探究铝合金熔炼工艺与质量控制

探究铝合金熔炼工艺与质量控制

冯树芳

身份证号码：150428197610100037

摘要：在日常生产中，铝合金冶炼过程会直接影响铝合金的金属元素组成和元素结构，从而改变铝合金的化学和物理性能。如果想使铝合金具备很强的机械适用性，要不断优化熔化工艺。本文对铝合金熔炼工艺流程设计和精炼工艺进行了讨论，并研究了提高其性能的适当方法。

关键词：铝合金熔炼；熔炼工艺；质量控制

引言

铸造铝合金是用熔融金属填充模具以获得各种形状的坯料的铝合金。在铝合金铸造过程中，获得清洁铸造的铝合金可以保证铝合金铸件的质量，也是铝合金铸造熔炼的核心，而熔体精炼是做到清洁铸造铝合金最常见、最有效的手段之一。

1. 铝合金分类

铝合金按用途分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金涵盖日常使用的铝合金门窗和航天飞机机械材料，可参照不同要求进行热处理。而铸造铝合金主要有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金和稀土铝合金等。在实际生产过程中，根据各种化学元素的含量对熔融铝合金进行分类。在铸造过程中，应当参照实际化学成分添加或减少原材料的用量。一些制造商予以的成品铝锭已经含有产品所需的几种合金元素。在熔炼过程中，基本不应当需要添加其他化学元素，也不应当需要借助配比直接熔炼铝液，这种铝合金适用于结构单一的产品。目前选用最多的原材料是纯铝锭，在铸造过程中参照结合实际生产应当需要调整化学成分。优点是能够熔炼不同等级的铝合金液，能够满足不同产品的需求，产品种类繁多。在熔化铝合金之前，一定要按要求准备配料，并根据合金牌号考虑新材料、再生材料和主要合金中各种元素的烧损。

2. 铝合金熔炼流程与关键技术

2.1熔炼流程

在铸造过程中，添加的Mg、Zn和Cd元素会与合金精炼过程中形成的C2Cl6（六氯乙烷）发生反应，将Mg元素与Cl元素一起稀释，Cd元素会随着时间的推移高温精炼而不断减少。为保证ZL109A铝合金中合金化微量元素含量，可在C2Cl6静置半小时后再开展后续操作，整个操作过程不超过2小时。在整个铸造过程中，鉴于炉料的高温和铸造坩埚等铸造工具的各种化学反应，不可避免地会导致铸造合金重量中的各种杂质。液态铝合金熔融气体的种类很多，其中氢气最为常见，占比最大，约占总量的80%～95%。精炼的主要目的是对ZL109A铝合金再次提纯，除掉铝液中的各种杂质和气体，从而获得更高纯度的铝液。实验表明，C2Cl6（六氯乙烷）对铝液的净化效果最好。在实际反应中，C2Cl4和AlCl3都是气态，以气泡的形式缓慢漂浮在铝液中，最后远离液面，从而达到精炼合金的目的。C2Cl6（六氯乙烷）的用量需要参考合金液的总重量，一般为6%～10%。精炼时，温度最好控制在750摄氏度左右。

2.2 熔炼技术

铝合金熔炼技术主要有吸附式和非吸附式两种。吸附法借助精炼剂的吸附和氧化作用，去除附着在铝合金熔液表面的氧化物和氢夹杂物，从而净化铝合金熔液，减少铝合金熔炼中气孔的出现。非吸附原理是借助物理或化学作用净化铝液，作用于所有铝液。铝合金熔炼常用的吸附精炼技术有浮游法、流动法、过滤法等。其中，浮游法鉴于操作简单，氮气成本低廉，在铝合金精炼中的应用相对较早，但其局限性也很明显。例如，采取使用浮游法精炼铝合金时，为避免逐步形成大量氮化物夹杂物，精炼温度一定要低，这影响了铝液中氢的扩散。同时，氮对入口空气中氢气的吸附有限，从而致使铝液精炼效果较弱。此外，用来充当原料气的氯和氯化物在实际应用中存在明显的局限性，从而致使该技术在精炼铝液方面的局限性突出。在非吸附精炼技术中，主要采取使用真空处理技术、超声波处理技术、加压结晶、直流电、钛屑处理、旋转电磁场处理、氢固化化学处理等技术。

2.3 低温熔炼工艺

（1）蒸发的物理现象在冶炼过程中始终存在，金属的蒸发主要取决于其蒸气压。在与熔炼过程相同的条件下，蒸气压大于铝的物质很容易蒸发，如锰、锂、镁、锌、钠、镉等的蒸气压比铝高，容易蒸发，在铸造过程中造成更多的损失。低温铸熔炼技术能够减少这些元素的蒸发和金属损失，同时带入炉内的粘合剂、涂料和其他低熔点物质也会及时蒸发。

（2）废铝件通常有很多嵌体，这些嵌体是非铝部件，主要由铁或铜合金制成。如果在铸造过程中不及时取出，会在铝合金中添加一些有害成分（如铁、铜等）。因此，借助低温熔炼很容易控制铝合金的化学成分，即当铝屑熔化时，能够及时去除废铝件上的嵌体。

（3）随着温度的升高，铝合金熔体致密的氧化膜被破坏，铝水的反应速度大大加速。容易出现水涝、过氧化、晶粒粗大和铸锭表面开裂等问题。根据铝合金牌号的不同，临界点在700～720℃之间。当温度达到900℃时，氧化膜就不再起作用，造成熔体“过烧”，低温熔炼技术能够减少或防止这些现象。

3. 铝合金熔炼的质量控制措施

3.1合理配比熔炼材料

（1）精炼剂重量控制。一般铝合金在750℃的高温下熔化，不同的化学元素会形成一定的氧化物或杂质，从而致使熔化物的损失。例如，铝的燃烧率为1.0～1.5%，锌为1～3%，镁为2～4%，铜为0.5～1.5%。结合熔料中各种化学元素的烧损率，计算出铝合金材料的烧损率在2-4%，并据此确定添加精炼剂的量，铝合金材料烧损质量的10-15%，以确保铸铝的质量符合标准。

（2）炉料比例控制。再生料分为一级、二级、三级，其中一级是指铸轧板头，可直接用于炉内冶炼。二次再生料是指厚度大于0.32mm的铝板，通过下一道工序轧制而成，三级废料是厚度为0.32mm的铝板。再生料一定要控制在20-40%，所有再生料一定要是初级材料，二次废料10-20%，三次废料5-10%。

3.2控制熔液含氢量

在铝合金铸造中，如果熔体中的氢含量超标，铝合金的气密性和力学性能就会降低。为了解决这个问题，一定要严格控制熔体中的氢含量。具体控制措施如下：按铸造工艺要求检查配料的比例和质量；用涂层剂处理铸铁工具；控制熔化温度，避免因高温吸入熔化的液体。加入精炼剂前，精炼剂一定要完全干燥；向熔融铝中加入惰性气体以快速释放氢气并降低氢气含量。常用的惰性气体涵盖氮气和氩气。结合实验研究，仅选用氩气就能够有效去除氢气，降低熔融铝合金的密度，但同时会提高25%以上的脱气成本。因此，综合考虑铸造成本、脱气效率、密度比等因素，可使用70%氮气+30%氩气，将铝合金熔液的密度控制在2.5以内。

3.3控制熔炼常见质量缺陷

（1）针孔缺陷控制。在铝合金铸造中，如果出现铸模烘烤不足、铸造时间过长、精炼工艺不当、精炼环境湿度过大等问题，铝合金就会出现针孔缺陷。在预防和控制针孔缺陷时，可采取以下措施：将熔接工具彻底干燥；适当缩短熔炼时间，确保熔炼工具在短时间内快速均匀受热；变质后，应放置15分钟后再浇铸。

（2）控制氧化夹渣缺陷。在铝合金冶炼中，如果出现返料比过高、炉料质量差、残渣、变质后等待时间不足等问题，金属液中会含有氧化渣，降低铝合金的质量。在氧化夹渣缺陷的防治中，可采取以下措施：进行炉料吹砂，彻底去除氢气和杂质；控制变质后熔体的静置时间，直至熔渣浮于熔体表面或沉至熔体底部。

结束语

总之，铝合金普遍作用于铝合金构件、铝板、铝带等领域，尤其是随着社会经济和科学技术的不断发展和进步，铝合金的应用越来越广泛。同时，在铝合金铸件质量控制中，一定要充分考虑质量控制成本，妥善处理质量成本比，优化现行质量控制措施，同时不断改进铝合金冶炼工艺，充分发挥质量管理的效益。

参考文献

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