铝合金精炼

典型铝合金熔炼工艺

?2013-11-19 11:18:57

?来源：中铝网

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随着科学技术的发展，汽车、造船、航空、航天及其他制造业对铝合金铸件的品质要求也愈来愈高，除了保证化学成分、力学性能和尺寸精度外，不允许铸件有气孔、缩孔等缺陷。而铝合金的熔炼则是铸件生产过程中的一个很重要的工序。多年来的生产经验证明，熔炼工艺过程控制不严，铸件很容易产生针孔、氧化夹渣、缩松等缺陷，直接影响铸件质量。因此，要想获得优质铝合金铸件，必须严格控制熔炼工艺。

一、熔炼前的准备

1.严格控制炉料质量。炉料质量是铸造生产的源头，直接影响到最终铸件的质量，成分不合格导致产品成批性报废。因此，要高度重视。

必须做到:

①严格控制炉料中新旧炉料的比例，回炉料所占炉料质量百分比应小于等于70%;

②保证炉料干净，炉料需经吹砂后使用;

③三等回炉料枷浇冒口匀使用前应经重熔精炼处理;

④炉料应充分预热，去除水分、油污等杂质;

⑤由于铭合金有铝硅类、铝铜类、铝镁类等合金，合金牌号较多，使用的元素也比较多，且互相影响，要求严格管理，不可混料;

⑥配料、称量要准确，比如ZL104合金，考虑到除气、排渣及变质过程中的损耗，Mg元素应在实际配料时多加炉料质量的

0.02%-0.03%，才能保证铸件的化学成分。

2.熔炼工具。熔炼使用的址涓及熔炼工具须清理干净且涂上涂料，以保证使用时与铝合金有效隔离，减少合金液受到杂质污染，并且需要充分预热，址涓要烘烤至暗红色再加入炉料熔炼，以防水蒸气带入合金中使合金的气体增加、针孔度增加。

3.其他工作。严格按已制订好的工艺规范作好覆盖剂、精炼剂及变质剂的准备工作。

二、熔炼操作

熔炼步骤如下。

①装料。在预热后的柑A中装入预制合金锭、优质回炉料，再加中fol合金，最后加合金元素。

②温度控制。严格控制铝合金熔炼的温度，只有合适的温度才能获得高质量的合金液，避免过热。若温度过高，会加大合金中各种元

素的氧化烧损，引起合金中化学成分的变化。温度过低，会使合金的化学成分不均匀，合金中的氧化夹杂物、气体等不易排出，合金的理化性能下降，影响铸造性能。

③时间控制。严格控制熔炼时间，操作要迅速，减少合金吸气和氧化夹杂，增加合金元素的烧损，影响合金化学成分。

④精炼操作。铝合金精炼的主要目的是清除熔液内的气体和非金属夹杂物、均匀合金成分。精炼是熔炼中极为重要的一个工艺过程。应正确选用精炼剂、控制好加入量份般加入合金质量的0.5%-0.7%)及把握好精炼温度，精炼温度一般控制在700-7200C。在精炼的过程中，用钟罩将精炼剂分批压入熔液面下约2/3处怀要压入柑A底韵，均匀缓慢做顺时针转动，速度要缓、动作要平稳，避免金属液大幅度搅动，以防增加氢含量和卷入夹杂。

⑤变质处理。铭合金变质的目的是细化晶粒，提高铸件性能。变质剂应先预热，控制要点是:①变质温度，一般不超过7400C ;②变质时间，一般为10min ;③变质剂的加入量，使用双色变质剂的用量一般为合金液质量的1.0%-1.2%;④操作方法要到位。合金精炼后要尽快浇注完毕，砂型铸造一般应控制在40min内，金属型铸造应控制在2h内，否则，要重新进行精炼、变质，再次精炼时加入的精炼剂为合金质量的0.2%左右。(注意事项。为防止发生铝合金飞溅，熔炼场地应保持干燥;操作人员应戴防辐射眼镜、工作帽、手套，着工作服。）

三、两个关键问题

①单铸试棒的力学性能，不能完全反映熔炼质量的好坏。单铸试棒的性能只能代表熔炼质量和热处理质量的一部分。铝液中含气量的多少、产生缩松和氧化倾向的大小、夹渣物含量的多少，不能完全根据单铸试棒的力学性能全部反映出来。

②几种元素对铝合金组织和性能的影响。在实际生产中发现，铝合金中Mg元素的含量在接近标准的下限时，可能引起铸件硬度降低，而接近标准上限时，可能引起延伸率降低;Ti元素是铝合金中最常用的细化剂，对合金熔炼有益;Fe元素是合金中主要的有害杂质，会降低合金的机械性能，它来自柑涓、熔炼工具和炉料，应严格控制;Mn 元素能有效地减弱Fe元素对铝合金的有害影响，但Mn的加入量不宜过多，否则易产生粗大脆性化合物，还可能产生偏析，影响铸件性能。

四、熔炼导致的缺陷分析及防止

1.针孔

铝合金针孔缺陷产生的原因:

①炉料及熔炼工具烘烤不充分;

②熔化温度过高或熔炼时间太长;

③变质后铝液停留的时间过长;

④合金精炼不好;⑤工作场地太潮湿。

防止办法:

①炉料及工具应彻底烘干;

②控制熔化温度，一般不超过7400C、不超过浇注温度，还要防止合金在熔化过程中的局部过热;

③操作迅速，尽量缩短熔炼时间;

④精炼操作要细心，精炼是防止气孔的最好办法;

⑤变质后合金液静置8-15min应及时浇注;⑥保持熔炼场地干燥。

2.氧化夹渣

铝合金氧化夹渣缺陷产生的原因:

①炉料不清洁，回炉料使用量过多;

②合金液中的熔渣未清除干净;③变质处理后，静置时间不够。

防止办法:炉料经吹砂后，回炉料控制在炉料质量的70%以内;除气排渣要彻底;变质后，保证足够的静置时间，以便熔渣有充分的时间下沉或上浮。

3.缩孔及缩松缺陷

铝合金缩孔和缩松缺陷产生的原因:

①合金晶粒粗大;

②招合金浇注温度过高;

③铸件浇注系统设计不合理。

防止办法:

①合金液精炼、变质操作的效果对该类缺陷影响

很大，因此要做到位;

②严格控制铝液温度，防止过热，在保证

铸件不产生浇不足的情况下，应尽可能采用低的浇注温度，浇注温度一般不超过7300C ;

③合理设计浇注系统，使金属液能够平稳充型;

④适当调整成分，控制适宜的杂质含量对增强金属液的流动性也有效果。

五、Z L 104合金熔炼过程中Mg元素的控制措施熔炼的过程中，防止合金元素的烧损显得特别重要，ZL104铝合金在熔炼过程中，Mg 的损耗比其他组元损耗要难于控制，为减少Mg元素的烧损，就要加强熔炼工艺的控制。本节重点以ZL104为例详细探讨铝合金熔炼工艺控制，特别是铝合金在高温状态及精炼、变质阶段的控制。ZL104铝合金属于Al-Si二元共晶合金中添加Mg的AI-Mg-Si铸造合金，在国防工业及民用产品中，铸造铝合金ZL104应用广泛，其成分为(质量分数)Si8.0% -10.5% " M四.17%-0.3%MnO.2%-0.5%，其余为

Al o ZL104合金铸件一般在T6状态下使用，由于Mg的加入与Si形成硬而脆的M护i强化相，它对合金的热处理效果影响最为敏感。当合金经固溶再在150-180℃时效处理后，自铭a固熔体中析出弥散的Mg2Si质点，从而引起晶格发生了崎变，阻碍位错运动，起到强化作用，因而合金的抗拉强度有较大提高，甚至达到峰值。但少量的Mg 起不到强化作用，而过量的Mg将会有大量的Mg2Si形成，影响合金的塑性。在实际中发现，当Mg含量接近材料标准下限时，一般硬度低、延伸高;而当Mg含量接近材料标准上限时，一般延伸率低，可能达不到要求。多年的生产实践说明，熔炼工序是该类材质铸件生产流程中的关键工序。这道工序是理化性能的保证，稍有疏忽就可能导致整炉零件因化学成分不合格而报废，而其中起关键作用的元素就是成分中的Mg元素。多次的实践证明，由于Mg元素比较活泼，再加上各方面的烧损因素，在生产中不易控制。因此，在熔炼过程中如何来提高ZL104合金的质量是生产ZL104合金铸件很关键的问题。影响ZL104中的Mg元素的因素比较多。Mg是活泼元素，其熔点为650℃且与氧的亲和力很强。处在液态时氧化速度大大加强。在精炼及变质的过程中，Mg元素的烧损都会增加，保温浇注的时间过长，Mg元素的损耗要增加。

1.配料

在新料及回炉料的配比上，要特别重视Mg元素的含量。在炉料的配比量上，要采取“去尾数”的方法。例如:如果回炉中Mg含量为

0.1484%，我们通常的算法是保留小数点后两位数，第三位数采用“四舍五入’，的办法，这时，0.1484%就算做0.15%。这样计算就等于在回炉料中多算了0.0016%的Mg,在配比中就要少算0.0016%的Mg质量。但是我们考虑到Mg在熔炼过程中大量的损耗，就不管第三位数字了，以实际分析出的第二位数字为准，即为0.14%来计算其Mg含量。事实说明，用这种方法计算的炉料熔炼的效果是合格的。

2.精炼工序

精炼的目的是清除合金液中的非金属夹杂物他包括气哟 I精炼的方法有多种，其中用六氯乙烷(C2CQ除气精炼比较常用。在

700-720℃时用钟罩将精炼剂C厂16分批压入熔液面下约2/3处，均匀缓慢做顺时针转动，待C2Ch充分反应，将熔液中的夹杂、气体带出。要点是搅动的速度要缓慢，如果搅动的频率过大，C2CL6在铝液中反应激烈，熔液不停地翻滚，熔液中的镁与氧大量接触，产生燃烧，这样就增加了烧损量，可能造成镁量的急剧减少。C2CI。的用量与合金成分及原铸锭质量有关，也与Mg含量有关，一般用量为炉料质量的0.5%-0.7%。在柑涓电阻炉内熔化，精炼时间在10min以内时，经过测定，这个环节Mg的损失量为炉料质量的0.02%-0.05%。

3.除渣

当使用C2CL充分精炼后，将钟罩取出，清理掉残留的氧化物，将熔液表面的夹杂物用打渣勺捞出。在温度为680-700℃时再将Mg

装入钟罩，压入熔液下部怀要压入柑涓底韵，静置3-.5min。待Mg

在熔液中完全熔化，然后缓慢做顺时针搅动，使之均匀分布在合金中，不能让翻滚的熔液冲破液面，以免让Mg漂浮在液面产生氧化燃烧，降低Mg的实际含量。整个操作过程要小心、稳重。

4.变质工序

根据合金熔炼工艺，Al-Si合金中含Si量质量比在6%-11%的合金浇注后易产生粗晶硅，在砂型铸造或金属型铸造时都应在精炼后进行变质处理。为细化晶粒，在使用钠基四元变质剂时，用量一般约为炉料质量比的2.5%，应该先在炉边预热5-10min使其挥发尽吸入的水蒸气。当合金温度达到720-740℃时，将变质剂压入合金液面，逐渐熔化使其产生变质效果，然后静置。整个操作时间为8-12min。在浇注过程中，不需要把变质剂的渣料取出，只需把变质剂推向一旁即可，舀取合金液进行浇注，确保自始至终的变质效果。这个过程中Mg元素的烧损比精炼阶段要大，Mg的损失量为炉料质量比的

0.13%-0.18%。合金液温度比较高且大量和钠盐接触，遇到活泼的钠元素助长了Mg元素的远速氧化，因此，变质过程是Mg元素损失的主要阶段。

5.浇注工艺

合金变质处理后4-10min应立即进行浇注。浇注温度一般要求为730-745℃之间。实践证明，当温度在750℃以上时，会加速铝的氧化，镁的烧损也加速，因此，要严格控制浇注温度，根据该铸件的生产特点，在开始浇注时把温度控制在740750℃之间，因为此时砂型

或金属型温度较低，避免最后浇注的零件产生浇不足等缺陷。不能随意延长静置时间，这会增加镁元素的烧损，造成化学成分不合格，一般砂型铸造要求40min内浇完，金属型铸造在2h内浇完。否则，应重新精炼、变质。柑涓底部的熔液含杂质较多，应留出址涓体积的1/151/10不要浇注零件。ZL104铝合金铸件通过在熔炼过程中的上述几项控制，能够确保冶金质量。

①采用中频感应电炉熔炼Z L303的操作要点启动中频发电机组，并将中频炉预热至500℃左右。

②待炉料全部熔化后，升温至680-70000，将镁块用钟罩压入铝液，并做缓慢搅拌，使之全部熔化。

③镁块全部熔化后，继续升温至710-.7200C，扒去覆盖剂，加入占炉料总质量0.7%左右的C2C'6(以3:2的比例与N2SiF6均匀混合，并用铝箔包切进行精炼除气。

④精炼后，再均匀撒上刚捞出的覆盖剂和少量Ca凡，保持

3- 5min，用压瓢压入铝液中。

⑤把浮渣撇开，取样进行断口检查，若断口洁净、平整、结晶致密，则合金熔炼合格。ZL303合金容易氧化，使用中频炉熔炼时，由于熔炼时间较长，在炉前温度上要严格控制。

六、ZL101合金的熔炼工艺

1、熔炼准备

①清炉和洗炉(电阻炉或中频灼）

②预热柑涡及熔炼工具到200-3000C，然后喷刷涂料。

③清理和预热炉料。

④准备熔剂。

⑤配料计算，由于熔炼中Si和Mg的烧损很大，合金成分

含量变化大，故配料时应按标准成分上限计算。

2.装料

装料的顺序为:回炉料，Al -Si中间合金或ZL102合金，

纯铝锭。

3.熔化及精炼

炉料装完之后，升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并加入熔剂。当温度达到680℃时，用钟罩将预热到200-300℃的金属镁块或Al-Mg 中间合金压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动，时间为3-5min。然后升%} ill 730-75O t，用占炉料总质量0.7%一0.75%的C2C1。分2-3次用钟罩压入合金液内精炼合金液，总时间为10-15min，缓慢在炉内烧圈。待精炼完成后静置1-2min，取试样做炉前分析。

4.变质处理

当合金液温度达到730-750℃时，用占炉料总质量1.5%-2.5%的三元变质剂做变质处理，变质时间为15-18min o

5.浇注

当变质完成后除渣并搅拌，然后静置5 -10min。当温度达到760℃时，扒渣出炉浇注。

七、Z L203合金的熔炼工艺

.熔炼准备

①清炉和洗炉(电阻柑涡炉或中频感应P)。

②预热柑涡及熔炼工具到200-30000，然后喷刷涂料。

③清理和预热炉料。

④准备熔剂和变质剂。

⑤酉己料计算。

2.装料

装料的顺序为:回炉料，纯铝锭，Al-Cu中间合金。

3.熔化及精炼

炉料装完之后，升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并加入熔剂。当温度达到690-720℃时，选用氯气、六氯乙烷、氯化锰、氯化锌等

精炼剂对合金液精炼。待精炼完成后静置1 -'2min，取试样做炉前分析和成分调整。

4.变质处理

当合金液温度达到710-730℃时，用占炉料总质量1.5%-'2.5%

的三元变质剂做变质处理，变质时间为15'-18min

5.浇注当变质完成后除渣并搅拌，然后静置5-10min。当温度达到780℃时，扒渣出炉浇注。

八、Z L401合金的熔炼工艺

1.熔炼准备

①清炉和洗炉沌阻炉或中频P)。

②预热柑A及熔炼工具到200-30000，然后喷刷涂料。

③清理和预热炉料。

④准备熔剂和变质剂。

⑤配料计算，由于熔炼中Mg的烧损很大，合金成分含量

变化大，故配料时应按标准成分上限计算。

2.装料

装料的顺序为:回炉料，Al-Si中间合金或ZL102合金，纯铝锭，锌锭浓炉料熔化后660℃时加殉。

3.熔化及精炼

炉料装完之后，升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并轻轻搅拌合金液3-5圈。当温度达到660℃时，用钟罩将预热到150-250℃的金属锌块压入，待锌块全部熔化后1 -3min，加入熔剂，并立即用钟罩将金属镁块或Al-Mg中间合金压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动，时间为3 -5min。然后升温到710-7300C ,用占炉料总质量0.3%-0.5%的C2Ch或0.1%--0.15%的MnCl:分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼，总时间为10-15min，缓慢在炉内烧圈。待精炼完成后静置1 -3min，取试样做炉前分析和调整成分。

4.变质处理

当合金液温度达到730-750℃时，用占炉料总质量1.5%-2.5%的三元变质剂做变质处理，变质时间为15-18min。

5.浇注

当变质完成后除渣并搅拌，然后静置5-10min。当温度达到750℃时，扒渣出炉浇注。