0, θ⾓<90°, 熔剂在铝熔体表面的铺展性增大,起到覆盖的作用,同时γlv越⼤,θ⾓越⼩,熔剂覆盖的效果就越好,按此原则配置的熔剂称之为覆盖剂

当熔剂作用在铝熔体内部时,同样条件下去除铝熔体内部夹渣的效果越好,按此原则配置的熔剂称之为精炼剂;

依据上述除渣的动力学条件和不同熔盐的表面张力数据,是熔剂成分配置的基础。

边边匹配晶体学模型计算夹渣物与铝熔体的润湿性

结论:铝熔体对这几种典型夹杂物的润湿关系为:MgO>AlB2>TiB2>AlN > Al2O3>Al4C3

熔剂净化的浮游动力学

熔剂在熔体中的作用时间对净化效果有直接影响,熔剂在熔体中停留的时间 越长,其与熔体中的夹杂物之间的相互作用就越充分,捕获夹杂物的几率就越大, 熔体净化效果越好;但是熔体长时间停留在熔体中也会有不利影响。

结论:铝熔体 对这几种典型夹杂物的润湿关系为:MgO>AlB2>TiB2>AlN > Al2O3>Al4C3

熔体温度越高、熔剂颗粒直径越大、熔剂与熔体密度差越大,其浮游速度 越大、雷诺数越大、阻力系数越小,在相同熔池深度下,熔剂捕获夹杂物的几率 相对更低。

在相同条件下,采用大比重熔剂、小尺寸气泡(液滴)、低温精炼,熔 剂浮游的时间更长,NaCl-KCl 系熔剂对熔体温度和液滴直径更敏感,相对于 NaCl-KCl 系熔剂,采用 MgCl2-KCl 系熔剂的浮游时间更长,且不会引入 Na 元 素。

五.熔剂物理净化实用案例报告


物理净化应用产品实例

熔剂物理净化测试报告案例

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