铸造铝合金熔炼工艺研究 廖浩然

铸造铝合金熔炼工艺研究廖浩然

发表时间：2019-05-17T16:47:44.753Z 来源：《电力设备》2018年第34期作者：廖浩然

[导读] 摘要：在日常生产时，对于铝合金的熔炼工艺会直接影响铝合金的金属元素成分、元素组织状况，从而改变铝合金的化学性和物理性能，为了让铝合金可以获得较强的力学应用性，必须优化其熔炼工艺。

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摘要：在日常生产时，对于铝合金的熔炼工艺会直接影响铝合金的金属元素成分、元素组织状况，从而改变铝合金的化学性和物理性能，为了让铝合金可以获得较强的力学应用性，必须优化其熔炼工艺。本文主要从炉料选择到工艺流程设计再到后期的精炼加工进行充分研讨，研究与其性能相适合的方式，最终保证其性能完善。

关键词：铸造铝合金；铝合金熔炼；熔炼工艺

铝合金在航空铝合金构件、铝箔、铝带等领域都有十分广泛的应用，尤其是随着社会经济与科学技术的不断发展进步，铝合金的应用也越来越广泛。铝合金铸造过程中，实现洁净的铝合金溶体获取以确保铝合金铸件质量效果，是铝合金铸造熔炼的核心，而实现洁净的铝合金溶体获取的最为常见并且有效的手段之一就是溶体精炼。

1 ZL109A 铝合金的基本特征

ZL109A 铝合金是这几年我国相关材料学工作者和冶金部门，在以往的 Si-Cu-Al 合金基础上，通过添加 Na、Mg、Be、Cd、Ti等多种合金微量化学元素，所研究开发形成的一种新型的，具有高强度、高适应性、耐高温的优质铝合金。这种铝合金本身具有极强的综合性力学性能和良好的后期铸造重塑性，因此被许多大型冶金工厂所引进用于铸造许多复杂关键的铝合金机械工程零件。

2 铸造铝合金熔炼工艺的动力学原理

结合铸造铝合金气孔成因和机制可知，在铝合金铸造熔炼加工中，为防治气孔产生，可以从防、排、溶等方面通过除气排杂方式，在防止水分子进入铝合金熔炼的溶液中以及防止铝合金进行氢气吸收、排除进入铝合金熔液中的氢气以及氧化物、尽量使铝合金熔液中氢气在金属结晶过程中溶解与铝合金基体内部等方式，减少铝合金铸件气孔产生。由于铝合金铸造熔炼加工中，进行铝液熔炼时，铝液中溶解的氢原子处于向熔炼气泡迁徙以及被吸附后与氢分子结合进入气泡并上浮游逸出铝液的动力学变化过程，也是铝液中氢的扩散与被气泡吸附变化过程。而结合铝液中氢的扩散与被气泡吸附变化的动力学过程，为改善其动力学变化的条件，加快铝液熔炼的速度，不仅需要增加铝液中气泡数量，加大铝液与气泡的有效接触比面积，同时需要尽量减小气泡的直径，以不引起铝液表面飞溅为前提增加气泡在铝液内的运动变化速度，从而加强气液表面更新率，提高其传质系数。此外，还可以通过尽量白痴气泡在铝液均匀分布，或者是延长气泡在铝液中的上浮游逸路程以及使用高纯度的惰性气体或者是不溶于铝液的活性气体、真空条件下进行铝液熔炼加工等方式，实现铝液熔炼工艺的改善，减少铝合金铸件气孔产生。

3 铝合金熔炼前的准备工作

3.1 熔炼炉料和相关工具

对 ZL109A 铝合金熔炼工艺的研究必须建立在充分认识其物理性和化学性的基础上。经过分析探测可以确定，ZL109A 铝合金的主要合金元素和微量合金元素总共有九种，属于复杂成分合金，所以必须合理协调和元素之间性能，寻找平衡点，在满足其改造性的同时，释放其固有的物理性能，最终完成对 ZL109A 铝合金的熔炼升级。物理性能，最终完成对 ZL109A 铝合金的熔炼升级。

3.2 Fe 元素的稀释

根据以往的熔炼经验 Fe 元素是合金熔炼中威胁性最大的元素之一。一旦超量流入铝合金元素，就能在合金中生成 FeAl3、FeSiAl2、Al3Si2 多种具有脆化作用的铁化合物，严重影响合金物理性能，所以熔炼合金一项重要的工作就是降低合金中 Fe 杂质的含量。根据实验可知，Fe 元素大多伴随坩埚、合金熔炼器械以及熔炼炉料进入熔炼合金中，所以必须提前对熔炼坩埚进行涂料翻新处理。合金熔炼器械尽量以石墨灰为主要材料进行制造，尤其是在合金熔炼变质和细化处理时，一定要使用纯石墨制造的金属钟罩和盐勺，因为熔炼添加的细化剂和变质剂具有极强的氧化性和腐蚀性，如果与任何含铁元素的工具接触，会直接吸收大量铁元素，并融入合金中。除此以外，加强熔炼炉料的纯度，也可以有效降低铁元素流入量。传统铸造铝合金含铁量≤ 0.15，但是高纯铝中铁元素含量≤ 0.003，所以不难判断，在熔炼过程中适用高纯铝可以有效降低铁元素含量。与之相似的还有 Al 的选择。无论是工业用的冶金 Al 还是化学用的 Al2Mg，均含有较高 Fe 元素。所以本次研究的熔炼工艺选择了电子工业生产中的单晶 Al 料头，这种 Al 料头纯度极高，最高可以达到光谱级别，可以有效降低 Fe含量。除此以外，类似常见的 Mg、Cd、Ti、Be、Na、Zn 等元素的流入不会影响铁元素含量，所以可以忽略。

4 铝合金熔炼流程与关键技术

4.1 熔炼流程

在熔炼过程中，所加入的 Mg、Zn、Cd 元素会在合金精炼时，与其产生的 C2Cl6（六氯乙烷）产生化学反应并伙同 Cl 元素稀释 Mg 元素，Cd 元素也会随着高温精炼而持续减少。为了保证 ZL109A 铝合金微量合金元素含量，可以在C2Cl6 静置半小时后再进行后续操作，同时整个操作过程不要超过 2小时，尽量缩短时间也可以减少熔炼吸气含量和铁元素进入概率。在整个熔炼过程中，由于炉料高温等各种化学反应生成，熔炼坩埚以及其他熔炼工具难以避免的会使熔炼合金体重出现各类杂质。在液态铝合金中还会出现许多熔炼气体，其中以氢气最为常见，所占比重也最高，约占总量的 80%~95% 左右。而精炼的核心目的，就是对 ZL109A 铝合金进行再次提纯，去除液态铝中的各类杂质和气体，从而获得纯度更高的金属液态铝。通过实验证明，C2Cl6（六氯乙烷）对液态铝的提纯效果最优。在上述反应中，C2Cl4 和 AlCl3 均为气态，在液态铝中以气泡的方式慢慢浮出，最终离开液面，从而达到精炼合金的目的。C2Cl6（六氯乙烷）的用量可以参考合金液体总重量，一般在 6%到 10% 即可。精炼时，温度最好控制在 750 摄氏度左右。

4.2 熔炼技术

铝合金铸造精炼工艺主要以吸附法与非吸附法两种技术类型为主，其中吸附法是通过精炼剂的吸附氧化作用，对铝合金熔液中的氧化夹杂以及表面依附氢气进行清除，实现铝液净化，减少铝合金铸件气孔发生；而非吸附法则是通过物理或者是化学作用实现铝液净化，其作用在整体铝液中。比较常见的铸造铝合金吸附精炼工艺技术有浮游法和熔剂法、过滤法等，其中，浮游法中，由于氮气价格成本较低，在铝合金精炼加工中应用相对较早，但局限性作用也比较明显，比如，通过浮游法进行铝合金熔液精炼加工时，为避免大量氮化物夹杂生成，对精炼温度要求较低，导致铝液中氢的扩散运动受到影响，同时氮作为通入气体对氢的吸附有限，导致铝液精炼的效果并不十分明显