铝合金的熔炼与铸造

铝合金的熔炼与铸造
发布时间：2012-4-3 21:37:13 | 38 人感兴趣| 评分：3 | 收藏：0
1 配料及其计算
配料是熔体铸的第一道工序。

它的首要任务是控制成分和杂质含量使之符合要求，其次是根据对合金的加工和使用性能的要求，确定各种炉料品种及配料比；再次是正确地计算每炉的全部炉料量。

合理地吊装各种原辅材料，管理好各种金属及废料(旧料)。

铝合金熔炼时，炉料大致分为三类，即：工业纯金属，或称新料或新金属；回炉的金属或合金废料，也称旧料或返回料；以及中间合金或配制合金用的纯金属。

正确地选择配制合金的炉料，对于合金成分控制，铸锭质量的保证，以及金属原料的节约，都有重要的意义。

总之，在保证性能合乎要求的前提下，允许利用各种废料，节约新金属和贵重金属。

换句话说，就是能用废料应少用纯金属，能用低品位纯金属绝不用高品位的纯金属。

做到废料用尽，次料代替好料，好料精用，搭配适当，保证质量。

1.1 工业纯金属--新料
铝合金是在纯金属熔炼的基础上，加上其它合金元素配制而成．因此，在配制合金以前，首先应依所需配制的合金成分的要求，选择所需的纯金属之品位。

有色金属的工业纯金属多来源于冶炼厂，如工业纯铝(称原铝)，工业纯铜(称紫铜或电解铜)，工业纯镁，以及金属镍等都是从电解工厂制得的。

原铝多铸成15-20公斤的小锭(称铝锭)；镁以锭状供应，镁锭的重量可分为2.5公斤和9公斤两种；纯铜和金属镍一般多以电解铜板和电解镍板的形式供应；金属锌一般铸成重40公斤左右的扁平锌锭，而金属锰和铬分别以不同的粒度供应。

这些所谓的纯金属中，杂质仍是不可避免的。

例如，原铝锭中仍含有Fe 和Si两种主要杂质。

它们大多数是从炼铝原料---铝矿石中带来的。

这两种杂质元素对铝及其合金的性能有极大的影响，因而使用原铝锭时，必须注意这些杂质的含量，根据所配制合金的要求正确地选用原铝锭。

铝冶炼厂生产的原铝新料，是按所含铁和硅二种主要杂质元素的多少而定其品位的。

纯铜内所含杂质元素种类很多，所以一般工业纯铜基本上是按照铜的含量多少而定其品位的。

总的来讲，在选择金属品位时，为了保证质量，应尽量选择杂质较少，纯度较高的高品位的纯金属；但纯度越高，生产越困难，成本也越高，因而应尽量避免使用过高纯度的原料，以节约生产成本。

因此正确地选用金属原料的品位，在配料过程中是十分重要的。

铝合金中常用的金属原料有铝锭，镁锭，紫铜板、锌锭和用于制作中间合金的电解镍板，金属锰，金属铬，结晶硅以及海棉钛，海棉锆等。

1.2 废料--回炉料
1.2.1废料的来源和使用原则
废料，又称回炉料，也叫旧料。

按其来源不同，大致可分为本厂废料及厂外废料两大类．(1)本厂废料
这部份废料来源于熔铸车间及各加工车间各工序所得的加工余料(一般称几何废料)及不合格的报废料(一般称工艺废料)。

铝合金成品率一般在60～80％左右，也就是说，将有20-40％的原料在加工过程中变成废料。

这部份废料大致都有可能保持质量不受掺杂，是高质量的废料，是熔炼铝合金的重要原料之一。

对本厂废料要加以仔细分离、分级，并按合金归类分组保管。

只要管理得好，这些废料一般都能保持良好的质量，不受掺杂，污染及混料，在工厂里称为一级废料或二级废料。

这部份废料通常不需处理就可以直接入炉使用。

只有从车床，刨床，锯床等回炉的铣，锯、刨边碎屑料，常被油污或氧化，或含杂质过多，这些料质量低劣，通常称之为三级废料。

这部份废料不能直接入炉，事先要经过洗涤，干燥处理，再重熔复化，经化验取得准确的成分后才能入炉使用．
在使用废料时，要求入炉的废料不得混合金，混级，应清洁无油泥污染。

如果混料，则宁愿
将少量的低成分合金(低合金)混于高成分合金(高合金)，不可使少量的高成分合金混于低成分合金。

例如，纯铝混入LF21合金中，则用于LF21合金炉料中；防锈铝(LF2--LF21)各合金废料分别混于L Y12合金中；则可用于L Y12合金炉料中；LD6合金废料混于LD2合金中，则可用于LD5合金炉料中；LD7、LD8，LD9合金废料互混在一起，则可酌量用于LD8合金或LD9合金中。

有的合金废料互混在一起，则不能用于生产，如LD10合金料混入LC4合金中，则必须挑选后，经检查确定无混料时，方能分别用于该合金炉料中。

还有一些合金废料互混后，又难于挑选，不易检查分辨的，应重熔复化，取得准确的成分后方可作为炉料。

另外，某些废料，虽未混料，但放置时间过长，严重腐蚀，或油泥污染严重的，也应回炉重熔复化。

总的来讲，所有牌号不明，成分含量不清，腐蚀污染严重的一级和二级废料和车，刨、铣、锯碎屑都不能直接入炉，属于工厂里规定的三级废料范围，应重熔复化。

(2) 厂外废料
源于用制造工厂或市场上回收的废料，大都掺杂混合，其质量多不可靠，甚至无准确的化学成分，最好不直接入炉使用。

如确实保证不掺杂其它金属者，方可按本厂废料分级归类使用。

必须注意，这些厂外回收废料，往往含有一般化验方法难于检查出来的有害杂质元素，其含量即使仅万分之一，甚至十万分之一，也会严重影响产品质量及工艺性能。

因此，凡制造高质量的产品，最好不使用这些厂外回收废料。

那些化学成分不明，或不符合标准的杂料，有时被称为化学废料，工厂里也称之为号外料．也应当进行复化重熔，明确其化学成分后，才能适量入炉．
1.2.2 废料的分级和归类管理
铝合金废料的分离，分级，按合金系统门类保管的要求是十分严格的。

因为铝合金一经混杂入炉，就无法使之除去，除非加入大量纯金属予以冲淡。

因此管理好废料,正确的使用废料对保证产品质量，降低消耗，节约金属极为重要。

某些铝合金的成分含差异很大,如果一种合金废料混入另一种合金，即使数量不多，也会造成废料无法使用。

例如，超硬铝中含Zn 量都很高，而其它系列铝合金中要求含Zn量却很低，如果有5-10％的超硬铝合金废料混入L Y12合金炉料中，就会使炉料全部报废。

又如Al-Cu-Mg-Fe-Ni系锻造铝合金中含Ni量都在1.0％以上，而其它铝合金中一般要求含Ni量低于0.1％，当有百之几的高Ni废料混入其它合金炉料中，同样会造成全炉报废。

如果各合金废料互混在一起，废料中同时含有较多量的Si，Zn、Ni等元素。

那么此废料很难用于任何一种铝合金铸锭生产中,即使用量少也可能形成杂质元素的恶性循环，影响产品的机械性能及加工性能。

其结就只好积压大批废料而使用较多的新金属，浪费金属材料。

因此对本厂废料要分合金或按合金系统严格管理。

所有一、二级废料必须分合金装架打捆，三级废料应按合金系统归类装箱,所有废料都必须合理分组归类堆放，而且要有明显的标牌或标示。

在铝合金铸锭生产中，某些制品由于用途不同，要求其杂质含量和铸锭的内部质量也不相同、因而对炉料的几何尺寸和表面清洁度的要求也不一样。

例如，制作大梁、型材，和锻件的合金铸锭，要求其杂质含量较低，非金属夹杂物愈少愈好，其炉料一般不用碎片及薄板和油泥较多的废料。

因而，各种合金废料除不混料外，还必须按照工艺规程的规定,根据废料的外形尺寸和表面清洁度而分级装架和堆码。

铝合金废料一般分四级，一二级废料可直接入炉熔制成品合金铸锭，某些特殊制品不得使用二级废料；三、四级废料须经干燥，重熔复化，分析化学成分后才能使用。

下表列出了某生产厂的废料分类。

废料分级的标准
铝合金一，二级废料存放专区的划分
LC4，LC5、LC6，LC9、LC10，LB1
LD7，LD8，LD9
LD2、LD5、LD10
LF2、LF3、LF5、LF6、lF11、LF12、LT66等
L1-7、LB2、LF21
L Y11、L Y2，L Y16，L Y17，等
L Yl1、LT2，LT2-1
工艺过程中产生的一、二级废料是分合金，按不同的级别装架或打捆，每架，每捆废料的上，中、下部多处应标明合金牌号和级别；大块废料用钢印在其端部打上合金牌号及熔次号，并尽快返回熔铸车间。

实际上，一种合金的生产不是连续的，而是间断式周期性的生产。

各工
序的废料是按照产生→运输→积存→待用的规律循环着。

在这些过程中，由于吊装、堆码等多方面的原因，料架与料架之间，捆与捆之间仍有混料的可能。

为了减少再次混料的几率，便于配料吊装，所有的一、二级废料应按合金成分含量归类，每类合金存放在指定的区域内统一称之为废料专区。

废料专区的划分应根据合金的化学成分，品种规格和料场情况而合理归类，—而般而言，铝合金一、二级废料场可分为高锌、高镍、高硅、高镁、纯铝和L Y12及L Y11专区，因L Yl2，L Y11合金的生产量大，可单列一专区存放。

按合金分级装架，打捆的一、二级废料必须存放在规定的专区内。

备专区内的料架或整捆废料要放置平稳可靠，不易倾倒，滑动，并要定期清理，核对，以免发生混料，混级.
生产中的三级废料大多为细碎之残屑，分合金装箱、堆放是有困难的，一般都分组装箱，堆放，分组重熔复化。

当然也可将三级废料分合金堆放，复化，这要视工艺要求条件而合理安排。

生产实践表明，三级废料只要不混组，经重熔复化后，都可作为合金铸锭生产的原料。

四级料也称号外料，大部份是成分不清的混合料。

由于四级料质量低劣，成分复杂，必须重熔复化，因此，四级料也是复化料的一部份。

如果废料管理得好，四级废料是极少的，生产中要求四级料越少越好．混合料经重熔复化后, 用于成品合金炉料时，要仔细调配各杂质元素的含量，并视合金性能的要求少量用于生产。

1.3 配料计算
配料计算是合金铸锭生产的重要工序，是合金成分及杂质含量控制的首要关卡，它的首要任务是控制成分和杂质含量使之符合要求；根据合金的加工和使用性能的要求，确定各种炉料品种的配料比；正确地计算出每炉的全部炉料量。

1.3.1 使用纯(新)金属和废料的比例
在确定配料比例时，应根据下列一些原则：
(1)考虑到经济原则，在保证产品质量和性能的前提下，根据合金制品用途和加工工艺的要求，应充分利用本身废料，降低新料用量，做到能自身平衡，即该合金加工的产生的废料，能全部回炉使用。

例如，在熔制L Y1l及L Yl2、LC4合金的板材时，某些熔次可全部使用lOO％的本身一、二级废料;而另一些熔次则可使用一部份低合金及纯铝废料，同时配入一部份复化料及少量新金属。

(2)在考虑尽可能使用低品位纯金属的原则下，还应注意到废料循环使用及操作上的原因所造成的杂质逐渐增加，使原料晶位逐步降级。

例如在熔制工业纯铝时，为防止杂质增高而使品位降级，不但应限制废料用量不超过50％，而且应使用一部份比制品要求品位高一级的原料，例如，全部使用新铝熔制L3纯铝时，常用50％的A1-1品位的原铝和50％A1-0品位的原铝锭。

(3)对质量要求较高的制品，应尽量少用废料，而选用高品位新铝。

例如生产LY12合金的大梁型材，一般只允许使用20％以下的废料，甚至全部用原铝锭和新料，并且还要求选用Al-0品位以上的原铝锭。

又如LT66合金板材的表面质量要求高，杂质Fe的允许量要低，宜用高纯铝制作，一般不用废料。

(4)低合金的废料(指一、二级废料)对高合金可做新料使用，但对某些合金制品，例如模锻件及某些特殊制品，只允许用原铝作新铝。

所有合金废料对本身合金不能当做新铝使用，只有某些合金制品使用本身一级废料时，可代替新铝实际用量的一半。

对于L Y11，L Y12，LC4合金方锭，全部使用本身废料时，可不用新铝。

1.3.2 配料成分的确定原则
合金的组成决定丁合金的产品力学性能及加工过程的工艺性能。

因此正确地选择及掌握合金成分是优质，高产的先决条件．
部颁标准规定的合金化学成分包括合金元素含量的范围和有害杂质的最大限量两部份．前者是为了保证合金的标定性能而有意加入的合金元素，后者是各种原材料和工具等在熔铸过程
掺入的杂质。

这两部分的数据是合金配料计算时的重要依据。

确定合金元素在允许范围内的含量时，不但要考虑产品的使用性能，而且还要考虑合金在加工过程的工艺特性，特别是铸造工艺性能．另外还应考虑金属材料的节约等因素。

在合金成分没有其它特殊要求的情况下，对易于氧化和挥发损失的金属，应当取偏于上限的成分，对容易带入有害杂质的元素，最好偏于下限，一般的合金元素常取平均值，又考虑到节约有色金属的原则，应该尽量考虑取偏下限，对于有回收价值的合金元素，常取较窄．的成分范围，以免经多次回炉后，杂质超过工业标准范围。

为了保证工艺性能，要求某些元素含量范围很窄，或者根据一些特殊要求，在国家标准范围以内可适当调整某些元素的含量。

为此，材料生产厂常在部标准范围内，又具体地规定生产实际采用的内部标准，称之为厂内标准或制造标准。

合金中的杂质含量亦必须在配料计算时进行控制。

例如Fe及Si二种杂质对铝制品质量和加工工艺性能都有不同的重要影响。

在水冷半连续铸造大规格的锭坯时，特别是当Fe与Si 的比例失调时，铸锭大都具有较大的裂纹倾向，严重失调时，则无法铸造合格的锭坯。

例如LC4和L Y12合金方锭，要求Fe＞Si。

另外，还应考虑到熔炼过程中各元素的损耗，蒸发、氧化的情况，要进行适当的补偿。

2 铝合金熔炼
铝合金在整个熔炼过程中，炉料受热而开始熔化，实现由固态到液态的转变，在这个转变过程中，就会使金属氧化，烧损和吸气。

金属的氧化和烧损不但会影响合金的化学成分，而且．所造成的氧化夹渣是铝合金铸锭最有害的缺陷之一，金属的吸气则会使铸锭在凝固过程中来不及或不能逸出，而以疏松，气孔形式存在于铸锭中。

因此，铝合金熔炼过程的正确与否直接关系到熔休质量的好坏，它不仅影响其化学成分，而且与其铸锭的质量乃至最后加工的产品质量密切相关。

这里将着重讨沦在大气压下熔炼铝合金的物理化学行为，合金中主要元素成分和杂质含量的控制，铝合金的—般工艺流程及操作，最后还介绍几种铝合金的熔炼特点。

2.1 概述
2.1.1 熔炼目的
熔炼的基本目的是，制造出化学成分符合要求，并且熔体纯洁度高的合金，为铸成各种形状的铸锭创造有利条件．具体说来有：
(1) 为了获得化学成分均匀并且符合要求的合金
合金材料的组织和性能，除了工艺条件的影响而外，首先要靠化学成分来保证。

如果某一成分或杂质—旦超出标准，就要按化学成分废品处理，造成很大的损失。

很明显，控制好合金成分有着重要的意义，同时在合金成分范围内调整好一些元素的含量，可以大大减少铸造的裂纹废品。

(2) 通过精烁以获得纯洁度高的合金熔体
冶炼厂供应的电解铝液或者回炉的废料，往往含有杂质、气体、氧化夹渣物，必须通过熔炼过程，藉助物理的或化学的精炼作用，以排除这些杂质、气体、氧化物等，以提高熔体金属的纯洁度。

(3) 除上述目的外，熔铸车间还有将回收的废料复化的任务
这些回收的废料往往由于管理不严被混杂，成分不清，或者被油等杂物污染、或者是碎屑不能直接用于成品合金的生产，必须藉助熔炼过程以获得准确的化学成分，并铸成适用于再次入炉的铸锭。

2.1.2 熔炼特点
(1) 铝非常活泼，除了惰性气体，几乎和所有的气体发生反应：
如：A1+O2→A12O3
A1+H2O→A12O3+H2
而且这些反应都是不可逆的，一经反应金属就不能还原，这样就造成了金属的损失．而且生成物(氧化物、碳化物等)进入熔体，将会污染金属，造成铸锭的内部组织缺陷。

因此在铝合金合金的熔炼过程中，对工艺设备(如炉型，加热方式等)有严格的选择，对工艺流程也应有严格的选择和措施，如缩短熔炼时间、控制适当的熔化速度，采用熔剂复盖等。

(2) 制造铝合金的原材料，必须是金属材料形式加入的．极个别的组元(如Be、Zr等)可以以化工原料形式加入。

不像其他有色金属或黑色金属制造合金时那样，以间接形式(如以矿石之类)加入。

因为这样会使铝合金带来金属损失，并将污染金属。

(3) 由于铝的活性，在熔炼温度下，它对大气中的水分和一系列工艺过程中的水分，油，炭氢化合物等，都会发生化学反应．一方面增加熔体中的含气量，造成疏松，气孔，另一方面其生成物可将金属弄脏。

因此，在熔化过程中必须采取一切措施尽量减少水分，对工艺设备，工具和原材料等都要严格保持干燥和避免油染。

(4) 熔化铝合金，任何组元的加入，一旦进入就不能去掉．所以对铝合金的加入组元必须严格注意．误加入非合金组元或者加入合金组元过多或过少，都要出现化学成分不符废品，同时也给铸造带来困难。

如在高镁合金熔炼时使用含钠的熔剂，则会引起“钠脆性”，造成铸造时的热裂性和压力加工时的热脆性。

如向LC4合金中多加入Si则会给铸锭成型带来一定的困难。

(5) 冶金缺陷，在以后加工中难以补救．而且冶金缺陷直接影响材料的使用性能。

冶金缺陷的产生很大部份是在熔化过程中造成的，如含气量高，非金属夹渣，晶粒粗大，金属化合物等．适当地控制化学成分和杂质含量以及加入变质剂，可以改善铸造性能，同时对提高熔体质量是很重要的。

2.1.3 熔炼方法
1．分批熔炼法
分批熔炼法是一个熔次一个熔次的熔炼，即一炉料装炉后，经过熔化，扒渣，调整化学成分，再经过精炼处理，温度合适后就出炉，炉料一次出完，不允许剩有余料，然后再装下一炉料。

这种方法适用于铝合金的成品生产，它能保证合金的化学成分均匀性。

2．半分批熔炼法
半分批熔炼法与分批熔炼法的区别，在于出炉时炉料不是全部出完，而留下五分之一到四分之一的液体料，随后装入下一熔次炉料进行熔化。

此法的优点是所加入的料浸在液体料中，从而加快了熔化速度，减少烧损；可以使沉于炉内的夹杂物留在炉内，待铸金属熔体中的非金属夹杂，同时炉内温度波动不大，可延长炉子寿命，有利于提高炉龄。

3．半连续熔炼法
半连续熔炼法与半分批熔炼法相仿．每次出炉量为三分之一到四分之一，即可加入下一熔次料。

与半分批熔炼法所不同的是，即留于炉内的液体料为大部份，每次出炉量不多，新加入的料可以全部搅入熔体之中，以致每次出炉和加料互相连续。

此法适用于双膛炉熔炼碎屑或大批量的废铝回收。

由于加入之炉料浸入液体之中，可以减少烧损，而且还可使熔化速度加快。

4. 连续熔炼法
此法加料连续进行，出炉间歇进行。

连续熔炼法灵活性小，仅适用于纯铝的熔炼。

对于铝合金熔炼，由于炉内结构，熔体停留时间要尽量缩短。

因为延长熔体停留时间，尤其在较高的熔炼温度下，大量的非自发晶核去活，引起铸锭晶粒粗大，造成铸锭废品，而且增
加金属吸气，使熔体非金属夹杂和含气量增加。

2.2 碎屑的复化
铝合金铸锭在锯切、车皮，镗孔及铣面等加工工序中产生大量的碎屑，这些碎屑从成分，清洁度上看，都不适合直接生产成品合金，所以需要经过复化以获得确切的成分，为熔制成品合金准备好条件。

2.2.1 碎屑复化的目的
a 这些废料成分复杂，通过复化可以确定其化学成分。

b 这些废料粘附乳液，油类等较多，通过复化可以消除或减少这些粘附物质的污染。

c 这些废料通过复化，可铸成再生铝锭，可以减少熔制成品合金时的烧损。

同时也便于保管，使用。

2.2.2 复化前的预热处理
这些废料含油、乳液较多，并且潮湿，如果将这些废料直接加入炉内，易使金属强烈的吸气，同时还有产生爆炸的危险性。

故潮湿的废料不能够直接加入炉内，应预热处理。

通过离心机，进行净化，去掉油污
通过卧式回转窑，进行干燥，去掉水分等；
通过打包机或制团机，制成一定的形状，以便于加料，也可减少烧损。

2.2.3 碎屑的复化
铝合金碎屑及渣中金属在熔炼过程中极易烧损，故应采用连续法熔炼。

2.2.
3.1 熔炼
①第一炉应先装入部分大块废料进行熔炼，做为底料，其底料不应少于炉子容量的35-40％。

②炉料应分批加入，每批料加入后，应彻底搅拌，防止露出液体表面。

当前一批搅入熔体后，再投入下一批料。

③熔化过程中可根据炉内渣量情况，适时进行扒渣，并及时使用复盖剂对熔体进行复盖。

④熔炼温度为750-800℃。

2.2.
3.2 铸造
炉料全部熔化后，经充分搅拌即可铸造，并在铸造中途取分析试样。

2.2.
3.3 保管复化铸锭应按其炉号，熔次号分组分别进行保管。

2.3 熔炼过程中的一些物理化学行为
铝是活泼的金属元素之一；除惰性气体外，其它元素几乎都与铝发生反应生成铝的化合物。

在大气下的熔炼炉中加热，熔炼铝合金的过程中，随着温度的升高，金属表面与炉气或大气接触时，会发生一系列的物理化学作用。

根据温度，炉气和金属性质的不同，金属表面可能产生气体的吸附和溶解，或产生氧化物，氢化物，氮化物和碳化物。

主要讨论铝合金在大气压下的熔炼中的一些物理化学行为。

2.3.1 炉内气氛
熔化金属的炉子中的气氛中的气体，是最主要的气体来源之一。

根据所用的熔炼炉炉型及结构，以及所用燃料的燃烧或发热方式，炉内气氛往往含有各种不同比例的氢(H2)、氧(O2)、水蒸汽(H2O)、二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)、氮(N2)、二氧化硫(SO2)此外还有各种碳氢化合物。

这些结果当然是不完全的，而且成分范围很广，这是因为炉内燃烧生成物一炉气的变化是很大的，是很不稳定的。

2.3.2 熔融态铝与气体间的相互怍用
上面讨沦了几种典型熔炼炉内的气体组成情况，这些气体与熔融态铝之间究竟起什么作用?显然不同的气体和金属之间有着不同的作用。

2.3.2.1 氢的溶解。