常用變質(zhì)劑
變質(zhì)處理是在金屬液中添加少量活性物質(zhì),促進液體金屬內(nèi)部形核或改變晶體成長過程的一種方法。生產(chǎn)中常用的變質(zhì)劑有形核變質(zhì)劑和吸附變質(zhì)劑。
形核變質(zhì)劑形核變質(zhì)劑的作用機理是在鋁熔體中加入能夠產(chǎn)生非自發(fā)晶核的物質(zhì),使其在凝固過程中通過異質(zhì)形核而達到細化晶粒的目的。
1、對形核變質(zhì)劑的要求
要求加入的變質(zhì)劑或其與鋁反應生成的化合物具有以下特點:晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與被變質(zhì)熔體相適應;穩(wěn)定;熔點高;在鋁熔體中分散度高,能均勻分布在熔體中;不污染鋁合金熔體。
2、形核變質(zhì)劑的種類
變形鋁合金一般選含Ti、Zr、B、C等元素的化合物作為晶粒細化劑,其化合物特征見下圖。
3、變質(zhì)劑的加入方式
(1)以化合物形式加入,如KTiF、KBF、KZrF、TiCl、BCl等。經(jīng)過化學反應,被置換出來的Ti、Zr、B等,重新化合而形成非自發(fā)晶核。這些方法雖然簡單,但效果不理想。反應中生成的浮渣影響熔體質(zhì)量,同時再次生成的TiCl、KB、ZrAl等質(zhì)點易聚集,影響細化效果。
(2)以中間合金形式加人。目前工業(yè)用細化劑大多以中間合金形式加入,如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-RE等。
4、影響細化效果的因素
(1)細化劑的種類。細化劑不同,細化效果也不同。
(2)細化劑的用量。一般來說,細化劑加入越多,細化效果越好。但細化劑加入過多易使熔體中金屬間化合物增多并聚集,影響熔體質(zhì)量。因此在滿足晶粒度的前提下,雜質(zhì)元素加入得越少越好。
(3)細化劑質(zhì)量。細化質(zhì)點的尺寸、形狀和分布是影響細化效果的重要因素。質(zhì)點尺寸小,比表面積小(以點狀、球狀最佳),在熔體中彌散分布,則細化效果好。以TiAl為例,塊狀TiAI,比針狀TiAI細化效果好,這是因為塊狀TiAI有三個面面向熔體,形核率高。
(4)細化劑添加時機。TiAI質(zhì)點在加入熔體中10min時效果最好,40min后細化效果減退。TiB質(zhì)點的聚集傾向隨時間的延長而加大。TiC質(zhì)點隨時間延長易分解。因此,細化劑最好鑄造前在線加入。
(5)細化劑加入時熔體溫度。隨著溫度的提高,TiAI逐漸溶解,細化效果降低。
吸附變質(zhì)劑吸附變質(zhì)劑的特點是熔點低,能顯著降低合金的液相線溫度,原子半徑大,在合金中固溶量小,在晶體生長時富集在相界面上,阻礙晶體長大,又能形成較大的成分過冷,使晶體分枝形成細的縮頸而易于熔斷,促進晶體的游離和晶核的增加。其缺點是由于存在于枝晶和晶界間,常引起熱脆。吸附性變質(zhì)劑常有以下幾種。
1、含鈉變質(zhì)劑
鈉是變質(zhì)共晶硅最有效的變質(zhì)劑,生產(chǎn)中可以鈉鹽或純金屬(但以純金屬形式加入時可能分布不均,生產(chǎn)中很少采用)形式加入。鈉混合鹽組成為NaF、NaCI、NaAIF。等,變質(zhì)過程中只有NaF起作用,其反應如下:
6NaF+Al→NaAIF+3Na
加入混合鹽的目的,一方面是降低混合物的熔點(Na熔點為992℃),提高變質(zhì)速度和效果;另一方面對熔體中鈉進行熔劑化保護,防止鈉的燒損。熔體中鈉質(zhì)量分數(shù)一般控制在0.01%~0.01400,考慮到實際生產(chǎn)條件下不是所有的NaF都參與反應,因此計算時鈉的質(zhì)量分數(shù)可適當提高,但一般不應超過0.02%。
使用鈉鹽變質(zhì)時,存在以下缺點:鈉含量不易控制,量少易出現(xiàn)變質(zhì)不足,量多可能出現(xiàn)過變質(zhì)(惡化合金性能,夾渣傾向大,嚴重時惡化鑄錠組織);鈉變質(zhì)有效時間短,要加保護性措施(如合金化保護、熔劑保護等);變質(zhì)后爐內(nèi)殘余鈉對隨后生產(chǎn)合金的影響很大,造成熔體黏度大,增加合金的裂紋和拉裂傾向,尤其對高鎂合金的鈉脆影響更大;NaF有毒,影響操作者健康。
2、含鍶(Sr)變質(zhì)劑
含鍶變質(zhì)劑有鋁鹽和中間合金兩種。鍶鹽的變質(zhì)效果受熔體溫度和鑄造時間影響大,應用很少。目前國內(nèi)應用較多的是Al-Sr中間合金。與鈉鹽變質(zhì)劑相比,鍶變質(zhì)劑無毒,具有長效性,它不僅細化初晶硅,還有細化共晶硅團的作用,對爐子污染小。但使用含鍶變質(zhì)劑時,鍶燒損大,要加含鍶鹽類熔劑保護,同時合金加入鍶后吸氣傾向增加,易造成最終制品氣孔缺陷。
鍶的加入量受下面各因素影響很大:熔劑化保護程度好,鍶燒損小,鍶的加入量少;鑄件規(guī)格小,鍶的加入量少;鑄造時間短,鍶燒損小,加入量少;冷卻速度大,鍶的加入量少。生產(chǎn)中鍶的加入量應由試驗確定。
工藝
變質(zhì)處理工藝的關(guān)鍵是控制變質(zhì)溫度、時間、變質(zhì)劑用量和變質(zhì)操作方法。
1、變質(zhì)溫度
對于Na鹽變質(zhì)劑來講,變質(zhì)劑和鋁熔體接觸后,產(chǎn)生下列反應:
6NaF+AI→NaAlF+3Na
Na進入鋁熔體中起變質(zhì)作用。一方面,變質(zhì)溫度越高,越有利于反應的進行,Na的回收率越高,變質(zhì)速度越快;另一方面,過高的變質(zhì)溫度浪費燃料和工時,增加鋁熔體的氧化和吸氣,使合金熔體滲鐵,降低坩堝的使用壽命,而且高溫下鈉容易揮發(fā)和氧化。因此,變質(zhì)溫度選在稍高于澆注溫度為宜。
2、變質(zhì)時間
變質(zhì)時間取決于變質(zhì)溫度,變質(zhì)溫度越高,變質(zhì)時間則越短。當采用壓鹽和切鹽法時,變質(zhì)時間一般由兩部分組成,覆蓋時間為10~12min,壓鹽時間為3~5min。
3、變質(zhì)劑用量
變質(zhì)劑用量可參考下圖:
4、變質(zhì)操作方法
對Na鹽變質(zhì)劑來講,精煉后扒去鋁合金熔體表面上的氧化皮和熔渣,均勻地撒上一層粉狀變質(zhì)劑,并在此溫度下保持10~12min。與鋁熔體直接接觸的那一層變質(zhì)劑在高溫作用下燒結(jié)成一層硬殼或變?yōu)橐后w。保持10~12min后,用壓瓢將變質(zhì)劑輕輕地壓人鋁合金熔體中深約100~150mm處,經(jīng)過3~5min,即可取樣檢測變質(zhì)效果。如果采用切鹽法,則先將已燒結(jié)成硬殼的變質(zhì)劑在合金熔體表面上切成碎塊,然后將碎塊一起壓入熔體中,直至出現(xiàn)變質(zhì)效果為止。如果采用攪拌法,可將粉末狀變質(zhì)劑加入鋁熔體中,進行攪拌,一邊加入變質(zhì)劑,一邊攪拌,直至出現(xiàn)變質(zhì)效果為止。