铝合金熔炼工艺

贺 伟

（重庆长安汽车股份有限公司, 重庆 401133）

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。变形铝合金包括日常使用的铝合金门窗，航天飞机的机构材料，根据不同使用要求可进行热处理和不进行热处理；另一类为铸造铝合金，主要包括铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金和铝稀土合金等。

在实际生产过程中，铸造铝合金根据各类化学元素含量多少进行分类。熔炼过程需要根据实际的化学成分进行添加或者减少原材料用量，有些厂家供应的成品铝锭已经含有产品所需要的各种合金元素，熔炼过程基本不需要额外加入其他化学元素，不需要进行配比直接熔炼成铝液，也没有加入的顺序问题，这类铝合金适合结构单一的产品。现在运用最广泛的是原材料为纯铝锭，熔炼过程根据实际生产需要进行调节化学成分，优点是可以熔炼不同牌号的铝合金液，能够适应不同产品的需求，产品类型多种多样。对铝合金进行熔炼前，按照要求进行配料，配料根据合金牌号，需要考虑新料﹑回炉料﹑中间合金中各种元素熔炼过程的烧损。

2 熔化过程

铝合金熔炼中比较经济和常用的熔炼方式是燃气炉熔化，要求：快速熔化﹑时间短﹑吸气少。投料的顺序不仅影响熔化效率与合金消耗，也直接影响铝液质量。投料的原则是：先小后大，先易熔后难熔，先少烧损后易烧损，最后进行变质。首先加入小块的回炉料、熔点较低的铝合金锭（如Al-Si合金），然后是体积较大、熔点较高的铝锭和中间合金（如Al-Mn），Mg等容易烧损元素最后加入。小块回炉料先投在炉底既保护炉体，减轻大块炉料投料时对炉壁冲击，又由于回炉料熔点较低易熔化，对于后续熔化熔点较高的原材料时可以提高熔化效率，最后降温加Mg，降低减少烧损。国内某些车辆配套企业在对铝合金熔炼时就采用这种方式：先将熔化炉进行预热，到达预定温度后开始投料，先加小块回炉料垫底，然后加入大块铝锭，对于易烧损元素加入后直接压入铝液中熔化。

熔化是固体升温变成具有流动性的液体的过程，投料结束后，开始进行熔化。在熔炼过程中，要保证熔化快速均匀，且靠近火焰处的温度较高，达到1 200 ℃以上，为了避免局部过热、温度过高，致使铝合金氧化严重对后期产品精炼带来不便，在熔化过程应进行搅拌，将未融化炉料扒入铝液中，使其基本全部浸入搅拌均匀，避免局部过热。对最后浸入的Mg等元素，火焰不能直接加热熔化，又因为铝液浸入了原材料，使得温度降低，保持Mg等元素在相对较低的温度下熔化，减少了烧损，同时提高了燃烧效率。铝合金在600 ℃左右开始熔化，升温到660 ℃全部熔化，控制熔炼温度不超过760 ℃。当熔化温度超过770 ℃时，铝合金的氧化严重，熔炼过程的吸氢和夹渣增多，在浇铸凝固过程出现晶粒粗大，降低机械性能。为了减少铝合金在熔化过程的氧化，在熔炼过程加入0.4%～0.5%的覆盖剂，保护铝合金表面氧化膜不会被破坏，覆盖剂的种类与清渣剂化学成分差不多。

熔炼过程温度控制在720～760 ℃，待铝锭熔化部分后，加入熔点较高原材料如Si元素及Ti剂，Ti在合金中形成异质晶核，起到细化组织作用，将其压入铝液中熔化，减少烧损。铝锭基本熔化完全后加入易烧损元素Mg﹑Cu等类合金元素，不能加入太早，减少烧损，也不能太晚，影响扩散产生偏析，关闭炉门继续熔炼。熔炼完全后，铝合金表面有很多浮渣，主要是Al2O3和其它氧化物夹渣，这些细小的夹渣比铝液重，但聚集结块后比重轻，漂浮在表面，需要进行清渣。清渣剂的用量按照0.2%～0.5%加入，均匀洒在铝液表面，并进行浅度均匀搅拌。把渣扒在炉门，关上炉门静置，一方面清渣剂有发热效果，可以熔化粘附在浮渣上面的铝液；另一方面可以有效使渣与铝液分开，有利于扒出铝渣，静置几分钟后平稳将炉门口铝渣扒出。铝合金熔炼是一个很复杂的过程，不同元素由于烧损程度不一致，在扒渣后将铝液转入转浇包之前，需取样进行理化分析，保证每种元素在合格范围内才能放水进入转浇包除气精炼，反之不合格则需进行适当调整。

3 精炼过程

铝合金熔炼过程要对铝液进行变质处理，变质处理在精炼前进行，铝液从熔化炉转入转浇包前，在炉底加入变质剂，以合金的方式加入，不直接加入变质元素，常用铝锶合金杆作为变质剂。Sr为长效变质剂，变质时间可持续6～8 h，使得粗大片状硅细化，成为细小组织，进一步改善机械性能，这种变质效果比在熔炼炉里加入进行变质效果好，可以减少烧损及衰退。Sr在炉底融化后，利用旋转除气进行搅拌均匀，减轻偏析，Sr变质后的铝液吸氢比较快，产生针孔多，精炼后停留时间不能太长，超过1 h需要重新测氢合格后才能使用。铝液在转入转浇包后，撒入清渣剂，深度搅拌，打出渣灰。测量铝液温度是否能达到精炼温度，温度过高，需要加入回炉材料降温，温度较低需通电升温，精炼温度控制在720～740 ℃。直到调整合格后再在表面撒入少量清渣剂，除气精炼主要是除气除氢，由于第一次深度搅拌已经除去大部分夹渣，但内部还有少量铝渣，所以第二次撒入少量清渣剂。

除气旋转精炼常用的方式是除气精炼和喷粉精炼，原理是向炉底通入惰性气体或者精炼剂，精炼剂很轻，惰性气体或者精炼剂从炉底喷出开始上升，上升过程带走铝液中的氢和浮渣，从而达到净化铝液的目的。除气精炼用到的除气机通过电机带动法兰盘，法兰盘与石墨转子连接转动。一般的石墨转子寿命比较短，容易腐蚀断裂，对此，石墨转子在高温高压下浸入一种介质，再烧结固化，提高其使用寿命，这类石墨主要依靠进口，成本高。

旋转喷粉精炼效果比较好，但容易堵塞石墨转子，生产中多采用通入干燥惰性气体或者高纯度氮气进行精炼，气体接到法兰盘上，法兰盘在电机带动下开始转动，石墨转子随着法兰盘一起转动，转速为400～600 r/min，惰性气体（氩气）流量控制在 15～25 L/min，氮气为 20～40 L/min，压力（0.4±0.1）MPa。操作过程先打开气阀，然后缓慢下降除气机，直到除气机石墨转子与转浇包炉底距离为100～150 mm，最后开起电机，开始除气精炼，精炼时间为10～20 min。为了避免铝液由于石墨转子高速旋转产生漩涡，在石墨转子的一侧或者两侧安放阻流板，减少旋转过程铝液紊流。石墨转子除气时保证气泡细小、分散度高、效果好，这样既可保证除气效果，又不会出现气泡撑破表面氧化膜产生沸腾现象，避免二次吸气。除气完成后，关闭电机，提升石墨转子离开液面，然后关闭气阀。由于除气前表面加入了清渣剂，除气过程产生铝渣漂浮在表面，需要打出渣灰，用专用工具在转浇包中舀出滤液，建议距液面50 mm以下，快速平稳倒入两个专用坩埚中。其中一个坩埚在常压下凝固；另一个坩埚快速盖上钟罩抽真空，真空压力必须达到8 MPa，抽真空时间为3～4 min，放入水中冷却，取出擦干，按先常压后抽真空进行密度当量测量，密度当量越小，铝液含氢越低，除气精炼效果越好，根据不同产品对密度当量有不同的要求，密度当量不合格需重新精炼。

密度当量：DI=（ρ-ρ1）/ρ

式中：ρ为常压下密度；ρ1为真空下密度。

精炼过程同时伴随元素的变化，如A356在生产过程中，除气前变质剂Sr加入量为0.025%，精炼除气后Sr含量在0.012%～0.02%，在铸件中Sr含量为0.008%～0.018%。精炼后需要进行理化分析，不合格需要进行调整，密度当量及理化分析都合格后撒上覆盖剂。覆盖剂的作用是隔绝空气，防止氧化，在停留时间较短的情况下，可以不需要撒入覆盖剂，最后转入前，把覆盖剂清理干净使用。

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