铸造铝合金熔炼过程质控原理和实践

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铸造铝合金熔炼过程质控原理和实践摘要：在铸造铝合金产品的生产实践中，根据数据对比及理论分析笔者得出了以下结论：即铝合金在进炉熔炼到进机压铸前这个阶段的工艺控制好坏将直接影响到产品合格率的高低。如果失控在产品上主要的失效模式是气孔和杂质含量会成倍增加，而这些缺陷在整个生产过程中属原始缺陷，就是说在其后的生产中再如何正确调整控制参数收效是不大的。气孔将造成产品渗漏及强度降低而报废，杂质将造成合金力学性能降低特别是延伸率、冲击韧性及疲劳强度。因此如何控制好这一阶段将关乎到降低生产成本、提髙生产效率、增强企业竟争力的大问题，下面根据作者的实践就控制的原理及方法做简要论述。关键词：铝合金；熔炼；质控原理1质量控制的原理1.1铸造铝合金熔炼的目的铝合金熔炼是一个炉科的重熔及化学成分调整的过程。熔炼的主要目的是获得髙质量的铝液供铸造使用。主要要求是：第一所用铝合金的成分应符合国家标准或企业标准，合金液成分均匀；第二合金液纯净、氧化夹杂物、气体、熔剂夹杂物含量低。关于上述第一点可在工艺设计时规定来料及铝液熔炼过程中取样进行光谱分析从而达到控制的目的，本文不做 详细分析。第二点是本文阐述的重点也是控制的关键。1.2关于杂物、气体的来源问题铸造铝合金的杂质分两种：一种是混入的有害元素如Fe等，但如果严格按标准检验和生产，Fe与外来杂质混入的量是有限的，不会造成大的质量问题。另一种主要的、影响较大的杂质和气体是铝液在高温作用下吸气吸氧产生化学反应生成的，这是要重点分析和控制的。由于铝合金的熔炼通常是在大气中进行，因此当铝液和大气或炉气中的02、N2、H20、C02、CO、H2等接触将不可避免会产生化合、化分、溶解、扩散过程。据资料及铝合金液中的气体成分分析表明：合金液中的杂质及气体大部分是由铝液与氧气及铝液与水气在髙温下的自发反应生成的杂质A1203及原子氢组成，其中A1203-旦生成就很难溶解，因为它的熔点高达2050°C,而氢的质量分数占含气量的85%以上，因此可以近似地说除气就是除氢。通过上面的分析看出，除氢及去除A1203是制定工艺控制质量的关键，下面是化学反应方程式。A1（铝液）+3/402（气体）=l/2A1203（固体）——1AG°=-194426+38.80T2A1（铝液）+3H20（气体）二A1203（固体）+3H2（气体）2H2（气体）=2H 2式与3式合并得：2A1（铝液）+3H20（液体）二A1203（固体）+6H——4AG°=-67624-19.39TAG°――标准状态吉布斯自由能（Gibbs）上方程式自发反应方向取决于吉布斯自由能的数值正AG=O平衡AGO逆过程自发通过4式的方程关系再根据其相对原子质量可求的各成分的质量比为：2X27Kg：3X18Kg>lX102Kg：6XlKg假设所产生的氢为标准状态下的分子氢,则将氢换算成体积，上式可表示为：18Kg：18Kg>34Kg：22.4dm3化简后得：lg：lg1.9g：1.244cm3上式表明，IgAl与lg水（或水蒸汽）发生反应，将生成1.9gA1203和1.244cm3的标准状态下的氢气。这说明，即使是极其微量的水或水汽，对铝合金铸造来说，也是不容忽视的产生气孔缺陷的根源。1.3除氢及去除A1203的原理以上分析了铸造铝合金熔炼中影响产品质量的主要杂质和气体的来源，并对它们在自发进行化学反应方向上的产生物氢原子和A1203的比例进行了量化分析，但如何去除它们以达到熔炼要求的目的是下面要分析解决的问题： 1.3.1除氢的原理由于溶入铝液的氢含量与溶液表面上的氢分压服从以下著名的Sieverts公式：由上式可以看出，熔液温度下降或减少炉气中的氢分压PH2都可以降低铝液中的氢含量。因此采用往铝液中吹入惰性气体如氮气，即可在铝液内部形成许多氢分压为零或氢分压较低的气泡，在浓度差的驱使下，铝液中的氢原子会向氮气泡迁移，最终在气泡表面形成氢分子直至气泡中的氢分压PH2上升到与铝液中的氢分压达到平衡时为止。在这个过程中，惰性氮气泡带着氢逸出铝液。1.3.2除A1203夹杂物的原理惰性氮气泡还有另一个作用那就是可吸附铝液中的A1203夹杂物，它们之间的吸附是一物理吸附过程，其原理解析如下：根据热力学第二定律，一个系统表面能降低的方向，即为过程自动进行的方向，故A1203夹杂物自动吸附在氮气泡上应满足下式：S—铝液中A1203夹杂物被氮气泡吸附后，彼此相接触的面积S（m2）；6G1—气泡与A1203夹杂物之间的表面张力（J/m2）；5Ml-铝液与A1203夹杂物之间的表面张力（J/m2）；§MG—铝液与气泡之间的表面张力（J/m2）； 上关系式化简后为：SG1