合金废料粒度分布及物理含量分析 [page::3][page::4]

| 筛孔尺寸(mm) | Titanium Grade 5 (%) | Inconel 625 (%) | Inconel 718 (%) |
|--------------|---------------------|-----------------|-----------------|
| >6.3 | 58.53 | 4.73 | 24.93 |
| 6.3-3.15 | 26.82 | 10.41 | 54.05 |
| 3.15-1.6 | 9.76 | 54.57 | 13.81 |
| <1.6 | 4.89 | 30.29 | 7.21 |

• Titanium Grade 5废料以大于6.3mm颗粒为主，Inconel 625以3.15-1.6mm为主，Inconel 718以6.3-3.15mm为主。

- 含油量分别为22%、4.2%和4.6%，水分含量分别为12%、3.1%和3.4%。[page::4]

冶金成分分析及表面元素分布 [page::5][page::6]

| 合金种类 | 主要元素及含量 (wt.%) |
|------------------|-------------------------------------------------------|
| Titanium Grade 5 | Ti 82.79, Al 6.89, V 4.48, Sb 1.90, Co 0.23, Fe 0.22 |
| Inconel 625 | Ni 59.21, Cr 21.17, Mo 9.60, Fe 4.29, Al 1.36, Sb 0.74 |
| Inconel 718 | Ni 53.92, Cr 18.17, Fe 17.78, Mo 4.50, Nb 2.87, Ti 1.05 |

• SEM-EDS分析确认表面氧含量：Titanium Grade 5约12.2%，Inconel 625约0.8%，Inconel 718约0.2%。

- 表面氧元素分布均匀，呈现微观结构特征差异明显，[page::6]

油污成分及去除效率分析 [page::6][page::7]

• GC-MS和NMR测试显示油污为C8-C30脂肪族及环脂烃，未检出含氮、苯环等功能团。

- 使用Spirdane系列溶剂，清洗60分钟后油脂去除率达93.7%-98.6%，最高可达近99%。
| 洗涤剂 | Titanium Grade 5 去油率(%) | Inconel 625 去油率(%) | Inconel 718 去油率(%) |
|---------------|------------------------------|-------------------------|-------------------------|
| SPIRDANE D25 | 96.2 | 98.6 | 97.8 |
| SPIRDANE D40 | 94.6 | 96.4 | 96.7 |
| SPIRDANE D60 | 93.7 | 95.8 | 95.9 |

• 去油过程中表面未发生显著氧化，溶剂安全且有效。[page::6][page::7]

热处理去除油污及表面氧化影响 [page::8][page::9]

• 900℃高温热处理能完全去除油污，但导致合金表面氧含量大幅升高（Titanium Grade 5 由10.1%增至47.9%）。

- 高温热处理引起材料表面不可逆氧化和微裂纹形成，严重影响合金结构完整性与性能。

• 该处理方式不适合期待材料表面性能保持的工业应用。[page::8][page::9]

结论摘要 [page::9]

• 针对汽车行业高价值合金废料开发的洗涤工艺实现了高效去除油污，且保持合金表面化学稳定，不改变其本来性能。

- 热处理虽然也能去除油污，但伴随表面严重氧化和结构损伤，难以满足后续回用要求。

• 该研究为合金废料资源化利用工艺设计及环境治理提供了理论与实验依据。[page::9]

金属合金废料回收与表征研究详尽分析报告

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1. 元数据与报告概览

报告标题：
Article Recovery and Characterization Studies of Post-Production Alloy Waste from the Automotive Industry

作者团队：
Sylwester ˙Zelazny, Witold Z˙ukowski, Dariusz Bogdał, Szczepan Bednarz, Wiktor Kasprzyk, Tomasz S´wiergosz

所属机构：
克拉科夫理工大学化学工程与技术学院（波兰克拉科夫）

发布日期：
2020年12月8日

研究主题：
本报告聚焦于汽车制造业废弃的高性能合金（Inconel 625, Inconel 718, 钛合金Grade 5）的回收工艺与材料表面特性分析，通过清洗和热处理过程去除机加过程中附着的油污残留，并探究其对合金材料表面及性能的影响。

核心论点与目标：
报道首次对汽车工业所产生的三种合金废料的特征进行全面表征，并针对机加工废屑中的油污采用多种有机溶剂洗涤及900°C高温热处理来最大程度地回收有价合金。
研究发现，洗涤工艺虽不能完全去除（100%）油污，但其去除率高达约99%，且不会改变合金表面成分，而热处理虽能完全去除油污但伴随合金表面氧化和不可逆结构变化。
作者旨在评估两种回收技术的效率和适用性，以支持汽车工业废料资源化利用，降低成本，促进环保。[page::0,1]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言

高性能合金如钛合金和镍基超合金因高耐腐蚀性和机械性能，在汽车、航空领域广泛使用。汽车零件的传统机加工（车削、铣削、钻孔、磨削）产生大量废屑（金属切屑，swarf），据估计全球废屑产量高达数百万吨，其中顶尖车企年废屑超过4万吨。为了节省钢材成本和环境保护，废屑回收尤为重要。此类废料往往被机油等金属加工液覆盖，难以直接再利用，需彻底清洗和处理。文中提到机加工方式对切屑颗粒形状和污染物产生有显著影响，但对加工液参数影响不大。涂覆液的微生物污染也是关注重点，说明工业机加工液复杂且易生物降解。[page::0]

作者强调随着环境法规趋严，机械加工废屑与切削液的回收技术需求迫切，促进资源循环再利用。[page::0]

2.2 实验材料与方法

• 材料来源： 汽车企业提供Inconel 625、Inconel 718和钛合金Grade 5机加工废屑，粒径、形态不一，均覆有不明含机油的液体残留。[page::1]
• 有机污染物去除： 采用乙酮浸泡3小时去除油污，滤分后35°C烘干4小时；油含量通过乙酮反复洗涤、超声清洗、水洗后烘干测定；水分通过ASTM D2216-10标准110±5°C恒重法测量。[page::1,2]
• 颗粒尺寸分布： 使用实验仪器LAB-06-300对废屑进行筛分，粒径区间为<1.6 mm，1.6-3.15 mm，3.15-6.3 mm和>6.3 mm。此分析用于表征废屑尺寸分布及其可能影响油污附着和清洗效率。[page::2,3]
• 物理和化学分析技术：

- SEM-EDS用于表面形貌及元素组成分析。
- GC-MS分析油污有机物组成及纯度。
- NMR (¹H和¹³C)分析油中分子结构与官能团。
- ICP-OES进行金属元素定量分析。[page::2,5]

• 清洗工艺： 采用环保许可的三种溶剂（Spirdane D25, D40, D60）洗涤，机械搅拌120 rpm，分别采样20、40、60分钟，后进行水洗干燥和SEM-EDS检测表面洁净度。[page::2]
• 热处理去油： 将废屑在无空气环境下900°C高温焙烧，评估油污去除效果及合金表面氧化影响。[page::3]

2.3 结果与讨论

2.3.1 筛分与颗粒尺寸

• 表格1及图1展示了三种合金废屑的颗粒组成百分比。

- 钛合金Grade 5多为>6.3 mm颗粒（58.5%）；
- Inconel 625主要集中在3.15-1.6 mm粒径区（54.6%）；
- Inconel 718多集中于6.3-3.15 mm区间（54.1%）。
这显示不同合金废屑碎屑大小差异显著，可能影响油污吸附和清洗效率。[page::3]

2.3.2 水分与油含量（表2）

• 钛合金废屑含油量最高（22 wt.%），显著高于两种镍基合金（4.2-4.6 wt.%）。

- 水分含量依次为钛合金12%，Inconel 718 3.4%，Inconel 625 3.1%。

• 油含量与颗粒大小及形态相关，钛合金较大颗粒导致油污附着面积大且牢固难洗。[page::4]

2.3.3 SEM形貌分析（图3）

• SEM显示废屑表面状态不均匀，暗面（皱褶面）凹凸不平，油污多聚集于沟槽和细小孔隙区域。

- 明亮面较平滑，但机床刀刃处有较强油污残留，清洗难度更大。

• 表面存在机械加工痕迹及因油污形成的微观附着颗粒。

- 结合EDS元素分析确认表面油污主要为含碳有机物，与合金基体元素区别明显。[page::4,5]

2.3.4 元素组成（表3和表4）

• ICP-OES显示Ti合金表面Ti含量约82.8%，Al 6.9%，V 4.5%，其余微量杂质。

- Inconel系列中，Ni约54-59%，Cr 18-21%，Mo 4.5-9.6%，Fe 4-18%，同时含少量Nb、Al等。

• SEM-EDS元素分析与ICP-OES较为一致，但表面有氧元素显著存在，尤其钛合金氧含量高达12.2%，说明表面部分氧化物层形成。

- 图4示意Inconel 718表面氧元素均匀分布，表面氧化现象明显。[page::5,6]

2.3.5 有机污染物分析（GC-MS和NMR）

• GC-MS指出油污为C8–C30炭数范围的脂肪族及环脂肪族烃化合物，NIST数据库鉴定兼容度90%。

- NMR未检测到羧基、酮、醛基、芳香族和不饱和碳键信号，排除污染物中有机硅化合物和明显极性官能团。

• 说明机加工油污主要是复杂烃类混合物，非极性，传统溶剂类清洗难以100%去除。[page::6]

2.3.6 洗涤效果（表5）

• 以Spirdane D系列溶剂洗涤60分钟后，油污去除率达93.7% – 98.6%。

- 洗涤性能依次为D25 > D40 > D60，推测较低密度（轻质）溶剂更易渗透和溶解油污。

• 钛合金废屑油污的去除效率最低（最高约96.2%），与其较高油含量和粒径分布有关。

- 洗涤不会引起合金表面氧化（氧含量变化不大），保证合金表面元素组分稳定，适合工业回收。[page::6,7,8]

2.3.7 热处理效果及表面变化（图6）

• 900°C高温热处理能完全去除油污（100%除油效率），但伴随表面氧含量大幅提升（钛合金从10.1%升至47.9%，Inconel升至29%左右），表面形成氧化层。

- SEM显示热处理后表面结构明显改变，出现较大微裂纹和氧化固体沉积。

• 合金物理化学性质或力学性能可能因氧化层形成和表面缺陷受损，导致结构不可逆变化。

- 该方法适合彻底油污去除但会损害材料原始性能，不适合要求高表面完整性的应用场景。[page::8,9]

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3. 图表深度解读

表1与图1(图像位置：images/81f5d90ba4b82cdb435ac6ddf50213d1ea55260e2022ff6953b6c6e864f93c52.jpg?page=3)

• 内容说明： 显示三个合金废屑不同筛孔尺寸的质量百分比分布。

- 解读： 钛废屑以大粒径 (>6.3 mm)居多，Inconel 625以中小粒径为主，Inconel 718介于两者间。颗粒大小影响污染物附着及回收处理难度。

• 联系文本： 有助理解为何钛合金废屑油污含量最高，以及洗涤效率最差，说明颗粒物理性质需考虑在回收工艺设计中。[page::3]

图2(图像位置：images/b68ddbc14d5378403fa34edbd5dcd2ac13c4c8b63bd5d83e861fa5fe8d526c79.jpg?page=4)

• 内容说明： 柱状图量化三种合金废屑的颗粒粒径分布百分比。

- 趋势： 数据直观呈现各大小颗粒比例，有助确认表1数值。

• 联系文本： 图示部分辅助阐明油污分布与颗粒特性关系，辅助物理性质讨论。[page::4]

图3(图像位置：images/7564525579b59070c709429c61f41a42009f84b36014148c405aa1f17118f4ef.jpg?page=5)

• 内容说明： SEM图片显示三种合金废屑（暗面和亮面）表面形貌和纹理差异。

- 解读及联系： 暗面皱褶明显，油污积累于沟槽；光滑亮面油污沉积相对较少但更难洗。与浸泡清洗效果紧密相关，验证油污不均匀附着分布。[page::5]

表3 (金属元素ICP-OES结果)

• 内容说明： 三种合金中主要金属元素重量百分比含量。

- 信息解读： 各主元素含量合理反映原合金成分，辅元素微量存在。

• 联系文本： 验证废屑回收材料的化学成分未因加工受损或污染改变，合金价值保持。[page::5]

表4与图4（images/dd757b625672104c8d3c4b42c0e8673dc47f0fe9081fa7b14f93cb489d895a19.jpg?page=6）

• 内容说明： SEM-EDS表面元素定量及表面氧分布热图。

- 解读： 表面氧含量明显高于ICP-OES整体测定，说明氧层富集于表面。氧分布均匀，有利保护但可能影响后续加工。

• 联系文本： 说明清洗剂不会损伤合金基体，且合金表面天然存在一定氧 化膜。[page::6]

表5（油去除率）

• 内容说明： 不同溶剂洗涤60分钟的油污去除百分比。

- 趋势归纳： Spirdane D25表现最佳，钛合金油脂去除率略低，整体均接近或超95%。

• 联系文本： 指出清洗溶剂选择对回收效率至关重要，质量最好的溶剂可实现实际工业应用需求。[page::7]

表6与图5 (氧含量及清洗后SEM-EDS图)

• 内容说明： 表显示洗涤和热处理前后合金表面氧含量的对比，图展示洗涤后表面形貌及元素分布。

- 分析： 洗涤对氧含量影响微小，热处理氧显著提升且伴表面损伤。

• 结论： 洗涤为理想去油工艺，热处理为激进去油法但对材料伤害大。[page::8]

图6（images/0a2e3c8e58dcb32433dd2f92ddd51300e834d1b00c16d6e7449b1c6526482148.jpg?page=9）

• 内容说明： 900°C热处理后合金表面SEM照片及元素构成柱状图。

- 解读： 可见合金表面氧含量大幅增加，且形态细节显示产生裂纹和氧化物沉积。

• 联系文本： 反映高温处理虽彻底去除油污，但引起表面结构与元素显著变化，不适合某些高要求再利用方案。[page::9]

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4. 估值分析

本报告为材料科学与工艺研究，并无财务估值或股价预测。

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5. 风险因素评估

• 油污残留和清洗效率风险： 机加工油污组成复杂，仅使用轻质溶剂难以完全去除170余页（>99%）且清洗耗时长。油污残留可能影响后续冶炼性能。

- 高温热处理风险： 900°C处理会导致氧化层形成，破坏合金表面结构和机械性能，导致不可逆转变化，限制其应用。

• 工艺适应风险： 不同合金废屑因形态尺寸多样，油污含量不同，统一工艺难以兼顾所有类型废料。特别是钛合金油量高，清洗成本和难度最大。

- 环境与安全风险： 热处理尤其涉及燃爆风险，挥发性有机物需谨慎处理。且溶剂洗涤效率与环保法规相关，必须符合欧盟市场批准。[page::0,6,8]

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6. 审慎视角与细微差别

• 报告承认洗涤未能实现100%去除，但强调达99%已接近工业可行性，未进一步深究残留油对终端冶炼的影响，存在潜在工艺风险。

- 高温热处理虽效果显著，但带来表面氧化和结构缺陷，未详述如何避免该缺陷对下游利用的限制，缺乏后续工艺或修复方案。

• 粒径对油污含量和清洗效果影响突出，建议后续研究更精细地针对粒径分布设计分段处理工艺。

- 报告基于多项现代分析技术，数据充分且交叉验证，但因实验条件限制，工业放大及经济可行性评估缺乏，后续亟需补充。[page::4,5,8]

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7. 结论性综合

本研究首次系统探讨了汽车行业Inconel 625、Inconel 718和钛合金Grade 5三类废弃合金集中回收利用中的关键工艺环节：颗粒尺寸分布、油污含量、洗涤与热处理效果及对合金表面物理化学性质的影响。

主要发现包括：

• 钛合金废屑总体粒径较大，油污含量最高（22%），清洗难度最大；Inconel废屑油污含量相对较低，颗粒粒径偏中小规格。

- 机加工油污化学性质为C8-C30脂肪族及环脂肪族烃类，无极性强官能团，适合溶剂洗涤。

• 三种Spirdane溶剂清洗油污效率高（平均超95%，最高98.6%），且不损伤合金表面结构，氧含量几乎无变化，适合工业推广应用。

- 900°C热处理可100%去除油污，但大量导致表面氧化和微裂纹产生，合金结构不可逆变化，不利于再利用。

• 报告对废屑颗粒形态、油污分布、表面元素组成及有机污染描绘细致，结合SEM-EDS，ICP-OES，GC-MS，NMR等多技术手段，数据完备且相互验证，结果具有较强说服力。

整体判断与实践价值：
洗涤工艺结合机械搅拌及超声处理为高效、环保的废料预处理方案，足以实现废屑资源的有效回收再利用，有助降低制造成本及环境污染风险。热处理方法虽彻底除油，但需权衡对材料性能的负面影响。未来研究可进一步优化洗涤溶剂选择，实现更加经济与环保的废屑处理流程，及开发热处理后材料修复工艺。

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参考引用标注

所有结论均基于报告内容明确阐述及图表内容，具体页码标注如下：
[page::0,1,2,3,4,5,6,7,8,9]

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附：关键图表Markdown格式展示示例

图1：颗粒尺寸分布图


图2：颗粒粒径柱状图


图3：废屑SEM表面形貌


图4：表面氧元素分布及SEM-EDS分析


图5：清洗后表面特征及氧含量对比


图6：900°C热处理后的表面结构变化及元素分布


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以上即报告的详尽且全面的分析解读。

报告