硼对工业纯铝显微组织的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 4 1 硼对工业纯铝显微组织的影响 张红耀1 ，陈敬超2 ，杨钢1 ，杜焰2 ，李玉华2 1 ．云南冶金集团总公司，昆明6 5 0 0 5 1 ；2 ．云南省新材料制备与加工重点试验室，昆明6 5 0 0 9 3 摘要采用光学显微镜、扫描电镜，以及能谱仪等组织观察和分析测试手段，对加硼后的工业纯铝组织和成 分进行分析，最终得出了硼与工业纯铝中的T i 、V 等杂质元素发生反应，生成复杂硼化物，净化了铝基体。 关键词硼；工业纯铝；杂质 中图分类号T F 8 1 6文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 2 0 0 4 1 0 3 E f l e e t so fB o r o no nM i c r o s t r u c t u r eo fI n d u s t r i a lP u r eA l u m i n u m Z H A N GH o n g y a 0 1 ，C H E NJi n g C h a 0 2 ，Y A N GG a n 9 1 ，D UY a n 2 ，L IY u h u a 2 1 ．Y u n n a nM e t a l l u r g i e a lG r o u p ，K u n m i n g6 5 0 0 51 ，C h i n a ； 2 ．Y u n n a nP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo fN e wM a t e r i a lP r e p a r ea n dP r o c e s s ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fB o r o no nm i c r o s t r u c t u r eo fi n d u s t r i a lp u r ea l u m i n u ma r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p e ，S E Ma n dE D S ．T h er e s u l t ss h o wt h a tBi sr e a c t e dw i t hi m p u r i t ye l e m e n t so fT i ，Ve t c ，w h i c hc o n t a i n e di ni n d u s t r i a lp u r ea l u m i n u m ，t op r o d u c ec o m p l i c a t e dBc h e m i c a lc o m p o u n d ，a n dS Ot h ei n d u s t r i a lp u r ea l u m i n u mi sp u r i f i e d ． K e y w o r d s B o r o n ；I n d u s t r i a lP u r eA l u m i n u m ；I m p u r i t y 与稀土优化作用的研究相比，硼化作用在国内 外的研究并不活跃。在国外硼对工业纯铝导电性影 响的研究，最早可追溯到1 9 5 9 年，匈牙利学者A n k a 在导电铝1 3 5 0 E 中加入少量 0 ．0 2 ％～0 ．0 3 ％ 的 C u ，同时减少F e 和s i 的含量，并加入适量的硼，可 使A 1 的导电率提高1 0 ％，还可保持其强度不下降。 此后，国外一些导电铝中，采用了加硼处理，即向熔 融的A 1 中添加约0 ．0 0 5 ％的硼。而国内在七、八十 年代，曾对硼在导电铝中的作用做过初步研究，当时 加硼处理的工艺在国内很少有厂家应用。国外对硼 化处理方法应用较多，但对硼的作用机理研究并不 多。关于硼改善铝导体导电性方面的研究，目前已 取得了一些相对一致的研究结论。主要是硼与铝中 杂质元素产生作用，从而提高电导率[ 卜3 l 。但具体 是与何种杂质元素反应，以何种形式存在，都未见具 体研究。仅指出硼能与铝中微量杂质元素反应的研 作者简介张红耀 1 9 7 0 一 ，男，山西高平人，高级工程师 究结论是不全面的。本试验就是考察硼对工业纯铝 显微组织的影响，分析各组织成分，从而探讨硼对工 业纯铝的作用机理，完善“硼化处理”的基本理论。 1试验方法 将铝硼中间合金加入工业纯铝中，研究硼对工 业纯铝显微组织的影响。试验所用原料化学成分 ％ A l9 9 ．7 、F e0 ．1 、S i0 ．0 5 、C u 0 ．0 0 1 、C a 0 ．0 1 1 7 、M g0 ．0 0 1 。中间合金舢一B 的化学成分 ％ B3 ．0 2 、F e0 ．2 8 、S i0 ．1 3 、C u0 ．0 2 、A 1 余。 熔铸工艺流程将石墨坩埚加热到7 2 0 ～ 7 3 0 ℃，往其中加入工业纯铝，并使之熔化；把一定量 的中间合金料压入铝液中，在7 1 0 ～7 2 0 ℃保温1 0 r a i n ；最后浇入观7m m 9 5m m 或①5 0m m 6 0 m m 铁模 或石墨模 中直至室温冷却。 组织及形貌观察采用光学金相显微镜扫描电子 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 显微镜；物相鉴定及成分分析采用E D S 能谱仪。 2 试验结果及讨论 2 ．1 硼对工业纯铝宏观组织的影响 经过研磨和混合酸浸蚀的铝锭，我们肉眼就能 清晰地看到表面的形貌，其宏观组织采用低倍 2 照相，其组织见图1 。从图1 可以看出，工业纯铝几 乎全部由柱状晶组成，而加入B 后，中心出现等轴 晶。随B 含量的不断增加，中心等轴晶逐渐增多， 并且柱状晶逐渐变短、其间距也变小。 图1 不同成分含量硼对宏观组织影响 2 F i g ．1 E f f e c t so fBe l e m e n tc o n t e n to nt h em a c r o s c o p i c a ls t r u c t u r e 2 2 ．2 硼对工业纯铝显微组织的影响 1 工业纯铝的显微组织 为便于比较，我们先观察工业纯铝的显微组织。 图2 为工业纯铝的S E M 组织图，未经化学抛光。其 背散射电子像低倍 1 0 0 ，图2 a 组织只看到一些 球形孔洞。4 0 0 倍可看清组织主要是由基体铝以及 分布均匀的白色球状和短柄棒状相组成 图2 b 。 其放大像见图2 c 和2 d 。 分别对的球状相 图2 c 中A 点 以及棒状相 图 2 d 中B 点 进行能谱分析，两相都为铁铝相。再根 据相图及它们的形貌可推断白色球状和短柄棒状相 为A l F e A l ，共晶相，所以工业纯铝的组织为基体 a 一铝和a 一～ F e A l ，共晶相，另外还有溶人的气体形 成的气泡孔洞。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 4 3 图2 工业纯铝的S E M 组织 F i g ．2 S E Ms t r u c t u r eo fa l u m i n u m 2 硼对工业纯铝显微组织的影响 往工业纯铝中添加B ，试样经研磨和化学抛光 后，在扫描电镜下观察。由于采用一般机械抛光，会 造成样品污染和假象，所以试样采用化学抛光方式 制样，故试样表面形成分布均匀的腐蚀坑。图3 为 工业纯铝加0 ．1 ％B 后的扫描组织，B 加入工业纯铝 中，我们看到中心有团聚现象 图3 a ，这主要跟硼 在铝中固溶度很小 0 ．0 2 ％ 以及易形成化合物有 关，还与凝固过程有关，凝固从边部开始，不溶的化 合物受到驱赶，向中心移动，最后在中心富集。 图3 工业纯铝加0 ．1 ％B 后的S E M 组织 F i g ．3S E Ms t r u c t u r eo fa l u m i n u mc o n t a i n i n g0 ．1 ％B 团聚物由一个个晶体颗粒、棒状、片状相以及不 规则形状相组成，而边缘区则零星地分布些规则晶 体颗粒和片状相 图3 b 。 我们将晶体颗粒相和片状相放大，采用E D S 能 谱分析其成分。图3 中心聚集区C 点和边缘区D 点片状相，经能谱分析结果可知，片状相主要为舢、 B 化合物，而F 点也为A l 、B 化合物，只是原子比为 A 1 B 1 2 ．1 5 ≈1 2 ，为A l B 2 相。其它片状相与之 比较只是铝硼比有差异，其比值在1 2 ．7 ～1 6 ．9 。 单从外形上看，边缘区片状相较中心聚集区片状相 为薄。晶体颗粒相E 点和G 点经能谱分析含趟、B 、 T i 、V 、C r ，为复杂硼化物，E 点C r 由于含量较低未 参入计算，G 点只是成分含量稍有差异。G 点旁边、 F 点周围包围和旁边 如图3 e 所示 的片状相都为 A l 、B 化合物相。 我们对聚集区片状相和片状相包围的晶体相进 行线扫描，也得到与前面点分析相同的结果。 另外，我们发现，加B 后工业纯铝中的球状和 棒状A 1 F e ，相消失了，扫描电镜也未发现其行踪，极 有可能是铁与硼反应生成硼化物，由于铁硼化合物 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年2 期 密度大 F e 2 B 为7 ．1 5g ／c m 3 ，从而沉积于坩埚底部 使铝中铁除去。但要证实尚需进一步研究。 3结论 1 硼对～的铸态组织影响较大，随硼含量的 增加，等轴晶逐渐增多、柱状晶变短变细，晶界增多； 2 B 加入工业纯铝中，B 优先与T i 和V 形成 钛硼和钒硼的化合物或者它们的复杂化合物，从上 面试验分析结果印证可以看出，形成它们的复杂化 合物； 3 硼能够改变工业纯铝中F e 的存在形式，硼 不能有效地降低S i 的影响，也不能改变其固溶S i 的 存在形态。 参考文献 [ 1 ] 王桂芹，刘顺华，高洪吾，等．硼对工业纯m 导电性的影 响[ J ] ．金属学报，2 0 0 0 ，3 6 6 5 9 7 6 0 1 ． [ 2 ] 王桂芹，刘顺华，高洪吾，等．几种元素对工业纯铝导电 性的影响[ J ] ．大连理工大学学报，2 0 0 0 ，4 0 4 4 3 7 4 3 9 ． [ 3 ] 刘顺华，王桂芹，高洪吾，等．高电导率含硼铝导体的研 制[ J ] ．电线电缆，2 0 0 3 4 1 6 1 9 ． 上接第2 6 页 F e 2 S 0 4 3 Z n S - - 2 F e S 0 4 Z n S 0 4 S o 3 反应 1 直接浸出锌的同时，不断提供硫酸亚 铁。反应 3 是使浸出过程中形成的硫酸亚铁间接 浸出硫化锌，并通过反应 2 使直接浸出和间接浸出 产生的硫酸亚铁氧化为硫酸铁，实现间接浸出剂 硫酸铁的再生，使间接浸出贯穿整个浸出过程。 图4 是硫化锌精矿浸出时铁的催化模型图。 F e “ ◆ H S OI o ◆ F e 3 图4硫化锌精矿浸出时铁的催化模型图 F i g ．4 T h em o d e lo fF ec a t a l y z ei nz i n c s u l p h i d ec o n c e n t r a t el e a c h i n g 对于在常压和通常温度下难于有效浸出的矿物 采用加压浸出的方式具有3 方面的优势一是可以 在较高的温度下进行浸出。在常压下浸出温度高于 9 0 ℃时，溶液的蒸发就很厉害，使浸出反应难于进 行。当压力上升时，水的饱和蒸汽压提高 1 4 0 ℃为 O ．3 6 lM P a 、1 6 0 ℃为0 ．6 1 8M P a ；二是在高温高压 下，气体在水中的溶解度会随温度的升高而升高，有 利于提高氧气在矿浆中的溶解度；三是升高温度加 速了化学反应的速度，并提高了扩散系数，有利于传 热传质，因而提高生产率。 3结论 在小型试验、半工业试验成功的基础上。完成 了硫化锌精矿 平均含锌4 2 ．1 7 ％、铁1 4 ．3 8 ％ 加压 浸出的工业性试验，锌浸出率9 8 ．0 5 ％，铁浸出率 2 9 ．2 2 ％，浸出液中的铁可用常规除铁工艺处理，加 压浸出技术实现了锌的选择性浸出。 加压浸出技术对H F Z 具有良好的适应性，且技 术指标稳定。并充分利用浸出过程中铁的催化作 用，加速锌的浸出速率。突破了传统湿法炼锌工艺 难以经济、有效处理这类资源的现状，率先在国内外 完成工业性试验并实现了产业化生产。 该工艺实现硫化锌精矿直接浸出，省去焙烧脱 硫、制酸2 段。硫以元素硫回收。按年产1 万t 锌 规模计算，可回收元素硫5k t ，可作为普通商品进行 储存、包装、运输。比传统湿法炼锌工艺附产硫酸 产量为1 8 ．8k t 的数量、储存、包装、运输成本低。 参考文献 [ 1 ] 董英．高铁硫化锌精矿冶炼工艺的探讨[ J ] ．云南冶金， 2 0 0 0 8 2 6 2 9 ． [ 2 ] 王吉坤，周廷熙，吴锦梅．高铁闪锌矿精矿加压酸浸新 工艺研究[ J ] ．．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 1 5 8 ． [ 3 ] 王吉坤，周廷熙，吴锦梅．高铁闪锌矿加压浸出半工业 试验研究[ J ] ．中国工程科学，2 0 0 5 1 6 0 6 4 ． 万方数据