環保型鋁合金元素添加劑的研究與應用探究

文/高家樂、洪雨 遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111000

環保型鋁合金元素添加劑的研究與應用探究

文/高家樂、洪雨 遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111000

本文在分析對比了兩代產品優缺點的基礎上,經過大量的試驗研究,研制出了新一代環保型鋁合金元素添加劑。

鋁合金；環保；添加劑

一、合金元素傳統添加方法

早期的合金元素添加工藝是在鋁合金生產前預先配制好所需的鋁基中間合金,如鋁硅中間合金(含硅量19%～21%)、鋁鐵中間合金(含鐵量18%～22%)、鋁錳中間合金(含錳量9%～11%)等,這種方法具有操作簡便、加入量準確、合金成分便于控制等優點,但是中間合金生產時的能耗很高,特別是在鋁合金配制過程中增加了合金元素的損耗,浪費極大[2]。因此,西方發達國家在20世紀70年代就淘汰了這種落后的元素添加工藝,發展了以金屬添加劑——鐵劑、錳劑、硅劑、鉻劑、銅劑、鈦劑方式直接加入的新技術,這種技術直到20世紀90年代初才在我國開始應用。金屬添加劑是用75%的純金屬粉末和25%的助熔劑(由氯鹽、硝酸鹽、氟鹽和碳酸鹽組成)充分混合壓制而成[3],它雖然解決了以鋁基中間合金方式添加的缺點,但難以解決其自身溶解溫度高、吸收率低、吸收率不穩定和助熔劑產生的環保問題,使該技術的推廣和應用受到了限制。

二、環保型鋁合金元素添加劑的研究內容及生產方法

1.研究內容

1.1 環保型鋁合金元素添加劑的合金化原理

當裝有添加劑的鋁質罐體投入鋁熔體后,如果其比重大于鋁液,鋁罐會逐漸向爐底移動,鋁質罐體一旦熔化,金屬元素添加劑中的鋁粉燃燒,為金屬粉末的擴散提供動能,這時經過活化處理且具有非常大比表面積的純金屬粉末在鋁熔體中迅速溶解擴散。金屬細粉粒表面開始與鋁熔體接觸時,該合金元素在鋁熔體各處有濃度差,促使元素在鋁熔體中的濃度有趨于平衡的傾向。經過一定時間后,熔體中的合金元素濃度達到平衡狀態。這就是添加劑的合金化原理。

1.2 金屬粉末的純度、粒度、生產方法對合金元素吸收率的影響

試驗表明,金屬粉末純度過低、粒度過大或過小都將影響它在鋁液中的溶解和擴散速度,導致合金元素的吸收率低且不穩定,合金化效果不理想。為了防止金屬粉末表面氧化,提高其表面活性,金屬粉末必須為工業純金屬,熔體采用保護性氣體介質進行霧化制取。金屬粉末的質量須達到如下標準：鐵粉質量要求(質量分數,%,下同)：≥98Fe,雜質＜0.35Mn,＜0.14Si,＜0.42H,粒度100目。錳粉質量要求：≥99.5M n,雜質＜0.3,粒度80目。鉻粉質量要求：≥99.5C r, 雜 質＜0.5,粒 度100目。 銅 粉 質 量 要求：≥99.7Cu,雜質＜0.3,粒度80目。鋁粉質量要求：≥99.75A l,雜質＜0.3,粒度200目。

1.3 添加劑中鋁粉所占比例對合金元素吸收率的影響

添加劑中鋁粉所占比例越高合金元素的吸收率就越高,但生產成本增加。為了確保合金元素的吸收率達到99%以上,試驗表明,添加劑中鋁粉的比例應為5%(質量百分比)。

1.4 研究添加劑包裝方式對合金元素吸收率的影響

金屬粉末粒度越細,則比表面積越大,活性越高,表面越容易氧化。氧化后的添加劑會降低合金化程度,嚴重影響鋁合金的質量。考慮到添加劑的運輸和存放時間,產品至少要確保在4個月內不被氧化,添加劑采取真空包裝是唯一可行的選擇。

1.5 添加劑的使用方法

當鋁液溫度超過700℃時,需要精心扒干凈鋁液表面的浮渣,之后再將鋁質罐體添加劑投入鋁液中。為使合金元素充分溶解擴散,試驗結果表明,10 t及10 t以下的熔煉爐必須在添加劑投入后靜止20m in,然后充分攪拌10m in；10 t以上的熔煉爐則須靜止25m in后充分攪拌15m in,只有這樣才能確保元素吸收率超過99%。

2.生產方法

通過研究分析,最后確定的添加劑的生產方案為：95%的金屬粉末和5%純鋁粉充分混合均勻,用真空包裝的方法將混合好的添加劑裝入鋁質罐體中,每罐2000g。并且要求每罐產品的密度必須大于3.5g/cm 3。

三、環保型鋁合金元素添加劑工業應用試驗情況及分析

1.添加劑的化學成分

配制成的鐵劑、錳劑、鉻劑、銅劑化學成分分析結果及粒度如表1所示。

2.鐵添加劑工業應用試驗情況

2.1 試驗條件

在容量為10 t的熔煉爐中用A00鋁錠生產熱軋板坯8011鋁合金。

2.2 試驗過程

8011鋁合金中鐵含量為0.6%～1.0%,試驗控制含量為0.8%。鐵添加劑加入前先分析鋁液中的鐵含量,由此計算出鐵含量達到0.8%所需的鐵添加劑量,按2.1.5確定的使用方法認真操作,共試驗3個爐次,其試驗參數如表2所示。

3.試驗結果與分析

熔體加入鐵添加劑前、后的含鐵量分析結果如表3所示,添加過程無煙無味。結果表明,鐵含量穩定在0.795%左右,最低吸收率為99.3%。對3個爐次所生產的熱軋板坯進行表面和力學性能檢測,完全符合YS/T91-1995要求。

結語：

大量的試驗表明,研制的環保型鋁合金元素添加劑質量穩定,用其進行鋁合金化處理時操作簡便,容易控制和調整合金成分,解決了用中間合金和有助熔劑添加劑合金化的缺點,具有很好的推廣前景。

[1]魏小旖.1060鋁合金微弧氧化黑色膜的制備工藝及著色機理研究[D].長安大學,2014.

[2]楊丹.微乳化金屬切削液對6061和7075鋁合金潤滑和緩蝕性能影響的研究[D].沈陽理工大學,2014.

[3]馬豪杰.電解液添加劑對弧氧化膜層結構及性能的影響[D].燕山大學,2014.

[4]朱勤標.水解制氫用鋁合金材料研究[D].湖北工業大學,2014.