铸造铝合金熔炼工艺研究

2018-04-21刘培德温晓妮

世界有色金属 2018年2期

刘培德，董垒，温晓妮

（1.烟台路通精密科技股份有限公司，山东烟台 264000；2.烟台工程职业技术学院，山东烟台 264000）

ZL109A铝合金是这几年我国相关材料学工作者和冶金部门，在以往的Si-Cu-Al合金基础上，通过添加Na、Mg、Be、Cd、Ti等多种合金微量化学元素，所研究开发形成的一种新型的，具有高强度、高适应性、耐高温的优质铝合金。这种铝合金本身具有极强的综合性力学性能和良好的后期铸造重塑性，因此被许多大型冶金工厂所引进用于铸造许多复杂关键的铝合金机械工程零件。在日常生产时，对于铝合金的熔炼工艺会直接影响铝合金的金属元素成分、元素组织状况，从而改变铝合金的化学性和物理性能，为了让ZL109A铝合金可以获得较强的力学应用性，必须优化其熔炼工艺，从炉料选择到工艺流程设计再到后期的精炼加工，研究与其性能相适合的方式，最终保证其生产性的完善[1]。

1 熔炼炉料和相关工具

1.1 ZL109A铝合金成分性能探究

对ZL109A铝合金熔炼工艺的研究必须建立在充分认识其物理性和化学性的基础上。经过分析探测可以确定，ZL109A铝合金的化学成分表如表1所示。

表1 ZL109A合金元素表

由表1可以看出，ZL109A铝合金的主要合金元素和微量合金元素总共有九种，属于复杂成分合金，所以必须合理协调和元素之间性能，寻找平衡点，在满足其改造性的同时，释放其固有的物理性能，最终完成对ZL109A铝合金的熔炼升级[2]。

1.2 Fe元素的稀释

根据以往的熔炼经验Fe元素是合金熔炼中威胁性最大的元素之一。一旦超量流入铝合金元素，就能在合金中生成FeAl3、FeSiAl2、Al3Si2多种具有脆化作用的铁化合物，严重影响合金物理性能，所以熔炼合金一项重要的工作就是降低合金中Fe杂质的含量[3]。根据实验可知，Fe元素大多伴随坩埚、合金熔炼器械以及熔炼炉料进入熔炼合金中，所以必须提前对熔炼坩埚进行涂料翻新处理。合金熔炼器械尽量以石墨灰为主要材料进行制造，尤其是在合金熔炼变质和细化处理时，一定要使用纯石墨制造的金属钟罩和盐勺，因为熔炼添加的细化剂和变质剂具有极强的氧化性和腐蚀性，如果与任何含铁元素的工具接触，会直接吸收大量铁元素，并融入合金中[3]。除此以外，加强熔炼炉料的纯度，也可以有效降低铁元素流入量。传统铸造铝合金含铁量≤0.15，但是高纯铝中铁元素含量≤0.003，所以不难判断，在熔炼过程中适用高纯铝可以有效降低铁元素含量。与之相似的还有Al的选择。无论是工业用的冶金Al还是化学用的Al2Mg，均含有较高Fe元素。所以本次研究的熔炼工艺选择了电子工业生产中的单晶Al料头，这种Al料头纯度极高，最高可以达到光谱级别，可以有效降低Fe含量。除此以外，类似常见的Mg、Cd、Ti、Be、Na、Zn等元素的流入不会影响铁元素含量，所以可以忽略。

2 ZL109A铝合金熔炼流程

整个熔炼工艺流程如图1所示。

在熔炼过程中，所加入的Mg、Zn、Cd元素会在合金精炼时，与其产生的C2Cl6（六氯乙烷）产生化学反应并伙同Cl元素稀释Mg元素，Cd元素也会随着高温精炼而持续减少。为了保证ZL109A铝合金微量合金元素含量，可以在C2Cl6静置半小时后再进行后续操作，同时整个操作过程不要超过2小时，尽量缩短时间也可以减少熔炼吸气含量和铁元素进入概率[4]。

图1 熔炼流程图

3 ZL109A铝合金精炼处理

在整个熔炼过程中，由于炉料高温等各种化学反应生成，熔炼坩埚以及其他熔炼工具难以避免的会使熔炼合金体重出现各类杂质。在液态铝合金中还会出现许多熔炼气体，其中以氢气最为常见，所占比重也最高，约占总量的80%～95%左右。而精炼的核心目的，就是对ZL109A铝合金进行再次提纯，去除液态铝中的各类杂质和气体，从而获得纯度更高的金属液态铝。通过实验证明，C2Cl6（六氯乙烷）对液态铝的提纯效果最优，其原理式如下：