1、鋁合金的熔煉與澆鑄6 5 1 鋁合金的性能及應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代化的航空事業和宇航事業， 在飛機、導彈、人造衛星中鋁合金所占比重高達 90% ，是鑄造生產中僅次于鑄鐵的第二大合金，其地殼含量達 7.5% ，在工業上有著重要地位。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中具有良好的耐蝕性，因而鋁鑄件在化學工業中也有一定的用途。 純鋁及鋁合金有良好的導熱性能，放在化工生產中使用的熱交換裝置， 以及動力機械上要求具有良好導熱性能

2、的零件，如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 730 750 左右） ，故能廣泛采用金屬型及壓力鑄造等鑄造方法，以提高鑄件的在質量、 尺寸精度和表面光潔程度以及生產效率。 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比鑄鋼和鑄鐵長得多，其流動性良好，有利于鑄造薄壁和結構復雜的鑄件。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

3、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1ZALSi7MgZL10110ZALSi12ZL10919ZALCu5MnCdAZL204ACu1Mg1Ni12ZALSi7MgAZL101A11ZALSi9Cu2MgZL11120ZALCu5MnCdVAZL205A3ZALSi12ZL10212ZALSi7Mg1AZL11

4、4A21ZALR5Cu3Si2ZL2074ZALSi9MgZL10413ZALSi5Zn1MgZL11522ZALMg10ZL3015ZALSi5Cu1MgZL10514ZALSi8MgBeZL11623ZALMg5Si1ZL3036ZALSi5Cu1MgAZL105A15ZALCu5MnZL20124ZALMg8Zn1ZL3057ZALSi8Cu1MgZL10616ZALCu5MnAZL201A25ZALZn11Si7ZL4018ZALSi7Cu4ZL10717ZALCu10ZL20226ZALZn6MgZL4029ZALSi12Cu2MgZL10818ZALCu4ZL2036 5 2 鋁合

5、金的熔煉設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備。如鋼的熔煉是用轉爐、平爐、電弧爐、感應電爐等；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，優點是：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）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、 6圖 6-9 QR 系列坩堝熔化電阻爐外形圖傾斜機構 7 支架圖 6-10 QR 系列坩堝熔化電阻爐結構圖其爐體外殼由型鋼及鋼板焊接成圓筒結構， 其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。 在電爐后端裝有保護罩殼， 罩殼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 度圍傾斜澆鑄，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，通過補償導線與控制柜上

7、的儀表相連接，可控制工作溫度。6 5 3 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）極易蒸發燒損。故鋁合金的熔煉應在與燃料和燃氣隔離的狀態下進行。鋁合金熔煉工藝控制較為復雜。 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

8、量要求。一方面是保證合乎要求的化學成分， 另一方面是在保證質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吹砂處理，但應消除混在爐料的鐵質過濾網及鑲嵌件等，所有的爐料在入爐前均應預熱，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清理干凈及仔細檢查有無穿透性缺陷，使用前均應吹砂，并預熱至暗紅色（ 500-600度）保溫 2 小時以上，以燒除附著在坩堝壁的水分及可燃物質，待冷到 300 度以下時，仔細清理坩堝壁，在溫

9、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， 經過 200 300 預熱并涂以防護涂料。 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合。涂完涂料后的模具及熔煉工具使用前再經200 300 預熱烘干。（ 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

10、化愈嚴重，一些合金元素的燒損也愈嚴重，從而導致合金的機械性能的下降，鑄造性能和機械加工性能惡化，變質處理的效果削弱，鑄件的氣密性降低。生產實踐證明，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，都應該用測溫儀表控制溫度。測溫儀表應定期校核和維修。熱電偶套管應周期的用金屬刷刷干凈，涂以防護性涂料，以保證測溫結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

11、的溶解，應盡量縮短鋁熔體在爐的停留時間，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AL 2O3 ，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

12、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，用復蓋劑復蓋，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。再以鐘罩壓入預熱好的精煉劑，用量為鋁液重的 0.4%0.5% ，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熔體的轉送和澆注盡管固態氧化鋁的密度近似于鋁熔體的密度，在進入鋁熔體部后，經過足夠長的時間才會沉至坩堝底

13、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。所以，轉送鋁熔體中關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。采用傾轉式坩堝澆注熔體時，為避免熔體與空氣的混合，應將澆包盡量靠近爐咀，并傾斜放置，使熔體沿著澆包的側壁下流， 不致直接沖擊包底， 發生攪動、飛濺等。采用正確合理的澆注方法， 是獲得優質鑄件的重要條件之一。 生產實踐證明，注意下列事項，對防止、減少鑄件缺陷

14、是很有效的。（1 ）澆注前應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”的場合下澆注，以及熔體強烈氧化，燃燒，使鑄件產生氧化夾雜等缺陷。（3 ）由坩堝獲取熔體時， 應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，用澆包的寬口舀取熔體，然后平穩的提起澆包。（4 ）端包時步子要穩，澆包不宜提得過高，澆包金屬液面必須保持平穩，不受攏動。（5 ）即將澆注時，應扒凈澆包的渣子，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，不能中斷，不能直沖口杯的底孔。澆口杯自始至終應充滿，液面不得翻動，澆注

15、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，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，步調一致，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： 首先檢查電器設備是否正常送電原材料準備預熱坩堝至發紅加入小塊爐料、 熔點較低的回爐料盡快

16、形成熔池加塊度較大的回爐料及鋁錠升溫之 750 760 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，在鑄型不通氣的轉角部位。 斷口多呈灰白色或黃色， 經 x 光透視或在機械加工時發現， 也可在堿洗、 酸洗或陽極化時發現 （如圖 6-11 ）。產生原因：圖 6-11含氧化夾雜缺陷的鑄件實物產生原因：（1 ）爐料不清潔，回爐料使用量過多（2 ）澆注系統設計不良（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 ）精煉變質處理后靜置時間不夠防止方法：（1 ）爐料應經過吹砂，

17、回爐料的使用量適當降低（2 ）改進澆注系統設計，提高其擋渣能力（3 ）采用適當的熔劑去渣（4 ）澆注時應當平穩并應注意擋渣（5 ）精煉后澆注前合金液應靜置一定時間2. 氣孔 氣泡缺陷特征：鑄件壁氣孔一般呈圓形或橢圓形， 具有光滑的表面， 一般是發亮的氧化皮，有時呈油黃色。表面氣孔、氣泡可通過噴砂發現，部氣孔、氣泡可通過 X 光透視或機械加工發現（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生原因：（1 ）澆注合金不平穩，卷入氣體（2 ）型 (芯)砂中混入有機雜質 (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

18、（5 ）澆注系統設計不良（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。（2 ）型 (芯)砂中不得混入有機雜質以減少造型材料的發氣量（3 ）改善 (芯)砂的排氣能力（4 ）正確選用及處理冷鐵（5 ）改進澆注系統設計（ 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：鋁鑄件縮松一般產生在澆道附近冒口根部厚大部位、壁的厚薄轉接處和具有大平面的薄壁處。 在鑄

19、態時斷口為灰色， 淺黃色經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 斷口等檢查方法發現。（如圖 6-13 ）圖 6-13有縮孔和縮松缺陷的鑄件實物產生原因：（1 ）冒口補縮作用差（2 ）爐料含氣量太多（3 ）澆道附近過熱（4 ）砂型水分過多，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，改進冒口設計（2 ）爐料應清潔無腐蝕（3 ）鑄件縮松處設置冒口，安放冷鐵或冷鐵與冒口聯用（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雜的鑄件容易出現（2 ）熱處理裂紋：由于熱處理過燒或過熱引起，常呈穿晶裂紋。常在產生應力和熱膨脹系數較大的合金冷卻過劇。或存在其他冶金缺陷時產生。a)冷裂b) 熱裂圖 6-14裂紋缺陷產生原因：（1 ）鑄件結構設計不合理，有尖角，壁的厚薄變化過于懸殊（2 ）砂