熔融金屬處理用新型金屬材料及耐火材料

丁文輝

（福建省工業設備安裝有限公司）

熔融金屬處理用新型金屬材料及耐火材料

丁文輝

（福建省工業設備安裝有限公司）

隨著金屬制造產業及相關研究的不斷完善，越來越多的新型金屬材料及耐火材料開始在熔融金屬處理領域中有著更為廣泛的應用。本文基于此，以鋁液為例簡述了熔融金屬處理過程中傳統材料應用存在的問題，然后分析了現階段新型金屬材料及耐火材料在熔融金屬處理中的應用，望對相關人員提供一定的參考價值。

熔融金屬處理；新型金屬材料；耐火材料

1　引言

在煉鋁、煉鋼等一系列金屬制造工業中，隨著材料與金屬液或爐渣等物質的接觸，材料自身會發生極其嚴重的腐蝕、磨損和剝落等現象。以鋁及其合金為例，在熔融金屬處理的熔煉、成形及熱浸鍍鋁等一系列過程中，鋁液由于其自身的化學特性，能夠與所有的金屬及金屬氧化物發生劇烈的化學反應，從而降低材料的使用壽命。此外，如果金屬處理過程中，所使用材料與鋁液直接產生大面積接觸，容易熔蝕在鋁液中引起鋁液污染，嚴重時導致產品性能大幅度降低。基于此，探討熔融金屬處理過程中新型金屬材料及耐火材料的應用，對于保障相關工業生產順利進行，提升材料的使用壽命均有著重要意義。

2　熔融金屬處理過程中傳統材料應用存在的問題

2.1鐵基合金材料在鋁液中的熔蝕現象

鐵基合金作為熔融金屬處理過程中的重要材料，在金屬制造工業中有著廣泛應用，但其在以鋁液為代表的金屬溶液中存在的熔蝕現象也成為相關人員不得不面臨的棘手難題。研究表明，在700～900℃的溫度范圍內，鐵在鋁液中的擴散面積將達到0.00037cm2/s，這就意味著與鋁液直接接觸的鐵能夠以離子的方式離開基體表面進入鋁液進而產生熔解腐蝕。再加上鐵基合金具有一定的耐火性，相較于鋁液而言，被滲入的臨界直徑大約為鐵液的10%，進一步加強鐵鋁間化合物的生成。

如圖1所示，鐵基合金在鋁液中的熔蝕是一個動態過程，當固態鐵基材料與鋁液直接接觸時，最先發生的是浸潤和擴散現象，隨著擴散曾中鐵含量的不斷上升，在鐵鋁交界處會生成FeAl3相。隨后，鐵原子和鋁原子需要穿過FeAl3相實現擴散，伴隨著擴散現象的加劇，FeAl3相逐漸轉化為了Fe2Al5這種具有平行條狀明顯結構的組織，考慮到轉變過程中的組織轉變應力和溫差波動，Fe2Al5又會部分熔解從而暴露出新的鐵基，構成FeAl3→Fe2Al5→Fe這一循環，導致整個材料的熔蝕。

2.2其它金屬材料在鋁液中的熔蝕現象

金屬制造工業中常用的金屬材料還包括Nb、Ti、Mo、Cr等等，其中均存在不同程度的熔蝕現象。靜態鋁液浸沒試驗表明，Nb在與鋁液接觸時會沿晶界形成單一的NbAl3金屬間化合物層，如圖2所示，整個熔蝕速率的自然對數與溫度倒數之間呈正相關。隨著金屬處理過程中溫度的不斷上升，AlNb3和AlNb2等金屬間化合物將逐漸消失，與Nb基體之間的結合力也會不斷下降，從而導致試樣表面脫落并分散在鋁液中，加快熔蝕速度。又以Ti為例，雖然Ti在鋁液中的溶解度較低，但其熔蝕現象仍然不容忽視。實驗表明，動態鋁液中Ti的熔解平面圖為薄平面狀，粒子質譜分析表明該平面厚度僅為3μm。但考慮到金屬制造過程中的混合液中還存在Si、Mg、Ge、Cu等其它中間態金屬，故溶解度所起到的抑制作用會被降低，最終導致Ti的熔蝕。此外，過度金屬用于熔融金屬處理時，失重率與時間之間的關系大多遵循阿列紐斯方程，溫度對于整個擴散系數的影響因素較大。以Cr為例，Cr和鋁液表面的中間層厚度會隨著熔蝕過程的進行達到動態平衡，從而整個熔解速率取決于固態金屬在鋁液中溶解速度，后者又與溫度呈正相關，故擴散系數容易受溫度影響。

2.3耐火材料在鋁液中的熔蝕現象

熔融金屬處理過程中所使用的耐火材料大多為陶瓷材料，以硅酸鋁耐火材料為例，其與鋁液發生熔蝕現象的化學反應式可分為如下兩步：

硅酸鋁耐火材料被鋁液所熔蝕部分會呈現出黑色，其由Al2O3組成，表現為細密的氧化鋁薄膜，在溫度波動而導致的熱應力作用下，這一細密的氧化鋁薄膜會從耐火材料基體上脫落，導致上述的第一部化學反應的正向速率提升。在金屬制造的生產過程中，為了延長硅酸鋁耐火材料的使用壽命，往往會采用添加與鋁液非潤濕的的化學物質作為礦化劑來降低上述反映的正向發生速率，包括CaF2、AlF3、Ce2O3等等。但考慮到成本因素的制約，發展新型耐火材料仍然迫在眉睫。

圖1　鐵基合金鋁液熔蝕示意圖

圖2　靜態鋁液浸沒試驗下鈮的熔蝕速率與熔蝕時間和熔蝕溫度的關系

3　新型金屬材料及耐火材料在熔融金屬處理中的應用

3.1低合金灰鑄鐵在熔融金屬處理中的應用

實驗表明，當鑄鐵材料中的碳以石墨形式存在時，熔蝕效率會顯著降低，故從理論上而言，提升鐵基合金材料中的石墨含量能夠提升耐鋁液熔蝕性，但實際上，雖然石墨含量的增大會提升有效阻截面積，但整個鐵基合金將極其容易在使用過程中出現氧化或開裂，若是將其用于熔鋁坩堝，還容易導致制品成分與鋁液直接接觸而產生污染。在此基礎上，研究人員提出利用鉻、鎢、和稀土作為原材料制成低合金灰鑄鐵，在增大石墨數量的基礎上使得石墨均勻分布，形成了如圖3所示的團粒狀索氏體和細小分散的D型石墨，實現了堵塞鋁液向鐵基體滲入通道的目的，有效降低了金屬制造過程中鐵基合金的熔蝕速度。此外，近幾年來，部分科研人員開始嘗試將球形鐵液澆入樹脂砂型制成球墨鑄鐵，與傳統的鐵鑄合金相比，這類球形鑄鐵表面同樣為片狀石墨但中間大部分仍為球狀石墨，相同體積條件下有效提升了石墨含量，完善了耐鋁液熔蝕、抗氧化等相關性能，目前已在金屬制造業中的熱電偶保護管展開了初步應用。

3.2難熔金屬在熔融金屬處理中的應用

在熔融金屬處理的過程中，難熔金屬大多表現出了不易熔蝕的特點，即使是在更高的溫度下，鋁、鎢、鈮等金屬在鋁液中的熔蝕速率也只有碳鋼在鋁液中的熔蝕速率在十幾分之一。故在熔融金屬處理中，適當使用難熔金屬可有效降低熔蝕現象帶來的弊端。例如鈮合金Nb-30Ti-20W能夠與鋁液形成單一的NbAI相，其相較于軟基合金而言具有極低的溶解度，具有更佳的耐鋁液熔蝕性能，因此可以用作鋁合金半固態擠壓成形設備中的關鍵部件；鎢合金Anviloy 1150和鋁合金Mo-785具有優秀的耐焊蝕性能，可用于壓力鑄造工況的核心構件。但另一方面，相關的制造人員也應當認識到鋁、鎢、鈮等合金現階段還存在著造價昂貴、成型加工困難、大氣氛圍中易氧化等弊端，從而辯證地對其加以應用。

3.3金屬間化合物在熔融金屬處理中的應用

金屬間化合物具有熔點高、密度低、抗氧化和抗腐蝕等較為獨特的性能，其性質大約介于傳統金屬材料和耐火材料之間，隨著對金屬間化物相關研究的不斷完善，金屬間化合物也開始在熔融金屬處理中有了一定的應用。有部分科研人員采用機械合金化-真空退火法制得Fe50Si50金屬間化合物套管，實踐表明其在800℃下的鋁液浸沒試驗中的熔蝕速度僅為0.00153g/（m2·h），大約為同等條件下金屬材料的1/10，且隨溫度影響不大，可用于熱浸鍍鋁內加熱器保護套管。

3.4新型耐火材料在熔融金屬處理中的應用

近幾年來，熔融金屬處理中的新型耐火材料包括硼化鈦、氮化鋁、碳化硅等等，其中以前兩種材料應用較廣。硼化鈦是一種具有優異的耐鋁液熔蝕性能的陶瓷性耐火材料，其耐鋁液熔蝕性能受晶界分布情況的影響較大，實踐表明，將5%MoSi2粉末作為燒結助劑加至95%含量的硼化鈦均勻壓制成混合材料后，其在900℃下液中熔蝕速率僅為0.00253g/（m2·h），故現已經在鋁電解槽陰極板這種損耗較低且需要耐火耐高溫的領域中有著廣泛應用，這類材料的預期壽命可達9年以上；氮化鋁則更多地作為一種鋁熔煉爐和保溫爐的爐襯所應用，由于相較于傳統的耐火材料而言氮化鋁具有更大的惰性，故可用不同的添加劑進行燒結，實現不同的功能，例如利用釔燒結添加劑所制成的氮化鋁陶瓷具有優異的耐鋁液熔蝕性能，可直接用于熱電偶、發熱元件等與鋁液接觸部件的保護管套，利用碳化鈣燒結添加劑所獲得氮化鋁陶瓷具有一定含量的C元素，在界面處會反應生成A14C3，從而犧牲了耐鋁液熔蝕性能來獲得更優秀的物理性。

圖3　D型石墨微觀結構示意圖

4　結束語

在金屬制造的過程中，無論是鋁合金壓鑄、擠壓鑄造成形中的充液料筒與活塞，還是熱浸鍍鋁中的沉沒輥等零部件，在實際的生產過程中都面臨著以高溫鋁液熔蝕及磨損為代表的一系列因素的共同作用。傳統的金屬制造工業現階段還面臨著部件使用壽命難以提升、鋁液的污染難以改善、鋁及其合金產品性能難以完善等一系列難題，相關的科研人員應當立足于此，從理論中開拓進取，對現有的金屬材料和耐火材料不斷予以完善，開發出更為優秀的熔融金屬處理用新型材料，幫助金屬制造的相關企業減少成本、提升效率，進而為我國的市場經濟體系創造出更大的經濟效益。

[1]李虹波.金屬的鋁液熔蝕磨損及新型合金鑄鐵研究[J].安徽工業，2012（13）：12～15.

[2]陳維鏗.耐鋁液腐蝕磨損金屬材料的篩選及其試驗設備的研制[J].價值工程，2013，29（18）：38～39.

[3]呂志丹.耐熔融鋅鋁腐蝕涂層的研究[J].中國科學技術，2012，7（11）：67～68.

TQ175

A

1673-0038（2015）32-0136-02

2015-7-25