高性能鋁合金精煉劑的探討

摘要:對于鋁合金來說，由于Al的化學活性很強，在熔煉過程中容易產生夾雜、氣體等缺陷，它們在熔體凝固后會分布在合金內部，對材料性能產生很大影響。因此，要提高鑄造鋁及其合金的性能，必須充分除去熔體中的氧化夾雜和氣體，避免鑄件中缺陷的產生。

關鍵詞:鋁合金 精煉劑 氧化物夾雜

1 氧化物夾雜的類型

熔融金屬液在精煉處理以及運輸過程中，氧化皮、金屬間化合物、爐膛碎片等異質物容易被帶入到金屬液中，形成非金屬夾雜，這些非金屬夾雜主要是氧化物夾雜。根據其在熔化和澆鑄過程中形成時期的不同，可以分為一次氧化物夾雜和二次氧化物夾雜。

一次氧化物夾雜主要是指鋁液澆注前形成的所有氧化物夾雜。一次氧化物夾雜按其形狀可分兩類:一類是宏觀組織中分布不均勻的大塊夾雜物，這類夾雜物，使合金組織不連續，降低工件的氣密性能，成為腐蝕的根源，明顯降低鋁合金的強度和塑性，也往往成為零件的裂紋源，第二類氧化物夾雜是指細小的、彌散的夾雜物，即使經過仔細凈化也不能全除去，它使金屬液粘度增大，降低凝固時鋁液的補縮能力，易造成鑄件的縮松。

二次氧化物夾雜，又稱為內生夾雜物，主要是在澆注過程中形成的。內生夾雜物一般來說分布比較均勻，顆粒也比較小。鋁液在澆注過程中的飛濺、紊流是二次氧化物夾雜的主要來源。鋁液在砂型中，與型砂中的水分作用，經水分解為氧和氫，氧與鋁作用形成氧化物夾雜，氫溶于鋁液。

2 雜質去除方法

鋁熔體中的有害雜質元素可用真空處理去除和精煉劑法化學去除。真空處理就是在真空條件下，利用雜質元素的沸點低于鋁(沸點為1800℃)和鋁合金主要成分的沸點，通過蒸發使之去除。真空處理可以將鈣、鋅等的量降低到lppm以下，但是還未獲得工業應用。

有害雜質元素可與精煉劑發生化學反應而生成能夠與鋁分離的化合物，并通過精煉劑的吸附作用而被帶入精煉渣中排出。其它金屬與氧、按和硫的生成熱大小排列如下:

氧化物:鎂、鋁、鈉、硅、錳、鋅、鐵、鎳、鉛、銅;

氯化物: 鈉、鎂、鋁、錳、鋅、鉛、鐵、鎳、銅、硅;

硫化物:鈉、鎂、錳、鋅、鋁、鐵、銅、鉛、硅、鎳

以去除氧化物夾雜為主的方法主要有:電熔劑法、過濾法和精煉劑法。其中精煉劑法和過濾法的研究與應用相對廣泛和深入。但是，過濾法由于所用多孔陶瓷過濾器價格高，在使用過程中容易堵塞而消耗大，其應用也受到一定的限制。

在鋁合金熔煉過程中，將精煉劑加入到熔體內部，通過一系列物理化學作用，達到去除氧化物夾雜的作用。精煉劑的除雜能力是由精煉劑對熔體中氧化物夾雜的吸附、溶解作用以及精煉劑于熔體之間的化學作用決定的。精煉劑和氧化物夾雜之間的界面張力越小，其吸附的作用越好，去除氧化物夾雜的作用就越強。

3 鋁合金的精煉方法

目前主要所采用的精煉方法:凈化。

3.1 吸附凈化:氣泡浮游法、溶劑法、過濾法

3.2 非吸附凈化:真空處理法、超聲波處理法、稀有合金除氫法、電溶劑法

3.3 復合凈法

4 精煉劑的生產方法

精煉劑的生產方法按其發展過程和特性來劃分有熔合法、烘干混合法和綜合混合法。

4.1 熔合法 熔合法就是將高熔點(對于鋁合金而言)無機鹽按照低共晶點配比，進行高溫脫水、高溫熔化處理，產生低熔點混合鹽，冷凝后再破碎成塊狀或磨成粉狀，該方法脫水徹底。

用熔合法制作精煉劑時，可先將低熔點的氯鹽熔化，在一定的溫度下加入難熔成份，在高溫下融合在一起，然后澆鑄成塊，儲于干燥容器內，使用前再破碎、碾磨過篩。用熔合法制作的精煉劑質量較高，能充分地除去水分，且成份均勻，一般精煉劑都用此種方法制作。其制作過程可分為精煉劑的熔制一精煉劑熱加工，精煉劑的破碎及碾磨一精煉劑冷加工兩個階段。

4.1.1 精煉劑熱加工 首先，按照各種成分合理地配料，所配之爐料應清潔，無肉眼可見的機械雜質及臟物。各材料的化學成分應符合有關的使用標準。然后，進行精煉劑的熔煉。

高溫下，氯化鉀易揮發損失，冰晶石分解生成AlF3氣體跑掉。為了保證精煉劑的成份和含量，充分發揮除雜的效果，熔煉溫度不宜過高，時間不宜過長。熔煉后選取代表試樣，做化學分析。

4.1.2 精煉劑冷加工 熔制好的精煉劑應放置干燥處，或者放在密封地鐵箱中，生產需要時，經人工或機械破碎、碾磨，按照需要加工成一定粒度的塊狀或粉狀精煉劑。

精煉劑先初次破碎成大塊，再送入顎式破碎機中，破碎到適當的粒度。破碎后的塊由人工或鋼篩進行篩選。

塊狀或粉狀精煉劑置于大氣中，極易吸水而變潮濕。將其用于鋁合金生產中，會增加鋁合金熔體的含氣量，直接影響產品質量。故制作完的精煉劑應放置在干燥室內，臨時使用時取出。

加工精煉劑時，要按制作的先后次序放發和使用。由于時間過長或保存不當等，都要事先取樣分析含水量，一般不得超過2%，否則需重新干燥或重熔。

4.2 烘干混合法 烘干混合法，是將需要的鹽經充分烘干脫水，然后依據高溫熔鹽的共晶點成分配比，再加入一些有利于脫氫和脫渣的組分機械混合而成。該法用于配制簡單的、質量要求不高的精煉劑，供選的常用原料有NaCl、Na2CO3、KCl、MgC12、Na3AlF6、BaC12、NaF、K2CO3等。

烘干混合法的生產工藝流程為:

烘干-配料-混合-包裝-產品

烘干混合法可生產無毒精煉劑，無毒精煉劑的主要成分是NaNO3+C(石墨)，再加入適量起增重、緩沖作用的耐火磚屑和一定數量的Na2CO3，Na2SiF6組成。在700℃以上鋁液中，Na2CO3對Al起氧化作用，且鋁液翻滾嚴重，因而存在一些缺點。

4.3 綜合混合法 將所需的一些高熔點氯鹽和氟鹽按低共晶點成分混合，進行離子化脫水處理，然后與烘干的其它組分混合，是一種綜合性生產方法，彌補以上方法不足。例如:精煉劑系列中所需的NaCl、KCl、Na3AlF6、CaF2混合后加水攪拌，幾天后流化床干燥、破碎、干燥脫水，這就是所謂的低溫離子化處理。這樣，在顆粒邊界產生類共晶化合物，提高其粒子的表面活性，主要用作噴射精煉劑的原料等，便于實現噴射精煉，或者混合后進行高溫熔融處理，綜合混合法生產的精煉劑性能有待進一步研究。

5 精煉劑的除雜作用

在鋁及鋁合金熔體中，精煉劑能夠通過物理的、化學的或物理化學的相互作用，從熔體中除去金屬雜質，氧化物及其它氧化物夾雜等。精煉劑的除雜能力是由精煉劑對熔體中的氧化物夾雜的吸附、溶解作用以及精煉劑與熔體中雜質之間的化學作用決定的。精煉劑和夾雜物之間的界面張力越小，精煉劑的吸附作用越好，除雜作用越強。鋁熔體中有一部分金屬雜質在熔煉過程中是很難除掉的，這部分雜質只能在原材料中嚴格限制，如硅、鐵等雜質，而另一部分金屬雜質，如鈣、鋅等金屬，它們都將對鋁合金的性能產生不良影響，這些有害雜質應設法在熔煉或鑄造之前除去，傳統的方法是熔煉中在爐內加入精煉劑進行處理，故稱作為“精煉”。

6 總結

現有精煉劑的一個共同點就是應用范圍窄、功能單一，需分別投入幾種不同精煉劑后才能達到不同的目的。而且往往效果不顯著，或對熔體潔凈度或環境有害，并程度不等地存在著各種問題。故而研制開發集多種功能為一體的新型精煉劑將是今后發展的方向之一。