铸造铝合金的熔炼工艺

铝合金比纯铝的优势与应用

铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适 用范围广、装饰效果好、花色丰富。它的材料特性是轻、容易加工。成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。而铝合金在承受了一定的力量后，会慢慢变形再损坏。还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性特别是车辆引擎部分特别适合使用铝合金材料。这里几乎完全是铝合金的一家天下。此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性 较强。

各种合金的性能比较

S 锌合金：压铸性能好，铸件表明光滑，尺寸精度高。浇注温度低，模具寿命长。力学性能也较高，特别是抗压和耐磨性好。能很好的接受表面处理，如电镀，喷涂，喷漆。但易老化，工作范围窄。温度低于0度，冲击韧性急剧降低。温度升高，力学性能下降，且易发生蠕变。另外密度大，航空，电子，仪表很少采用。尺寸变化也是锌合金铸件的重要问题。 S 铝合金：铝合金很多方面特别是使用性能方面比锌合金优越。压铸性能良好，密度小，比强度大，高温力学性能好，低温下工作时，同样保证良好的力学性能（尤其是韧性）。铝表面有一层与铝结合的很牢很致密的氧化膜，故耐蚀性好。但是氧化膜能被氯离子，碱离子破坏，故在碱中，碳酸盐，盐酸及卤化物中很快腐蚀。导电性与导热性好并且具有良好的切削性能。但是铝合金有相当大的体收缩率，易在最后凝固处生成较大的缩孔。另外，铝硅 系合金还易粘模

镁合金：密度小，力学性能好。熔点低，凝固快，凝固收缩小，不腐蚀钢质模具。比强度高于铝合金，但是屈服强度低于铝合金，承受载荷的能力稍差。有良好的刚度和减震性，在承受冲击时，能吸收较大的冲击能量，可作产品外壳可减少噪声传递。镁合金压铸时易产生缩松和热裂。在低温下仍有良好的力学性能，可制造低温零件。抗蚀性较低，故通常进行表面氧化处理和涂漆保护。具有优良的脱模性能，与铁亲和力小，即使采用较小的出模角度也不会产生粘模现象。模具寿命比铝合金长，比铝合金高4~5倍，并且成分和尺寸稳定性也好，同时具有良好的切削加工性。具有较高的氧化活性，易氧化，严重时导致燃烧。（加铍，700度以下不燃烧）。

表１，铸造铝合金的主要化学成分

S----砂型铸造; J----金属型铸造; R----熔模铸造; K----壳型铸造; Y----压力铸造; L1----离心铸造; La----连续铸造; B----变质处理; F---铸态; T1----人工时效; T2----退火;

T4---淬火+自然时效; T5----淬火和不完全时效;

T6----淬火和完全时效; T7----淬火和稳定回火; T8----淬火和软化回火;

铝合金中各种合金元素的作用

1.硅（Si）：提高流动性，从共晶到过共晶合金都有很好的流动性。含硅11.7%的共晶合金有很窄的凝固温度范围，补缩性，抗热裂性好，适合铸造薄壁，复杂铸件。随着含硅量增加，强度，硬度提高，但伸长率下降，可切削性降 低。高硅铝合金对坩埚溶蚀较大。 2.铜（Cu）：铜固溶于铝合金中，可提高机械性能，切削性，研磨性，但是耐蚀性低。铜含量增加，热裂倾向增大。 3.镁（Mg）：1.铝镁合金是耐蚀合金，但是凝固范围大，有热脆性，铸件易产生裂纹。其流动性随镁含量增加而提高，但收缩变大。2.铝硅系合金含镁 时，镁形成Mg2Si，形成的固溶体可强化Al-Si合金的基体，提高耐蚀性，电镀性，阳极皮膜性，使铸件有光亮的表面。3.对铝硅铜系合金，Mg2Si的硬化效果，也会造成低温脆性，降低伸长率，冲击值，易产生热裂，故对镁含量须严格控制。 4.铁（Fe）：铁能减少粘模倾向，易于压铸。铁含量在1.0%~1.5% 是有益的，低于0.7%则使铝合金液与模具易粘合。但含铁量太多时，则产生FeAl3针状结晶，降低力学性能，切削性能，耐蚀性能。铝硅系。硅铜系合金若含过量铁，则会生成金属化合物，形成硬点 5.镍（Ni）：添加适量的镍能够提高铝合金的强度，硬度，减少含铁量过多造成的不良影响，但对耐蚀性不利 6.锰（Mn）：能够提高耐蚀性和强度，但含量过多会产生硬化和脆性。在适量锰的作用下，有害的针状Fe-Al 会转变为细密的Fe-Mn-Al，还可减少粘模的倾向。 7.锌（Zn）：可提高流动性，改善力学性能。但高温脆性大，有产生裂纹的倾向 8.锡（Sn）：可改善切削性能，但使耐蚀性变坏。

铸造铝合金的典型熔炼工艺

铝合金的熔炼工艺大体过程为：

加料→熔化→扒渣与搅拌→调整成分→精炼除气→出炉机边保温→浇注

1. 加料：1）锭料与回炉料应搭配使用，回炉料的比例不大于50%，回炉料是指浇口溢

槽、废铸件，不包括飞边和残屑。

2）入炉的料锭和回炉料的表面应干净，干燥，先以小料（回炉料）填底，加入料锭，以防砸坏炉底。

2熔化：1）炉料熔化开始即用覆盖剂撒在液面上，要覆盖全部金属液面，防止氧化和吸气

2）熔化过程中应注意防止熔体过热，特别是天然气炉（或煤气炉）熔炼时炉膛温度高达1200℃，在这样高的温度下容易产生局部过热。为此当炉料熔化之后，应适当搅动熔体，以使熔池里各处温度均匀一致，同时也利于加速熔化。

3.扒渣与搅拌：当炉料在熔池里已充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，即可扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣。 A、扒渣

扒渣前应先向熔体上均匀撒入粉状熔剂，以使渣与金属分离，有利于扒渣，可以少带出金属。扒渣要求平稳，防止渣卷入熔体内。扒渣要彻底，因浮渣的存在会增加熔体的含气量，并弄脏金属。 B、加镁加铍

扒渣后便可向熔体内加入镁锭，同时要用2号粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。

对于高镁铝合金为防止镁的烧损，并且改变熔体及铸锭表面氧化膜的性质，在加镁后须向熔体内加入少量（0.001%-0.004%）的铍。铍一般以Al-BeF4与2号粉状熔剂按1：1混合加入，加入后应进行充分搅拌。 Na BeF +Al→2NaF+AlF +Be

为防止铍的中毒，在加铍操作时应戴好口罩。另外，加铍后扒也的渣滓应堆积在专门的堆放场地或作专门处理。 C、搅拌

在取样之前，调整化学成分之后，都应当及时进行搅拌。其目的在于使合金成分均匀分布和熔体内温度趋于一致。这看起来似乎是一种极其简单的操作，但是在工艺过程中是很重要的工序。因为，一些密度较大的合金元素容易沉底，另外合金元素的加入不可能绝对均匀，这就造成了熔体上下层之间，炉内各区域之间合金元素的分布不均匀。如果搅拌不彻底（没有保证足够长的时间和消灭死角），容易造成熔体化学成分不均匀。

搅拌应当平稳进行，不应激起太大的波浪，以防氧化膜卷入熔体中。 4. 调整成分

在熔炼过程中，由于各种原因都可能会使合金成分发生改变，这种改变可能使熔体的真实成分与配料计算值发生较大的偏差。因而需在炉料熔化后，取样进行快速分析，以便根据分析结果是否需要调整成分。 A、取样

熔体经充分搅拌后，即应取样进行炉前快速分析，分析化学成分是否符合标准要求。取样时的炉内熔体温度应不低于熔炼温度中限。

快速分析试样的取样部位要有代表性，开然气炉（或煤气炉）在两个炉门中心部位各取一组试样，电炉在二分之一熔体的中心部位取两组试样。取样前试样勺要进行预热，对于高纯铝及铝合金，这了防止试样勺污染，取样应采用不锈钢试样勺并涂上涂料。 B、成分调整

当快速分析结果和合金成分要求不相符时，就应调整成分——冲淡或补料。 5.精炼除气：根据合金成分加入相应的净化剂，在适当的温度进行除气。

6.出炉机边保温：1）铝合金液的出水温度应为720～750℃，盛铝液的浇包应预热及涂上

涂料。当铝液离浇包口端100mm处即停止放液,并以备好的干燥精炼剂用钟罩压入合金液底部，除气精炼后即运至保温炉保温。

2）从浇包中的铝液倒入保温炉坩埚时应稳妥，防止铝液飞溅伤人和卷入空气，当倒入的铝液至离埚口端50mm处止。

7.浇注：当温度达到浇注温度后开始浇注。 以下为典型铝合金的熔炼工艺 （一）ZL101合金的熔炼工艺 1. 熔炼前的准备工艺

1）清炉和洗炉（电阻炉或中频感应炉）；

2）预热熔炉（坩埚）及熔炼工具到200-300℃，然后喷涂料 3）清理和预热炉料；

4）准备好熔剂和变质剂等。 2. 配料计算

由于熔炼中Si和Mg的烧损很大，合金成分的含量变化大，故应按标准成分的上限计算配料。 3. 装料次序及装料

1）回炉料；

2）铝硅中间合金或ZL102合金； 3）铝锭。 4. 熔化及精炼

装完料后，升温熔化炉料，等炉料全熔后，除净熔渣，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中间合金块压入熔池中心离坩埚底150mm深处，并缓慢回转和移动，时间为3-5min。然后升温到730-750℃，用炉料总重量的0.7％-0.75％的六氯乙烷分2-3次用钟罩压入合金液内精炼合金液，总时间为10-15min，缓慢在炉内绕圈。待精练剂反应完后，静置1-2min后，取试样作炉前分析。如炉前分析发现合金成分不合格，则应马上进行调整成分的补加或冲淡工作。 5. 变质处理

当合金液的温度达到730-750℃时，用炉料总重量的1.5％-2.5%的三原变质剂作变质处理，总时间为15-18min。 6. 浇注

当温度达到760℃时，扒渣出炉，用坩埚或手抬式浇包盛取合金液，将合金液浇注铸型，同时浇注化学成分、机械性能等试样。

注：应根据各厂的具体情况选用精练剂和变质剂。

（二）ZL102合金的熔炼工艺

1. 熔炼前的准备工艺

1）清炉和洗炉； 2）预热熔炉（坩埚）、工具到200-300℃； 3）喷涂（刷）涂料； 4）清理、预热炉料；

5）准备好熔剂变质剂等。 2. 配料计算

由于熔炼中Si的含量大，易烧损大，故配料计算时应取上限。 3. 装料次序及装料

1）回炉料；

2）铝硅中间合金； 3）铝锭。 4. 熔化及精炼

炉料装好后，升温熔化炉料，等炉料全熔后，除净熔渣，升温到700-720℃，用炉料总重量的0.3％-0.5％的六氯乙烷（或氯气等其他精炼剂）分3次用钟罩压入熔池中心下面精炼合金液，精炼总时间为10-15min。钟罩离坩埚底100-150mm深处，并要缓慢地作回转移动。精练剂完后，静置1-2min，取样作炉前分析。若炉前分析后合金的化学成分出现低于或高于标准成分的情况，则应马上作补料或冲淡的调整成分工作。 5. 变质处理

当温度达到730-750℃时，用炉料总重量的1.5％-2.5%的三原变质剂作变质处理，变质总时间为15-18min。 6. 浇注

当温度达到760℃时，扒渣出炉，用坩埚或手抬式浇包盛取合金液，将合金液浇注铸型，同时浇注化学成分、机械性能试样。

注：应根据各厂的具体情况选用精练剂和变质剂。

（三）ZL105合金的熔炼工艺 1. 熔炼前的准备工艺

1）清炉和洗炉（电阻炉或中频感应炉）； 2）预热熔炉（坩埚）、工具到200-300℃； 3）采用表3-9中的涂料，对熔炉（坩埚）、工具进行喷涂（刷）涂料； 4）清理和预热炉料；

5）准备好熔剂和变质剂。 2. 配料计算

由于在熔炼中Si、Mg烧损大，成分含量的变化大，故应按标准成分的上限计算配料。

3. 装了次序及装料

1）回炉料；

2）铝硅中间合金； 3）铝锭。 4. 熔化及精炼

炉料装好后，升温熔化炉料，等炉料全熔化后，除净熔渣，加入熔剂，当温度达到680℃时，用钟罩将预热到200-300℃的Al-Mg中间合金或金属镁块压入

熔池中心离坩埚底150mm深处，并缓慢回转和移动，时间为3-5min，然后升温到730-750℃，用炉料总重量的0.7％-0.75％的六氯乙烷（或其他精炼剂）分3次用钟罩压入熔池中心离坩埚底150-100mm的深处，对合金液进行精炼，精炼时间为10-15min，并缓慢在炉内绕圈。待精练剂反应完后，静置1-2min后，取试样作炉前分析。如炉前分析发现合金成分低于或高于标准成分时，则应立即进行调整成分的工作。 5. 变质处理

ZL105合金的含Si量在6％以下，故不作变质处理。 6. 浇注

当温度达到750℃时，扒渣出炉，用坩埚或手抬式浇包盛取合金液，将合金液浇注铸型。同时浇注化学成分、机械性能等试样。

注：应根据各厂的具体情况选用精练剂和变质剂。

（四）ZL203合金的熔炼工艺 1. 熔炼前的准备工艺

1）清炉和洗炉（电阻炉或中频感应炉）；

2）预热熔炉（坩埚）及熔炼工具到200-300℃，然后喷（刷）涂料； 3）清理和预热炉料；

4）准备好熔剂和变质剂等。 2. 配料计算

由于熔炼中Si和Mg的烧损很大，合金成分的含量变化大，故应按标准成分的上限计算配料。 3. 装了次序及装料

1）回炉料；

2）铝硅中间合金或ZL102合金； 3）铝锭。 4. 熔化及精炼

装完料后，升温熔化炉料，等炉料全熔后，除净熔渣，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中间合金块压入熔池中心离坩埚底150mm深处，并缓慢回转和移动，时间为3-5min。然后升温到730-750℃，用炉料总重量的0.7％-0.75％的六氯乙烷分2-3次用钟罩压入合金液内精炼合金液，总时间为10-15min，缓慢在炉内绕圈。待精练剂反应完后，静置1-2min后，取试样作炉前分析。如炉前分析发现合金成分不合格，则应马上进行调整成分的补加或冲淡工作。 5. 变质处理

当合金液的温度达到730-750℃时，用炉料总重量的1.5％-2.5%的三元变质剂作变质处理，总时间为15-18min。 6. 浇注

当温度达到760℃时，扒渣出炉，用坩埚或手抬式浇包盛取合金液，将合金液浇注铸型，同时浇注化学成分、机械性能等试样。

注：应根据各厂的具体情况选用精练剂和变质剂。

铝合金液易出现的问题

氧化：铝及其合金液与空气接触很容易生成一层氧化膜Al2O3。铝体表面的氧化

膜虽有保护作用，但如因搅拌，翻滚而被破坏时，氧气进入熔体中，不易去除，一则Al2O3不易还原，二则它的比重和熔体差不多，悬浮在熔体中，容易随熔体进入铸件中。

吸氢：铝液很容易从大气，合金锭或工具表面湿气，燃烧的油气中吸氢。氢在固态铝中的溶解度非常低，因此当吸氢过多在凝固时处于饱和状态，氢气会析出，使铸件产生气孔，缩孔。

杂质：铝合金融体中常见常见夹杂物时Al2O3，SiO2，MgO等，会造成金属液的不纯净。夹杂物影响熔体流动性，在压铸件中聚合聚合产生气泡，影响缩松程度。

结渣：铝合金液对坩埚炉衬之间发生反应而产生结渣。在铸件的切削面上肉眼看到一些芝麻大小的黑色，灰色粒子。有非金属氧化物，金属性渣（Si）或金属化合物，复合性结渣，偏析性结渣。增铁：铝液与坩埚，浇勺，模具有一定的溶蚀作用，导致增铁，因炉料中含铁量远远大于新料规定的含铁量