鋁合金的熔煉與澆鑄

1、鋁合金的熔煉與澆鑄651鋁合金的性能及應(yīng)用    鋁合金是比較年輕的材料，歷史不過百年，鋁合金以比重小，強度高著稱，可以說沒有鋁合金就不可能有現(xiàn)代化的航空事業(yè)和宇航事業(yè)，在飛機、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星中鋁合金所占比重高達90%，是鑄造生產(chǎn)中僅次于鑄鐵的第二大合金，其地殼含量達7.5%，在工業(yè)上有著重要地位。    鋁合金有良好的表面光澤，在大氣及淡水中具有良好的耐腐蝕性，故在民用器皿制造中，具有廣泛的用途。純鋁在硝酸及醋酸等氧化性酸類介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，因而鋁鑄件在化學(xué)工業(yè)中也有一定的用途。純鋁及鋁合金有良好的導(dǎo)熱性能，放在化工生產(chǎn)中使用

2、的熱交換裝置，以及動力機械上要求具有良好導(dǎo)熱性能的零件，如內(nèi)燃機的汽缸蓋和活塞等，也適于用鋁合金來制造。    鋁合金具有良好的鑄造性能。由于熔點較低（純鋁熔點為660，鋁合金的澆注溫度一般約在730750左右），故能廣泛采用金屬型及壓力鑄造等鑄造方法，以提高鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、尺寸精度和表面光潔程度以及生產(chǎn)效率。鋁合金由于凝固潛熱大，在重量相同條件下，鋁液的凝固過程時間延續(xù)比鑄鋼和鑄鐵長得多，其流動性良好，有利于鑄造薄壁和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。鑄造鋁合金的分類、牌號：    鋁合金按照加工方法的不同分為兩大類，即壓力加工鋁合金和鑄造鋁合金（分

3、別以YL和ZL表示）。在鑄造鋁合金中又依主要加入的合金元素的不同而分為四個系列，即鑄造鋁硅合金、鑄造鋁銅合金、鑄造鋁鎂合金和鑄造鉛鋅合金（分別以 ZL1X X，ZL2 X X，ZL3 X X和ZL4 X X表示），在每個系列中又按照化學(xué)成分及性能的不同而分為若干牌號。表1中列出了鑄造鋁合金國家標準所包括的幾種鋁合金的牌號。表1 鑄造鋁合金的牌號序號 合金牌號 合金代號 序號 合金牌號 合金代號 序號 合金牌號 合金代號 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 鋁合金的熔煉設(shè)備合金熔煉的目的是要獲得符合一定成分和溫度要求的金屬熔液。不同類型的金屬，需要采用不同的熔煉方法及設(shè)備。如鋼的熔煉是用轉(zhuǎn)爐、平爐、電弧爐、感應(yīng)電爐等；鑄鐵的熔煉多采用沖天爐；而非鐵金屬鋁合金的熔化通常采用坩堝電阻爐，爐子的大小一般為30-500kg，電熱體有金屬（鐵鉻合金）、非金屬（碳化硅）兩種，是廣泛用來熔化鋁合金的爐子，優(yōu)點是：

6、爐氣呈中性，金屬也不會強烈氧化，爐溫便于控制，操作簡單，勞動條件好。坩堝分金屬坩堝（鑄鐵、鑄鋼、鋼板）非金屬坩堝（石墨、粘土、炭質(zhì)）兩類。QR系列坩堝熔化電阻爐如圖6-9、6-10所示。1爐殼 2爐襯 3加熱元件 4爐蓋 5坩堝 6傾斜機構(gòu) 7支架圖6-10 QR系列坩堝熔化電阻爐結(jié)構(gòu)圖 圖6-9 QR系列坩堝熔化電阻爐外形圖其爐體外殼由型鋼及鋼板焊接成圓筒結(jié)構(gòu)，其內(nèi)有各種耐火材料磚砌成的加熱室。在加熱室與爐殼之間砌有保溫磚及填滿保溫粉以減少熱損失。由高電阻合金加工成螺旋狀的電熱元件布置在加熱室周圍的擱磚上，通過引出棒與外線路的電源接通。耐熱材料制成的坩堝工作室放在加熱室內(nèi)。在電爐后端裝有保護

7、罩殼，罩殼內(nèi)是加熱元件接線裝置。     通過蝸輪減速機，可將裝置在爐架上的爐體在90度范圍內(nèi)傾斜澆鑄，也可手動操作。 爐面板上裝有兩個半圓形的爐蓋，爐蓋合并蓋好后留有一熱電偶測量孔。電路配置一支熱電偶，通過補償導(dǎo)線與控制柜上的儀表相連接，可控制工作溫度。653 鋁合金坩堝電阻爐熔煉的特點及工藝過程1鋁合金熔煉的特點由于鋁合金的熔點低，熔煉時極易氧化、吸氣，合金中的低沸點元素（如鎂、鋅等）極易蒸發(fā)燒損。故鋁合金的熔煉應(yīng)在與燃料和燃氣隔離的狀態(tài)下進行。鋁合金熔煉工藝控制較為復(fù)雜。鋁合金的牌號較多，使用元素也較多，某一元素對一種合金是有益的，但對另

8、一種合金可能是有害的，同一爐不要熔化成分相差較大的合金，熔煉時配料應(yīng)精確計算：熔化鋁合金的爐料包括金屬爐料（新料、中間合金、舊爐料），溶劑（覆蓋劑、精煉劑、變質(zhì)劑）和輔助材料（指坩堝及熔煉澆注工具表面上涂的涂料）。配料計算主要是如何搭配金屬材料，以滿足合金質(zhì)量要求。一方面是保證合乎要求的化學(xué)成分，另一方面是在保證質(zhì)量的前提下多使用舊爐料，以降低成本。2熔煉的工藝過程     （1） 爐料處理 爐料使用前應(yīng)清理爐料，以去除表面的銹蝕、油脂等污物。放置時間不長，表面較干凈的鋁合金錠及金屬型回爐料可以不經(jīng)吹砂處理，但應(yīng)消除混在爐料內(nèi)的鐵質(zhì)過濾網(wǎng)及鑲嵌件等，所有

9、的爐料在入爐前均應(yīng)預(yù)熱，以去除表面附的水分，縮短熔煉時間在3小時以上。（2）坩堝及熔煉工具的準備 新坩堝使用前應(yīng)清理干凈及仔細檢查有無穿透性缺陷，使用前均應(yīng)吹砂，并預(yù)熱至暗紅色（500-600度）保溫2小時以上 ，以燒除附著在坩堝內(nèi)壁的水分及可燃物質(zhì)，待冷到300度以下時，仔細清理坩堝內(nèi)壁，在溫度不低于200度時噴涂料。坩堝要烘干、烘透才能使用。壓瓢、攪拌勺、澆包等熔煉工具使用前必須除盡殘余金屬及氧化皮等污物，經(jīng)過200300預(yù)熱并涂以防護涂料。以免與鋁合金直接接觸，污染鋁合金。涂料一般采用氧化鋅和水或水玻璃調(diào)合。涂完涂料后的模具及熔煉工具使用前再經(jīng)200300預(yù)熱烘干。  

10、; （3）熔煉溫度的控制 熔煉溫度過低，不利于合金元素的溶解及氣體、夾雜物的排出，增加形成偏析、冷隔、欠鑄的傾向，還會因冒口熱量不足，使鑄件得不到合理的補縮，有資料指出，所有鋁合金的熔煉溫度至少要達705度并應(yīng)進行攪拌。熔煉溫度過高不僅浪費能源，更嚴重的是因為溫度愈高，吸氫愈多，晶粒亦愈粗大，鋁的氧化愈嚴重，一些合金元素的燒損也愈嚴重，從而導(dǎo)致合金的機械性能的下降，鑄造性能和機械加工性能惡化，變質(zhì)處理的效果削弱，鑄件的氣密性降低。    生產(chǎn)實踐證明，把合金液快速升溫至較高的溫度，進行合理的攪拌，以促進所有合金元素的溶解（特別是難熔金屬元素），扒除浮渣后降至澆注溫

11、度，這樣，偏析程度最小，熔解的氫亦少，有利于獲得均勻致密、機械性能高的合金。因為鋁熔體的溫度是難以用肉眼來判斷的，所以不論使用何種類型的熔化爐，都應(yīng)該用測溫儀表控制溫度。測溫儀表應(yīng)定期校核和維修。熱電偶套管應(yīng)周期的用金屬刷刷干凈，涂以防護性涂料，以保證測溫結(jié)果的準確性及延長使用壽命。 （4）熔煉時間的控制 為了減少鋁熔體的氧化、吸氣和鐵的溶解，應(yīng)盡量縮短鋁熔體在爐內(nèi)的停留時間，快速熔煉。從熔化開始至澆注完畢，砂型鑄造不超過4小時，金屬型鑄造不超過6小時，壓鑄不超過8小時。 為加速熔煉過程，應(yīng)首先加入中等塊度、熔點較低的回爐料及鋁硅中間合金，以便在坩堝底部盡快形成熔池，然后再加塊度較大的回爐料及

12、純鋁錠，使它們能徐徐浸入逐漸擴大的熔池，很快熔化。在爐料主要部分熔化后，再加熔點較高、數(shù)量不多的中間合金，升溫、攪拌以加速熔化。最后降溫，壓入易氧化的合金元素，以減少損失。 （5）精煉處理鋁合金在熔煉時，極易氧化生成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難以去除的，很容易使鑄件形成夾渣。還有鋁合金在高溫時吸收氫氣，如不去除，也將會使鑄件形成氣孔。因此，上述爐料等準備工作很重要。融化后，還要進行精煉處理，首先將舊渣扒去，用復(fù)蓋劑復(fù)蓋，用量為鋁液中的0.2%0.5%，做倆次加入，在除氣前加入其重量的1/21/3。再以鐘罩壓入預(yù)熱好的精煉劑，用量為鋁液重的0.4%0.5%，

13、精煉處理溫度為730750。分兩次加入，第一次壓入量為1/2略多些，處理時間為45min。在除氣后扒去熔渣加入其重量的1/22/3的復(fù)蓋劑，靜止23min后，即可扒渣進行澆注，澆注溫度為700740。3熔體的轉(zhuǎn)送和澆注   盡管固態(tài)氧化鋁的密度近似于鋁熔體的密度，在進入鋁熔體內(nèi)部后，經(jīng)過足夠長的時間才會沉至坩堝底部。而鋁熔體被氧化后形成的氧化鋁膜，卻僅與鋁熔體接觸的一面是致密的，與空氣接觸的一面疏松且有大量的小孔，其表面積大，吸附性強，極易吸附水汽，反有上浮的傾向。因此，在這種氧化膜與鋁熔體的比重差小，將其混入熔體中，浮沉速度很慢，難以從熔體中排除，在鑄件中形成氣孔、夾雜。

14、所以，轉(zhuǎn)送鋁熔體中關(guān)鍵是盡量減少熔融金屬的攪拌，盡量減少熔體與空氣的接觸。  采用傾轉(zhuǎn)式坩堝澆注熔體時，為避免熔體與空氣的混合，應(yīng)將澆包盡量靠近爐咀，并傾斜放置，使熔體沿著澆包的側(cè)壁下流，不致直接沖擊包底，發(fā)生攪動、飛濺等。    采用正確合理的澆注方法，是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要條件之一。生產(chǎn)實踐證明，注意下列事項，對防止、減少鑄件缺陷是很有效的。 （1）澆注前應(yīng)仔細檢查熔體出爐溫度、澆包容量及其表面涂料層的干燥程度，其他工具的準備是否合乎要求。（2）不能在有“過堂風(fēng)”的場合下澆注，以及熔體強烈氧化，燃燒，使鑄件產(chǎn)生氧化夾雜等缺陷。 （3）由坩堝內(nèi)獲取熔體時

15、，應(yīng)先用包底輕輕撥開熔體表面的氧化皮或熔劑層，緩慢地將澆包浸入熔體內(nèi)，用澆包的寬口舀取熔體，然后平穩(wěn)的提起澆包。（4）端包時步子要穩(wěn)，澆包不宜提得過高，澆包內(nèi)金屬液面必須保持平穩(wěn)，不受攏動。（5）即將澆注時，應(yīng)扒凈澆包的渣子，以免在澆注中將熔渣、氧化皮等帶入鑄型中。（6）在澆注中，熔體流要保持平穩(wěn)，不能中斷，不能直沖口杯的底孔。澆口杯自始至終應(yīng)充滿，液面不得翻動，澆注速度要控制得當。通常，澆注開始時速度稍慢些，使熔體充填平穩(wěn)，然后速度稍快，并基本保持澆注速度不變。 （7）在澆注過程中，澆包咀與澆口的距離要盡可能靠近，以不超過50毫米為限，以免熔液過多地氧化。 （8）距坩堝底部60毫米以下的熔體

16、不宜澆注鑄件。4澆注安全清理澆注場地并使其通暢，不準有積水。參加澆注的人員必須按要求穿戴好防護用品。澆包不能裝得太滿，以免抬運時溢出飛濺傷人。不準用冷鐵棒插入高溫液體中去扒渣、擋渣。抬運金屬液時，步伐要穩(wěn)，步調(diào)一致，聽從指揮。剩余液體要倒在指定位置。整個熔鑄過程概括如下：首先檢查電器設(shè)備是否正常送電原材料準備預(yù)熱坩堝至發(fā)紅加入小塊爐料、熔點較低的回爐料盡快形成熔池加塊度較大的回爐料及鋁錠升溫之750760待鋁合金全部熔化加覆蓋劑熔畢后充分攪拌扒渣精煉除氣扒渣再加覆蓋劑靜置扒渣出爐澆鑄。66常見鑄件缺陷分析 1氧化夾渣 缺陷特征：氧化夾渣多分布在鑄件的上表面，在鑄型不通氣的轉(zhuǎn)角部位。斷口多呈灰白

17、色或黃色，經(jīng)x光透視或在機械加工時發(fā)現(xiàn)，也可在堿洗、酸洗或陽極化時發(fā)現(xiàn) （如圖6-11）。產(chǎn)生原因： 圖6-11 含氧化夾雜缺陷的鑄件實物產(chǎn)生原因：（1）爐料不清潔，回爐料使用量過多 （2）澆注系統(tǒng)設(shè)計不良 （3）合金液中的熔渣未清除干凈 （4）澆注操作不當，帶入夾渣 （5）精煉變質(zhì)處理后靜置時間不夠 防止方法： （1）爐料應(yīng)經(jīng)過吹砂，回爐料的使用量適當降低 （2）改進澆注系統(tǒng)設(shè)計，提高其擋渣能力 （3）采用適當?shù)娜蹌┤ピ?（4）澆注時應(yīng)當平穩(wěn)并應(yīng)注意擋渣 （5）精煉后澆注前合金液應(yīng)靜置一定時間 2. 氣孔 氣泡 缺陷特征：鑄件壁內(nèi)氣孔一般呈圓形或橢圓形，具有光滑的表面，一般是發(fā)亮的氧化皮，有

18、時呈油黃色。表面氣孔、氣泡可通過噴砂發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部氣孔、氣泡可通過X光透視或機械加工發(fā)現(xiàn)（如圖6-12）。氣孔 氣泡在X光底片上呈黑色。（d）皮下氣孔 圖6-12 有氣孔缺陷的鑄件實物產(chǎn)生原因： （1）澆注合金不平穩(wěn)，卷入氣體 （2）型(芯)砂中混入有機雜質(zhì)(如煤屑、草根 馬糞等) （3）鑄型和砂芯通氣不良 （4）冷鐵表面有縮孔 （5）澆注系統(tǒng)設(shè)計不良（6）熔煉溫度過高，氫在鋁液中溶解度高，因此在凝固過程中，氫析出形成氣孔。 氫的來源： 大氣中水蒸氣，金屬液從潮濕空氣中吸氫。 原材料本身含氫量，合金錠表面潮濕，回爐料臟，油污。 工具、熔劑潮濕。防止方法 ： （1）正確掌握澆注速度，避免卷入氣體。

19、（2）型(芯)砂中不得混入有機雜質(zhì)以減少造型材料的發(fā)氣量 （3）改善(芯)砂的排氣能力 （4）正確選用及處理冷鐵 （5）改進澆注系統(tǒng)設(shè)計 （6）選用干燥、干凈的合金料。 （7）控制熔煉溫度，避免過熱，進行除氣處理。1 縮松 缺陷特征：鋁鑄件縮松一般產(chǎn)生在內(nèi)澆道附近冒口根部厚大部位、壁的厚薄轉(zhuǎn)接處和具有大平面的薄壁處。在鑄態(tài)時斷口為灰色，淺黃色經(jīng)熱處理后為灰白淺黃或灰黑色在x光底片上呈云霧狀嚴重的呈絲狀縮松可通過X光、熒光低倍 斷口等檢查方法發(fā)現(xiàn)。（如圖6-13）圖6-13 有縮孔和縮松缺陷的鑄件實物產(chǎn)生原因： （1）冒口補縮作用差 （2）爐料含氣量太多 （3）內(nèi)澆道附近過熱 （4）砂型水分過多

20、，砂芯未烘干 （5）合金晶粒粗大 （6）鑄件在鑄型中的位置不當 （7）澆注溫度過高，澆注速度太快 防止方法： （1）從冒口補澆金屬液，改進冒口設(shè)計 （2）爐料應(yīng)清潔無腐蝕 （3）鑄件縮松處設(shè)置冒口，安放冷鐵或冷鐵與冒口聯(lián)用 （4）控制型砂水分，和砂芯干燥 （5）采取細化品粒的措施 （6）改進鑄件在鑄型中的位置降低澆注溫度和澆注速度 4.裂紋 缺陷特征(圖6-14) : （1）鑄造裂紋。沿晶界發(fā)展，常伴有偏析，是一種在較高溫度下形成的裂紋在體積收縮較大的合金和形狀較復(fù)雜的鑄件容易出現(xiàn) （2）熱處理裂紋：由于熱處理過燒或過熱引起，常呈穿晶裂紋。常在產(chǎn)生應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)較大的合金冷卻過劇。或存在其他冶金缺陷時產(chǎn)生。 a)冷裂 b)熱裂圖6-14 裂紋缺陷產(chǎn)生原因： （1）鑄