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铝合金的精炼和除气新工艺

GLq(xx)--XX--2013

铝合金的熔炼通常包含合金化；净化；细化三部份。

合金化，即将各种元素通过加热熔合成一种成分相对均匀的合金。

净化，即通过物理的，机械的和物理化学的方法，清除铝合金熔体中的有害气体（氢），氧化夹杂物和有害元素。

细化，即通过添加晶粒细化剂或共晶硅变质剂的方法，使凝固后的合金晶粒或共晶硅晶体变细。

上述三项任务中，其中前两项对所有合金都是必须的，而细化仅对部分合金按需要进行。

从熔融合金中清除氧化夹渣和氢的过程，以往称之为精炼（fluxing）和除气（Degassing）。美国从上世纪六十年代开始研究新的精炼和除气新工艺，研究产生了旋转喷咀，发展形成了SNIF工艺，即惰性气体小气泡流浮选工艺，在上世纪七十年代中期开始用于生产，并在研究论文中提出了净化的概念（Cleaning）。净化的实质含义是物理作用代替了物理化学作用，但现在所讲的净化，实际上是广义化了，是精炼和除气的统称。

铝合金熔体净化处理的必要性：

铝合金的熔炼是一个高温下长时间的过程，合金以熔融或半熔融状态暴露于炉气（大气）中，与之长时间相互作用。铝合金熔体的高氧化性及对氢的可溶解性，往往引起金属大量吸气，氧化，并造成制成品中氧化物夹渣和气孔。

铝与氧形成的氧化物为Al2O3，是一种高熔点，高硬度的化合物，其密度与铝合金相近，不易从铝熔体中清除。此外液面上的氧化膜可吸附较多的氢，引起合金中含氢量增高，在铸件中形成氧化物夹杂和气孔。

氢是在铝中有较大溶解度的气体，它主要是通过高温铝液与水蒸气反应2Al＋3H2O=Al2O3＋

6［H］形成氢而溶入铝中。氢在铝中除有较高的溶解度外，另一个特点是在固态和液态铝中的溶解度相差很大，即在液态铝中溶解的氢，在铝液冷却到凝固时，绝大部分的溶解氢都将析出，在铸件或铸锭中形成气孔。例如，在660℃时氢在液态铝中的溶解度为0.65ml/100g，而在660℃的固态铝中的溶解度仅为0.034ml/100g，两者相差19倍，即铝液由液态冷到固态时，95％的溶解氢将析出，此时合金已进入凝固或半凝固状态，析出气体形成的气泡不能从液面排出，而留在铸件中成为气孔。

另外在铝合金的生产中会混入少量的碱或碱土金属，如钾，钠，钙等，对铸造合金无太大的影响，但将导致增高压力加工合金的热脆性，使合金在热压力加工中开裂。

铸件中的夹杂和气孔，将给铸件的力学性能，耐蚀性，表面光饰性造成不良影响，因此铝合金液在浇注前必须进行净化处理，以清除其中的氧化夹杂和溶解的氢及其它的有害杂质。

铝合金净化处理工艺方法的发展：

铝合金的工业应用起源于上世纪二十年代，在二战以前的二十多年里，铝合金的生产和应用，已具一定规模，在铝合金铸件生产中，对铸件中的气孔和夹渣的原因进行了分析，对合金液的精炼和除气，进行了许多试验和研究，取得了许多专利，主要是德国，英国，法国和美国。

在铝合金的精炼除气方面，出现了先缓冷凝排气再快速熔化浇注法，真空除气法，通N2吹炼法，通Cl2吹炼法，Cl2+N2混合气体吹炼法，氯盐精炼法，TiCl4除气及细化晶粒法，混合氟化盐氯化盐熔剂除气法，熔剂复盖下通入氮气精炼除气法，超声泼除气法等工艺方法。

在这一时期，在铝合金精炼除气方面进行了许多试验，由於当时生产现场管理的不规范和未建立标准的评价铝合金中含氢量的方法，一些试验结果不稳定，虽然认为氯气或氯盐的精炼除气效果最好，也认识到对人和环境的损害，使用受到限制。公认的，有效的铝合金液的除气方法，还未真正确立。这一时期即上世纪初到三十年代中期，是铝合金精炼除气试验研究的第一阶段。

第二次世界大战期间，大量使用飞机，航空工业得到飞速发展，铝合金大量被使用，而且对产品的质量要求也越来越高。在铝合金的精炼除气方面，应用了第一阶段的研究成果并作了改善，在铝合金生产现场的管理方面作了很大的改进。

在铝合金的除气精炼工艺上为了取得良好的效果，采用吹氯或氯，氮混合气精炼；在熔剂复盖下吹氮精炼；压入六氯乙烷或其它氯化物精炼。

在1935年德国人Hanson发表的论文中，叙述了如何在铝合金凝固时施加气压，来防止铸件中产生针孔。随后在德国的铸造工场，建造了直径达1.5米，长放2米的加压铸造罐来铸造大型砂型铸件,取得了无针孔的高质量铸件。但这种方法并不是通过去除熔融合金中的气体来防止针孔的产生，那些不在压力下结晶的铸件，仍难防止针孔的产生，说明当时并没有对铝合金的精炼除气，取得实质性的结果。

这一时期即铝合金精炼除气的第二阶段。在1945年英国Bake