鋁合金熔煉工藝

賀 偉

（重慶長安汽車股份有限公司, 重慶 401133）

1 鋁合金分類

鋁合金按用途分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金包括日常使用的鋁合金門窗，航天飛機的機構材料，根據不同使用要求可進行熱處理和不進行熱處理；另一類為鑄造鋁合金，主要包括鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金和鋁稀土合金等。

在實際生產過程中，鑄造鋁合金根據各類化學元素含量多少進行分類。熔煉過程需要根據實際的化學成分進行添加或者減少原材料用量，有些廠家供應的成品鋁錠已經含有產品所需要的各種合金元素，熔煉過程基本不需要額外加入其他化學元素，不需要進行配比直接熔煉成鋁液，也沒有加入的順序問題，這類鋁合金適合結構單一的產品。現在運用最廣泛的是原材料為純鋁錠，熔煉過程根據實際生產需要進行調節化學成分，優點是可以熔煉不同牌號的鋁合金液，能夠適應不同產品的需求，產品類型多種多樣。對鋁合金進行熔煉前，按照要求進行配料，配料根據合金牌號，需要考慮新料﹑回爐料﹑中間合金中各種元素熔煉過程的燒損。

2 熔化過程

鋁合金熔煉中比較經濟和常用的熔煉方式是燃氣爐熔化，要求：快速熔化﹑時間短﹑吸氣少。投料的順序不僅影響熔化效率與合金消耗，也直接影響鋁液質量。投料的原則是：先小后大，先易熔后難熔，先少燒損后易燒損，最后進行變質。首先加入小塊的回爐料、熔點較低的鋁合金錠（如Al-Si合金），然后是體積較大、熔點較高的鋁錠和中間合金（如Al-Mn），Mg等容易燒損元素最后加入。小塊回爐料先投在爐底既保護爐體，減輕大塊爐料投料時對爐壁沖擊，又由于回爐料熔點較低易熔化，對于后續熔化熔點較高的原材料時可以提高熔化效率，最后降溫加Mg，降低減少燒損。國內某些車輛配套企業在對鋁合金熔煉時就采用這種方式：先將熔化爐進行預熱，到達預定溫度后開始投料，先加小塊回爐料墊底，然后加入大塊鋁錠，對于易燒損元素加入后直接壓入鋁液中熔化。

熔化是固體升溫變成具有流動性的液體的過程，投料結束后，開始進行熔化。在熔煉過程中，要保證熔化快速均勻，且靠近火焰處的溫度較高，達到1 200 ℃以上，為了避免局部過熱、溫度過高，致使鋁合金氧化嚴重對后期產品精煉帶來不便，在熔化過程應進行攪拌，將未融化爐料扒入鋁液中，使其基本全部浸入攪拌均勻，避免局部過熱。對最后浸入的Mg等元素，火焰不能直接加熱熔化，又因為鋁液浸入了原材料，使得溫度降低，保持Mg等元素在相對較低的溫度下熔化，減少了燒損，同時提高了燃燒效率。鋁合金在600 ℃左右開始熔化，升溫到660 ℃全部熔化，控制熔煉溫度不超過760 ℃。當熔化溫度超過770 ℃時，鋁合金的氧化嚴重，熔煉過程的吸氫和夾渣增多，在澆鑄凝固過程出現晶粒粗大，降低機械性能。為了減少鋁合金在熔化過程的氧化，在熔煉過程加入0.4%～0.5%的覆蓋劑，保護鋁合金表面氧化膜不會被破壞，覆蓋劑的種類與清渣劑化學成分差不多。

熔煉過程溫度控制在720～760 ℃，待鋁錠熔化部分后，加入熔點較高原材料如Si元素及Ti劑，Ti在合金中形成異質晶核，起到細化組織作用，將其壓入鋁液中熔化，減少燒損。鋁錠基本熔化完全后加入易燒損元素Mg﹑Cu等類合金元素，不能加入太早，減少燒損，也不能太晚，影響擴散產生偏析，關閉爐門繼續熔煉。熔煉完全后，鋁合金表面有很多浮渣，主要是Al2O3和其它氧化物夾渣，這些細小的夾渣比鋁液重，但聚集結塊后比重輕，漂浮在表面，需要進行清渣。清渣劑的用量按照0.2%～0.5%加入，均勻灑在鋁液表面，并進行淺度均勻攪拌。把渣扒在爐門，關上爐門靜置，一方面清渣劑有發熱效果，可以熔化粘附在浮渣上面的鋁液；另一方面可以有效使渣與鋁液分開，有利于扒出鋁渣，靜置幾分鐘后平穩將爐門口鋁渣扒出。鋁合金熔煉是一個很復雜的過程，不同元素由于燒損程度不一致，在扒渣后將鋁液轉入轉澆包之前，需取樣進行理化分析，保證每種元素在合格范圍內才能放水進入轉澆包除氣精煉，反之不合格則需進行適當調整。

3 精煉過程

鋁合金熔煉過程要對鋁液進行變質處理，變質處理在精煉前進行，鋁液從熔化爐轉入轉澆包前，在爐底加入變質劑，以合金的方式加入，不直接加入變質元素，常用鋁鍶合金桿作為變質劑。Sr為長效變質劑，變質時間可持續6～8 h，使得粗大片狀硅細化，成為細小組織，進一步改善機械性能，這種變質效果比在熔煉爐里加入進行變質效果好，可以減少燒損及衰退。Sr在爐底融化后，利用旋轉除氣進行攪拌均勻，減輕偏析，Sr變質后的鋁液吸氫比較快，產生針孔多，精煉后停留時間不能太長，超過1 h需要重新測氫合格后才能使用。鋁液在轉入轉澆包后，撒入清渣劑，深度攪拌，打出渣灰。測量鋁液溫度是否能達到精煉溫度，溫度過高，需要加入回爐材料降溫，溫度較低需通電升溫，精煉溫度控制在720～740 ℃。直到調整合格后再在表面撒入少量清渣劑，除氣精煉主要是除氣除氫，由于第一次深度攪拌已經除去大部分夾渣，但內部還有少量鋁渣，所以第二次撒入少量清渣劑。

除氣旋轉精煉常用的方式是除氣精煉和噴粉精煉，原理是向爐底通入惰性氣體或者精煉劑，精煉劑很輕，惰性氣體或者精煉劑從爐底噴出開始上升，上升過程帶走鋁液中的氫和浮渣，從而達到凈化鋁液的目的。除氣精煉用到的除氣機通過電機帶動法蘭盤，法蘭盤與石墨轉子連接轉動。一般的石墨轉子壽命比較短，容易腐蝕斷裂，對此，石墨轉子在高溫高壓下浸入一種介質，再燒結固化，提高其使用壽命，這類石墨主要依靠進口，成本高。

旋轉噴粉精煉效果比較好，但容易堵塞石墨轉子，生產中多采用通入干燥惰性氣體或者高純度氮氣進行精煉，氣體接到法蘭盤上，法蘭盤在電機帶動下開始轉動，石墨轉子隨著法蘭盤一起轉動，轉速為400～600 r/min，惰性氣體（氬氣）流量控制在 15～25 L/min，氮氣為 20～40 L/min，壓力（0.4±0.1）MPa。操作過程先打開氣閥，然后緩慢下降除氣機，直到除氣機石墨轉子與轉澆包爐底距離為100～150 mm，最后開起電機，開始除氣精煉，精煉時間為10～20 min。為了避免鋁液由于石墨轉子高速旋轉產生漩渦，在石墨轉子的一側或者兩側安放阻流板，減少旋轉過程鋁液紊流。石墨轉子除氣時保證氣泡細小、分散度高、效果好，這樣既可保證除氣效果，又不會出現氣泡撐破表面氧化膜產生沸騰現象，避免二次吸氣。除氣完成后，關閉電機，提升石墨轉子離開液面，然后關閉氣閥。由于除氣前表面加入了清渣劑，除氣過程產生鋁渣漂浮在表面，需要打出渣灰，用專用工具在轉澆包中舀出濾液，建議距液面50 mm以下，快速平穩倒入兩個專用坩堝中。其中一個坩堝在常壓下凝固；另一個坩堝快速蓋上鐘罩抽真空，真空壓力必須達到8 MPa，抽真空時間為3～4 min，放入水中冷卻，取出擦干，按先常壓后抽真空進行密度當量測量，密度當量越小，鋁液含氫越低，除氣精煉效果越好，根據不同產品對密度當量有不同的要求，密度當量不合格需重新精煉。

密度當量：DI=（ρ-ρ1）/ρ

式中：ρ為常壓下密度；ρ1為真空下密度。

精煉過程同時伴隨元素的變化，如A356在生產過程中，除氣前變質劑Sr加入量為0.025%，精煉除氣后Sr含量在0.012%～0.02%，在鑄件中Sr含量為0.008%～0.018%。精煉后需要進行理化分析，不合格需要進行調整，密度當量及理化分析都合格后撒上覆蓋劑。覆蓋劑的作用是隔絕空氣，防止氧化，在停留時間較短的情況下，可以不需要撒入覆蓋劑，最后轉入前，把覆蓋劑清理干凈使用。

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