鑄造鋁合金熔煉工藝研究

劉培德，董 壘，溫曉妮

（1.煙臺(tái)路通精密科技股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000）

ZL109A鋁合金是這幾年我國(guó)相關(guān)材料學(xué)工作者和冶金部門(mén)，在以往的Si-Cu-Al合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Na、Mg、Be、Cd、Ti等多種合金微量化學(xué)元素，所研究開(kāi)發(fā)形成的一種新型的，具有高強(qiáng)度、高適應(yīng)性、耐高溫的優(yōu)質(zhì)鋁合金。這種鋁合金本身具有極強(qiáng)的綜合性力學(xué)性能和良好的后期鑄造重塑性，因此被許多大型冶金工廠所引進(jìn)用于鑄造許多復(fù)雜關(guān)鍵的鋁合金機(jī)械工程零件。在日常生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于鋁合金的熔煉工藝會(huì)直接影響鋁合金的金屬元素成分、元素組織狀況，從而改變鋁合金的化學(xué)性和物理性能，為了讓ZL109A鋁合金可以獲得較強(qiáng)的力學(xué)應(yīng)用性，必須優(yōu)化其熔煉工藝，從爐料選擇到工藝流程設(shè)計(jì)再到后期的精煉加工，研究與其性能相適合的方式，最終保證其生產(chǎn)性的完善[1]。

1 熔煉爐料和相關(guān)工具

1.1 ZL109A鋁合金成分性能探究

對(duì)ZL109A鋁合金熔煉工藝的研究必須建立在充分認(rèn)識(shí)其物理性和化學(xué)性的基礎(chǔ)上。經(jīng)過(guò)分析探測(cè)可以確定，ZL109A鋁合金的化學(xué)成分表如表1所示。

表1 ZL109A合金元素表

由表1可以看出，ZL109A鋁合金的主要合金元素和微量合金元素總共有九種，屬于復(fù)雜成分合金，所以必須合理協(xié)調(diào)和元素之間性能，尋找平衡點(diǎn)，在滿足其改造性的同時(shí)，釋放其固有的物理性能，最終完成對(duì)ZL109A鋁合金的熔煉升級(jí)[2]。

1.2 Fe元素的稀釋

根據(jù)以往的熔煉經(jīng)驗(yàn)Fe元素是合金熔煉中威脅性最大的元素之一。一旦超量流入鋁合金元素，就能在合金中生成FeAl3、FeSiAl2、Al3Si2多種具有脆化作用的鐵化合物，嚴(yán)重影響合金物理性能，所以熔煉合金一項(xiàng)重要的工作就是降低合金中Fe雜質(zhì)的含量[3]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，F(xiàn)e元素大多伴隨坩堝、合金熔煉器械以及熔煉爐料進(jìn)入熔煉合金中，所以必須提前對(duì)熔煉坩堝進(jìn)行涂料翻新處理。合金熔煉器械盡量以石墨灰為主要材料進(jìn)行制造，尤其是在合金熔煉變質(zhì)和細(xì)化處理時(shí)，一定要使用純石墨制造的金屬鐘罩和鹽勺，因?yàn)槿蹮捥砑拥募?xì)化劑和變質(zhì)劑具有極強(qiáng)的氧化性和腐蝕性，如果與任何含鐵元素的工具接觸，會(huì)直接吸收大量鐵元素，并融入合金中[3]。除此以外，加強(qiáng)熔煉爐料的純度，也可以有效降低鐵元素流入量。傳統(tǒng)鑄造鋁合金含鐵量≤0.15，但是高純鋁中鐵元素含量≤0.003，所以不難判斷，在熔煉過(guò)程中適用高純鋁可以有效降低鐵元素含量。與之相似的還有Al的選擇。無(wú)論是工業(yè)用的冶金Al還是化學(xué)用的Al2Mg，均含有較高Fe元素。所以本次研究的熔煉工藝選擇了電子工業(yè)生產(chǎn)中的單晶Al料頭，這種Al料頭純度極高，最高可以達(dá)到光譜級(jí)別，可以有效降低Fe含量。除此以外，類似常見(jiàn)的Mg、Cd、Ti、Be、Na、Zn等元素的流入不會(huì)影響鐵元素含量，所以可以忽略。

2 ZL109A鋁合金熔煉流程

整個(gè)熔煉工藝流程如圖1所示。

在熔煉過(guò)程中，所加入的Mg、Zn、Cd元素會(huì)在合金精煉時(shí)，與其產(chǎn)生的C2Cl6（六氯乙烷）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并伙同Cl元素稀釋Mg元素，Cd元素也會(huì)隨著高溫精煉而持續(xù)減少。為了保證ZL109A鋁合金微量合金元素含量，可以在C2Cl6靜置半小時(shí)后再進(jìn)行后續(xù)操作，同時(shí)整個(gè)操作過(guò)程不要超過(guò)2小時(shí)，盡量縮短時(shí)間也可以減少熔煉吸氣含量和鐵元素進(jìn)入概率[4]。

圖1 熔煉流程圖

3 ZL109A鋁合金精煉處理

在整個(gè)熔煉過(guò)程中，由于爐料高溫等各種化學(xué)反應(yīng)生成，熔煉坩堝以及其他熔煉工具難以避免的會(huì)使熔煉合金體重出現(xiàn)各類雜質(zhì)。在液態(tài)鋁合金中還會(huì)出現(xiàn)許多熔煉氣體，其中以氫氣最為常見(jiàn)，所占比重也最高，約占總量的80%～95%左右。而精煉的核心目的，就是對(duì)ZL109A鋁合金進(jìn)行再次提純，去除液態(tài)鋁中的各類雜質(zhì)和氣體，從而獲得純度更高的金屬液態(tài)鋁。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，C2Cl6（六氯乙烷）對(duì)液態(tài)鋁的提純效果最優(yōu)，其原理式如下：

在上述反應(yīng)中，C2Cl4和AlCl3均為氣態(tài)，在液態(tài)鋁中以氣泡的方式慢慢浮出，最終離開(kāi)液面，從而達(dá)到精煉合金的目的。C2Cl6（六氯乙烷）的用量可以參考合金液體總重量，一般在6%到10%即可。精煉時(shí)，溫度最好控制在750攝氏度左右[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究的鑄造鋁合金熔煉工藝可以在保證ZL109A鋁合金物理性的同時(shí)，最大限度的對(duì)其進(jìn)行精煉和提純。為了降低鋁合金的含鐵量，從爐料和用具兩方面進(jìn)行升級(jí)，開(kāi)創(chuàng)了利用C2Cl6熔煉的方式，盡可能降低金屬鋁中雜質(zhì)氣體的殘留，最終形成高精度液態(tài)鋁，完成ZL109A鋁合金熔煉方式的升級(jí)。

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