專利名稱：耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法
技術領域：
本發明涉及有色金屬鋳造方法，特別涉及一種環保型的耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法。
背景技術：
耐磨鋅合金在熔煉過程中會產生大量氣體，其中大部分是氫氣。例如ZA27鋅合金，含有約27%的鋁，在熔煉過程中由于鋁與氧親和力強，會發生氧化反應2A1 + 3/202 =Al2O30同時鋁和水蒸氣及鋁和碳氫化合物會分別發生下述的反應2A1 + 2H20 = Al4C3 +3H2 ；4/3mAl + CmHn = m/3 Al4C3 + n/2H2反應。Al2O3進入熔體中將成為雜質，同時上述反應使其金屬熔體含有大量的氫，當金屬液體冷凝時，夾雜物提供了氣體析出的形核界面，促使氣體析出形成氣孔，氣孔會使材料產生疏松，疏松將使材料力學性能大幅下降，其影響超過晶粒尺寸。需要指出的是當有較多氧化物夾雜吋，即使氣體含量不高，也會產生氣孔，反之，當金屬液中夾雜物含量很低吋，即使氣體含量較高，也可能不產生氣孔。由此存在這樣的去雜與排氣關系“雜(Al2O3等)既除盡，氣必除”。所以，在耐磨鋅合金熔煉過程的排雜除氣中，排雜是除氣的基礎。目前常用的耐磨鋅合金精煉除氣エ藝方法有氯化鋅精煉、六氯こ烷精煉、氯化氨精煉、惰性氣體精煉以及覆蓋精煉熔劑精煉等，各有優劣，分析如下。氯化鋅在金屬液中發生3ZnCl2 + 2A1 = 3Zn + 2A1C13 丨和 2A1C13 + 3H2 = 2A1 +6HC1丨反應。前者是主要的，AlCl2沸點為183°C，因而在金屬液中造成大量的無氫精煉氣泡，初始時精煉氣泡中無氫氣，即氣泡中的氫氣壓力Ph2=O，在金屬液和氣泡界面上有壓カ差，使溶入金屬液中的氫不斷向氣泡中擴散，氣泡浮出液面后，氣泡中的氫氣即逸入大氣。從而起到精煉除氣作用。該法的優點是操作簡單，無需其它設備，有一定的除氣效果，成本較低。缺點是產生有毒并有腐蝕性的氯化物氣體，污染環境，重要的是去除金屬液中夾雜物能力較差，這與它極易吸濕有夫。即使進行烘干脫水，也會很快潮解。六氯こ烷的精煉反應為:C2Cl6 = C2Cl4 t +Cl20其中C2Cl4沸點為121 °C，在氣態時會產生為精煉氣泡，一部分C2Cl4分解=C2Cl4 = 2C + Cl2，其中Cl2可能進行下列兩種反應ー是化學除氫反應Cl2 + 2[H]=2HC1，另ー是產生精煉氣泡氣體的反應3C12 + 2A1 =2A13C1 ;但在整個精煉過程中沒有除雜作用。用六氯こ烷精煉效果好，不易吸濕，很多エ廠用它代替氯化鋅。但其價格較高，且反應產物有毒，污染環境，腐蝕設備。在450— 470°C時用鐘罩壓入氯化銨，可以除去鋅合金液中近80 %的氧化物和70%的金屬間化合物，從而使合金質量得以保證。但使用氯化銨精煉會使合金熔損率増大，同時過程中產生大量煙霧和氨氣，惡化操作環境。精煉用惰性氣體，包括氮氣或氬氣，通過輸入后產生精煉氣泡，達到精煉除氣作用。惰性氣體精煉成本低、無污染，但除雜效果還不夠好。熔劑覆蓋熔煉對覆蓋劑要求較高，如需嚴格干燥處理，目前在耐磨鋅合金熔煉時、很少使用。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術之不足，提供ー種精煉效果好，能同時排雜除氣，精煉過程清潔無污染并兼有變質(細化晶粒)功能的耐磨鋅合金精煉方法，其具體步驟如下
1)使用中頻爐，先預熱坩鍋，再在所述坩鍋中先后加入鋁錠和銅塊；
2)繼續加熱坩鍋，溫升至68(T70(TC時保溫，使坩鍋內鋁錠和銅塊熔融，在銅塊完全熔化后，再加入鋅錠，間斷對坩鍋加熱，以保持坩鍋內金屬呈熔融狀態；
3)待鋅錠全部熔融后，攪拌坩鍋內的當前金屬熔體，測試該金屬熔體溫度，使之保持在580 620°C，再加入鎂塊，在10 15分鐘內間斷攪拌3 4次；
4)加入Al— Ce中間合金，用鐘罩將Al — Ce中間合金壓入坩鍋內的金屬熔體中，并輕微向四周游動鐘罩，使稀土均勻擴散，形成包含金屬鋅、鋁、銅、鎂和鈰的合金金屬熔體，鈰加入量為所述合金金屬熔體總質量的0. 05 0. 08% ;
5)將所述合金金屬熔體靜置5 10分鐘后再通入經脫水浄化的氮氣，所述氮氣的壓カ0. 5 0. 8 Mpa,通氣流量為0. 3 0. 6m3/h,對應于150 300kg質量的合金金屬熔體，通氣時間為5 10分鐘，形成液相耐磨鋅合金；
6)將上述液相耐磨鋅合金靜置3 5分鐘，控制溫度至55(T600°C，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述耐磨鋅合金。所述耐磨鋅合金精煉方法進ー步設計在于，所述耐磨鋅合金由占該合金總質量百分比的下列組分組成25 28%鋁，2. 0 2. 5%銅，0. 01 0. 02%鎂，0. 05 0. 08%鈰，余
為鋅。。所述耐磨鋅合金精煉方法進ー步設計在于，所述Al — Ce中間合金為Al — 15%Ce中間合金、Al — 20%Ce中間合金或Al — 30%Ce中間合金。上述本發明方法將產生如下有益效果
1)經過稀土鈰精煉和通入氮氣精煉復合精煉后，由于稀土元素Ce具有很高的化學活性，Ce與氧化夾雜(Al2O3)存在如下反應3Ce + 2/3Al203 = 4/3A1 + 2/3Ce203，使金屬液中的氧化夾雜(Al2O3)還原成Al，起到了除雜作用。同時稀土和金屬液中的[H]存在如下反應Ce+2[H] — CeH2，CeHdg穩定，并且稀土與熔體金屬能形成金屬間化合物(如A14Ce)，稀土金屬間化合物具有獨特的對氫的化學吸附作用，降低了能形成氣孔的游離態的氫，從而，大幅度降低了鋅合金凝固的過程中氫氣泡的形成；氮氣是惰性氣體，由于氮氣輸入后形成的氮氣泡中初始PH2=0，在金屬液和氣泡界面上有壓カ差，溶入金屬液中的氫不斷向氣泡中擴散，氣泡浮出液面后，氣泡中的氫氣即逸入大氣，這種作用機理和其它精煉氣泡ー樣。稀土鈰精煉和通入氮氣精煉復合精煉雙重作用，大大減少了鑄件中的氣/針孔，提高了致密度，經金相檢測試樣針孔度為廣2級；
2)由于稀土鈰細化晶粒作用①形成高熔點化合物，成為非均質形核的核心Ce的溶解在熔體中形成過冷微區，増大局部過冷度，提高形核率；③在晶粒生長過程中，富含Ce的液相被長大的晶體推向晶界，在晶界處形成富Ce相，富Ce相阻礙晶界遷移和原子擴散而阻止晶粒長大。進ー步提高耐磨鋅合金的力學性能。
3)沒有有害氣體排出，沒有污染，是環境友好型清潔精煉エ藝； 4)エ藝簡單，操作方便。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進ー步說明。一、除氣排雜精煉實施例 實施例I
本實施例的耐磨鋅合金鑄件的材料由占該合金總質量百分比的下列組分組成72. 43%鋅、25%鋁、2. 5%銅、0. 02%鎂、0. 05%鈰，合金熔體重量為200kg。用中頻爐對坩鍋預熱，再在所述坩鍋中先后加入49. 44 kg的鋁錠和5kg的銅塊，繼續加熱坩鍋，溫升至68(T690°C保溫，在達到此溫升時，坩鍋內鋁錠已呈完全熔融狀態、銅塊部分熔融，鋁錠熔化后15分鐘，用攪棒探底，在感覺不到銅塊的存在，即銅塊完全熔化后，再加入144. 86 kg的鋅錠，并停止中頻爐對坩鍋加熱，保持坩鍋內鋁、銅兩金屬熔融狀態即可，防溫度過高。待鋅錠全部熔融后，使用攪棒將坩鍋內合金攪拌均勻，用測溫槍測試合金溫度，控制爐內合金溫度為580 595°C，再加入0. 04kg的鎂塊，在10分鐘內間斷攪拌3次。然后加入Al — 15%Ce中間合金，用鐘罩將Al — Ce中間合金壓入坩鍋內的金屬熔體中，并輕微向四周游動鐘罩，防止稀土偏聚，使稀土均勻擴散，形成包含金屬鋅、鋁、銅、鎂和鈰的合金金屬熔體。Al — 15%Ce中間合金的加入量按鈰占上述合金金屬熔體總質量的0. 05%計算，Al — 15%Ce中間合金含鈰Ce和鋁Al分別為15%和85%，則由計算得需加入的中間合金=200X0. 05/15=2/3 ^ 0. 68 kg，而2/3kg的Al — 15%Ce中間合金含鋁為2/3kgX85%=34/60 ^ 0. 57kg,由此合金熔體中含鋁Al的總質量為49. 44+0. 57 ^ 50 kg。將上述合金金屬熔體靜置5分鐘后再通入經脫水浄化的氮氣，該氮氣的壓力0. 5 Mpa，通氣流量為0. 3 0. 6m3/h，對應于150 300kg的合金金屬熔體，通入時間為5分鐘的氮氣，形成液相耐磨鋅合金；將上述液相耐磨鋅合金靜置3分鐘，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述的耐磨鋅合金鑄件。
實施例2
本實施例的耐磨鋅合金鑄件的材料由占該合金總質量百分比的下列組分組成71. 63%鋅、26%鋁、2. 3%銅、0. 01%鎂、0. 06%鈰，合金熔體重量為200kg。用中頻爐對坩鍋預熱，再在所述坩鍋中先后加入51. 42 kg的鋁錠和4. 6kg的銅塊，繼續加熱坩鍋，溫升至68(T690°C保溫，在達到此溫升時，坩鍋內鋁錠已呈完全熔融狀態、銅塊部分熔融，鋁錠熔化后15分鐘，用攪棒探底，在感覺不到銅塊的存在，即銅塊完全熔化后，再加入143. 26kg的鋅錠，并停止中頻爐對坩鍋加熱，保持坩鍋內鋁、銅兩金屬熔融狀態即可，防溫度過高。待鋅錠全部熔融后，使用攪棒將坩鍋內合金攪拌均勻，用測溫槍測試合金溫度，控制爐內合金溫度為590 605°C，再加入0. 02kg的鎂塊，在10分鐘內間斷攪拌3次。然后加入Al — 15%Ce中間合金，用鐘罩將Al — Ce中間合金壓入坩鍋內的金屬熔體中，并輕微向四周游動鐘罩，防止稀土偏聚，使稀土均勻擴散，形成包含金屬鋅、鋁、銅、鎂和鈰的合金金屬熔體。Al 一 20%Ce中間合金的加入量按鈰占上述合金金屬熔體總質量的0. 06%計算，Al — 20%Ce中間合金含鈰Ce和鋁Al分別為20%和80%，則由計算得需加入的中間合金=200 X 0. 06/20=0. 6kg的Al — 15%Ce中間合金，而0. 6kg的Al — 15%Ce中間合金含鋁量為0. 6kgX80%=0. 48kg，由此合金熔體中含鋁Al的總質量為51. 42+0. 48=52kg。將上述合金金屬熔體靜置8分鐘后再通入經脫水浄化的氮氣，該氮氣的壓力0. 5 Mpa，通氣流量為0. 3 0. 6m3/h，對應于150 300kg的合金金屬熔體，通入時間為8分鐘的氮氣，形成液相耐磨鋅合金；將上述液相耐磨鋅合金靜置4分鐘，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述的耐磨鋅合金鑄件。
實施例3
本實施例的耐磨鋅合金鑄件的材料由占該合金總質量百分比的下列組分組成69. 91%鋅、28%鋁、2. 0%銅、0. 01%鎂、0. 08%鈰，合金熔體重量為200kg。用中頻爐對坩鍋預熱，再在所述坩鍋中先后加入55. 57 kg的鋁錠和4kg的銅塊，繼續加熱坩鍋，溫升至68(T690°C保溫，在達到此溫升時，坩鍋內鋁錠已呈完全熔融狀態、銅塊部分熔融，鋁錠熔化后15分鐘，用攪棒探底，在感覺不到銅塊的存在，即銅塊完全熔化后，再加入139. 92kg的鋅錠，并停止中頻爐對坩鍋加熱，保持坩鍋內鋁、銅兩金屬熔融狀態即可，防溫度過高。待鋅錠全部熔融后，使用攪棒將坩鍋內合金攪拌均勻，用測溫槍測試合金溫度，控制爐內合金溫度為590 605°C，再加入0. 02kg的鎂塊，在10分鐘內間斷攪拌3次。然后加入Al — 15%Ce中間合金,用鐘罩將Al — Ce中間合金壓入;t甘鍋內的金屬熔體中，并輕微向四周游動鐘罩，防止稀土偏聚，使稀土均勻擴散，形成包含金屬鋅、鋁、銅、鎂和鈰的合金金屬熔體。Al — 30%Ce中間合金的加入量按鈰占上述合金金屬熔體總質量的0. 06%計算，Al — 20%Ce中間合金含鈰Ce和鋁Al分別為30%和70%，則由計算得:需加入的中間合金=200 X0. 08/30=8/15 ^ 0. 53kg，而0. 53kg的Al — 15%Ce中間合金含鋁量為0. 53kgX80%=0. 43kg，由此合金熔體中含鋁Al的總質量為55. 57+0. 43=56kg。將上述合金金屬熔體靜置10分鐘后再通入經脫水浄化的氮氣，該氮氣的壓力0. 5 Mpa，通氣流量為0. 3 0. 6m3/h，對應于150 300kg的合金金屬熔體，通入時間為10分鐘的氮氣，形成液相耐磨鋅合金；將上述液相耐磨鋅合金靜置5分鐘，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述的耐磨鋅合金鑄件。
在此需說明的是，本發明方法并不局限于上述的實施例。
ニ、耐磨鋅合金試樣的針孔度和力學性能測試實施例
對上述除氣排雜精煉三實施例最終形成的耐磨鋅合金鑄件分別取樣，進行針孔度和包含抗拉強度Ob及延伸率8的力學性能測試，其結果如下表
權利要求
1.耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法，其特征在于包括如下步驟 .1)使用中頻爐，先預熱坩鍋，再在所述坩鍋中先后加入鋁錠和銅塊； . 2)繼續加熱坩鍋，溫升至68(T70(TC時保溫，使坩鍋內鋁錠和銅塊熔融，在銅塊完全熔化后，再加入鋅錠，間斷對坩鍋加熱，以保持坩鍋內金屬呈熔融狀態； .3)待鋅錠全部熔融后，攪拌坩鍋內的當前金屬熔體，測試該金屬熔體溫度，使之保持在580 620°C，再加入鎂塊，在10 15分鐘內間斷攪拌3 4次； .4)加入Al— Ce中間合金，用鐘罩將Al — Ce中間合金壓入坩鍋內的金屬熔體中，并輕微向四周游動鐘罩，使稀土均勻擴散，形成包含金屬鋅、鋁、銅、鎂和鈰的合金金屬熔體，鈰加入量為所述合金金屬熔體總質量的0. 05 0. 08% ； . 5)將所述合金金屬熔體靜置5 10分鐘后再通入經脫水浄化的氮氣，所述氮氣的壓カ.0. 5 0. 8 Mpa,通氣流量為0. 3 0. 6m3/h,對應于150 300kg質量的合金金屬熔體，通氣時間為5 10分鐘，形成液相耐磨鋅合金； .6)將上述液相耐磨鋅合金靜置3 5分鐘，控制溫度至55(T600°C，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述耐磨鋅合金。
2.根據權利要求I所述的耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法，其特征在于所述耐磨鋅合金由占該合金總質量百分比的下列組分組成25 28%鋁，2. 0 2. 5%銅，0. 01 0. 02%鎂，.0. 05 0. 08%鈰，余為鋅。
3.根據權利要求2所述的耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法，其特征在于所述Al— Ce中間合金為Al — 15%Ce中間合金、Al — 20%Ce中間合金和Al — 30%Ce中間合金。
全文摘要
本發明公開了一種耐磨鋅合金除氣排雜精煉方法，包括以下步驟1)預熱坩鍋并先后加入鋁錠和銅塊；2)溫升至680~700℃保溫，在銅塊完全熔化后，再加入鋅錠并終止對坩鍋加熱；3)待鋅錠全部熔融后，攪拌金屬熔體，保持鍋內溫度580～620℃，再加入鎂塊，在10～15分鐘內間斷攪拌3～4次；4)加入稀土鈰Ce并使稀土鈰Ce迅速均勻地擴散到金屬熔體中；5)通入經脫水凈化的氮氣；6)將液相耐磨鋅合金靜置3～5分鐘，經扒渣后出爐澆注成型，形成所述耐磨鋅合金鑄件。本發明能有效對熔融耐磨鋅合金排氣除雜，降低或消除鑄件中雜質和氣孔，提高鑄件的合格率和力學性能，同時消除了現有工藝存在的有害氣體排放，大大降低環境污染；工藝簡單，操作方便。
文檔編號C22C1/06GK102643999SQ201210138278
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月7日 優先權日2012年5月7日
發明者吳晶, 張鐸, 紀嘉明, 虞建平, 魯遠勇 申請人:江蘇大學, 鎮江匯通金屬成型有限公司