變質(zhì)處理（工業(yè)生產(chǎn)中使用的方法）

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(jìn)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)劑的作用機(jī)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(dá)到細(xì)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(yīng)生成的化合物具有以下特點(diǎn)：晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與被變質(zhì)熔體相適應(yīng)；穩(wěn)定；熔點(diǎn)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(xì)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(xué)反應(yīng)，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(yīng)中生成的浮渣影響熔體質(zhì)量，同時(shí)再次生成的TiCl、KB、ZrAl等質(zhì)點(diǎn)易聚集，影響細(xì)化效果。

（2）以中間合金形式加人。目前工業(yè)用細(xì)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(xì)化效果的因素

（1）細(xì)化劑的種類。細(xì)化劑不同，細(xì)化效果也不同。

（2）細(xì)化劑的用量。一般來說，細(xì)化劑加入越多，細(xì)化效果越好。但細(xì)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(xì)化劑質(zhì)量。細(xì)化質(zhì)點(diǎn)的尺寸、形狀和分布是影響細(xì)化效果的重要因素。質(zhì)點(diǎn)尺寸小，比表面積?。ㄒ渣c(diǎn)狀、球狀最佳），在熔體中彌散分布，則細(xì)化效果好。以TiAl為例，塊狀TiAI，比針狀TiAI細(xì)化效果好，這是因?yàn)閴K狀TiAI有三個(gè)面面向熔體，形核率高。

（4）細(xì)化劑添加時(shí)機(jī)。TiAI質(zhì)點(diǎn)在加入熔體中10min時(shí)效果最好，40min后細(xì)化效果減退。TiB質(zhì)點(diǎn)的聚集傾向隨時(shí)間的延長而加大。TiC質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間延長易分解。因此，細(xì)化劑最好鑄造前在線加入。

（5）細(xì)化劑加入時(shí)熔體溫度。隨著溫度的提高，TiAI逐漸溶解，細(xì)化效果降低。

吸附變質(zhì)劑的特點(diǎn)是熔點(diǎn)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(shí)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(xì)的縮頸而易于熔斷，促進(jìn)晶體的游離和晶核的增加。其缺點(diǎn)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(shí)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(yīng)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(diǎn)（Na熔點(diǎn)為992℃），提高變質(zhì)速度和效果；另一方面對熔體中鈉進(jìn)行熔劑化保護(hù)，防止鈉的燒損。熔體中鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.01%~0.01400，考慮到實(shí)際生產(chǎn)條件下不是所有的NaF都參與反應(yīng)，因此計(jì)算時(shí)鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可適當(dāng)提高，但一般不應(yīng)超過0.02%。

使用鈉鹽變質(zhì)時(shí)，存在以下缺點(diǎn)：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(yán)重時(shí)惡化鑄錠組織）；鈉變質(zhì)有效時(shí)間短，要加保護(hù)性措施（如合金化保護(hù)、熔劑保護(hù)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(shí)間影響大，應(yīng)用很少。目前國內(nèi)應(yīng)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(xì)化初晶硅，還有細(xì)化共晶硅團(tuán)的作用，對爐子污染小。但使用含鍶變質(zhì)劑時(shí)，鍶燒損大，要加含鍶鹽類熔劑保護(hù)，同時(shí)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(hù)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(shí)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(yīng)由試驗(yàn)確定。

工藝

變質(zhì)處理工藝的關(guān)鍵是控制變質(zhì)溫度、時(shí)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(yīng)：

6NaF+AI→NaAlF+3Na

Na進(jìn)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(yīng)的進(jìn)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(fèi)燃料和工時(shí)，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(shí)間

變質(zhì)時(shí)間取決于變質(zhì)溫度，變質(zhì)溫度越高，變質(zhì)時(shí)間則越短。當(dāng)采用壓鹽和切鹽法時(shí)，變質(zhì)時(shí)間一般由兩部分組成，覆蓋時(shí)間為10～12min，壓鹽時(shí)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(jìn)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。