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合金元素添加技术的发展概况及发展趋势展望
发布时间:2021-11-12  浏览次数:17

2021年11月12日 来源:中国有色网

合金元素添加技术的发展概况及发展趋势展望

中铝集团公司首席工程师、正高级工程师  林林

中间合金形式与合金元素添加剂形式是目前运用在合金冶炼中的两种主要合金元素添加手段,二者用途趋于一致,但技术原理、应用效果等方面有所差异。基于上述两种添加技术,目前我国主流合金元素添加类产品按照技术先进性与应用效果可分为中间合金式添加剂、普通合金元素添加剂、新型高浓度合金元素添加剂。

中间合金:即合金化型中间合金(又称添加型中间合金),中间合金本质上属于一种合金。在合金化过程中,如果直接以单质形式向熔体中添加合金元素,则需要大幅度提高熔化温度并延长熔炼时间,导致低熔点金属烧损加大,实收率低,同时造成合金元素在热熔体中分布不均导致反复添加、炉前成分的多次调整,影响产品的生产效率,非均匀分布的合金元素也会降低合金材料性能。因基础金属熔点普遍低于合金元素其组分单质形式下的熔点,为降低熔化温度、时间、生产成本,并获得较为准确的合金成分,合金元素一般以中间合金的形式加入。以中间合金形式添加合金元素相较于金属单质形式添加具有以下优点:①一定程度降低合金元素熔化温度,减小材料烧损;②可较为准确地控制添加量,减少添加次数。但受制备工艺限制,中间合金式添加剂仍难以解决溶体杂质含量过高、熔化不均匀等问题,即存在以下缺点:①中间合金仍然是高温熔炼的产物,本身含有大量氧化物、氢化物、氮化物就,此类杂质严重影响合金纯净度;②高温熔炼的产物,生产高能耗、高排放,对环境影响较大。

合金元素添加剂:合金元素添加剂是一种将合金元素(普遍熔点较高)通过物理或化学方法制成微米级金属粉末并搭配少量的助熔剂、高分子表面活性剂,通过粉末冶金混料、成型技术来实现高熔点金属低温熔化的一种金属功能材料,具有合金元素浓度高、熔化时间短等特点,应用效果类似于中间合金式添加剂,区别在于:①合金元素添加剂在制备上无需高温熔炼,相对绿色节能②所需熔化温度相较于中间合金式添加剂更低、熔化时间更短,收得率更高③所炼制的合金杂质含量相对更低,纯净度更高,更能提高合金品质及性能。

合金元素添加类主要产品指标包括熔化温度、熔化时间、收得率、产品纯净度等,熔化温度指合金元素添加类产品为达到合金化所需的合金元素物质形态所需的熔化温度,熔化温度越低,合金中氧化物等杂质含量越少,合金纯净度越高,材料性能越好。不同类型合金元素添加剂因添加元素熔点的差异,熔化温度不尽相同;熔化时间一般指合金元素添加剂中添加元素收得率达到95%以上(受元素偏析和检测技术限制)并实现均匀分布所需的时间。收得率指一定时间内合金元素最终获得量(实现合金化的量)与初始投入量之比,可以反映冶炼过程中合金元素添加剂是否完全熔化以及合金化过程中元素在热熔体分布的均匀性,是合金元素添加剂产品技术体现的一个关键指标。主流合金元素添加剂通常会在产品中加入大量助溶剂来保证合金元素在热熔体的熔化性能,但助溶剂含量过高会挤压合金元素占比(浓度降低),且易导致助溶剂中的大量杂质被添加到合金中,降低了合金纯净度、影响合金性能。而提高合金元素浓度降低助溶剂含量则会影响合金元素在热熔体中的熔化性能,对合金质量造成影响。因此合金元素浓度、收得率、熔化时间、熔化温度,四者难以同时兼顾,这也是全球合金元素添加领域内历来已久的一个技术性难题。

由于上述原因,也导致国内外主流的合金元素添加剂生产商提供的合金元素浓度水平普遍保持在75%-85%的水平。目前我国部分企业已在该技术领域取得突破,以高浓度、低温、快速、高收得率等特点为代表的新一代合金元素添加剂量产并在国际先进铝业制造巨头的高端铝合金生产中实现规模化应用,产品整体技术达到国际先进水平,部分技术指标处于国际领先地位。下表以铝合金用元素添加剂为例,对基于两种添加技术的三类产品技术表征进行了对比。因不同厂商技术手段和制备工艺参差不齐,所生产的同类型添加剂性能指标差异较大,且在实际生产中,下游合金冶炼工艺、冶炼设备、技术水平也会影响产品性能指标,故图表仅供参考。

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随着高端制造对高性能合金材料需求的不断增长,对我国高端铝合金制备技术的发展速度、发展质量提出了新的要求,预计未来新型高浓度合金元素添加剂技术在我国能够得到更广泛的应用。