高性能锰铝合金添加剂产品及生产工艺

王国宁，王兆兵

(湖南三鑫锰业科技有限公司，湖南吉首 416000)

0 前言

随着铝加工及铝合金工业不断发展，铝合金的研制被列为重点发展的技术，合金化是铝合金生产工艺流程中重要的一环。铝合金常用的合金元素有 ：硅、铁、铜、锰、镁、铬、镍、锌、钒、钛等。一些低熔点或溶解度大的合金元素如镁、铜等可以直接加入铝熔体中，而大部分熔点高的合金元素如铁、镍、锰等，需要制成 Al-Fe、A l-Ni、Al-M n 等中间合金添加剂。目前，国内外普遍以金属添加剂的形式向铝液中添加合金元素，因此铝合金添加剂的研制开发也成为铝工业研究的重点[1]。

1 锰在铝合金中的作用及加入方式

锰是一种主要的铝合金添加元素，在铝—锰系合金中，如3003合金，锰是其强化元素。它与铝形成M nAl6等强化质点，起固溶强化作用。又如在很多硬铝和压铸铝合金中，锰也是其主要组元。而在3004，3104，3A21等合金中，锰是必不可少的元素[2]。

现在常用的在铝中加锰合金的方法为锰铝合金添加剂法。这是因为锰的熔点高，达到1 244℃，而铝的熔点低，为660℃，而正常的铝合金熔铸温度也只有710～750℃，若直接将电解金属锰片加入，这样锰很难在铝的正常熔铸温度下进入铝液中，铝合金锰添加剂则能克服以上弊端。

目前，国内有多种锰添加剂，主要由金属粉末和助熔剂组成，普遍使用助熔剂为卤化物盐类的传统添加剂。大致分为以下几类：氯盐(NaCl、KCl、Mg-Cl2等)、氟盐(NaF、KF、M gF2、Na3AlF6等)、碳酸盐(Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)、硫酸盐 (Na2SO4、K2SO4等)、硝酸盐(NaNO3、KNO3等)等[3]。它虽然解决了以铝基中间合金方式添加的问题，但含有钠、氯、氟等元素，不仅给环境带来污染，还会影响人体健康，另外还普遍存在实收率低，熔化时间长的缺点，限制了在某些铝合金中的应用。现在，欧洲和北美、巴西的一些产铝大国在添加剂的制备及生产工艺上进行技术调整，目前研发生产出多种含少量、新型助熔剂或无助熔剂的新型添加剂。本文提及的高性能锰铝合金添加剂产品就是一种自主研发并与巴西开展国际科技合作、开发的高效速熔、不含钠、氯、氟的高性能锰铝合金添加剂。

2 高性能锰铝合金添加剂生产工艺

2.1 工艺特点

高性能锰铝合金添加剂生产工艺是采用粒度适宜的高纯电解金属锰粉和高纯金属铝粉，添加自行研制的高效、环保助熔剂和一定量的粘结剂，密闭混合均匀，经锻压成型、成品处理，计量包装，可制得深受用户好评的锰添加剂。

生产工艺中选用高效环保的助熔剂和适当的粘结剂是其重要核心技术之一。工艺研发初期，采用与巴西Jining Maxtrel公司合作，共同研发出以巴西公司原有技术为原型的WFM型助熔剂，虽然生产出来的是一种环保型产品，客户使用效果好。但助熔剂辅助材料从巴西采购，价格较贵，且不便采购。后经与国内一些大学及科研机构共同研发，终于将助熔剂助材国产化，研发出高效新型助熔剂WFM-S。这种高效新型助熔剂WFM与WFM-S有同等的品质，价格只到原助熔剂价格的1半。

锻压成型是制取锰添加剂产品的关键工序，选用先进的锻压设备也是本工艺核心竞争力的关键。产品形式按客户需求可压制成圆饼状或球形。圆饼状产品采用巴西引进的高效四柱液压锻压机生产。该设备适用于可塑性差的材料压制工艺，特别是粉末冶金成型、冷(热)压金属成型，可实现调整、手动及自动各种工作方式，机器的工作压力、压制速度、保压，均可根据工艺进行调整。球形产品采用另一种成型设备：辊式压球机，它是湖南三鑫锰业科技有限公司与国内知名液压锻轧设备企业结合产品的粉末锻特点，共同研究开发、定制的设备。

锻轧设备的关键部件是压模，它的设计与质量好坏直接关系到产品成型的效果与效率。湖南三鑫锰业科技有限公司与国内知名的研究机构共同研究，开发出一模多出，上下分模组合式高效耐磨合金系列锻模，压模的具体形状可根据客户需要定制，例如球形、椭球形、饼状，等等。

2.2 工艺生产流程

2.2.1 产品原材料控制

采用本地合作的电解金属锰厂家生产的优质电解金属锰片：DJM nC、DJM nD(标准：YB/T051-2003)，也可根据客户的要求，选用无硒或高纯锰片)，将其粉碎到0.212 mm(70目)，粒度分布要求如表1。

金属铝粉选用纯度99.7%的铝(GB/T 1196-2008)，粒度为0.3 mm(50目)，具体分布要求如表2所示。

表1 金属锰粉末粒度分布

表2 金属铝粉末粒度分布

助熔剂选用的是一种有机混合物，粒度为200目。当锰添加剂使用时，在沉入铝液中后，助熔剂迅速爆炸式反应，并放出一定热量，将锰粒子立刻分散，完全溶解在铝液中，且能够在较低的铝液温度下(680～700℃)，15 min内达到98.8%以上的回收率。

本工艺主要采用自主研发的高效新型助熔剂W FM-S进行配料，其主要性能指标如表3。

表3 助熔剂 WFM-S性能指标

现有一些厂家的助熔剂普遍含有F、K等对环境有影响的成份，杂质也较多，使用率不太高，表4是一种常用的助熔剂成分[2]。

表4 助熔剂成分组成(质量分数)%

2.2.2 配料与混合

选用自动化称重配料系统，将各种检验合格的原料精确计量，严格按生产配方投料制成混料单元，编号并详细记录：日期，操作单元号，混合搅拌时间，操作人等参数。混合采用自行研制的高效搅拌设备，其特点是能将多组元固体粉末充分混合均匀。物料充分混合时间应在10～25 min。

本工艺的物料配比方案会应客户需求不同而有各种产品的比例差异，总得配比范围如表5。

表5 物料配比方案 %

2.2.3 成型和包装

将混合均匀的物料用自动输送装置送入先进的锻压设备进行锻压成型。生产球形产品使用辊式压球机，圆饼状产品使用高效四柱液压设备。此工序的工艺控制是产品质量的关键，其最主要的是对设备作用于物料上压强的控制。设备作用于物料上的压强大小，直接影响产品的密度与硬度。根据产品质量要求，产品密度与硬度是产品使用效率的关键，这两项参数的值必须在一定范围内，太大或太小均不能为客户接受。产品密度一般在：3.8～4.5 g/cm3之间，产品硬度在0.1～1.5(相对值)之间。此外，高性能锰铝合金添加剂在使用时是严格定量加入的，因此产品的物料单个重量、形状尺寸也都进行了系列规格化的标准定制生产。本工艺的球状产品一般采用45 mm×30 mm×25 mm规格，重量控制在100～200 g之间的某一规格值，饼状产品的直径系列有 φ45、φ60、φ75、φ85 mm 等，厚度取在 25～60 mm之间的系列值，这样产品的重量也相应产生出一系列值，在500～1 200 g之间。

本工艺生产设备每小时处理量均在3～5 t以上，成球率高，产量大，在成品进行处理后，取样检验，编好批次，便可计量包装。按照客户要求，通常做成25磅每箱或10 kg一纸袋进行包装。

2.3 工艺流程图

高性能锰铝合金添加剂生产工艺流程如图1所示。

图1 高性能锰铝合金添加剂生产工艺流程

3 高性能锰铝合金添加剂产品性能指标

本工艺生产的高性能锰铝合金添加剂产品指标如表6所示。

表6 高性能锰铝合金添加剂产品指标

目前国内一些铝合金锰添加剂主要的性能指标如表7[2]。

表7 铝合金锰添加剂主要成分与性状

可以看出，本工艺生产的高性能锰铝合金添加剂产品，比其它同类产品中助熔剂成分要少，水分低，实收率要好。

4 结论

1)高性能锰铝合金添加剂生产工艺项目是湖南三鑫锰业科有限公司科研人员运用、吸收国内外最先进的工艺理论，开展和巴西进行国际科技合作，引进国内外先进的设备，研发、生产的一种铝合金行业新产品。

2)高性能锰铝合金添加剂性能远优于其它锰铝合金添加剂产品。该项目到现在共生产和销售锰添加剂6 000多t，取得可观的经济效益。此新型锰铝合金添加剂主要销往美洲和欧洲，客户有美铝(ALCOA)，Nichols，CMC等厂家和经销商，使用证明此锰铝合金添加剂新产品为全球市场所广泛接受，产品实收率高又环保、节能，而且生产效率高，产量大，交货期短，将是往后市场的发展方向，原有的以卤化物盐类等为助熔剂的产品将越来越多的被此新产品所取代。

3)此工艺技术已经在湖南三鑫锰业科有限公司实现产业化生产，实现年产1万t的产能，项目获得2008年度国家科技部“国际科技合作与交流专项”基金项目支持：项目名称：中日巴西合作开发高性能锰铝合金材料，项目编号：2008DFA 51480。

[1]张淑婷，沈光伟，肖宁，等.铝合金用添加剂的现状与发展趋势[J].矿冶，2009，18(4)：50-52.

[2]刘亮，刘国凡.新型高效速熔锰添加剂应用前景[J].中国锰业，2004，22(2) ：13-16.

[3]谷兰成，邵际平，郑林薄.铝合金用高效速熔添加剂的研制与应用[J].轻合金加工技术，2003，31(4)：9-11.