賀 偉

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司, 重慶 401133）

1 鋁合金分類

鋁合金按用途分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金包括日常使用的鋁合金門窗，航天飛機(jī)的機(jī)構(gòu)材料，根據(jù)不同使用要求可進(jìn)行熱處理和不進(jìn)行熱處理；另一類為鑄造鋁合金，主要包括鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金和鋁稀土合金等。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鑄造鋁合金根據(jù)各類化學(xué)元素含量多少進(jìn)行分類。熔煉過(guò)程需要根據(jù)實(shí)際的化學(xué)成分進(jìn)行添加或者減少原材料用量，有些廠家供應(yīng)的成品鋁錠已經(jīng)含有產(chǎn)品所需要的各種合金元素，熔煉過(guò)程基本不需要額外加入其他化學(xué)元素，不需要進(jìn)行配比直接熔煉成鋁液，也沒(méi)有加入的順序問(wèn)題，這類鋁合金適合結(jié)構(gòu)單一的產(chǎn)品。現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的是原材料為純鋁錠，熔煉過(guò)程根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)化學(xué)成分，優(yōu)點(diǎn)是可以熔煉不同牌號(hào)的鋁合金液，能夠適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求，產(chǎn)品類型多種多樣。對(duì)鋁合金進(jìn)行熔煉前，按照要求進(jìn)行配料，配料根據(jù)合金牌號(hào)，需要考慮新料﹑回爐料﹑中間合金中各種元素熔煉過(guò)程的燒損。

2 熔化過(guò)程

鋁合金熔煉中比較經(jīng)濟(jì)和常用的熔煉方式是燃?xì)鉅t熔化，要求：快速熔化﹑時(shí)間短﹑吸氣少。投料的順序不僅影響熔化效率與合金消耗，也直接影響鋁液質(zhì)量。投料的原則是：先小后大，先易熔后難熔，先少燒損后易燒損，最后進(jìn)行變質(zhì)。首先加入小塊的回爐料、熔點(diǎn)較低的鋁合金錠（如Al-Si合金），然后是體積較大、熔點(diǎn)較高的鋁錠和中間合金（如Al-Mn），Mg等容易燒損元素最后加入。小塊回爐料先投在爐底既保護(hù)爐體，減輕大塊爐料投料時(shí)對(duì)爐壁沖擊，又由于回爐料熔點(diǎn)較低易熔化，對(duì)于后續(xù)熔化熔點(diǎn)較高的原材料時(shí)可以提高熔化效率，最后降溫加Mg，降低減少燒損。國(guó)內(nèi)某些車輛配套企業(yè)在對(duì)鋁合金熔煉時(shí)就采用這種方式：先將熔化爐進(jìn)行預(yù)熱，到達(dá)預(yù)定溫度后開始投料，先加小塊回爐料墊底，然后加入大塊鋁錠，對(duì)于易燒損元素加入后直接壓入鋁液中熔化。

熔化是固體升溫變成具有流動(dòng)性的液體的過(guò)程，投料結(jié)束后，開始進(jìn)行熔化。在熔煉過(guò)程中，要保證熔化快速均勻，且靠近火焰處的溫度較高，達(dá)到1 200 ℃以上，為了避免局部過(guò)熱、溫度過(guò)高，致使鋁合金氧化嚴(yán)重對(duì)后期產(chǎn)品精煉帶來(lái)不便，在熔化過(guò)程應(yīng)進(jìn)行攪拌，將未融化爐料扒入鋁液中，使其基本全部浸入攪拌均勻，避免局部過(guò)熱。對(duì)最后浸入的Mg等元素，火焰不能直接加熱熔化，又因?yàn)殇X液浸入了原材料，使得溫度降低，保持Mg等元素在相對(duì)較低的溫度下熔化，減少了燒損，同時(shí)提高了燃燒效率。鋁合金在600 ℃左右開始熔化，升溫到660 ℃全部熔化，控制熔煉溫度不超過(guò)760 ℃。當(dāng)熔化溫度超過(guò)770 ℃時(shí)，鋁合金的氧化嚴(yán)重，熔煉過(guò)程的吸氫和夾渣增多，在澆鑄凝固過(guò)程出現(xiàn)晶粒粗大，降低機(jī)械性能。為了減少鋁合金在熔化過(guò)程的氧化，在熔煉過(guò)程加入0.4%～0.5%的覆蓋劑，保護(hù)鋁合金表面氧化膜不會(huì)被破壞，覆蓋劑的種類與清渣劑化學(xué)成分差不多。

熔煉過(guò)程溫度控制在720～760 ℃，待鋁錠熔化部分后，加入熔點(diǎn)較高原材料如Si元素及Ti劑，Ti在合金中形成異質(zhì)晶核，起到細(xì)化組織作用，將其壓入鋁液中熔化，減少燒損。鋁錠基本熔化完全后加入易燒損元素Mg﹑Cu等類合金元素，不能加入太早，減少燒損，也不能太晚，影響擴(kuò)散產(chǎn)生偏析，關(guān)閉爐門繼續(xù)熔煉。熔煉完全后，鋁合金表面有很多浮渣，主要是Al2O3和其它氧化物夾渣，這些細(xì)小的夾渣比鋁液重，但聚集結(jié)塊后比重輕，漂浮在表面，需要進(jìn)行清渣。清渣劑的用量按照0.2%～0.5%加入，均勻?yàn)⒃阡X液表面，并進(jìn)行淺度均勻攪拌。把渣扒在爐門，關(guān)上爐門靜置，一方面清渣劑有發(fā)熱效果，可以熔化粘附在浮渣上面的鋁液；另一方面可以有效使渣與鋁液分開，有利于扒出鋁渣，靜置幾分鐘后平穩(wěn)將爐門口鋁渣扒出。鋁合金熔煉是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，不同元素由于燒損程度不一致，在扒渣后將鋁液轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)澆包之前，需取樣進(jìn)行理化分析，保證每種元素在合格范圍內(nèi)才能放水進(jìn)入轉(zhuǎn)澆包除氣精煉，反之不合格則需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 精煉過(guò)程

鋁合金熔煉過(guò)程要對(duì)鋁液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)處理在精煉前進(jìn)行，鋁液從熔化爐轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)澆包前，在爐底加入變質(zhì)劑，以合金的方式加入，不直接加入變質(zhì)元素，常用鋁鍶合金桿作為變質(zhì)劑。Sr為長(zhǎng)效變質(zhì)劑，變質(zhì)時(shí)間可持續(xù)6～8 h，使得粗大片狀硅細(xì)化，成為細(xì)小組織，進(jìn)一步改善機(jī)械性能，這種變質(zhì)效果比在熔煉爐里加入進(jìn)行變質(zhì)效果好，可以減少燒損及衰退。Sr在爐底融化后，利用旋轉(zhuǎn)除氣進(jìn)行攪拌均勻，減輕偏析，Sr變質(zhì)后的鋁液吸氫比較快，產(chǎn)生針孔多，精煉后停留時(shí)間不能太長(zhǎng)，超過(guò)1 h需要重新測(cè)氫合格后才能使用。鋁液在轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)澆包后，撒入清渣劑，深度攪拌，打出渣灰。測(cè)量鋁液溫度是否能達(dá)到精煉溫度，溫度過(guò)高，需要加入回爐材料降溫，溫度較低需通電升溫，精煉溫度控制在720～740 ℃。直到調(diào)整合格后再在表面撒入少量清渣劑，除氣精煉主要是除氣除氫，由于第一次深度攪拌已經(jīng)除去大部分夾渣，但內(nèi)部還有少量鋁渣，所以第二次撒入少量清渣劑。

除氣旋轉(zhuǎn)精煉常用的方式是除氣精煉和噴粉精煉，原理是向爐底通入惰性氣體或者精煉劑，精煉劑很輕，惰性氣體或者精煉劑從爐底噴出開始上升，上升過(guò)程帶走鋁液中的氫和浮渣，從而達(dá)到凈化鋁液的目的。除氣精煉用到的除氣機(jī)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)法蘭盤，法蘭盤與石墨轉(zhuǎn)子連接轉(zhuǎn)動(dòng)。一般的石墨轉(zhuǎn)子壽命比較短，容易腐蝕斷裂，對(duì)此，石墨轉(zhuǎn)子在高溫高壓下浸入一種介質(zhì)，再燒結(jié)固化，提高其使用壽命，這類石墨主要依靠進(jìn)口，成本高。

旋轉(zhuǎn)噴粉精煉效果比較好，但容易堵塞石墨轉(zhuǎn)子，生產(chǎn)中多采用通入干燥惰性氣體或者高純度氮?dú)膺M(jìn)行精煉，氣體接到法蘭盤上，法蘭盤在電機(jī)帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，石墨轉(zhuǎn)子隨著法蘭盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為400～600 r/min，惰性氣體（氬氣）流量控制在 15～25 L/min，氮?dú)鉃?20～40 L/min，壓力（0.4±0.1）MPa。操作過(guò)程先打開氣閥，然后緩慢下降除氣機(jī)，直到除氣機(jī)石墨轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)澆包爐底距離為100～150 mm，最后開起電機(jī)，開始除氣精煉，精煉時(shí)間為10～20 min。為了避免鋁液由于石墨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生漩渦，在石墨轉(zhuǎn)子的一側(cè)或者兩側(cè)安放阻流板，減少旋轉(zhuǎn)過(guò)程鋁液紊流。石墨轉(zhuǎn)子除氣時(shí)保證氣泡細(xì)小、分散度高、效果好，這樣既可保證除氣效果，又不會(huì)出現(xiàn)氣泡撐破表面氧化膜產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，避免二次吸氣。除氣完成后，關(guān)閉電機(jī)，提升石墨轉(zhuǎn)子離開液面，然后關(guān)閉氣閥。由于除氣前表面加入了清渣劑，除氣過(guò)程產(chǎn)生鋁渣漂浮在表面，需要打出渣灰，用專用工具在轉(zhuǎn)澆包中舀出濾液，建議距液面50 mm以下，快速平穩(wěn)倒入兩個(gè)專用坩堝中。其中一個(gè)坩堝在常壓下凝固；另一個(gè)坩堝快速蓋上鐘罩抽真空，真空壓力必須達(dá)到8 MPa，抽真空時(shí)間為3～4 min，放入水中冷卻，取出擦干，按先常壓后抽真空進(jìn)行密度當(dāng)量測(cè)量，密度當(dāng)量越小，鋁液含氫越低，除氣精煉效果越好，根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)密度當(dāng)量有不同的要求，密度當(dāng)量不合格需重新精煉。

密度當(dāng)量：DI=（ρ-ρ1）/ρ

式中：ρ為常壓下密度；ρ1為真空下密度。

精煉過(guò)程同時(shí)伴隨元素的變化，如A356在生產(chǎn)過(guò)程中，除氣前變質(zhì)劑Sr加入量為0.025%，精煉除氣后Sr含量在0.012%～0.02%，在鑄件中Sr含量為0.008%～0.018%。精煉后需要進(jìn)行理化分析，不合格需要進(jìn)行調(diào)整，密度當(dāng)量及理化分析都合格后撒上覆蓋劑。覆蓋劑的作用是隔絕空氣，防止氧化，在停留時(shí)間較短的情況下，可以不需要撒入覆蓋劑，最后轉(zhuǎn)入前，把覆蓋劑清理干凈使用。

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[2]唐劍.鋁合金熔煉及鑄造技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2009.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)編.鑄造手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4]熊星之. 石墨型低壓鑄造12VE230船用柴油機(jī)鋁合金缸蓋[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),1997（3）.

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