A356合金熔炼原理

A356合金熔炼原理

一、铝轮毂采用的合金及化学成分

现代汽车铸造铝合金车轮应用最广的材料是美国材料与试验协会（ASTM）牌号A356合金，相当于中国ZL101A、日本AC4CH、德国AlSi7Mg、法国A-S7G03、俄罗斯Aл9-1。除A356合金外，德国还采用AlSi9Mg、AlSi10Mg、AlSi11Mg，法国还采用A-S11G、A-S12.5。这些高Si合金都不热处理，它们液态流动性好、补缩能力强、铸造性能好、铸造缺陷少。但机械性能和机加工艺性能不如A356合金。

A356合金又分为A356.2、A356.1、A356.0，其化学成分，分别为下表：

二、熔炼温度和时间控制

A356合金大约在580℃时开始有液态出现，到640℃就可全部熔化，一般最高熔炼温度控制在760℃，铝液温度超过770℃，明显开始氧化，夹杂物和含气量大幅增加，凝固后组织晶粒也会粗大，铝液质量开始下降。所以，对A356合金的熔炼时，低温熔炼有利提高铝液质量，提高材料的机械性能。请看下图：

氧化物增量μg /c ㎡h

640 700 770 800 ℃温度→

温度对铝合金液氧化的影响

另外A356合金熔化时，时间不能太长，特别是在高温下保温时间太长，不利于铝液质量。浇注温度也不能太高，低压铸造浇注温度一般在685～710℃，重力铸造一般控制在730℃左右。

国内铝合金车轮生产厂家，凡采用低压铸造工艺，都用中间包转运铝液，并进行除渣除气，如中间包烤的不好，铝液在中间包降温很快，一般铝液出炉温度控制在760℃，也有控制在770℃，如果选好的烤包器，中间包温度可烤到600℃，这样铝液降温就慢，铝液可在740℃出炉。铝液质量就会大大提高，而烧损也少。 三、熔炼过程对环境水分控制

A356合金在熔炼过程中，空气含水蒸气的量，原材料含水量，炉膛和工具吸水量，精练剂和打渣剂含水量，旋转除气中氩气或氮气含水量，低压铸造机用的压缩空气含水量等等，这些都与铝合金液接触，都能与铝液起以下反应：

2Al （l ）+3H 2O （g ）=r-Al 2O 3+6[H]

这个反映比铝液和空气中的氧反应还激烈，当水含量为10-21时，上述反应仍然进行，即使铝液表面有氧化膜保护时，这个反应也能进行。由于此反应，使铝液中的渣和气的含量增加很快。通过计算可得1克铝液和1克水蒸气反应，可生成1.9克r-Al 2O 3和1224cm 3标准状态下的氢气。

另外使用不同的能源，燃气的气氛中含水蒸气量也不同。如果用电阻炉或工频炉，铝液面的含水量，就是空气中的含水量，潮湿季节为0.8%左右；如果用柴油或

天然气、石油液化气，燃烧的气氛中含水量为16%；如果用煤的气化炉产生的燃气熔炼铝，气氛中含水量为20%。燃烧气氛中含的水蒸气与铝液起强烈的反应，而生成r-Al 2O 3和氢气。

铝与其它金属不同的是：在660.37℃液态铝中含氢量变成660.37℃固态铝中含氢量相差19倍，在凝固过程中一定要有氢的析出。而2[H]→H 2，这就是铝合金易产生针孔的原因。如果先把液态铝中氢除的比较理想，变成固态的铝，针孔产生就少，若液态铝除氢达到2.63g/cm 3以上，其中氢含量达到0.036cm 3/100g ，就不能产生针孔。请看下图：

氢溶解度（c ㎡/100g A l ）

1.23

0.92 0.69

0.0360.005

400

660.37750 850 ℃ 温度→

温度对铝合金中氢溶解度的影响

因此，在熔炼过程中对环境中，如炉膛和工具、原材料、各种溶剂和周围的气氛中的水含量，必须严格控制，特别是对Sr 变质的铝合金液，更要严格控制，因为含Sr 的铝液可把与水反应生成的原子的氢，基本吸附到铝液中，使铝液凝固时产生针孔。

四、熔炼过程中铝合金与氧的反应

铝及铝合金与氧反应后所生成的氧化物存在形式，分为致密氧化物和疏松氧化物，致密氧化物不下沉，并起保护作用，而疏松氧化物要下沉，起不到保护作用。

按常用合金元素与氧的亲和力大小，可依次排列为下列顺序：

Be—Li—Mg—Na—Ca—Sr—Al—Ce—Ti—Si—Mn—Cr—Zn—Fe—Ni—Cu……

我们可按此次序，看看它们与Al反应生成氧化物的情况，其中Al以下的元素与氧亲和力比Al小的元素，在铝合金中为非表面活性元素，形成复杂的氧化物，其组织致密，对铝合金液起屏蔽保护作用，可防止铝合金液再氧化和吸气。所以，Al —Si合金、Al—Cu合金、Al—Zn合金可以不加覆盖剂在大气中熔化。但在Al之前的元素与氧亲和力比Al大，则在铝合金中是表面活性元素，它们与高温的炉气接触时，在Al之前先被氧化，所形成的氧化物膜组织疏松，对铝合金液无屏蔽保护作用。所以，Al—Mg合金就一定要在覆盖剂保护作用下，才能在大气中熔炼。只有Be的氧化膜是例外，它可充填MgO氧化膜的疏松间隙，使其致密层起保护铝合金液的作用。

4Al（l）+3O2 = 2r-Al2O3

此反应也很激烈，因为表面有保护层，显得反应不激烈，当新的界面一出现，迅速发生反应生成保护层。A356合金虽然也有Mg的含量，因含量低，铝的氧化层仍很致密，当Mg含量>1%时，保护层开始疏松，Mg含量越高，疏松越严重，当Mg 含量>4.5%时，保护层疏松开始严重，起不到保护作用。Al—Mg合金中Mg的最低含量为4.5%。所以Al—Mg合金熔炼时，要加覆盖剂。

五、A356合金熔炼时除渣除气过程

A356合金在熔炼过程中主要生成的夹杂物：r—Al2O3、MgO、SiO2和Al9Fe2Si2等，如果熔炼温度> 750℃时，也生成少量的α—Al2O3。同时还生成大量[H]，溶解在铝液中。在熔炼过程中还要想办法除去铝液中各种夹杂物和氢气。主要手段是扒渣、精练和用石墨转子旋转除气除渣。

㈠扒渣

用打渣剂（或除渣剂）撒在铝液表面，使渣水分离，将分离出的渣扒出炉外，因扒渣剂中有Na3AlF6（或K3SiF6），这种盐有强烈吸附Al2O3的能力，还有Na2SiF6（或K2SiF6），它可以与Al2O3和铝起下述反应：

3Na2SiF6+2Al2O3=2Na3AlF6+2AlF3↑+3SiO2

Na2SiF6 SiF4↑+2NaF

6NaF+Al=3Na+Na3AlF6

第一个反应可以吃掉一部分Al2O3，第三个反应使渣水分离，将渣扒出炉外，达到去渣的目的，同时还生成Na3AlF6，有强烈吸附r—Al2O3的作用，使渣和铝液得到分离。

㈡精练

A356合金熔炼过程，可分别在炉内精练和炉外精练，在炉内精练又分为喷粉精练、压入法精练、用CCl4精练；炉外精练指在中间包内精练过程，一般都采用石墨转子旋转除渣除气精练。

1、喷粉精练

靠喷粉装置用高纯氩气或氮气，将精练剂喷到铝液中进行精练。精练剂的主要成分为：NaCl、KCl、Na2SiF6、Na3AlF6、C2Cl6、Na2CO3等组成，其熔点要比铝液温度低，比重要比铝液轻，都不能与铝液溶解。Na3AlF6有强烈吸附Al2O3作用，Na2SiF6能吃掉一部分Al2O3，同时还能生成很多气体将渣和气带出液面，达到精练的目的。

2、压入法

用的精练剂为块状，主要成分是75%C2Cl6，25%的Na2SiF6，其化学反应为：

3C2Cl6+2Al=3C2Cl4↑+2AlCl3↑

C2Cl6 C2Cl4↑+Cl2↑

3Cl2+Al=2AlCl3↑