王國(guó)寧，王兆兵

(湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司，湖南吉首 416000)

0 前言

隨著鋁加工及鋁合金工業(yè)不斷發(fā)展，鋁合金的研制被列為重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)，合金化是鋁合金生產(chǎn)工藝流程中重要的一環(huán)。鋁合金常用的合金元素有 ：硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、釩、鈦等。一些低熔點(diǎn)或溶解度大的合金元素如鎂、銅等可以直接加入鋁熔體中，而大部分熔點(diǎn)高的合金元素如鐵、鎳、錳等，需要制成 Al-Fe、A l-Ni、Al-M n 等中間合金添加劑。目前，國(guó)內(nèi)外普遍以金屬添加劑的形式向鋁液中添加合金元素，因此鋁合金添加劑的研制開發(fā)也成為鋁工業(yè)研究的重點(diǎn)[1]。

1 錳在鋁合金中的作用及加入方式

錳是一種主要的鋁合金添加元素，在鋁—錳系合金中，如3003合金，錳是其強(qiáng)化元素。它與鋁形成M nAl6等強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，起固溶強(qiáng)化作用。又如在很多硬鋁和壓鑄鋁合金中，錳也是其主要組元。而在3004，3104，3A21等合金中，錳是必不可少的元素[2]。

現(xiàn)在常用的在鋁中加錳合金的方法為錳鋁合金添加劑法。這是因?yàn)殄i的熔點(diǎn)高，達(dá)到1 244℃，而鋁的熔點(diǎn)低，為660℃，而正常的鋁合金熔鑄溫度也只有710～750℃，若直接將電解金屬錳片加入，這樣錳很難在鋁的正常熔鑄溫度下進(jìn)入鋁液中，鋁合金錳添加劑則能克服以上弊端。

目前，國(guó)內(nèi)有多種錳添加劑，主要由金屬粉末和助熔劑組成，普遍使用助熔劑為鹵化物鹽類的傳統(tǒng)添加劑。大致分為以下幾類：氯鹽(NaCl、KCl、Mg-Cl2等)、氟鹽(NaF、KF、M gF2、Na3AlF6等)、碳酸鹽(Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)、硫酸鹽 (Na2SO4、K2SO4等)、硝酸鹽(NaNO3、KNO3等)等[3]。它雖然解決了以鋁基中間合金方式添加的問題，但含有鈉、氯、氟等元素，不僅給環(huán)境帶來污染，還會(huì)影響人體健康，另外還普遍存在實(shí)收率低，熔化時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，限制了在某些鋁合金中的應(yīng)用。現(xiàn)在，歐洲和北美、巴西的一些產(chǎn)鋁大國(guó)在添加劑的制備及生產(chǎn)工藝上進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，目前研發(fā)生產(chǎn)出多種含少量、新型助熔劑或無助熔劑的新型添加劑。本文提及的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品就是一種自主研發(fā)并與巴西開展國(guó)際科技合作、開發(fā)的高效速熔、不含鈉、氯、氟的高性能錳鋁合金添加劑。

2 高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝

2.1 工藝特點(diǎn)

高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝是采用粒度適宜的高純電解金屬錳粉和高純金屬鋁粉，添加自行研制的高效、環(huán)保助熔劑和一定量的粘結(jié)劑，密閉混合均勻，經(jīng)鍛壓成型、成品處理，計(jì)量包裝，可制得深受用戶好評(píng)的錳添加劑。

生產(chǎn)工藝中選用高效環(huán)保的助熔劑和適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑是其重要核心技術(shù)之一。工藝研發(fā)初期，采用與巴西Jining Maxtrel公司合作，共同研發(fā)出以巴西公司原有技術(shù)為原型的WFM型助熔劑，雖然生產(chǎn)出來的是一種環(huán)保型產(chǎn)品，客戶使用效果好。但助熔劑輔助材料從巴西采購(gòu)，價(jià)格較貴，且不便采購(gòu)。后經(jīng)與國(guó)內(nèi)一些大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)共同研發(fā)，終于將助熔劑助材國(guó)產(chǎn)化，研發(fā)出高效新型助熔劑WFM-S。這種高效新型助熔劑WFM與WFM-S有同等的品質(zhì)，價(jià)格只到原助熔劑價(jià)格的1半。

鍛壓成型是制取錳添加劑產(chǎn)品的關(guān)鍵工序，選用先進(jìn)的鍛壓設(shè)備也是本工藝核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。產(chǎn)品形式按客戶需求可壓制成圓餅狀或球形。圓餅狀產(chǎn)品采用巴西引進(jìn)的高效四柱液壓鍛壓機(jī)生產(chǎn)。該設(shè)備適用于可塑性差的材料壓制工藝，特別是粉末冶金成型、冷(熱)壓金屬成型，可實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)各種工作方式，機(jī)器的工作壓力、壓制速度、保壓，均可根據(jù)工藝進(jìn)行調(diào)整。球形產(chǎn)品采用另一種成型設(shè)備：輥式壓球機(jī)，它是湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司與國(guó)內(nèi)知名液壓鍛軋?jiān)O(shè)備企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品的粉末鍛特點(diǎn)，共同研究開發(fā)、定制的設(shè)備。

鍛軋?jiān)O(shè)備的關(guān)鍵部件是壓模，它的設(shè)計(jì)與質(zhì)量好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品成型的效果與效率。湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司與國(guó)內(nèi)知名的研究機(jī)構(gòu)共同研究，開發(fā)出一模多出，上下分模組合式高效耐磨合金系列鍛模，壓模的具體形狀可根據(jù)客戶需要定制，例如球形、橢球形、餅狀，等等。

2.2 工藝生產(chǎn)流程

2.2.1 產(chǎn)品原材料控制

采用本地合作的電解金屬錳廠家生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)電解金屬錳片：DJM nC、DJM nD(標(biāo)準(zhǔn)：YB/T051-2003)，也可根據(jù)客戶的要求，選用無硒或高純錳片)，將其粉碎到0.212 mm(70目)，粒度分布要求如表1。

金屬鋁粉選用純度99.7%的鋁(GB/T 1196-2008)，粒度為0.3 mm(50目)，具體分布要求如表2所示。

表1 金屬錳粉末粒度分布

表2 金屬鋁粉末粒度分布

助熔劑選用的是一種有機(jī)混合物，粒度為200目。當(dāng)錳添加劑使用時(shí)，在沉入鋁液中后，助熔劑迅速爆炸式反應(yīng)，并放出一定熱量，將錳粒子立刻分散，完全溶解在鋁液中，且能夠在較低的鋁液溫度下(680～700℃)，15 min內(nèi)達(dá)到98.8%以上的回收率。

本工藝主要采用自主研發(fā)的高效新型助熔劑W FM-S進(jìn)行配料，其主要性能指標(biāo)如表3。

表3 助熔劑 WFM-S性能指標(biāo)

現(xiàn)有一些廠家的助熔劑普遍含有F、K等對(duì)環(huán)境有影響的成份，雜質(zhì)也較多，使用率不太高，表4是一種常用的助熔劑成分[2]。

表4 助熔劑成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

2.2.2 配料與混合

選用自動(dòng)化稱重配料系統(tǒng)，將各種檢驗(yàn)合格的原料精確計(jì)量，嚴(yán)格按生產(chǎn)配方投料制成混料單元，編號(hào)并詳細(xì)記錄：日期，操作單元號(hào)，混合攪拌時(shí)間，操作人等參數(shù)。混合采用自行研制的高效攪拌設(shè)備，其特點(diǎn)是能將多組元固體粉末充分混合均勻。物料充分混合時(shí)間應(yīng)在10～25 min。

本工藝的物料配比方案會(huì)應(yīng)客戶需求不同而有各種產(chǎn)品的比例差異，總得配比范圍如表5。

表5 物料配比方案 %

2.2.3 成型和包裝

將混合均勻的物料用自動(dòng)輸送裝置送入先進(jìn)的鍛壓設(shè)備進(jìn)行鍛壓成型。生產(chǎn)球形產(chǎn)品使用輥式壓球機(jī)，圓餅狀產(chǎn)品使用高效四柱液壓設(shè)備。此工序的工藝控制是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，其最主要的是對(duì)設(shè)備作用于物料上壓強(qiáng)的控制。設(shè)備作用于物料上的壓強(qiáng)大小，直接影響產(chǎn)品的密度與硬度。根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求，產(chǎn)品密度與硬度是產(chǎn)品使用效率的關(guān)鍵，這兩項(xiàng)參數(shù)的值必須在一定范圍內(nèi)，太大或太小均不能為客戶接受。產(chǎn)品密度一般在：3.8～4.5 g/cm3之間，產(chǎn)品硬度在0.1～1.5(相對(duì)值)之間。此外，高性能錳鋁合金添加劑在使用時(shí)是嚴(yán)格定量加入的，因此產(chǎn)品的物料單個(gè)重量、形狀尺寸也都進(jìn)行了系列規(guī)格化的標(biāo)準(zhǔn)定制生產(chǎn)。本工藝的球狀產(chǎn)品一般采用45 mm×30 mm×25 mm規(guī)格，重量控制在100～200 g之間的某一規(guī)格值，餅狀產(chǎn)品的直徑系列有 φ45、φ60、φ75、φ85 mm 等，厚度取在 25～60 mm之間的系列值，這樣產(chǎn)品的重量也相應(yīng)產(chǎn)生出一系列值，在500～1 200 g之間。

本工藝生產(chǎn)設(shè)備每小時(shí)處理量均在3～5 t以上，成球率高，產(chǎn)量大，在成品進(jìn)行處理后，取樣檢驗(yàn)，編好批次，便可計(jì)量包裝。按照客戶要求，通常做成25磅每箱或10 kg一紙袋進(jìn)行包裝。

2.3 工藝流程圖

高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝流程

3 高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品性能指標(biāo)

本工藝生產(chǎn)的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品指標(biāo)如表6所示。

表6 高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)一些鋁合金錳添加劑主要的性能指標(biāo)如表7[2]。

表7 鋁合金錳添加劑主要成分與性狀

可以看出，本工藝生產(chǎn)的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品，比其它同類產(chǎn)品中助熔劑成分要少，水分低，實(shí)收率要好。

4 結(jié)論

1)高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝項(xiàng)目是湖南三鑫錳業(yè)科有限公司科研人員運(yùn)用、吸收國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的工藝?yán)碚摚_展和巴西進(jìn)行國(guó)際科技合作，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)備，研發(fā)、生產(chǎn)的一種鋁合金行業(yè)新產(chǎn)品。

2)高性能錳鋁合金添加劑性能遠(yuǎn)優(yōu)于其它錳鋁合金添加劑產(chǎn)品。該項(xiàng)目到現(xiàn)在共生產(chǎn)和銷售錳添加劑6 000多t，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此新型錳鋁合金添加劑主要銷往美洲和歐洲，客戶有美鋁(ALCOA)，Nichols，CMC等廠家和經(jīng)銷商，使用證明此錳鋁合金添加劑新產(chǎn)品為全球市場(chǎng)所廣泛接受，產(chǎn)品實(shí)收率高又環(huán)保、節(jié)能，而且生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量大，交貨期短，將是往后市場(chǎng)的發(fā)展方向，原有的以鹵化物鹽類等為助熔劑的產(chǎn)品將越來越多的被此新產(chǎn)品所取代。

3)此工藝技術(shù)已經(jīng)在湖南三鑫錳業(yè)科有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1萬t的產(chǎn)能，項(xiàng)目獲得2008年度國(guó)家科技部“國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)”基金項(xiàng)目支持：項(xiàng)目名稱：中日巴西合作開發(fā)高性能錳鋁合金材料，項(xiàng)目編號(hào)：2008DFA 51480。

[1]張淑婷，沈光偉，肖寧，等.鋁合金用添加劑的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].礦冶，2009，18(4)：50-52.

[2]劉亮，劉國(guó)凡.新型高效速熔錳添加劑應(yīng)用前景[J].中國(guó)錳業(yè)，2004，22(2) ：13-16.

[3]谷蘭成，邵際平，鄭林薄.鋁合金用高效速熔添加劑的研制與應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2003，31(4)：9-11.