铝合金熔炼与铸造工艺
规范与流程
Revised by Chen Zhen in 2021
铝合金熔炼与铸造工艺规范与流程
资料来源：全球铝业网铝业知识频道一、铝合金熔炼规范
（1）总则
①按本文件生产的铸件，其化学成分和力学性能应符合GB/T 9438-1999《铝合金铸件》、JISH 5202-1999《铝合金铸件》、ASTM B 108-03a《铝合金金属型铸件》、GB/T 15115-1994《压铸铝合金》、JISH 5302-2006《铝合金压铸件》、ASTM B 85-03《铝合金压铸件》、EN1706-1998《铸造铝合金》等标准的规定。
②本文件所指的铝合金熔炼，系在电阻炉、感应炉及煤气（天然气）炉内进行。一般采取石墨坩埚或铸铁坩埚。铸铁坩埚须进行液体渗铝。
（2）配料及炉料
1）配料计算
①镁的配料计算量：用氯盐精炼时，应取上限，用无公害精炼剂精炼时，可适当减少；也可根据实际情况调整加镁量。
②铝合金压铸时，为了减少压铸时粘模现象，允许适当提高铁含量，但不得超过有关标准的规定。
2）金属材料及回炉料
①新金属材料
铝锭：GB/T 1196－2002《重熔用铝锭》
铝硅合金锭：GB/T 8734-2000《铸造铝硅合金锭》
镁锭： GB 3499-1983《镁锭》
铝铜中间合金：YS/T 282-2000《铝中间合金锭》
铝锰中间合金：YS/T 282-2000《铝中间合金锭》
各牌号的预制合金锭：GB/T 8733-2000《铸造铝合金锭》、JISH 2117-1984《铸件用再生铝合金锭》、ASTM B 197-03《铸造铝合金锭》、JISH 2118-2000《压铸铝合金锭》、EN1676-1996《铸造铝合金锭》等。
②回炉料
包括化学成分明确的废铸件、浇冒口和坩埚底剩料，以及溢流槽和飞边等破碎的重熔锭。
回炉料的用量一般不超过80％，其中破碎重熔料不超过30％；对于不重要的铸件可全部使用回炉料；对于有特殊要求（气密性等）的铸件回炉料用量不超过50% 。
3）清除污物
为提高产品质量，必须清除炉料表面的脏物、油污、废铸件上的镶嵌件，应在熔炼前除去（可用一个熔炼炉专门去除镶嵌件）。
4）炉料预热
预热一般为350～450℃下保温2～4h。Zn、Mg、RE在200～250℃下保温2～4h。在保证坩埚涂料完整和充分预热的情况下，除Zn、Mg、Sr、Cd及RE等易燃材料外的炉料允许随炉预热。
（3）精炼剂准备
①铝合金的精炼一般采用六氯乙烷、DSG铝合金除渣除气剂、铝精炼剂ZS-AJ 01C等精炼剂。
②六氯乙烷使用前，置于熔炉旁预热。
③ DSG铝合金除渣除气剂、铝精炼剂ZS-AJ 01C等精炼剂，存放时要防止吸潮，使用前应置于熔炉旁预热。
（4）坩埚及熔炼工具的准备
①新坩埚使用前应清理干净（可采用吹砂或其它方法），然后加热到600～700℃,保持30～60min，再降温到200～300℃，开始喷刷涂料。
②即将使用的坩埚和熔炼工具应用钢丝刷、铁铲、錾子等工具去除坩埚和熔炼工具表面的氧化物、熔渣等污物，并预热到200～300℃，然后在与合金液接触部分的表面喷刷涂料。
③喷刷涂料后，坩埚应预热到500～600℃，其它熔炼工具应预热到200～300℃待用。
④喷刷涂料后的使用时间，以涂料不脱落为原则，在连续熔炼时，坩埚喷刷一次涂料一般不超过24h，否则应重新清理坩埚，并喷刷涂料。其它熔炼工具涂料脱落后应随时补涂。
⑤用后的坩埚和熔炼工具上的金属残渣、氧化皮和熔渣应清理干净（坩埚使用后最好趁热清理）。
（5）合金熔炼
①根据坩埚熔炼和炉料重量，按回炉料、合金锭、中间合金、纯金属的次序陆续或同时加入坩埚并升温熔化。
a. 加镁时，用钟罩将镁块压入合金液下部，缓慢转动，搅拌均匀，待镁全部熔化后取出钟罩。
②炉料全部熔化后，当合金液温度到690～740℃时，用钟罩分2～3批将精炼剂压入合金液内，距离坩埚底部10～15cm处，缓慢均匀转动，直到反应停止后，取出钟罩。
a. 天气潮湿或回炉料用量较大时，精炼剂加入量取上限，具体加入量还要根据精炼效果。
③精炼后，静置10～20min，然后去除合金液表面的熔渣，再将合金液转入保温炉或直接浇注。
a. 在整个熔炼浇注过程中，合金液的温度不要过高，在短时间内也不应超过750℃。
b. 合金的熔炼浇注时间要尽量缩短，从合金开始熔炼到浇注完毕不宜超过8h。
c. 精炼后合金液的停留时间，铸造或压铸不超过4h，否则应补充精炼。
d. 补充精炼的温度与浇注温度相同，精炼剂的用量为剩余合金液重量的～％，补充精炼含镁的铝合金时，还应酌量补加镁的烧损量。
e. 在浇注过程中，不得将浇口余料或废铸件随意加入合金液内，否则应重新精炼。
f. 坩埚底的剩余合金液深度小于50mm时，不得再浇注铸件，但可以加入炉料连续熔炼，或倒入新的合金液。
g. 在整个熔炼过程中，要尽量少破坏合金液表面的氧化皮，在舀取合金液时，应先将氧化皮扒开，尽量避免将氧化皮带入合金液内。
（6）质量检查
①合金熔炼后应进行炉前检验：化学成分检测（光谱分析法）、断口检查（目视法）、针孔度分析（当铸件有气密性要求或耐压要求时进行检测）。
②每炉合金浇注一般时，应浇注力学性能试样（对铸件有力学性能要求时进行）。（7）安全技术
①工作场地应保持干燥，不允许有积水或积油。
②工作开始前，操作者应按规定穿戴好防护用品，并检查设备的线路或管道等，发现故障，应先行排除。
③坩埚在使用前应进行认真细致检查，若发现有裂纹、严重氧化皮或严重“涨肚”，应停止使用。
④电路的通电和断电应有指示灯显示。吊出坩埚时应先断电。
⑤点燃煤气炉或天然气炉时，应先开气阀送气后点火；停炉时，应先关闭气阀。
⑥采用六氯乙烷精炼时，应先开动抽风机。
⑦加料时应注意使炉料在开始熔化时能自行下降，不得有“搭桥”现象。
⑧禁止使用未经预热的熔炼工具与合金液接触；禁止将未经预热的冷料加到合金液内；禁止将合金液倒在冷锭模或水泥地面及金属地板上。
二、铝合金熔炼与浇铸
铝合金的熔炼与浇注是铸造生产中主要环节。严格控制熔炼与浇铸的全过程，对防止针孔、夹杂、欠铸、裂纹、气孔以及缩松等铸造缺陷起着重要的作用。由于铝熔体吸收氢倾向大，氧化能力强，易溶解铁，在熔炼与浇铸过程中必须采取简易而又谨慎的预防措施国，以获得优质铸件。
1、铝合金炉料配制及质量控制
为了熔炼出优质铝熔体，首先应选用合格的原材料。须对原材料进行科学管理和适当处理，否则就会严重影响合金的质量，生产实践证明，原材料（包括金属材料及辅助材料）控制不严会使铸件成批报废。
（一）原材料必须有合格的化学成分及组织，具体要求如下：
入厂的合金锭除分析主要成分及杂质含量外，尚就检查低陪组织及断口。实践证明，使用了含有严重缩孔、针孔、以及气泡的铝液，就难以获得致密的铸件，甚至会造成整炉、整批的铸件报废。
有人在研究铝硅合金锭对铝合金针孔的影响时发现，用熔融的纯浇铸砂型试块时并不出现针孔，当加入低组织和不合格的铝硅合金锭后，试块针孔严重，且晶粒大。其原因为材料的遗传性所致。铝硅系合金和遗传性随着含量的提高面增大，硅量达到7%时，遗传显着。继续提高硅含量到共晶成分，遗传性又稍减小。为解决炉料遗传性引起的铸件缺陷，必须选用冶金质量高的铝锭、中间合金及其它炉料。具体标准如下：
（1）断口上不应有针孔、气孔
针孔应在三级以内，局部（不超过受检面积的25%）不应超过三级，超过三级者必须采取重熔炼的办法以减少针孔度。重熔精炼方法与一般铝合金熔炼相同，浇铸温度不宜超过660℃，对于那些原始晶粒大的铝锭、合金锭等，应先用较低的锭模温度，使它们快速凝固，细化晶粒。
2、炉料处理
炉料使用前应经吹砂处理，以去除表面的锈蚀、油脂等污物。放置时间不长，表面较干净的铝合金锭及金属型回炉料可以不经吹砂处理，但应消除混在炉料内的铁质过滤网及镶嵌件等，所有的炉料在入炉前均应预热，以去除表面附的水分，缩短熔炼时间在3小时以上。
3、炉料的管理及存放
炉料的合理保存及管理对确保合金质量有重要意义。炉料应贮存在温度变化不大、干燥的仓库内。
2、坩埚及熔炼工具的准备
（一）坩埚铸造铝合金常用铁坩埚，也可用铸钢及钢板焊接坩埚。
新坩埚及长期未用的旧坩埚，使用前均应吹砂，并加热到700--800度，保持2--4小时，以烧除附着在坩埚内壁的水分及可燃物质，待冷到300度以下时，仔细清理坩埚内壁，在温度不低于200度时喷涂料。
坩埚使用前应预热至暗红色（500--600度），并保温2小时以上。新坩埚外熔炼之前，最好先熔化一炉同牌号的回炉料。
（二)熔炼工具的准备
钟罩、压瓢、搅拌勺、浇包
锭模等使用前均应预热，并在150度---200度温度下涂以防护性涂料，并彻底烘干，烘干温度为200--400度，保温时间2小时以上，使用后应彻底清除表面上附着的氧化物、氟化物，（最好进行吹砂）。
3、熔炼温度的控制
熔炼温度过低，不利于合金元素的溶解及气体、夹杂物的排出，增加形成偏析、冷隔、欠铸的倾向，还会因冒口热量不足，使铸件得不到合理的补缩，有资料指出，所有合金的熔炼温度到少要达705度并应进行搅拌。熔炼温度过高不仅浪费能源，更严重的是因为温度愈高，吸氢愈多，晶粒亦愈粗大，铝的氧化愈严重，一些合金元素的烧损也愈严重，从而导致合金的机械性能的下降，铸造性能和机械加工性能恶化，变质处理的效果削弱，铸件的气密性降低。
生产实践证明，把合金液快速升温至较的温度，进行合理的搅拌，以促进所有合金元素的溶解（特别是难熔金属元素），扒除浮渣后降至浇注温度，这样，偏析程度最小，熔解的氢亦少，有利于获得均匀致密、机械性能高的合金.因为铝熔体的温度是难以用肉眼来判断的，所以不论使用何种类型的熔化炉，都应该用测温仪表控制温度。测温仪表应定期校核和维修。热电偶套管应周期的用金属刷刷干净，涂以防护性涂料，以保证测温结果的准确性及处长使用寿命。
4、熔炼时间的控制
为了减少铝熔体的氧化、吸气和铁的溶解，应尽量缩短铝熔体在炉内的停留时间，快速熔炼。从熔化开始至浇注完毕，砂型铸造不超过4小时，金属型铸造不超过6小时，压铸不超过8小时。
为加速熔炼过程，应首先加入中等块度、熔点较低的回炉料及铝硅中间合金，以便在坩埚底陪尽快形成熔池，然后再加块度较大的回炉料及纯铝锭，使它们能徐徐浸入逐渐扩大的熔池，很快熔化。在炉料主要部分熔化后，再加熔点较高、数量不多的中间合金，升温、搅拌以加速熔化。最后降温，压入易氧化的合金元素，以减少损失。
5、熔体的转送和浇注
尽管固态氧化铝的密度近似于铝熔体的密度，在进入铝熔体内部后，经过足够长的时间才会沉至坩埚底陪。而铝熔体被氧化后形成的氧化铝膜，却仅与铝熔体接触的一面是致密的，与空气接触的一面疏松且有大量直径为60--100A的小孔，其表面积大，吸附性强，极易吸附在水汽，反有上浮的倾向。因此，在这种氧化膜与铝熔体的比重差小，将其混入熔体中，浮沉速度很慢，难以从熔体中排除，在铸件中形成气孔太夹杂。所以，转送铝熔体中关键是尽量减少熔融金属的搅拌，尽量减少熔体与空气的接触。
采用倾转式坩埚转注熔体时，为避免熔体与空气的混合，应将浇包尽量靠所炉咀，并倾斜放置，使熔体沿着浇包的侧壁下流，不致直接冲击包底，发生搅动、飞溅等。
采用正确合理的浇注方法，是获得优质铸件的重要条件之一。生产实践得，注意下列事项，对防止、减少铸件缺陷是很有效的。
（一）浇注前应仔细检查熔体出炉温度、浇包容量及其表面涂料层的干燥程度，其他工具的准备是否合乎要不。金属浇口杯在浇注前3--5分钟之内就在砂型上安放好，此时
浇包怀的温度不高于150度，安置过早或温度过高，浇道内憋住大量气体，在浇注时有爆炸的危险。
（二）不能在有“过堂风”的场合下浇注，以及熔体强烈氧化，燃烧，使铸件产生氧化夹杂等缺陷。
（三）由坩埚内获取熔体时，应先用包底轻轻拨开熔体表面的氧化皮或熔剂层，缓慢地将浇包浸入熔体内，用浇包的宽口舀取熔体，然后平稳的提起浇包。
（四）端包时不要掌平，步子要稳，浇包不宜提得过高，浇包内金属液面必须保持平稳，不受拢动。
（五）即将浇注时，应扒净浇包的渣子，以免在浇注中将熔渣、氧化皮等带入铸型中。
（六）在浇注中，熔体流就保持平稳，不能中断，不能直冲口怀的底孔。浇口怀自妈至终应充满，液面不得翻动，浇注速度要控制得当。通常，浇注开始度就稍慢些，使熔体充填平稳，然后速度稍快，并基本保持浇注速度不变。
（七）在浇注过程中，浇包咀与浇口的距离就尽可能靠近，以不超过50毫米为限，以免熔液过多地氧化。、
（八）带堵塞的浇口怀，堵塞不能拨得太早，在熔体充满浇口怀后，再缓慢地斜向拨出，以免熔体在注入浇道时产生涡流。
（九）距坩埚底部60毫米以下的熔体不宜浇注铸件。
三、熔炼过程质量控制工艺
为了解决成品缺陷的拖黑、夹渣问题，减少报废量，提高成品率，工艺科进行了大量的调查工作。通过长期的跟踪，对预防拖黑、夹渣提出以下三个方面的方法来解决：
1、生产工艺控制
1）剪完棒要用风管吹干净棒上的尘土，减少带入的煤灰量，减少拖黑、夹渣的来源；
2）压余厚度要留够，太薄的压余会导铝棒死区卷入型材尾端，造成拖黑、夹渣；
3）挤压速度要进行有效的控制，特别是末端要进行减速处理，防止紊流卷入表皮杂质；
4）每生产一段时间（至少每次换模）要进行清缸；
2、设备、装置的调整
1）如挤压杆没有对中，挤压杆运动中磨损料胆，会造成料胆大肚、变形等缺陷；
模座中心位，上、下、左、右要对中，严禁移动模座进行生产，上下不对中的，要联系机修进行维修；
2）压饼大小要进行定期检测并换新，对于卷边的挤压饼，也会造成拖黑、夹渣等报废；
3）料胆长期使用，出现大肚等变形，也会造成批量报废，此种报废在生产中出现非常多，需要引起重视，新料胆一定将胆内的脏物去除并对内胆进行抛光后才能上机安装。
3、模具设计、生产计划的调整
1）对于平面模，如PM系列，需要加装导流板进行导流，这样做缩小了进料口，钳制住死区；
2）料胆口必须充分包围模具分流孔，班长要对每装一套模具进行对比，如有分流孔过大的现象，不能上机生产，要转大机生产；
3）生产下计划时，要根据模具部开模的原始机台(同棒径的可以通用)下计划，不要出现小棒生产大棒机台的模具；
四、铝合金产品性能强化
的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能在纯铝中加入某些合金元素制成合金，常加入的合金元素有铜、镁、铬、锌、硅、锰、镍、钴、钛及锶等，稀土元素在某些合金中加入。这些合金元素加入后通过以下几个方面对铝进行强化。
1．固溶强化
合金元素加入纯铝中形成无限固溶体或有限固溶体，不仅能获得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。在一般中固溶强化最常用的合金元素是铜、镁、锰、锌、硅、镍等元素。一般铝的合金化都形成有限的固溶体，如Al-Cu，Al-Mg，Al-Zn，Al-Si，Al-Mn等二元合金均形成有限固溶体，并且都有较大的极限溶解度能起较大的固溶强化效果。
2．时效强化
铝合金热处理后可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间和延长而增高，但塑性降低。这个过程就称时效。时效过程中使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。
3．过剩相强化
当铝中加入的合金元素含水量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现称之为过剩相。在铝合金中过剩相多为硬而脆的金属间化合物。它们在合金中起阻碍滑移和位错运动的作用，使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。合金中过剩相的数量愈多，其强化效果愈好，但过剩相多时，由于合金变脆而导致强度、塑性降低。
4. 细化组织强化
在铝合中添加微量元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一种重要手段。
变形铝合金中添加微量钛、锆、铍、锶以及稀土元素，它们能形成难熔化合物，在合金结晶时作为非自发晶核，起细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。
铸造铝合金中常加入微量元素作变质处理来细化合金组织，提高强度和塑性。变质处理对不能热处理强化或强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金具有特别重要的意义。比如在铝硅铸造铝合金中加入微量钠或钠盐或锑作变质剂进行变质处理，细化组织可以显着提高塑性和强度。同样在铸造铝合金中加入少量锰、铬、钴等元素能使杂质铁形成的板块状或针状化合物AlFeSi细化，提高塑性，加入微量锶可消除或减少初晶硅，并使共晶硅细化；粒子园整度提高。
5. 冷变形强化
冷变形强化亦称冷作硬化，即金属材料在再结晶温度以下冷变形，冷变形时，金属内部位错密度增大，且相互缠结并形成胞状结构，阻碍位错运动。变形度越大位错缠结越严重，变形抗力越大，强度越高。冷变形后强化的程度随变形度、变形温度及材料本身的性质而不同。同一材料在同一温度下冷变形时，变形度越大则强度越高。塑性随变形程度的增加而降低。