鋁冶金

鋁是最重要的輕金屬，用途十分廣泛。在工業(yè)上生產(chǎn)鋁，采用的方法大都是熔鹽電解法，原料是氧化鋁，由各種含鋁的礦石提取。鋁土礦是主要的煉鋁原料。從鋁土礦提取氧化鋁有多種方法，例如拜耳法、堿石灰燒結(jié)法、拜耳–燒結(jié)聯(lián)合法等。拜耳法是生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。鋁電解的過程是使直流電通過以氧化鋁為原料、冰晶石為熔劑組成的電解質(zhì)，在950～970℃下使電解質(zhì)熔液中的氧化鋁分解為鋁和氧。在陰極上析出的鋁液匯集于電解槽槽底，在陽極上析出二氧化碳和一氧化碳氣體。從電解槽中吸出鋁液，經(jīng)過凈化除去氫氣、非金屬和金屬雜質(zhì)并澄清后，鑄成各種鋁錠。從鋁土礦開采到鋁錠鑄造，每噸鋁一般消耗總電能約13?500千瓦·時。隨著鋁純度的提高，它的抗蝕性、可塑性、導電性、反光性等性能增強。精鋁或高純鋁(含Al大于99.99％)供許多特殊部門使用。精鋁是以原鋁為原料，用三層液電解法制取純度為?99.99％的鋁。高純鋁是以精鋁為原料，用區(qū)域熔煉法、有機溶液電解法或兩法兼用制得，含Al99.999％以上。有機溶液電解法可得到99.999?5％的高純鋁。以有機溶液電解與區(qū)域熔煉串聯(lián)，可制得超純度鋁。預先經(jīng)過有機溶液電解的鋁，再經(jīng)幾次區(qū)域熔煉，可在最純區(qū)段得到含Al大于等于99.999?5％的產(chǎn)品。再生鋁又稱二次鋁。廢鋁再熔所需的能量僅為從礦石制取原鋁的5％左右。原料和投資費也較節(jié)省。廢鋁主要用來生產(chǎn)鋁合金。在再熔之前，要先將廢鋁選揀分類，再加以適當調(diào)配和處理，以便達到所需的合金組成。鋁的第一次煉制能耗較高，合理回收利用廢鋁，是節(jié)能的一項有力措施。 2100433B

它們具有很好的綜合性能，是有廣闊發(fā)展前景的新型鋁合金。

簡史20世紀40年代，瑞士人伊爾曼(R．Irmann)等用球磨機在控制氧含量的保護介質(zhì)中研磨鋁粉，使其表面生成很薄的氧化膜，將鋁粉壓實、燒結(jié)和熱加工成燒結(jié)鋁(SAP)，這是最初的粉末冶金鋁材。70年代，發(fā)展了兩種制取鋁合金粉末的方法，一種是快速凝固法，即把預合金化的熔體霧化急冷制成鋁合金粉末：另一種是機械合金化法，即用高能球磨機把用來合金化的金屬顆粒粉碎、混合，制成鋁合金粉末。鋁合金粉末經(jīng)過壓實、脫氣、燒結(jié)熱壓成坯錠，再用常規(guī)的擠壓、軋制或鍛造方法加工成各種粉末冶金(PM)鋁合金制品。到80年代末為止，美國、前蘇聯(lián)和日本等國家研制成功10多種牌號的粉末冶金結(jié)構(gòu)鋁合金和粉末冶金耐磨鋁合金，并已投入小批量生產(chǎn)，開始在航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)上應用。

特性快速凝固法和機械合金化法制粉賦予粉末冶金鋁合金優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)，使它們具有用常規(guī)鑄錠冶金(IM)工藝無法得到的高性能。

(1)N快速凝固法制粉時，冷卻速度為10～10c/s，比常規(guī)鑄造鑄錠時的冷卻速度大幾個數(shù)量級，從而大大細化了晶粒，增加了合金化元素的過飽和固溶度，細化了金屬間化合物粒子，增加了合金成分的均勻性。用這樣的粉末制成的鋁合金，綜合地利用了固溶強化、時效強化和彌散強化機制，使合金的強度、耐腐蝕性能和耐熱性能超過了任何IM鋁合金，同時又有較好的韌性和抗疲勞性能。

(2)用機械合金化法制粉時，各種金屬粉末在高能球磨機中研磨、混合，反復在球體強烈打擊下破碎、焊合和相互擴散而實現(xiàn)合金化。加入的助磨劑生成細小的、彌散分布的碳化物和氧化物質(zhì)點。用這樣的粉末制成的鋁合金，綜合地利用了固溶強化、細晶粒強化、高密度位錯和亞結(jié)構(gòu)強化、碳化物和氧化物質(zhì)點彌散強化機制，因而具有很高的力學性能。

發(fā)展趨勢由于一些不能用常規(guī)鑄錠冶金工藝制取的鋁合金卻能通過粉末冶金工藝獲得，并且?guī)缀趺總€PM鋁合金的物理、化學性能和力學性能都比相似成分IM鋁合金的高，因此粉末冶金方法已成為發(fā)展新型鋁合金材料的重要途徑之一，一些工業(yè)發(fā)達國家都投入了大量人力、物力和資金發(fā)展粉末冶金鋁合金。存在的問題是，因為粉末冶金工藝包括有制粉、脫氣和壓實工序，工藝比較復雜，因此生產(chǎn)成本比較高，阻礙它的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應用。其發(fā)展趨勢是：(1)研究簡化現(xiàn)有粉末冶金鋁合金生產(chǎn)過程的新工藝，以便于適合大規(guī)模工業(yè)性生產(chǎn)和降低成本；(2)繼續(xù)開發(fā)新的綜合性能好的高強粉末冶金鋁合金，新的耐熱性能好的粉末冶金鋁合金，新的低密度高彈性粉末冶金鋁合金，新的體脹系數(shù)小的耐磨的粉末冶金鋁合金。

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，均屬于粉末燒結(jié)技術。因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術的優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。

粉末冶金包括制粉和制品。其中制粉主要是冶金過程，和字面吻合。而粉末冶金制品則常遠遠超出材料和冶金的范疇，往往是跨多學科（材料和冶金，機械和力學等）的技術。尤其現(xiàn)代金屬粉末3D打印，集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數(shù)控技術、材料科學、激光技術于一身，使得粉末冶金制品技術成為跨更多學科的現(xiàn)代綜合技術 。

IN9052合金是一種中等強度預合金化鋁合金，其力學性能與鑄錠冶金法(I/M)5083合金的相類似，但具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。此合金在較低溫度(小于370℃)下鍛造，其流動應力和變形特性與5083合金相類似。如同高強度粉末冶金鋁合金一樣，IN9052合金也固結(jié)成錠坯，再經(jīng)過擠壓然后鍛造。由于材料價格的原因，仍適用于采用精密鍛造的方法。