金属的熔炼与凝固（三）有色金属及合金熔体的净化.ppt

金属的熔炼与凝固 第三讲 有色金属及合金熔体的净化 大纲 熔体净化原理 铝及铝合金的熔体净化处理 镁及镁合金的熔体净化 铜及铜合金的熔体净化 熔炼过程的熔体保护 有色金属及合金熔化的净化 4.1 熔体净化原理 有色金属及其合金在熔炼过程中存在的气体，非金属夹杂是导致铸件性能恶化，品质下降的重要缺陷，同时夹杂有助于气孔，疏松，裂纹的形成，影响有色金属的加工性能及制品的强度。 熔体净化的目的 有色金属及合金熔体净化就是利用物理化学原理和相应的工艺措施，从熔体中除去气体，夹杂物和有害元素，以获得纯净度高的优良合金熔体 4.1.1 脱气精炼 一方面精心备料，严格控制熔化，采用覆盖剂等措施以减少吸气 另一方面必须在熔炼的后期进行有效的脱气精炼，使熔于金属熔体中的气体降到尽可能低的水平 气体溶解度方程式 脱气精炼 气体从金属中脱除途径： 气体原子扩散至金属表面，然后脱离吸附状态而逸出； 以气泡形式从金属熔体中排除 与加入的元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除。 脱气精炼 脱气精炼的主要目的就在于脱除溶解于金属中的气体 根据脱气机理的不同，脱气精炼可分为分压差脱气、化合脱气、电解脱气和预凝固脱气等。 4.1.1 分压差脱气 气体的分压 铝及其合金从炉气中吸气的反应为： H2(g)=2[H] 式中C为气体的溶解度；K为溶解度常数；p为气体分压。即双原子气体在金属中的溶解度与其分压的平方根成正比，这就是著名的平方根定律。 4.1.1 分压差脱气 分压差脱气过程包括金属熔体中的气体原子向熔体-气泡界面扩散；在熔体-气泡界面发生2[H]={H2}反应和氢气进入惰性气泡内；氢气随气泡上浮并自熔体逸出。 研究表明，金属熔体中的气体原子向熔体-气泡界面扩散是限制性环节。 4.1.1 分压差脱气 分压差脱气的热力学分析 H2(g)=2[H] 在一定温度和实际分压下有： PH2及PH2’分别为 H2的蒸气压和实际分压。 要脱气，必须平衡向左移动，△G0，即： 因此，将溶解有气体的金属熔体置于氢分压很小的真空中，或将惰性气体导入熔体，便提供了脱氢的驱动力。 4.1.1 分压差脱气 在工业生产中，通常是把N2、Ar等惰性气体通入熔体中，或将能产生气体的熔剂压入熔体中。 由于气泡内部开始完全没有氢气，即氢分压为零，而气泡周围的熔体中，氢的分压0,在气泡内外氢分压差的作用下，使溶解的氢原子向熔体-气泡界面扩散，并在该处复合氢分子进入气泡内，然后随气泡一起上浮而自熔体逸出 4.1.1.2 预凝固脱气法 （又称慢冷脱气法）在大多数情况下，气体在金属中的溶解度随温度的降低而减少，让熔体缓慢冷却到凝固，就可使溶解在熔体中的大部分气体自行扩散逸出，然后再快速重熔，即可获得气体含量较低的熔体 4.1.1.3 振荡脱气法 （振动除气） 金属液受到高速定向往复振动时，导入金属液中的弹性波会在熔体内部引起“空化”现象，产生无数显微空穴，于是溶于金属中的气体原子就以空穴为气泡核心，进入空穴并复合为气体分子，长大成气泡而逸出熔体，达到脱气的目的。 该法的实质就是瞬时局域性真空泡脱气法。振动方法有机械振动和超声波振动两种。在功率足够大时，超声波振动的空化作用范围可达到全部熔体，不仅能消除宏观气孔，也能消除显微气孔，提高致密度。此外还有细化晶粒作用。 4.1.1.4 化合脱气法 化合脱气法是利用在熔体中加入某种能与气体形成氢化物和氧化物的物质，将金属熔体中的气体脱除的一种方法。 如加入Li、Ca、Ti和Zn等活性金属形成LiH、CaH2、TiH2、TiN、ZrN等化合物。这些化合物的比重小且多不溶于金属液，易于通过除渣精炼而排除。 4.1.2 金属的除渣精炼原理 新金属、粗金属、再生金属和各种回炉废料都不同程度地含有杂质元素。 杂质往往随回炉重熔次数的增加而逐渐积累起来。 杂质对金属材料的性能（含加工性能）大都有不利影响。 精练的目的在于防止、除去金属吸收杂质和减少污染。 4.1.2 金属的澄清除渣原理 比重差作用 当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同，因而产生上浮或下沉。 在一定的过热条件下，金属的悬混氧化物渣可以和金属分离，这种分离作用也叫澄清作用 澄清除渣原理 球形固体夹杂颗粒在液体中上浮或下沉的速度服从Stokes定律：