铝合金的熔炼与浇铸

1、铝合金的熔炼与浇铸651铝合金的性能及应用    铝合金是比较年轻的材料，历史不过百年，铝合金以比重小，强度高著称，可以说没有铝合金就不可能有现代化的航空事业和宇航事业，在飞机、导弹、人造卫星中铝合金所占比重高达90%，是铸造生产中仅次于铸铁的第二大合金，其地壳含量达7.5%，在工业上有着重要地位。    铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中具有良好的耐腐蚀性，故在民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质中具有良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用

2、的热交换装置，以及动力机械上要求具有良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适于用铝合金来制造。    铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660，铝合金的浇注温度一般约在730750左右），故能广泛采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的内在质量、尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时间延续比铸钢和铸铁长得多，其流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。铸造铝合金的分类、牌号：    铝合金按照加工方法的不同分为两大类，即压力加工铝合金和铸造铝合金（分

3、别以YL和ZL表示）。在铸造铝合金中又依主要加入的合金元素的不同而分为四个系列，即铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金和铸造铅锌合金（分别以 ZL1X X，ZL2 X X，ZL3 X X和ZL4 X X表示），在每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。表1中列出了铸造铝合金国家标准所包括的几种铝合金的牌号。表1 铸造铝合金的牌号序号 合金牌号 合金代号 序号 合金牌号 合金代号 序号 合金牌号 合金代号 1 ZALSi7Mg ZL101 10 ZALSi12 Cu1Mg1Ni1 ZL109 19 ZALCu5MnCdA ZL204A 2 ZALSi7MgA ZL101A 11

4、ZALSi9Cu2Mg ZL111 20 ZALCu5MnCdVA ZL205A 3 ZALSi12 ZL102 12 ZALSi7Mg1A ZL114A 21 ZALR5Cu3Si2 ZL207 4 ZALSi9Mg ZL104 13 ZALSi5Zn1Mg ZL115 22 ZALMg10 ZL301 5 ZALSi5Cu1Mg ZL105 14 ZALSi8MgBe ZL116 23 ZALMg5Si1 ZL303 6 ZALSi5Cu1MgA ZL105A 15 ZALCu5Mn ZL201 24 ZALMg8Zn1 ZL305 7 ZALSi8Cu1Mg ZL106 16 ZALCu

5、5MnA ZL201A 25 ZALZn11Si7 ZL401 8 ZALSi7Cu4 ZL107 17 ZALCu10 ZL202 26 ZALZn6Mg ZL402 9 ZALSi12Cu2Mg ZL108 18 ZALCu4 ZL203 652 铝合金的熔炼设备合金熔炼的目的是要获得符合一定成分和温度要求的金属熔液。不同类型的金属，需要采用不同的熔炼方法及设备。如钢的熔炼是用转炉、平炉、电弧炉、感应电炉等；铸铁的熔炼多采用冲天炉；而非铁金属铝合金的熔化通常采用坩埚电阻炉，炉子的大小一般为30-500kg，电热体有金属（铁铬合金）、非金属（碳化硅）两种，是广泛用来熔化铝合金的炉子，优点是：

6、炉气呈中性，金属也不会强烈氧化，炉温便于控制，操作简单，劳动条件好。坩埚分金属坩埚（铸铁、铸钢、钢板）非金属坩埚（石墨、粘土、炭质）两类。QR系列坩埚熔化电阻炉如图6-9、6-10所示。1炉壳 2炉衬 3加热元件 4炉盖 5坩埚 6倾斜机构 7支架图6-10 QR系列坩埚熔化电阻炉结构图 图6-9 QR系列坩埚熔化电阻炉外形图其炉体外壳由型钢及钢板焊接成圆筒结构，其内有各种耐火材料砖砌成的加热室。在加热室与炉壳之间砌有保温砖及填满保温粉以减少热损失。由高电阻合金加工成螺旋状的电热元件布置在加热室周围的搁砖上，通过引出棒与外线路的电源接通。耐热材料制成的坩埚工作室放在加热室内。在电炉后端装有保护

7、罩壳，罩壳内是加热元件接线装置。     通过蜗轮减速机，可将装置在炉架上的炉体在90度范围内倾斜浇铸，也可手动操作。 炉面板上装有两个半圆形的炉盖，炉盖合并盖好后留有一热电偶测量孔。电路配置一支热电偶，通过补偿导线与控制柜上的仪表相连接，可控制工作温度。653 铝合金坩埚电阻炉熔炼的特点及工艺过程1铝合金熔炼的特点由于铝合金的熔点低，熔炼时极易氧化、吸气，合金中的低沸点元素（如镁、锌等）极易蒸发烧损。故铝合金的熔炼应在与燃料和燃气隔离的状态下进行。铝合金熔炼工艺控制较为复杂。铝合金的牌号较多，使用元素也较多，某一元素对一种合金是有益的，但对另

8、一种合金可能是有害的，同一炉不要熔化成分相差较大的合金，熔炼时配料应精确计算：熔化铝合金的炉料包括金属炉料（新料、中间合金、旧炉料），溶剂（覆盖剂、精炼剂、变质剂）和辅助材料（指坩埚及熔炼浇注工具表面上涂的涂料）。配料计算主要是如何搭配金属材料，以满足合金质量要求。一方面是保证合乎要求的化学成分，另一方面是在保证质量的前提下多使用旧炉料，以降低成本。2熔炼的工艺过程     （1） 炉料处理 炉料使用前应清理炉料，以去除表面的锈蚀、油脂等污物。放置时间不长，表面较干净的铝合金锭及金属型回炉料可以不经吹砂处理，但应消除混在炉料内的铁质过滤网及镶嵌件等，所有

9、的炉料在入炉前均应预热，以去除表面附的水分，缩短熔炼时间在3小时以上。（2）坩埚及熔炼工具的准备 新坩埚使用前应清理干净及仔细检查有无穿透性缺陷，使用前均应吹砂，并预热至暗红色（500-600度）保温2小时以上 ，以烧除附着在坩埚内壁的水分及可燃物质，待冷到300度以下时，仔细清理坩埚内壁，在温度不低于200度时喷涂料。坩埚要烘干、烘透才能使用。压瓢、搅拌勺、浇包等熔炼工具使用前必须除尽残余金属及氧化皮等污物，经过200300预热并涂以防护涂料。以免与铝合金直接接触，污染铝合金。涂料一般采用氧化锌和水或水玻璃调合。涂完涂料后的模具及熔炼工具使用前再经200300预热烘干。  

10、; （3）熔炼温度的控制 熔炼温度过低，不利于合金元素的溶解及气体、夹杂物的排出，增加形成偏析、冷隔、欠铸的倾向，还会因冒口热量不足，使铸件得不到合理的补缩，有资料指出，所有铝合金的熔炼温度至少要达705度并应进行搅拌。熔炼温度过高不仅浪费能源，更严重的是因为温度愈高，吸氢愈多，晶粒亦愈粗大，铝的氧化愈严重，一些合金元素的烧损也愈严重，从而导致合金的机械性能的下降，铸造性能和机械加工性能恶化，变质处理的效果削弱，铸件的气密性降低。    生产实践证明，把合金液快速升温至较高的温度，进行合理的搅拌，以促进所有合金元素的溶解（特别是难熔金属元素），扒除浮渣后降至浇注温

11、度，这样，偏析程度最小，熔解的氢亦少，有利于获得均匀致密、机械性能高的合金。因为铝熔体的温度是难以用肉眼来判断的，所以不论使用何种类型的熔化炉，都应该用测温仪表控制温度。测温仪表应定期校核和维修。热电偶套管应周期的用金属刷刷干净，涂以防护性涂料，以保证测温结果的准确性及延长使用寿命。 （4）熔炼时间的控制 为了减少铝熔体的氧化、吸气和铁的溶解，应尽量缩短铝熔体在炉内的停留时间，快速熔炼。从熔化开始至浇注完毕，砂型铸造不超过4小时，金属型铸造不超过6小时，压铸不超过8小时。 为加速熔炼过程，应首先加入中等块度、熔点较低的回炉料及铝硅中间合金，以便在坩埚底部尽快形成熔池，然后再加块度较大的回炉料及

12、纯铝锭，使它们能徐徐浸入逐渐扩大的熔池，很快熔化。在炉料主要部分熔化后，再加熔点较高、数量不多的中间合金，升温、搅拌以加速熔化。最后降温，压入易氧化的合金元素，以减少损失。 （5）精炼处理铝合金在熔炼时，极易氧化生成AL2O3，其氧化物比重和合金液比重相近，如靠它自己上浮或下沉是难以去除的，很容易使铸件形成夹渣。还有铝合金在高温时吸收氢气，如不去除，也将会使铸件形成气孔。因此，上述炉料等准备工作很重要。融化后，还要进行精炼处理，首先将旧渣扒去，用复盖剂复盖，用量为铝液中的0.2%0.5%，做俩次加入，在除气前加入其重量的1/21/3。再以钟罩压入预热好的精炼剂，用量为铝液重的0.4%0.5%，

13、精炼处理温度为730750。分两次加入，第一次压入量为1/2略多些，处理时间为45min。在除气后扒去熔渣加入其重量的1/22/3的复盖剂，静止23min后，即可扒渣进行浇注，浇注温度为700740。3熔体的转送和浇注   尽管固态氧化铝的密度近似于铝熔体的密度，在进入铝熔体内部后，经过足够长的时间才会沉至坩埚底部。而铝熔体被氧化后形成的氧化铝膜，却仅与铝熔体接触的一面是致密的，与空气接触的一面疏松且有大量的小孔，其表面积大，吸附性强，极易吸附水汽，反有上浮的倾向。因此，在这种氧化膜与铝熔体的比重差小，将其混入熔体中，浮沉速度很慢，难以从熔体中排除，在铸件中形成气孔、夹杂。

14、所以，转送铝熔体中关键是尽量减少熔融金属的搅拌，尽量减少熔体与空气的接触。  采用倾转式坩埚浇注熔体时，为避免熔体与空气的混合，应将浇包尽量靠近炉咀，并倾斜放置，使熔体沿着浇包的侧壁下流，不致直接冲击包底，发生搅动、飞溅等。    采用正确合理的浇注方法，是获得优质铸件的重要条件之一。生产实践证明，注意下列事项，对防止、减少铸件缺陷是很有效的。 （1）浇注前应仔细检查熔体出炉温度、浇包容量及其表面涂料层的干燥程度，其他工具的准备是否合乎要求。（2）不能在有“过堂风”的场合下浇注，以及熔体强烈氧化，燃烧，使铸件产生氧化夹杂等缺陷。 （3）由坩埚内获取熔体时

15、，应先用包底轻轻拨开熔体表面的氧化皮或熔剂层，缓慢地将浇包浸入熔体内，用浇包的宽口舀取熔体，然后平稳的提起浇包。（4）端包时步子要稳，浇包不宜提得过高，浇包内金属液面必须保持平稳，不受拢动。（5）即将浇注时，应扒净浇包的渣子，以免在浇注中将熔渣、氧化皮等带入铸型中。（6）在浇注中，熔体流要保持平稳，不能中断，不能直冲口杯的底孔。浇口杯自始至终应充满，液面不得翻动，浇注速度要控制得当。通常，浇注开始时速度稍慢些，使熔体充填平稳，然后速度稍快，并基本保持浇注速度不变。 （7）在浇注过程中，浇包咀与浇口的距离要尽可能靠近，以不超过50毫米为限，以免熔液过多地氧化。 （8）距坩埚底部60毫米以下的熔体

16、不宜浇注铸件。4浇注安全清理浇注场地并使其通畅，不准有积水。参加浇注的人员必须按要求穿戴好防护用品。浇包不能装得太满，以免抬运时溢出飞溅伤人。不准用冷铁棒插入高温液体中去扒渣、挡渣。抬运金属液时，步伐要稳，步调一致，听从指挥。剩余液体要倒在指定位置。整个熔铸过程概括如下：首先检查电器设备是否正常送电原材料准备预热坩埚至发红加入小块炉料、熔点较低的回炉料尽快形成熔池加块度较大的回炉料及铝锭升温之750760待铝合金全部熔化加覆盖剂熔毕后充分搅拌扒渣精炼除气扒渣再加覆盖剂静置扒渣出炉浇铸。66常见铸件缺陷分析 1氧化夹渣 缺陷特征：氧化夹渣多分布在铸件的上表面，在铸型不通气的转角部位。断口多呈灰白

17、色或黄色，经x光透视或在机械加工时发现，也可在碱洗、酸洗或阳极化时发现 （如图6-11）。产生原因： 图6-11 含氧化夹杂缺陷的铸件实物产生原因：（1）炉料不清洁，回炉料使用量过多 （2）浇注系统设计不良 （3）合金液中的熔渣未清除干净 （4）浇注操作不当，带入夹渣 （5）精炼变质处理后静置时间不够 防止方法： （1）炉料应经过吹砂，回炉料的使用量适当降低 （2）改进浇注系统设计，提高其挡渣能力 （3）采用适当的熔剂去渣 （4）浇注时应当平稳并应注意挡渣 （5）精炼后浇注前合金液应静置一定时间 2. 气孔 气泡 缺陷特征：铸件壁内气孔一般呈圆形或椭圆形，具有光滑的表面，一般是发亮的氧化皮，有

18、时呈油黄色。表面气孔、气泡可通过喷砂发现，内部气孔、气泡可通过X光透视或机械加工发现（如图6-12）。气孔 气泡在X光底片上呈黑色。（d）皮下气孔 图6-12 有气孔缺陷的铸件实物产生原因： （1）浇注合金不平稳，卷入气体 （2）型(芯)砂中混入有机杂质(如煤屑、草根 马粪等) （3）铸型和砂芯通气不良 （4）冷铁表面有缩孔 （5）浇注系统设计不良（6）熔炼温度过高，氢在铝液中溶解度高，因此在凝固过程中，氢析出形成气孔。 氢的来源： 大气中水蒸气，金属液从潮湿空气中吸氢。 原材料本身含氢量，合金锭表面潮湿，回炉料脏，油污。 工具、熔剂潮湿。防止方法 ： （1）正确掌握浇注速度，避免卷入气体。

19、（2）型(芯)砂中不得混入有机杂质以减少造型材料的发气量 （3）改善(芯)砂的排气能力 （4）正确选用及处理冷铁 （5）改进浇注系统设计 （6）选用干燥、干净的合金料。 （7）控制熔炼温度，避免过热，进行除气处理。1 缩松 缺陷特征：铝铸件缩松一般产生在内浇道附近冒口根部厚大部位、壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处。在铸态时断口为灰色，浅黄色经热处理后为灰白浅黄或灰黑色在x光底片上呈云雾状严重的呈丝状缩松可通过X光、荧光低倍 断口等检查方法发现。（如图6-13）图6-13 有缩孔和缩松缺陷的铸件实物产生原因： （1）冒口补缩作用差 （2）炉料含气量太多 （3）内浇道附近过热 （4）砂型水分过多

20、，砂芯未烘干 （5）合金晶粒粗大 （6）铸件在铸型中的位置不当 （7）浇注温度过高，浇注速度太快 防止方法： （1）从冒口补浇金属液，改进冒口设计 （2）炉料应清洁无腐蚀 （3）铸件缩松处设置冒口，安放冷铁或冷铁与冒口联用 （4）控制型砂水分，和砂芯干燥 （5）采取细化品粒的措施 （6）改进铸件在铸型中的位置降低浇注温度和浇注速度 4.裂纹 缺陷特征(图6-14) : （1）铸造裂纹。沿晶界发展，常伴有偏析，是一种在较高温度下形成的裂纹在体积收缩较大的合金和形状较复杂的铸件容易出现 （2）热处理裂纹：由于热处理过烧或过热引起，常呈穿晶裂纹。常在产生应力和热膨胀系数较大的合金冷却过剧。或存在其他冶金缺陷时产生。 a)冷裂 b)热裂图6-14 裂纹缺陷产生原因： （1）铸