铸造铝合金的熔炼（一）

铸造铝合金的熔炼(一)

铝合金熔炼的内容包括配料计算，炉料处理，熔炼设备选用，熔炼工具处理及熔炼工艺过程控制。

熔炼工艺过程控制的内容包括正确的加料次序。严格控制熔炼温度和时间、实现快速熔炼、效果显著的铝液净化处理和变质处理及掌握可靠的铝液炉前质量检测手段等。 熔炼工艺过程控制的目的是获得高质量的能满足下列要求的铝液： 1） 化学成分符合国家标准，合金液成分均匀；

2） 合金液纯净，气体、氧化夹杂、熔剂夹杂含量低。 3） 需要变质处理的合金液，变质良好。

据统计因熔炼工艺过程控制不严而产生的废品中，如渗漏、气孔、夹渣等，主要原因是合金液中的气体、氧化夹渣、熔剂夹渣未清除所引起。因此在确保化学成分合格的前提下，熔炼工艺过程控制的主要任务是提高合金液的纯净度和变质效果。

1.铝合金的炉料

1.1 炉料组成

炉料由新金属、中间合金、回炉料及重熔回炉料组成。

1.1.1 新金属

国标中可查到新金属的牌号、等级、纯度及用途，是炉料的主要组成，纯度高，可用来稀释回炉料中带入的杂质含量。

1.1.2 中间合金

为便于加入某些难熔合金元素，如铜、锰、硅等，或成分严格控制的元素如锑、锶、稀土等，需预先与纯铝制成中间合金。对中间合金的要求是：熔点和铝掖温度接近，合金元素比例尽可能高，化学成分均匀，冶金质量好，易于破碎，配料称重等。熔制中间合金的方法有直接熔化法和铝热法。

1.1.3 回炉料 回炉料可分成三类。第一类包括成分合格的报废铸件、浇冒口等，可直接使用；第二类包括小毛边、浇口杯中剩余的金属、冲压车间的边角料等，需重熔成再生合金锭，方能使用；第三类包括熔渣、切屑、炉底残渣及化学成分不合格又无法调整的废金属，如铁含量较高，需经专业化的冶金厂重熔成再生合金锭。

回炉料具有遗传性。遗传的内容包括有“纯度遗传”和“组织遗传”两种。纯度高、晶粒细的炉料遗传质量高，熔制的合金质量也会高，有时比等级较低的新金属熔制的合金质量更好。

1.2 配料计算

配料计算的任务是按照指定的合金牌号，计算出每一炉次的炉料组成及各种熔剂的用量。计算的依据是：新金属料、回炉料、中间合金的化学成分和杂质含量，各元素的烧损率，每一炉次的投料量等。一般有两种计算方法：（1）按投料量计算；（2）按铝锭重量即新金属重量计算。

2.炉料处理

炉料的合理保存及管理对于保证合金的质量有很重要的意义。在熔炼中一般均设有专门的炉料仓库，由专人负责管理。各种不同的炉料按种类、成分、品级分别存放，每批炉料均必须附有成分化验单，只有这样才能保证配料时化学成分的准确性。对于浇冒口废铸件等回炉料，如系直接回炉使用，则应按炉次分别堆放，浇冒口中的铁质过滤网在回炉前应予除掉。各种炉料安放处应保证干燥，如炉料受潮而腐蚀，则在装炉前应进行吹砂以除去表面腐蚀层。

3.炉料的加入次序

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安排炉料的加入次序所应遵循的基本原则是加速熔化过程，并尽可能地减少损耗（特别是容易氧化、易挥发的合金元素的烧损）。例如，在熔制铝合金时应先加入中等尺寸的回炉料及铝硅中间合金，因为它们熔点较低，并且是中等块料，故能在坩埚底部形成熔池，有利于加速熔化过程并减少氧化。如先加入大块难熔的炉料，势必大大延长熔化过程，延缓熔池的形成，将增加氧化和吸气。在中等块炉料上加上较大块的回炉料及纯铝锭，由于它们渐渐侵入在不断增大的熔池中故能很快地一同熔化。当炉料中主要组成部分均已完全熔化后，再加入数量较少、熔点较高的中间合金（如铝锰、铝钛等中间合金），并适当升高熔池温度，进行搅拌以加速其熔化。最后再加入易氧化、挥发的合金元素（如镁），加入时应迅速压入熔池，以减少损耗。

加入合金元素时除了应选择合适的加入方式外，还应注意采取合适的加入规范。对于易氧化（例如稀土元素、镁、钙等）和易挥发（如锌）的元素，加入温度应尽量低些，并且最好在熔化末期加入。对于其中较轻的元素（例如镁）应使用钟罩压入熔池深处以减少损耗。对于在基本金属液中难熔且易密度偏析的元素（例如铝液中之锰、锆等），加入温度应高些，并注意搅拌合金液，使其均匀分布。综上所述，在考虑加入合金元素的方式和规范时，所应遵循的原则是：保证合金液高质量的同时，应注意降低成本，减少加入元素的损耗和操作时的安全卫生。

4.熔炼设备的选用

4.1 坩埚炉

坩埚炉在工厂应用很普遍，其优点是较为机动，适宜经常更换合金牌号及间歇生产的情况，且其熔炼质量较高。在工厂生产可用于两种用途：一种是用作熔化炉，其加热方式在工厂中采用电热，也有使用煤气或重油加热。另外一种是用作保温炉，铝液由熔化炉转向保温炉后，即在炉中进行精炼变质工序，然后由浇勺由此炉中舀取铝液浇注零件。

熔铝的坩埚一般是用铸铁铸成。采用坩埚炉时，为保证得到合金的良好质量，对炉子提出两点要求：①隔绝合金同燃料燃烧产物之间的接触；②防止合金同坩埚材料互相作用。

4.2 无铁芯工频感应电炉 无铁芯工频感应电炉是先进的熔炼设备，其优点是熔化速度快，生产效率高；金属液化学成分均匀；炉子结构简单，维修方便，设备使用寿命长（与高频、中频炉相比0；因没有熔沟，可以防止熔沟被熔渣堵塞，筑炉、维修、使用均比较方便。

5.熔炼工具处理

使用前应仔细地除去粘附在表面的铁锈、氧化渣、旧涂料层等脏物，然后涂上新涂料，预热烘干后方能使用。熔化浇注工具或转运铝液的坩埚在使用前应充分预热。

6.铝合金液的精炼原理

精炼的目的在于清除铝液表面中的气体和各类有害杂质，净化铝液，防止在铸件中形成气孔和夹渣。

6.1 铝铸件中气孔的形态及对铸件性能的影响 6.1.1 针孔

分布在整个铸件截面上，因铝液中的气体，夹杂含量高、精炼效果差、铸件凝固速度低所引起。针孔可分为三种类型：

6.1.1.1 点状针孔 此类针孔在低倍显微组织中呈圆点状，轮廓清晰且互不相连，能清点出每平方厘米面积上的针孔数目并测得针孔直径。这类针孔容易和缩孔、缩松区别。点状针孔由铸件凝固所析出的气泡所形成。

6.1.1.2 网状针孔 此类针孔在低倍显微组织中呈密集相联成网状，伴有少数较大的空洞，不易清点针孔数目，难以测量针孔直径，往往带有末梢，俗称“苍蝇脚”。结晶温度宽的合金，铸件缓慢凝固时析出的气体分布在晶界上及发达的枝晶间隙中，此时结晶骨架已形

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成，补缩通道被堵塞，便在晶界上和枝晶间隙中形成网状针孔。

6.1.1.3 混合型针孔 此类针孔是点状针孔和网状针孔混杂一起，常见于结构复杂、壁厚不均匀的铸件中。

针孔可按国家标准分等级，等级越差，则铸件的力学性能越差，其抗腐蚀性能和表面质量越差。当达不到铸件技术所允许的针孔等级时，铸件将报废。其中网状针孔割裂合金基体，危害性比点状针孔大。

6.1.2 皮下气孔

气孔位于铸件表皮下面，因铝液和铸型中水分反应产生气体所造成，一般和铝液质量无关。

6.1.3 单个大气孔

这种气孔产生的原因是由于铸件工艺设计不合理，如铸型排气不畅，或者是由于操作不小心，如浇注时堵死气眼，型腔中的气体被瞥在铸件中所引起，也和铝液纯净度有关。

6.2 铸件中氧化夹杂的形态及对铸件性能的影响 浇注前铝液中存在的氧化夹杂称为一次氧化夹杂，总量约占铝液重量的0.002%~0.02%,在铸件中分布没有规律。浇注过程中生成的氧化夹杂称为二次氧化夹杂，多分布在铸件壁的转角处及最后凝固的部位。

一次氧化夹杂按形态可分为二类。第一类是分布不均匀的大块夹杂物，它的危害性很大，使合金基体不连续，引起铸件渗漏或成为腐蚀的根源，明显降低铸件的力学性能。第二类夹杂呈弥散状，在低倍显微组织中不易发现，铸件凝固时成为气泡的形核基底，生成针孔。这一类氧化夹杂很难在精炼时彻底清除。

6.3 铝液中气体和氧化夹杂的来源

铝合金通常在大气中熔炼，当铝液和炉气中的N2、O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHn等接触时，会产生化合，化分，溶解、扩散等过程。在所有的炉气成分中，只有氢能大量地溶解于铝液中。根据测定，存在于铝合金中的气体，氢占85%以上，因而“含气量”可视为“含氢量”的同义词。而铝铸件中的氧化夹杂物主要是Al2O3，因为Al2O3化学稳定性极高，熔点高达2015℃±15℃，在铝液中不在分解。

6.4 氧化铝的形态、性能及对吸氢的影响

根据结构分析，铝及其合金中存在着三种不同形态的无水氧化铝，其对吸氢的影响跟三种无水氧化铝的形态及性能有关。有人对不同Al2O3夹杂量的铝液凝固后形成的针孔进行了回归分析，证实Al2O3夹杂量与针孔率之间存在着正的线性相关，即夹杂量增加、针孔率也随之增加。且Al2O3量低于0.001％后，铝液中不再生成气泡，形成针孔。因此，为消除铝铸件中的针孔，应遵循“除杂为主，除气为辅”“除杂是除气的基础”的原则。

6.5合金元素对铝液吸氢的影响

一般来讲包括对溶解度、对氧化膜性能的影响；其中镁含量越高，氢的溶解度越高；反之硅、铜含量越高，氢的溶解度越低。

6.6熔炼时间对吸氢的影响

在大气中熔炼铝合金，铝液不断被氧化，熔炼时间越长，生成的氧化夹杂越多，吸气也越严重。因此，在生产中，应遵循“快速熔炼”原则，尽量铝液在炉内长期停留。

6.7铝液中析出氢的条件 铝液中析出氢的条件包括热力学条件和动力学过程；动力学过程中包括氢气泡的形成和铝液中形成的气泡上浮至熔池表面。在生产中可采取下列工艺措施：①冷凝除气，依靠熔池表面层、坩埚壁的空冷，使铝液产生自然对流；②真空处理，藉氢气泡上浮带动铝液产生对流；③或电磁搅拌，在熔池内形成强制对流。另外采用溶剂破坏表面氧化膜，可消除气泡溢出的保护，提高铝液脱氢速度。

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6.8铝液的除氢速度

提高除气速度的有效途径如下：①尽可能增加气泡数目，增加铝液与气泡间的有效接触表面积A/V;②尽可能减小气泡直径，即增大搅动度；③尽可能延长气泡在铝液中上升浮游的路程，以增加气泡在铝液中的停留时间，亦即增加气泡带走氢气的时间。④采用高纯度惰性气体或不溶于铝液的活性气体除气与真空除气，改善除气条件等。

7.铝液精炼工艺

按作用机理，精炼工艺可分为吸附精炼和非吸附精炼两大类。

7.1 吸附精炼

吸附精炼依靠精炼剂产生吸附氧化夹杂的作用同时清除氧化夹杂及其表面依附的氢气，达到净化铝液的目的。精炼作用仅发生在吸附界面上，具体又可分为浮游法、溶剂法、过滤法等。 7.1.1浮游法

浮游法包括下列8种方法。通氮精炼、通氩精炼、通氯精炼、氯盐精炼、固体无公害精炼剂、喷粉精炼等。

7.1.2溶剂法

溶剂法的机理在于通过吸附、溶解铝液中的氧化夹杂及吸附其上的氢，上浮至液面进入熔渣中，达到除气的目的。净化效果好。对溶剂的要求：①不于铝液发生化学反应，也不相互溶解；②熔点低于精炼温度，流动性好，容易在铝液表面形成连续的覆盖层保护铝液，最好熔点高于浇注温度，便于扒渣清除；③能吸附、溶解、破碎Al2O3夹杂；④来源丰富、价格便宜。溶剂的工艺性能包括覆盖性能、分离性能、精炼性能，它们都决定于溶剂的表面性能。

7.1.3过滤法

过滤精炼由于净化效果好，对于重要的铝铸件，采用过滤精炼是方向。其可分为两类，一类是非活性过滤剂，如石墨块、镁屑砖等，依靠机械作用清除铝液中的非金属夹杂物。另一类是活性过滤剂，如NaF、 CaF2等，除机械作用外，主要通过吸附、溶解Al2O3的作用清除氧化夹杂。

7.1.4稀土精炼

稀土能于氢形成稳定的REH2，以固体形式吸收铝液中大量的氢，降低氢含量，消除针孔。

備注：非吸附精炼及變質原理等內容在下次再討論。

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