10：铝合金熔炼实验有色金属冶金学复习课程

10：铝合金熔炼实验有色金属冶金学
铝合金熔炼实验
参考：铝合金熔炼与制备，广东科技出版社，罗启全，2003
小注：以形变铝合金7055为例
一实验目的和意义
在铝合金生产中，熔炼是一个非常关键过程，它直接影响最终产品的质量。

通过本次实验，要求达到以下目的：
1．掌握铝合金配料、熔炼过程；
2．了解铝合金熔炼中精炼的必要性和原理；
3．了解铸造铝合金熔炼中变质的必要性和原理；
二实验原理及方法
铝合金的熔炼与铸造多数都在敞开的大气中进行，熔融铝液直接与空气接触，铝容易氧化成氧化铝夹杂存在于铝液中。

此外高温铝液会和H2O（来自空气或工具、原料中的吸附水）发生反应，生成[H]溶解在铝中。

这些气体和杂质会对铝合金内部及其表面质量、物理性能、力学性能、铸造工艺性能等产生很大的影响。

和炉气中的N2、CO、H2O、CO2、H2等气体接触，造成铝合金吸气；此外，固态时吸气少，随着温度的升高，溶解度缓慢增加，当达到金属或合金的熔点时，溶解度突然急剧增加，当金属或合金熔化后再升温，则溶解速度更快，这是因为熔融金属或合金与大气发生非常活泼的化学反应。

铝合金熔炼过程要按照目标合金需求加入合金元素。

对于形变铝合金，比如7055，需要加入Cu、Zn、Mg等；合金主要成分为：Al-8.5%Zn-2.4%Cu-
2.2%Mg。

选用原料是纯Zn、纯Cu、Al-48%Mg中间合金。

操作顺序：
●烘烤原料：将配好的纯Zn、纯Cu、Al-48%Mg中间合金在烘箱中烘烤到
200~300℃，充分去除水分；
●熔化纯铝：在电阻炉中熔化纯铝，过热到710~720℃。

●添加铜锌：先加Cu，靠自重（密度8.9g/cm3）沉入铝液底部，然后加入Zn,
为防止Zn的剧烈氧化，要直接压入熔体内部。

通过搅拌促进合金溶解。

●熔体精炼：熔体温度710~720℃时加入精炼剂对熔体进行精炼处理，加入量
占铝液质量的0.2~0.5%，通过压入和搅拌促进精炼过程。

静置5-10min后
清渣。

●加Mg：为防止Mg的挥发，要在浇注前约690-700℃加入AlMg中间合
金，搅拌促进合金溶解。

●浇注：升温到720℃，将熔体浇入预热过的金属模具或石墨模具。

铝合金制
备完成。

附注：对于铸造铝合金，比如A356，需要加入Si、Mg等；合金主要成分为：Al-7%Si-0.4Mg。

在浇注前要进行变质处理，即在720℃左右加入 1.5-2.5%的变质剂，覆盖10min，结块后压入搅拌3-5min，总时间为15-18min，最后通过清渣剂去除。

如果不经过变质，会在组织中出现长针状的Si相；采用Na盐变质后，会改变Si相形貌和尺寸。

三设备和材料：
设备：熔铝炉（或感应炉）
工具：电子天平（配料用）、石墨坩埚、搅拌棒、石墨钟罩、坩埚钳
原料：纯铝纯铜、纯锌、AlMg中间合金、精炼剂、清渣剂
其他非金属材料
[1]涂料：保护坩埚、工具和模具不被合金液粘结，防止其成分渗入或污染铝
液。

选择用石墨粉，将其和水玻璃混合。

在熔炼工具的表面喷涂0.5-1mm
厚，然后烘烤才可以使用。

[2]精炼剂：使用氯盐与铝液反应生成AlCl3气体，吸附悬浮的氢气泡和氧化物
夹杂。

a)氯盐精炼剂：ZnCl2（熔点365℃，沸点732℃）
2Al+ZnCl2＝3Zn+2AlCl3（沸点183℃）
AlCl3+2/3H2＝Al+3HCl
加入量为铝液质量的0.1-0.2％，精炼温度700-720℃
b)还有C2Cl6适用于铝硅合金和铝铜合金，是铸造铝合金厂应用最多的精
炼剂.
c)
使用中会有刺激性味道。

[3]变质剂：使得共晶硅变质：由针状、板片状变成多面生长，消除初晶硅三
元变质剂：NaCl 62％，KCl 13％，NaF 25％熔点606℃，
6NaF+Al＝Na3AlF6+3Na
其他的有：稀土
变质处理温度范围750℃
[4]浇注：Al-8.5%Zn-2.2%Mg-2.4%Cu-0.2%Z注温度范围710~720 ℃
四实验操作步骤
7055合金的熔炼温度控制在720℃~740℃范围内。

●熔铝：以纯铝作为熔炼基体，在30kW的井式电炉中熔化全部铝，并在740℃时恒温；
●加Cu、Zn：然后加入预热到200~300℃的结晶Cu、Zn、Al-Zr（Zr含量3%）中间合金。

因金属块密度大，靠自重下沉。

因为Zn容易挥发，所以加入时要压到底部；
●精炼清渣：静置1~2min，用炉料总重量0.4%的精炼剂(主要成分C 2Cl6)一次性地用钟罩压入熔体中，静置时间3~5min，在熔体液面上均匀撒上粉状清渣剂，以促使多余精炼渣与熔体分离，扒渣、
●加Mg：降温到680~700℃，用钟罩将预热到200~300℃的Al-Mg合金（Mg含量50%）压入熔池中心，并缓慢回转移动。

●浇注：取出烘烤后的模具，当熔体温度在710-720℃时，扒渣出炉，快速浇注。

四实验记录和数据整理
1.记录7055合金的成分配比：
资料：
2.通过流程图记录铝合金熔炼过程；
铝合金熔炼的流程：
准备金属炉料——准备非金属材料——选择并准备熔炼、保温炉及工具（坩国钳、坩埚、搅拌棒）——装炉及熔化——精炼合金液——脱氧或扒渣——变质处理、细化晶粒——静质保温——浇注（温度一般720℃）
要求划出带框的流程图
流程图示例
3.记录铸态7055合金组织和结晶相形貌。

200倍1000倍
（a）铸态组织金相照片（b）铸态组织扫描电镜图
（c）晶界处结晶相形貌和能谱分析结果
铸态7055合金的凝固组织图和成分分析图
五思考题
1．为什么要对铝合金进行精炼处理？分析对精炼剂的要求？
吸气和夹杂，航空航天工业材料要求H2《0.1mL/100g；一般材料要求《0.15-0.2mL/100 Al。

当吸气和产生夹杂后，合金液的纯度降低，流动性变差，会造成多种浇注缺陷，影响后续力学性能和加工性能。

精炼目的是排除气体和夹杂。

2.分析对精炼剂和变质剂的要求有哪些？
对精炼剂要求：
冶金性能：除杂脱气速度快，效果好
安全性能：毒性小或无毒
副作用：带入的杂质少：非金属夹杂物；碱（碱土）金属含量少。

对变质剂要求：
①冶金性能：变质速度快，变质效果持久稳定，多次重熔后仍然能保持变质效果
②物理性能：能降低形成功，使得晶核容易生长在外来的晶种上；熔点介乎于变质
温度与浇注温度之间，变质处理时处于液态，且变质处理后容易上浮结渣，浇注时变成渣便于扒除。

③能在合金液内弥散分布，以使得其能迅速于合金液中某一成分或杂质形成非金属
氧化物或金属间化合物质点作为晶种，且其密度应与合金液相近；
④副作用：使用中不产生对人体和环境有害的气体等。

3.查阅文献，了解铝合金中硅相变质机制，目前常用变质剂有那些，效果如何？作
为参考学习，不必写入实验报告
1)对于硅含量在5-13%的亚共晶、共晶型铝硅合金，通过加入变质剂使得共晶
硅与α固溶体的晶粒细化，加入Na Sr Sb来组织先析出粗大Si晶体而先生
成树枝状α固溶体，使得合金液过冷，达到共晶硅晶体与α固溶体结晶细化的目的。

当采用任何一种方法做变质处理后，亚共晶、共晶型铝合金原来的立方平板状晶粒变成细粒状，失去银白色泽，呈浅灰色，并有明显花纹，综合
性能改善，导电率提高。

2)对于过共晶型铝硅合金主要细化其初晶晶粒，把原来的板状初晶硅及粗大针
状共晶硅晶粒变成细粒状，以提高性能，采用含赤磷的成品细化剂（SR813
与SR814），变质效果好，并配有起缓冲作用的KCl和K2TiF6，减少吸气和夹杂，也可以加入As与S来变质。

3)金属钠对铝硅合金的共晶组织有细化作用，使共晶硅结晶有短园针状变成细
粒状，降低共晶温度，增加过冷度，细化晶粒，成本低，适合批量小要求不高的产品。

但Na是活泼元素，氧化烧损剧烈，变质合格率低；
5)SR810锶盐长效变质剂与SR811金属型锶复合变质剂，比钠盐效果好，长效
变质，而且对坩埚腐蚀小；中间合金采用铝锶中间合金或锶盐对亚共晶共晶型铝硅合金进行处理，合格率为80-90% 。

形变铝合金常用变质剂种类：
1)Al-4%Ti中间合金块，钛是细化效果一般的元素，看有效细化晶粒防止铸造
裂纹，细化效果虽然没有钛硼熔剂好，但仍可达到一级晶粒效果；
2)Ti-B添加剂：细化效果非常好
3)Al-Ti-B丝：是一种最先进细化晶粒的现代科技方法，细化效果好，细化剂
试剂使用率高，细化后的组织均匀，无粗细晶粒交错的混晶区。