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粉末冶金的基本特点

典型铝合金熔炼工艺

  随着科学技术的发展,汽车、造船、航空、航天及其他制造业对铝合金铸件的品质要求也愈来愈高,除了保证化学成分、力学性能和尺寸精度外,不允许铸件有气孔、缩孔等缺陷。而铝合金的熔炼则是铸件生产过程中的一个很重要的工序。多年来的生产经验证明,熔炼工艺过程控制不严,铸件很容易产生针孔、氧化夹渣、缩松等缺陷,直接影响铸件质量。因此,要想获得优质铝合金铸件,必须严格控制熔炼工艺。

  一、熔炼前的准备

  1.严格控制炉料质量。炉料质量是铸造生产的源头,直接影响到最终铸件的质量,成分不合格导致产品成批性报废。因此,要高度重视。

  必须做到:

  ①严格控制炉料中新旧炉料的比例,回炉料所占炉料质量百分比应小于等于70%;

  ②保证炉料干净,炉料需经吹砂后使用;

  ③三等回炉料枷浇冒口匀使用前应经重熔精炼处理;

  ④炉料应充分预热,去除水分、油污等杂质;

  ⑤由于铭合金有铝硅类、铝铜类、铝镁类等合金,合金牌号较多,使用的元素也比较多,且互相影响,要求严格管理,不可混料;

  ⑥配料、称量要准确,比如ZL104合金,考虑到除气、排渣及变质过程中的损耗,Mg元素应在实际配料时多加炉料质量的0.02%-0.03%,才能保证铸件的化学成分。

  2.熔炼工具。熔炼使用的址涓及熔炼工具须清理干净且涂上涂料,以保证使用时与铝合金有效隔离,减少合金液受到杂质污染,并且需要充分预热,址涓要烘烤至暗红色再加入炉料熔炼,以防水蒸气带入合金中使合金的气体增加、针孔度增加。

  3.其他工作。严格按已制订好的工艺规范作好覆盖剂、精炼剂及变质剂的准备工作。

  二、熔炼操作

  熔炼步骤如下。

  ①装料。在预热后的柑A中装入预制合金锭、优质回炉料,再加中fol合金,最后加合金元素。

  ②温度控制。严格控制铝合金熔炼的温度,只有合适的温度才能获得高质量的合金液,避免过热。若温度过高,会加大合金中各种元素的氧化烧损,引起合金中化学成分的变化。温度过低,会使合金的化学成分不均匀,合金中的氧化夹杂物、气体等不易排出,合金的理化性能下降,影响铸造性能。

  ③时间控制。严格控制熔炼时间,操作要迅速,减少合金吸气和氧化夹杂,增加合金元素的烧损,影响合金化学成分。

  ④精炼操作。铝合金精炼的主要目的是清除熔液内的气体和非金属夹杂物、均匀合金成分。精炼是熔炼中极为重要的一个工艺过程。应正确选用精炼剂、控制好加入量份般加入合金质量的0.5%-0.7%)及把握好精炼温度,精炼温度一般控制在700-7200C。在精炼的过程中,用钟罩将精炼剂分批压入熔液面下约2/3处怀要压入柑A底韵,均匀缓慢做顺时针转动,速度要缓、动作要平稳,避免金属液大幅度搅动,以防增加氢含量和卷入夹杂。

  ⑤变质处理。铭合金变质的目的是细化晶粒,提高铸件性能。变质剂应先预热,控制要点是:①变质温度,一般不超过7400C ;②变质时间,一般为10min ;③变质剂的加入量,使用双色变质剂的用量一般为合金液质量的1.0%-1.2%;④操作方法要到位。合金精炼后要尽快浇注完毕,砂型铸造一般应控制在40min内,金属型铸造应控制在2h内,否则,要重新进行精炼、变质,再次精炼时加入的精炼剂为合金质量的0.2%左右。(注意事项。为防止发生铝合金飞溅,熔炼场地应保持干燥;操作人员应戴防辐射眼镜、工作帽、手套,着工作服。)

  三、两个关键问题

  ①单铸试棒的力学性能,不能完全反映熔炼质量的好坏。单铸试棒的性能只能代表熔炼质量和热处理质量的一部分。铝液中含气量的多少、产生缩松和氧化倾向的大小、夹渣物含量的多少,不能完全根据单铸试棒的力学性能全部反映出来。

  ②几种元素对铝合金组织和性能的影响。在实际生产中发现,铝合金中Mg元素的含量在接近标准的下限时,可能引起铸件硬度降低,而接近标准上限时,可能引起延伸率降低;Ti元素是铝合金中最常用的细化剂,对合金熔炼有益;Fe元素是合金中主要的有害杂质,会降低合金的机械性能,它来自柑涓、熔炼工具和炉料,应严格控制;Mn元素能有效地减弱Fe元素对铝合金的有害影响,但Mn的加入量不宜过多,否则易产生粗大脆性化合物,还可能产生偏析,影响铸件性能。

  四、熔炼导致的缺陷分析及防止

  1.针孔

  铝合金针孔缺陷产生的原因:

  ①炉料及熔炼工具烘烤不充分;

  ②熔化温度过高或熔炼时间太长;

  ③变质后铝液停留的时间过长;

  ④合金精炼不好;⑤工作场地太潮湿。

  防止办法:

  ①炉料及工具应彻底烘干;

  ②控制熔化温度,一般不超过7400C、不超过浇注温度,还要防止合金在熔化过程中的局部过热;

  ③操作迅速,尽量缩短熔炼时间;

  ④精炼操作要细心,精炼是防止气孔的最好办法;

  ⑤变质后合金液静置8-15min应及时浇注;⑥保持熔炼场地干燥。

  2.氧化夹渣

  铝合金氧化夹渣缺陷产生的原因:

  ①炉料不清洁,回炉料使用量过多;

  ②合金液中的熔渣未清除干净;③变质处理后,静置时间不够。

  防止办法:炉料经吹砂后,回炉料控制在炉料质量的70%以内;除气排渣要彻底;变质后,保证足够的静置时间,以便熔渣有充分的时间下沉或上浮。

  3.缩孔及缩松缺陷

  铝合金缩孔和缩松缺陷产生的原因:

  ①合金晶粒粗大;

  ②招合金浇注温度过高;

  ③铸件浇注系统设计不合理。

  防止办法:

  ①合金液精炼、变质操作的效果对该类缺陷影响

  很大,因此要做到位;

  ②严格控制铝液温度,防止过热,在保证

  铸件不产生浇不足的情况下,应尽可能采用低的浇注温度,浇注温度一般不超过7300C ;

  ③合理设计浇注系统,使金属液能够平稳充型;

  ④适当调整成分,控制适宜的杂质含量对增强金属液的流动性也有效果。

  五、Z L 104合金熔炼过程中Mg元素的控制措施熔炼的过程中,防止合金元素的烧损显得特别重要,ZL104铝合金在熔炼过程中,Mg的损耗比其他组元损耗要难于控制,为减少Mg元素的烧损,就要加强熔炼工艺的控制。本节重点以ZL104为例详细探讨铝合金熔炼工艺控制,特别是铝合金在高温状态及精炼、变质阶段的控制。ZL104铝合金属于Al-Si二元共晶合金中添加Mg的AI-Mg-Si铸造合金,在国防工业及民用产品中,铸造铝合金ZL104应用广泛,其成分为(质量分数)Si8.0% -10.5% " M四.17%-0.3%MnO.2%-0.5%,其余为Al o ZL104合金铸件一般在T6状态下使用,由于Mg的加入与Si形成硬而脆的M护i强化相,它对合金的热处理效果影响最为敏感。当合金经固溶再在150-180℃时效处理后,自铭a固熔体中析出弥散的Mg2Si质点,从而引起晶格发生了崎变,阻碍位错运动,起到强化作用,因而合金的抗拉强度有较大提高,甚至达到峰值。但少量的Mg起不到强化作用,而过量的Mg将会有大量的Mg2Si形成,影响合金的塑性。在实际中发现,当Mg含量接近材料标准下限时,一般硬度低、延伸高;而当Mg含量接近材料标准上限时,一般延伸率低,可能达不到要求。多年的生产实践说明,熔炼工序是该类材质铸件生产流程中的关键工序。这道工序是理化性能的保证,稍有疏忽就可能导致整炉零件因化学成分不合格而报废,而其中起关键作用的元素就是成分中的Mg元素。多次的实践证明,由于Mg元素比较活泼,再加上各方面的烧损因素,在生产中不易控制。因此,在熔炼过程中如何来提高ZL104合金的质量是生产ZL104合金铸件很关键的问题。影响ZL104中的Mg元素的因素比较多。Mg是活泼元素,其熔点为650℃且与氧的亲和力很强。处在液态时氧化速度大大加强。在精炼及变质的过程中,Mg元素的烧损都会增加,保温浇注的时间过长,Mg元素的损耗要增加。

  1.配料

  在新料及回炉料的配比上,要特别重视Mg元素的含量。在炉料的配比量上,要采取“去尾数”的方法。例如:如果回炉中Mg含量为0.1484%,我们通常的算法是保留小数点后两位数,第三位数采用“四舍五入’,的办法,这时,0.1484%就算做0.15%。这样计算就等于在回炉料中多算了0.0016%的Mg,在配比中就要少算0.0016%的Mg质量。但是我们考虑到Mg在熔炼过程中大量的损耗,就不管第三位数字了,以实际分析出的第二位数字为准,即为0.14%来计算其Mg含量。事实说明,用这种方法计算的炉料熔炼的效果是合格的。

  2.精炼工序

  精炼的目的是清除合金液中的非金属夹杂物他包括气哟 I精炼的方法有多种,其中用六氯乙烷(C2CQ除气精炼比较常用。在700-720℃时用钟罩将精炼剂C厂16分批压入熔液面下约2/3处,均匀缓慢做顺时针转动,待C2Ch充分反应,将熔液中的夹杂、气体带出。要点是搅动的速度要缓慢,如果搅动的频率过大,C2CL6在铝液中反应激烈,熔液不停地翻滚,熔液中的镁与氧大量接触,产生燃烧,这样就增加了烧损量,可能造成镁量的急剧减少。C2CI。的用量与合金成分及原铸锭质量有关,也与Mg含量有关,一般用量为炉料质量的0.5%-0.7%。在柑涓电阻炉内熔化,精炼时间在10min以内时,经过测定,这个环节Mg的损失量为炉料质量的0.02%-0.05%。

  3.除渣

  当使用C2CL充分精炼后,将钟罩取出,清理掉残留的氧化物,将熔液表面的夹杂物用打渣勺捞出。在温度为680-700℃时再将Mg装入钟罩,压入熔液下部怀要压入柑涓底韵,静置3-.5min。待Mg在熔液中完全熔化,然后缓慢做顺时针搅动,使之均匀分布在合金中,不能让翻滚的熔液冲破液面,以免让Mg漂浮在液面产生氧化燃烧,降低Mg的实际含量。整个操作过程要小心、稳重。

  4.变质工序

  根据合金熔炼工艺,Al-Si合金中含Si量质量比在6%-11%的合金浇注后易产生粗晶硅,在砂型铸造或金属型铸造时都应在精炼后进行变质处理。为细化晶粒,在使用钠基四元变质剂时,用量一般约为炉料质量比的2.5%,应该先在炉边预热5-10min使其挥发尽吸入的水蒸气。当合金温度达到720-740℃时,将变质剂压入合金液面,逐渐熔化使其产生变质效果,然后静置。整个操作时间为8-12min。在浇注过程中,不需要把变质剂的渣料取出,只需把变质剂推向一旁即可,舀取合金液进行浇注,确保自始至终的变质效果。这个过程中Mg元素的烧损比精炼阶段要大,Mg的损失量为炉料质量比的0.13%-0.18%。合金液温度比较高且大量和钠盐接触,遇到活泼的钠元素助长了Mg元素的远速氧化,因此,变质过程是Mg元素损失的主要阶段。

  5.浇注工艺

  合金变质处理后4-10min应立即进行浇注。浇注温度一般要求为730-745℃之间。实践证明,当温度在750℃以上时,会加速铝的氧化,镁的烧损也加速,因此,要严格控制浇注温度,根据该铸件的生产特点,在开始浇注时把温度控制在740750℃之间,因为此时砂型或金属型温度较低,避免最后浇注的零件产生浇不足等缺陷。不能随意延长静置时间,这会增加镁元素的烧损,造成化学成分不合格,一般砂型铸造要求40min内浇完,金属型铸造在2h内浇完。否则,应重新精炼、变质。柑涓底部的熔液含杂质较多,应留出址涓体积的1/151/10不要浇注零件。ZL104铝合金铸件通过在熔炼过程中的上述几项控制,能够确保冶金质量。

  ①采用中频感应电炉熔炼Z L303的操作要点启动中频发电机组,并将中频炉预热至500℃左右。

  ②待炉料全部熔化后,升温至680-70000,将镁块用钟罩压入铝液,并做缓慢搅拌,使之全部熔化。

  ③镁块全部熔化后,继续升温至710-.7200C,扒去覆盖剂,加入占炉料总质量0.7%左右的C2C'6(以3:2的比例与N2SiF6均匀混合,并用铝箔包切进行精炼除气。

  ④精炼后,再均匀撒上刚捞出的覆盖剂和少量Ca凡,保持3- 5min,用压瓢压入铝液中。

  ⑤把浮渣撇开,取样进行断口检查,若断口洁净、平整、结晶致密,则合金熔炼合格。ZL303合金容易氧化,使用中频炉熔炼时,由于熔炼时间较长,在炉前温度上要严格控制。

  六、ZL101合金的熔炼工艺

  1、熔炼准备

  ①清炉和洗炉(电阻炉或中频灼)

  ②预热柑涡及熔炼工具到200-3000C,然后喷刷涂料。

  ③清理和预热炉料。

  ④准备熔剂。

  ⑤配料计算,由于熔炼中Si和Mg的烧损很大,合金成分

  含量变化大,故配料时应按标准成分上限计算。

  2.装料

  装料的顺序为:回炉料,Al -Si中间合金或ZL102合金,

  纯铝锭。

  3.熔化及精炼

  炉料装完之后,升温熔化。待炉料全部熔化后,除渣并加入熔剂。当温度达到680℃时,用钟罩将预热到200-300℃的金属镁块或Al-Mg中间合金压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动,时间为3-5min。然后升%} ill 730-75O t,用占炉料总质量0.7%一0.75%的C2C1。分2-3次用钟罩压入合金液内精炼合金液,总时间为10-15min,缓慢在炉内烧圈。待精炼完成后静置1-2min,取试样做炉前分析。

  4.变质处理

  当合金液温度达到730-750℃时,用占炉料总质量1.5%-2.5%的三元变质剂做变质处理,变质时间为15-18min o

  5.浇注

  当变质完成后除渣并搅拌,然后静置5 -10min。当温度达到760℃时,扒渣出炉浇注。

  七、Z L203合金的熔炼工艺

  .熔炼准备

  ①清炉和洗炉(电阻柑涡炉或中频感应P)。

  ②预热柑涡及熔炼工具到200-30000,然后喷刷涂料。

  ③清理和预热炉料。

  ④准备熔剂和变质剂。

  ⑤酉己料计算。

  2.装料

  装料的顺序为:回炉料,纯铝锭,Al-Cu中间合金。

  3.熔化及精炼

  炉料装完之后,升温熔化。待炉料全部熔化后,除渣并加入熔剂。当温度达到690-720℃时,选用氯气、六氯乙烷、氯化锰、氯化锌等精炼剂对合金液精炼。待精炼完成后静置1 -'2min,取试样做炉前分析和成分调整。

  4.变质处理

  当合金液温度达到710-730℃时,用占炉料总质量1.5%-'2.5%的三元变质剂做变质处理,变质时间为15'-18min

  5.浇注当变质完成后除渣并搅拌,然后静置5-10min。当温度达到780℃时,扒渣出炉浇注。

  八、Z L401合金的熔炼工艺

  1.熔炼准备

  ①清炉和洗炉沌阻炉或中频P)。

  ②预热柑A及熔炼工具到200-30000,然后喷刷涂料。

  ③清理和预热炉料。

  ④准备熔剂和变质剂。

  ⑤配料计算,由于熔炼中Mg的烧损很大,合金成分含量

  变化大,故配料时应按标准成分上限计算。

  2.装料

  装料的顺序为:回炉料,Al-Si中间合金或ZL102合金,纯铝锭,锌锭浓炉料熔化后660℃时加殉。

  3.熔化及精炼

  炉料装完之后,升温熔化。待炉料全部熔化后,除渣并轻轻搅拌合金液3-5圈。当温度达到660℃时,用钟罩将预热到150-250℃的金属锌块压入,待锌块全部熔化后1 -3min,加入熔剂,并立即用钟罩将金属镁块或Al-Mg中间合金压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动,时间为3 -5min。然后升温到710-7300C ,用占炉料总质量0.3%-0.5%的C2Ch或0.1%--0.15%的MnCl:分2-3次用钟罩压入合金液内进行精炼,总时间为10-15min,缓慢在炉内烧圈。待精炼完成后静置1 -3min,取试样做炉前分析和调整成分。

  4.变质处理

  当合金液温度达到730-750℃时,用占炉料总质量1.5%-2.5%的三元变质剂做变质处理,变质时间为15-18min。

  5.浇注

  当变质完成后除渣并搅拌,然后静置5-10min。当温度达到750℃时,扒渣出炉浇注。

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