過共晶鑄造鋁硅合金及加工技術(shù)

1、1過共晶鑄造鋁硅合金及加工技術(shù)孫玉福劉勝新鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2016.0722鑄造鋁硅合金的成分、組織及性能過共晶鋁硅合金的特點和應(yīng)用過共晶鋁合金的熔煉工藝過共晶鋁合金的組織控制過共晶鋁硅合金鑄造方式過共晶鋁硅合金的強化方法過共晶鋁硅合金的加工主要內(nèi)容3概述純鋁：優(yōu)良的導(dǎo)電和電熱性能，表面有致密氧化膜，在大氣、淡水及氧化性酸類中有一定的耐蝕性。以純鋁為基，添加不同的合金元素，將形成不同系列的鋁合金。4一、鑄造鋁硅合金的成分、組織及性能Al-Si二元相圖在鋁硅合金中加 Si，能顯著改善合金的流動性，降低合金的熱膨脹系數(shù)，減少熱裂傾向，減輕合金比重，提高耐磨性、高溫強度、剛度和疲勞強度，并

2、且減少疏松提高氣密性。5亞共晶鋁硅合金組織 a（a+b）過共晶鋁硅合金組織b b (Si)+共晶體（a+b） a (Al)+共晶體（a+b）6一、鑄造鋁硅合金的成分、組織及性能 按合金中Si 含量的多少，該系合金可分為三類：亞共晶(Si10%)，共晶(Si11%13%)和過共晶(Si16%26%)鋁硅合金。共晶和亞共晶型鋁硅合金通常加入銅、鎂、鎳、鋅等合金元素，需通過熱處理提高機械性能，具有較好的力學(xué)性能、摩擦性能和使用性能，是中小型內(nèi)燃機活塞的首選材料，國內(nèi)常用的該類合金以 ZL108 和 ZL109 為典型代表。7表1國內(nèi)外常用活塞鋁合金的物理性能8鋁的塑性大，不易切削。隨著含硅量的增加，

3、共晶體的數(shù)量增多，切削性能改善，但硅相硬度高，易磨損刀具，尤其是有粗大共晶硅的過共晶鋁硅合金，通常刀具磨損嚴重，被加工表面毛糙。含硅量的變化對鋁硅合金的組織和性能都會產(chǎn)生影響，通常隨著硅量的增加，磨損量、腐蝕量、線膨脹系數(shù)、密度和電導(dǎo)率均直線下降。初生 Si 的顯微硬度很高為 HV1000 1300，而(A l)的顯微硬度僅為HV60 100。含硅量的變化和是否進行變質(zhì)處理是影響鋁硅合金組織和性能的重要因素。10共晶型鋁硅合金具有優(yōu)良的鑄造性能，但因力學(xué)性能不高，故常用于壓鑄、擠壓鑄造等高速冷卻的鑄造方法。通常鑄造鋁硅合金需要進行變質(zhì)處理。 含硅量的變化對鋁硅合金力學(xué)性能的影響11共晶鋁硅合金

4、的缺點熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高變化較大，耐磨性較差；致密性較差，對于要求尺寸精確的零件不太適合。如，當(dāng)活塞運轉(zhuǎn)溫度過高時會出現(xiàn)“咬缸”，發(fā)生危險。 近年來，對汽車發(fā)動機的要求越來越高，共晶合金的熱膨脹系數(shù)、耐磨性等性能都不能適合發(fā)動機的發(fā)展，因此，過共晶合金得到了快速發(fā)展。12二、過共晶鋁硅合金的特點和應(yīng)用常規(guī)凝固組織特點：由初生Si和(a+Si)共晶體組成, 其中初生 Si 的顯微硬度很高,為 HV1000-1300，a (Al)的顯微硬度僅為HV60-100，一種軟基體上分布著硬質(zhì)點的理想輕質(zhì)耐磨結(jié)構(gòu)材料。生產(chǎn)中均需要變質(zhì)處理。變質(zhì)處理未變質(zhì)13初晶硅形貌可劃分為五種基本類型：八面體等軸晶體

5、、六邊形片狀晶體、包含有不同數(shù)目孿晶的等軸晶體、包含有放射形孿晶面的星形晶體和球狀晶體。未經(jīng)變質(zhì)處理的初生硅一般呈粗大的板片狀、多角形塊狀或五瓣星狀。 隨著硅含量的提高，板片狀所占有的比例也越來越高，初生硅變得十分粗大。這顯著地降低了過共晶合金的力學(xué)性能和切削加工性能。使用性能特點：熱膨脹系數(shù)低、密度小、尺寸穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱能力強、耐磨、耐蝕等特性，特別適用于制造輕質(zhì)、耐磨零件。14過共晶鋁硅合金的性能特點1）鑄造性能初晶硅析出時放出大量結(jié)晶潛熱，常用的過共晶Al-Si合金比共晶合金具有更好的流動性。但Si含量大于18%以后流動性也會開始下降。隨著合金中硅含量的增加，合金的線收縮率減小。但隨著結(jié)

6、晶溫度范圍的擴大，一些鑄造缺陷也會逐漸顯現(xiàn)，如合金的縮松傾向增大、氣密性降低，即鑄造性能下降。152）力學(xué)性能若沒有經(jīng)過變質(zhì)處理，其力學(xué)性能很難滿足使用性能要求；若經(jīng)過合適的變質(zhì)處理，合金可以獲得滿意的機械性能。隨著溫度的升高，合金的強度降低而塑性提高。在成分選擇合適并經(jīng)過變質(zhì)處理的條件下，過共晶 Al-Si 合金的高溫強度可以超過共晶合金。隨著含硅量增加，合金組織中的初晶硅體積百分數(shù)增加，從而使合金的耐磨性提高。與共晶型和亞共晶型鋁硅合金相比, 過共晶 Al-Si 合金的磨損率僅是共晶Al-Si合金的磨損率的0.3-0.5倍, 僅為亞共晶Al-Si 合金的磨損率的 0.1 - 0.2倍。3）

7、耐磨性能165）過共晶鋁硅合金切削加工困難 刀具極易磨損，加工表面粗糙。解決的途徑是使用金剛石刀具，或在合金成分中加入少量鉛和鉍。4）具有高溫強度高和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性目前研究主要集中于硅含量在30%以下的過共晶合金。由于超高硅鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性能、可控的線膨脹系數(shù)而被應(yīng)用于電子封裝材料。純鋁 的熱膨脹系數(shù)高達 23.610-6 / ,而純硅 的熱膨脹系數(shù)僅為(2.8-7.2) 10- 6/ ,因此高硅鋁合金材料的低熱膨脹性主要是硅的貢獻。17應(yīng)用領(lǐng)域航天、航空、交通運輸、機械加工等，尤其是在汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。近幾年來在電子封裝殼體中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。目前過共晶Al-Si

8、合金主要用于發(fā)動機活塞、缸套、轉(zhuǎn)子、剎車盤、缸體及其他輕質(zhì)耐磨零件。國外已生產(chǎn)出高性能的過共晶Al-Si合金活塞、缸套。隨著發(fā)動機向高速、大功率、大壓縮比方向發(fā)展，這類合金應(yīng)用將會越來越廣泛。18電子封裝用高硅鋁合金盒子19目前過共晶 Al-Si 合金在國內(nèi)的應(yīng)用主要是摩托車、汽車發(fā)動機活塞材料，部分企業(yè)已將過共晶 Al-Si 合金投入應(yīng)用。如：重慶建設(shè)機床廠熔煉 ZAS23 型過共晶Al-Si合金，生產(chǎn)JS50和CY80 摩托車活塞。福建冶金工藝研究所用 FYZL-03 型過共晶 Al-Si 合金生產(chǎn)的 S195 型柴油機活塞，與 ZL108 活塞比較，排氣溫度降低了1020，當(dāng)負載增大5%

9、時，燃油消耗率降低了1.96.5g/Kwh。國外除制作鑄造活塞外，還替代灰鑄鐵，應(yīng)用于發(fā)動機的氣缸蓋、油泵外殼和排氣管。如：美國的A390、德國的KS280、KS282等，已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段。另外，相關(guān)的合金牌號還有德國的 MAHLF138。在日本，摩托車活塞已經(jīng)全部選用這種材質(zhì)的合金，并擴大應(yīng)用于載重汽車，在小轎車上也有應(yīng)用。在澳大利亞，過共晶 Al-Si合金 A390 已用作全鋁汽車氣缸鑄件。2023三、過共晶鋁硅合金的熔煉工藝 鋁合金熔煉內(nèi)容包括：配料計算、爐料處理、熔煉設(shè)備選用、熔煉工具處理及熔煉工藝過程控制。 熔煉工藝過程控制包括： 正確的加料順序、嚴格控制熔煉溫度和時間、實現(xiàn)快速

10、熔煉、效果顯著的鋁液凈化處理及可靠的爐前質(zhì)量檢測手段。 目的及主要任務(wù)： 合金成分均勻并符合國家標準、純凈、氣體及雜質(zhì)含量低、需要變質(zhì)處理的合金液變質(zhì)良好。主要任務(wù)是提高合金的純凈度和變質(zhì)效果。24加料熔化扒渣與攪拌出爐機邊保溫精煉除氣調(diào)整成分澆注變質(zhì)處理鋁合金的熔煉工藝大體過程2525 1）對熔煉爐的要求及比較非鐵合金熔煉過程中的突出問題：元素容易氧化、合金易吸氣。因此，對熔煉爐的基本要求是：熔化速度快、時間短、燒損、吸氣少；熔體表面積與熔體深度比盡可能??；熔池內(nèi)溫度均勻并易于控制；熱效率高、燃料電能消耗低、爐襯壽命長；工藝操作方便、裝料及熔煉的所有工序盡可能采用機械化、自動化；爐體的化學(xué)穩(wěn)

11、定性及各方面能保證所要求的熔體質(zhì)量。2626火焰反射爐或稱倒焰爐：火焰與鋁液直接接觸，依靠強烈熱輻射及對流傳導(dǎo)作用。燃料:天然氣、重油、煤氣; 柴油深度一般450mm。優(yōu)點是成本低、產(chǎn)量高、在嚴格遵守熔煉、精煉及澆炷工藝條件下可得到滿意的鑄錠質(zhì)量。缺點是熔池液表面大、燒損大、吸氣多、熱效率低、噪聲大、污染大、溫度不易均勻。感應(yīng)爐：溫度和成分均勻、熔化快、氧化燒損少、吸氣少（爐氣中的可浴性氣體含量低）、易于控溫、設(shè)備周圍溫度低等；缺點：容易過熱而晶粒粗大、設(shè)備造價高、能源成本高。電阻反射爐：適合做保溫爐。熔煉的金屬質(zhì)量高、缺點是容量小、生產(chǎn)率低。27 精煉的目的： 清除鋁液中的氣體和各類有害雜質(zhì)

12、，凈化鋁液，防止在鑄件中形成氣孔和夾渣。 2）鋁合金的精煉原理 鋁合金通常在大氣中熔煉，當(dāng)鋁液和爐氣中的N2、O2、H2O、CO2、CO、H2、CmHn等接觸時，會產(chǎn)生化合、化分、溶解、擴散等過程。鋁液中氣體和夾雜物的來源 Al2O3的化學(xué)穩(wěn)定性極高，熔點高達201515，在鋁液中不再分解，是鋁鑄件中主要的氧化夾雜物。28 在所有的爐氣成分中，只有氫能大量地溶解于鋁液中。根據(jù)測定，存在于鋁合金中的氣體，氫占85%以上，因而“含氣量”可視為“含氫量”的同義詞。 鋁液中的氫和氧化夾雜主要來源于鋁液與爐氣中水汽的反應(yīng)。29 A 、鋁和水汽、油污的反應(yīng) 低于250時，鋁錠與大氣中的水汽接觸會產(chǎn)生下列反

13、應(yīng) Al+H2OAl(OH)3+H2 Al(OH)3長在鋁錠表面，組織疏松，呈粉末狀，對鋁錠沒有保護作用，俗稱鋁銹。 升溫至400左右，鋁銹按下式分解:Al(OH)3 Al2O3+H2O 分解產(chǎn)物Al2O3組織疏松，能吸附水汽和氫，混入鋁液中，增大氣體和氧化夾雜的含量，使鋁液質(zhì)量變壞。30 因此鋁錠不宜儲存在潮濕的庫房內(nèi)或在雨季露天堆放。爐料庫應(yīng)保持清潔，干燥，以防生成鋁銹。對已生成鋁銹的鋁錠，投入熔爐前應(yīng)徹底清除鋁銹，否則即使熔煉工藝操作很嚴格，也不易獲得高質(zhì)量的鋁液。31 各種油污都是由復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳氫化合物所組成，與鋁液接觸后都會發(fā)生下列反應(yīng)，生成氫氣4/3mAl+CmHn=1/3mAl4

14、C3+1/2nH2 這一反應(yīng)，也是鋁液吸氫的原因之一，故生產(chǎn)中嚴格禁用沾有油污的爐料直接投入熔池中。事先必須進行“堿洗”處理，清除油污。32 B、氫在鋁中的溶解度 鋁液與水汽溶入鋁液中，當(dāng)溫度不變且達到平衡時有H=KspH2 pH2一氫分壓，MPa； H溶于鋁中氫的濃度。 Ks 溫度不變時的參數(shù)。 上式即為有名的Sieverts公式，說明溫度不變時，所有雙原子的氣體溶入鋁液時都服從這個公式。 如果不服從這個公式，說明氣體和鋁相互作用，形成化合物。33 從圖中可見，在鋁的熔點溫度，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時，氫的溶解度劇烈下降，在液態(tài)鋁中的溶解度達0.68mL/(100g)，固態(tài)鋁中只有0.036mL/

15、(100g) ，二者相差達0.64mL/(100g)，相當(dāng)于1.73%的鋁液體積。以ppm作溶解度單位時，由于此單位很小，會造成錯覺，如鋁中溶入1ppm的氫，等于0.0001%鋁液質(zhì)量，氫的密度為910-5g/cm3，己占有3.0%的鋁液體積，相當(dāng)于1.14mL/(100g)。34 氫在金屬液中的溶解度和金屬液的蒸氣壓有關(guān)，蒸氣壓的驅(qū)動方向與氫溶入金屬液中的驅(qū)動方向相反，會阻滯金屬液吸氫。當(dāng)溫度到達沸點，金屬液的蒸氣壓為0.1MPa時，氫的溶解度趨于零。但鋁的沸點高達2057，在一般熔煉條件700-760下，鋁液的蒸氣壓低于0.0001MPa，因此蒸氣壓的影響可忽略不計。35C、氧化鋁的形態(tài)、

16、性能對吸氫的影響 根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，鋁及其合金中存在著三種不同形態(tài)的無水氧化鋁：、和，它們各自的特性列于下表中。36 室溫下生成的表面氧化膜由少量結(jié)晶形態(tài)的-Al2O3和非晶態(tài)的Al2O3混合物所組成。隨著溫度的上升，非晶態(tài)Al2O3逐漸轉(zhuǎn)化為-Al2O3和-Al2O3，到鋁熔點附近溫度，氧化膜厚度達210-1mm，有較高的強度。在鋁液表面形成一層致密的氧化膜，隔絕了爐氣和鋁液的直接接觸，阻滯了鋁液的氧化和吸氣，對鋁液能起保護作用。所以，除Al-Mg類合金外，鋁合金可直接在大氣中熔煉。不必加覆蓋劑，這是-Al2O3膜有利的一面。隨靜置時間的延長， -Al2O3將逐漸全部轉(zhuǎn)化為-Al2O3。37 根

17、據(jù)觀察結(jié)果，氧化膜只有和鋁液接觸的一面是致密的，和爐氣接觸的一面卻是粗糙、疏松的，存在著大量的直徑為510-3mm的小孔，小孔中吸附著水汽和氫，甚至將-Al2O3燒到890-900，仍能吸附少量水汽，只有當(dāng)溫度高于900, -Al2O3完全轉(zhuǎn)化為-Al2O3，才能較完全地脫水。熔煉時攪動鋁液，劃破連續(xù)、均勻地覆蓋在鋁液表面的氧化膜并卷入鋁液中，鋁液便和氧化膜小孔中的水汽反應(yīng)，使鋁液進一步氧化，生成氧化夾雜，吸入氫氣。這樣， -Al2O3膜就起了傳遞水汽的作用，成為氫和氧化夾雜的載體。這就是-Al2O3膜的兩面性。38 -Al2O3和-Al2O3在600-700范圍內(nèi)，吸附水汽和氮的能力最強，因

18、此，鋁液中的氫有兩種存在形式：溶解氫和吸附在氧化夾雜縫隙中的氫，前者約占90%以上。后者約占10%以下。故鋁液中氧化夾雜越多，則含氫量也越高。通常，熔池深處氧化夾雜濃度較高，含氫量也較高?？梢婁X液中的Al2O3和H2之間存在著密切的孿生關(guān)系。39D、合金元素對鋁液吸氫的影響對溶解度的影響 在pH2 =0. 1MPa的條件下，測得硅、銅、鎂對溶解度影響結(jié)果表明，含鎂量越高，氫的溶解度越高；硅、銅含量越高，氫的溶解度越低。對氧化膜性能的影響 鋁液中含鎂量高于1%，表面氧化膜即全部由MgO所組成，其組織疏松，對鋁液不起保護作用，故Al-Mg類合金必須在熔劑覆蓋下進行熔煉。40 在改變氧化膜性能方面，

19、最突出的是鈹，它比鋁輕，富集在鋁液表層，優(yōu)先被氧化，生成的BeO蒸氣壓很低，非常穩(wěn)定。此外，BeO的電阻很大，能阻止電子交換過程，防止鎂原子透過表面氧化膜和爐氣接觸，進一步被氧化，因此是一種非常有效的防氧化劑。在ZL301合金中加入Be 0.03%-0.07%，就能使氧化速度和純鋁相近，從而保護Al-Mg合金液。 加入硫，和鎂反應(yīng)生成MgS，也能成為氧化膜的填充劑，提高氧化膜的保護性能。41E、鋁液中析出氫的條件熱力學(xué)條件 熱力學(xué)條件能表示析出氫的方向和限度。42 (2) 鋁液中形成的氣泡上浮至熔池表面 氣泡上浮速度由Stokes公式估算 式中 氣泡上浮速度，cm/s； R氣泡半徑，cm； 金

20、屬液的動力粘度系數(shù)，N.s/m2； M金屬液重度， g/cm3； B氣泡重度， g/cm3。動力學(xué)過程 鋁液析出氫的動力學(xué)過程包括下列幾個環(huán)節(jié)。 (1) 氫氣泡的形成 43 由于M- B值很大，氣泡上浮速度通常不是鋁液脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。 在鋁液脫氫過程中，擴散卻是一個決定脫氫速度的限制環(huán)節(jié)。 氧化夾雜明顯降低氫的擴散系數(shù)，鋁液中的合金元素如硅、鎂、銅、鈦等都降低氫的擴散系數(shù)，尤其是氧化夾雜影響大，阻滯鋁液脫氫。鋁液由熔池底部向液面造成定向運動，形成對流，則氫擴散系數(shù)，擴散速度，促使氣泡快速生成、長大的同時，快速上浮至液面而被除去， 除氣效果。44因此，在生產(chǎn)中可采取下列工藝措施: 冷凝除氣

21、依靠熔池表面層、坩堝壁的空冷，使鋁液產(chǎn)生自然對流； 真空處理藉氫氣泡上浮帶動鋁液產(chǎn)生對流； 電磁攪拌在熔池內(nèi)造成強制對流。 采取上述工藝措施后，氫在鋁液中的擴散不再是脫氫除氣的限制環(huán)節(jié)。此時，氫氣泡通過鋁液表面氧化膜成為脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。45 (3) 氣泡通過表面氧化膜逸出脫氫過程的最后階段是鋁液中氫氣泡通過表面氧化膜逸出。鋁液的表面氧化膜組織致密，強度高。因此，氣泡逸出的速度取決于相界面上存在的氧化膜組織。能破碎、溶解表面氧化膜的熔劑，可消除氣泡逸出的屏障，提高鋁液脫氫速度。如真空處理時，通常覆蓋一層熔劑，氧化膜溶入熔劑中，氣泡能順利逸出，使除氣效果大大改善。46 在鋁液內(nèi)部，如果氧化夾

22、雜含量高，氫氣泡表面被氧化膜包覆，氫氣滲入氣泡的擴散受阻，同樣成為脫氫過程的限制性環(huán)節(jié)。如果通入惰性氣體Ar或不溶于鋁液的活性氣體Cl2，C2Cl6，CCl4等，則氫氣可直接向這些氣體所形成的氣泡中遷移，然后被氣泡帶出液面，從而提高除氣速度，見右圖。47改善除氣動力學(xué)條件，提高除氣速度的有效途徑如下: 1) 盡可能增加氣泡數(shù)目，增加鋁液與氣泡間的有效接觸比表面積A/V； 2) 盡可能減小氣泡直徑，并在不引起鋁液表面飛濺的前提下，增大氣泡在鋁液內(nèi)的運動速度，即增大攪動度，強化氣液表面更新率，增大傳質(zhì)系數(shù)k；3) 盡可能延長氣泡在鋁液中上升浮游的路程，以增加氣泡在鋁液內(nèi)的停留時間，亦即增加氣泡帶走

23、氫氣的時間t，提高除氣效率； 4) 采用高純度惰性氣體或不溶于鋁液的活性氣體除氣及真空除氣，改善除氣條件等。483） 鋁液熔煉工藝 按作用機理，精煉工藝可分為吸附精煉和非吸附精煉兩大類。 A、吸附精煉 吸附精煉依靠精煉劑產(chǎn)生吸附氧化夾雜的作用同時清除氧化夾雜及其表面吸附的氫氣，達到凈化鋁液的目的。精煉作用僅發(fā)生在吸附界面上，具體又可分為浮游法、熔劑法、過濾法等。49 浮游法包括8種方法：通氮精煉、通氬精煉、通氯精煉、氯鹽精煉、三氣混合氣精煉、固體無公害精煉劑、固體三氣精煉塊、噴粉精煉。 （1）通氮精煉50 通氮溫度應(yīng)控制在710-720，溫度過低，降低氫的擴散系數(shù)，溫度過高，將生成大量AlN夾

24、雜物，同樣污染鋁液。鎂比鋁更容易和氮反應(yīng)，生成Mg3N2夾雜物。 工業(yè)用氮氣瓶中通常含有微量氧氣，并可能含有水分，因此在生產(chǎn)中，為了清除氮氣中的水分，在通入鋁液之前，應(yīng)通過儲有于燥劑CaCl2、硅膠、分子篩、濃硫酸等的干燥器后再進入鋁液中，進行嚴格脫水處理。51 （2）通氬精煉 工業(yè)用氬氣瓶中含氧量較低，在0.005%-0.05%范圍內(nèi)，精煉溫度允許提高到760。精煉時，較重的氬氣富集在鋁熔池表面，能保護鋁液防止和爐氣反應(yīng)，故凈化效果好。對原始質(zhì)量較好的鋁錠，如大塊護料，凈化效果和六氯乙烷C2Cl6相近，而對于質(zhì)量較差的爐料，如回爐料，有時其凈化效果還優(yōu)于C2Cl6。52 若使用鍶變質(zhì)后，則必

25、須通氬精煉。操作上變質(zhì)、精煉可以同步進行，精煉時氬氣泡對鋁液起攪動作用，加速變質(zhì)元素的擴散，從而縮短鍶變質(zhì)的潛伏期，提高生產(chǎn)率。 惰性氣體族中除氬外，氦、氖、氪等都有類似的凈化效果，但以氬的價格最便宜，來源較豐富，為工廠所樂用。53 （3）通氯精煉 氯不溶于鋁液中，但能和鋁液及溶于鋁液內(nèi)的氫產(chǎn)生劇烈反應(yīng) 反應(yīng)生成物HCl（沸點85 ) ，AlCl3(沸點183)都呈氣態(tài)，且不溶于鋁液，和未參加反應(yīng)的氯均能起精煉作用，因此凈化效果比通氮甚至通氬明顯。54 工業(yè)用氯氣瓶中常摻有水分，影響凈化效果。精煉使用的氯氣含水量應(yīng)控制在0.08%以下。隨著使用時間的推移，氯氣瓶中的含水量將逐漸增加，最終可增加

26、1倍以上，在生產(chǎn)中必須注意。 氯是劇毒氣體，通氯裝置應(yīng)安放在密封的房間內(nèi)，以防泄漏。熔爐、坩堝上方應(yīng)安裝通風(fēng)罩，凈化操作環(huán)境。其次，通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力學(xué)性能，故生產(chǎn)中極少采用，已改用氮-氯聯(lián)合精煉工藝：先通氯，再通氮，以凈化通氯管道、設(shè)備，保護廠方及車間設(shè)備，改善勞動條件。也可用N290%+Cl210%的混合氣進行精煉，亦能獲得良好的凈化效果。55（4）氯鹽精煉 常用的氯鹽有氯化鋅ZnCl2，氯化錳MnCl2、六氯乙烷C2Cl6、四氯化碳CCl4，四氯化鈦TiCl4等。 氯鹽精煉時和鋁液發(fā)生下列反應(yīng) 氯鹽精煉的優(yōu)點是省去了一整套氣體發(fā)生裝置和輸送管道，其次，AlCl3的毒性比氯氣

27、小得多。氯化鋅精煉會引起回爐料中含鋅量超標，六氯乙烷中加入1/2-1/3N2SiF6壓塊，凈化效果好同時還有細化合金組織的效果。56 （5） 三氣混合氣精煉 三種氣體是Cl2 、CO、N2，配比為15：11：74，經(jīng)混合后吹入鋁液內(nèi)，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng)使用三氣混合氣精煉的凈化效果和使用六氯乙烷的相當(dāng)，而且精煉時間減半，污染程度減輕，但要配置一套復(fù)雜的三氣發(fā)生裝置及輸送管道。57 （6）固體無公害精煉劑 主要成分為煤粉和硝酸鹽，壓制成塊并壓入鋁液中，發(fā)生下列反應(yīng)精煉時由于反應(yīng)產(chǎn)物無嗅無味，為工人所樂用，缺點是沒有氯、氟等有效成分，凈化效果欠理想。無公害精煉劑價格便宜，適用于不重要的中、小型鋁鑄件

28、。58 （7）固體三氣精煉塊 在無公害精煉劑的基礎(chǔ)上，加進適量的C2Cl6組成三氣精煉塊，提高C2Cl6的利用率，凈化效果優(yōu)于無公害精煉劑，反應(yīng)產(chǎn)物中除C2Cl4外無嗅無味，能用于較重要的鋁鑄件。缺點是原材料烘干不徹底，壓塊前攪拌不均勻時，凈化效果不穩(wěn)定。 （8）噴粉精煉 惰性氣體氮、氬精煉后期，容器內(nèi)逐漸積聚水汽和氧，帶入鋁液中將生成Al2O3 ，吸附在氮、氬氣泡的表面，降低凈化效果。59 將粉狀熔劑和惰性氣體一起吹入鋁液中，熔化后可包圍在氣泡表面，將氧化膜溶解、破碎，提升精煉效果。單管噴吹和旋轉(zhuǎn)噴吹精煉60 熔劑法 熔劑法的機理在于通過吸附、溶解鋁液中的氧化夾雜及吸附其上的氫，上浮至液面進

29、入熔渣中，達到除渣、除氣的目的。熔劑的作用：覆蓋、聚渣和精煉。凈化效果好，尤其是熔煉Al-Mg類合金或重熔切削、碎料時，必須采用熔劑法。 對熔劑的要求：不與鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不互相溶解；熔點低于精煉溫度、流動性好容易在鋁液表面 形成連續(xù)的覆蓋層保護鋁液，最好熔點高于澆 注溫度，便 于扒渣清除；能吸附、溶解、破碎Al2O3夾雜；來源豐富，價格便宜 ；61常用的熔劑組分有:NaCl、NaF、 KCl、Na3AlF6、 Na2SiF6、CaF2等，不同組分按不同配比制成的熔劑，有不同的熔點、不同的表面性能及不同的工藝性能，以滿足不同的要求。62 過濾法 過濾精煉由于凈化效果好，對于重要的鋁鑄件，可

30、采用過濾。 過濾劑可分為兩類，一類是非活性過濾劑，如石墨塊、鎂屑磚、玻璃纖維等，依靠機械作用清除鋁液中的非金屬夾雜物。另一類是活性過濾劑，如NaF, CaF2, Na3AlF6等，除機械作用外，主要通過吸附、溶解Al2O3的作用清除氧化夾雜。63 稀土精煉 稀土與氫形成穩(wěn)定的REH2，以固體形式吸收鋁液中大量的氫，降低含氫量，消除針孔。 稀土最佳加入量為2%-3%，加入過多，不但浪費稀土，而且?guī)霘浠瘖A雜，降低凈化效果。稀土加入鋁液后，需靜置一定時間，使其擴散均勻，達到最佳凈化效果，這段時間即為“潛伏期”。 最適用的是Al-Si類合金，它在消除針孔的同時細化共晶硅，明顯提高合金的力學(xué)性能。64

31、B、非吸附精煉 依靠其它物理作用的精煉方法，統(tǒng)稱為非吸附精煉，分真空和超聲波等，特點是同時對全部鋁液起精煉作用。 真空精煉優(yōu)點: （1）針孔等級明顯改善，合金的力學(xué)性能普遍提高10%左右； （2）精煉時不會破壞鈉、鍶對Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用，可以在變質(zhì)的同時進行精煉，既能避免變質(zhì)處理時的二次吸氣，又能提高生產(chǎn)率； （3）可以代替高壓釜中鑄造，同樣獲得致密的鑄件。只適用于批量生產(chǎn)同一牌號的重要鋁鑄件。65當(dāng)超聲波發(fā)生器功率足夠時，作用范圍可達全部鋁液，凈化效果好。 由于要配備超聲波發(fā)生器，消耗功率大，故不易在生產(chǎn)中獲得推廣。66 C、凈化效果檢測方法 爐前檢測 爐前檢測是控制熔煉工藝，保證

32、鑄件質(zhì)量的重要手段。尤其在采用大容量熔爐進行大批量生產(chǎn)時，更為重要。爐前檢測的項目主要是含氣量和氧化夾雜含量。 目前檢測的方法很多，應(yīng)用較普遍的有下列幾種: （1）含氣量檢測常壓凝固試樣 常壓凝固試樣的尺寸通常為(40-50)mm(20-30) mm，鑄型可用于砂型、耐火磚型、石墨型等。67 將鑄型預(yù)熱到200以上，澆入待測的鋁液。凝固前用干凈鐵皮刮去表面氧化膜，觀察凝固過程中試樣表面形貌的變化。含氣量多時，會有小氣泡冒出。比較精煉前后凝固試樣表面情況，有無小泡冒出，即可判斷凈化效果。一旦冒泡，說明凈化效果差，需重新精煉。 敲開試樣斷口，如出現(xiàn)白點，則是含氣斷口。白點有兩種：一種呈圓點狀，面積

33、不大，彼此不相連，這就是點狀針孔的孔穴，孔穴壁光滑，呈球形。另一種呈片狀，面積較大，有時連成一片，看不出明顯的孔穴，呈棉絮狀，這是由網(wǎng)狀針孔所形成。68用顯徽鏡觀察，可以看出白點的孔壁由(A1)枝晶所組成，白色。根據(jù)斷口中有無白點及白點形態(tài)、多寡很容易判斷凈化效果。常壓凝固試樣一般適用于Al-Si類合金。存在的問題： 靈敏度低，當(dāng)鋁液含氣量低于0.5mL/(100g)時，不易看到氣泡，當(dāng)雨季下雨時，又會出現(xiàn)反應(yīng)過敏，凈化效果好的鋁液也會冒小氣泡，易引起誤判。69 減壓凝固試樣 將100g左右的鋁液倒入小坩堝內(nèi)，在0.65-6.5MPa壓力下凝固，如不冒泡，表面不凸起，則說明含氣量低，凈化效果好

34、；若試樣表面凸起，冒1-2個泡，則凈化效果欠佳，需重新精煉；如表面不斷冒泡，則說明含氣量很高，需采取有效的精煉手段，重新精煉。70 減壓凝固標準試樣 在設(shè)定的凝固條件下，鋁液在標準形狀的殼型中凝固，切去冒口，然后分別在空氣、水中稱重，然后按下式求得試樣的密度。 s值越大，含氣量越低，凈化效果越好。71現(xiàn)代化的鑄鋁車間常用的檢測方法。72 氮氫氧測定儀73（2）氧化夾雜檢測污染度測定法 適用于鋁型材工廠判斷第一類氧化夾雜的含量，但對第二類氧化夾雜不易判斷。Br-CH3OH(溴-甲醇)法 第二類氧化夾雜太小，既不能采用污染度測定法，也不能采用金相磨片進行觀察，只能用化學(xué)分析方法。 溴-甲醇法分析時

35、間較長，有毒性，Al-Si類合金不適用，不能反映氧化夾雜物在試樣中的分布狀態(tài)。74 定量金相法 將試樣做成金相磨片，在顯微鏡下進行觀察、分析，并按線分析法進行定量測定，測定視場30-50個，放大200-400倍，在暗場下測定，Al2O3夾雜呈透明亮黃色。 熔劑洗滌法 熔劑主要由NCl、KCl、NaF、Na3AlF6等按一定比例混制而成。洗滌完后，將坩堝在爐內(nèi)冷卻至室溫，洗滌后鋁試樣將與熔劑自然分離，經(jīng)清理后分別稱重，計算夾雜物相對量。75 成品檢測 （1）低倍組織檢測 在鑄件不同部位切取試樣，經(jīng)表面精刨后用NaOH 12%水溶液在室溫下浸蝕3-5min，顯出針孔，即可根據(jù)針孔大小、數(shù)量按國家有

36、關(guān)標準進行評級。 優(yōu)點：靈敏度高，判斷容易，能觀察到直觀的氣孔和其它鑄造缺陷、晶粒大小。缺點：破壞零件，不能檢驗整批零件。 通常在鑄造工藝定型前的試制階段時采用。76 （2） X光透照檢驗 優(yōu)點：不必破壞鑄件，可以逐個檢查大批量的鑄件內(nèi)的鑄造缺陷。 缺點：不能看到直觀的鑄造缺陷；鑄件厚度過大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安放底片有困難的部位不能采用；底片質(zhì)量差時容易誤判；要求檢測人員有足夠的技術(shù)水平和豐富的檢測經(jīng)驗。77 鋁合金熔煉小結(jié) 降低鋁鑄件廢品率的各種工藝措施概括為: 防、排、溶。 “防”就是嚴防水汽及各種含氣臟物混入鋁液中，發(fā)生式有害反應(yīng)。 “排”就是通過精煉，清除氧化夾雜和氣體，記住“除渣是除氣的基

37、礎(chǔ)” 。 “溶”就是利用快速凝固，或加大凝固時的結(jié)晶壓力，即提高 Vk2 、p ，使鋁液中的氫全部固溶于鋁鑄件內(nèi)，不致形成氣孔。 安排、選擇“防”“排“溶”三套工藝措施，應(yīng)遵循“以防為主”的原則。78 生產(chǎn)實踐證明，最有效的精煉方法通常只能使鑄件的針孔等級改善1-2級。但如不注意以防為主，會使鋁液純凈度大大降低，采取最好的精煉工藝也難以徹底清除氣體和氧化夾雜。 “溶”的效果很明顯，當(dāng)采用金屬型、石墨型、低壓鑄造、反壓鑄造、擠壓鑄造、壓鑄時，對鋁液純凈度的要求可適當(dāng)放寬。 必須落實到具體的熔煉、鑄造工藝操作上，只有熔煉操作基本功過硬，才能獲得高質(zhì)量的鋁液。 每個環(huán)節(jié)的精細化，即發(fā)揚“匠人”精神。

38、79 熔煉操作基本功包括：熔煉設(shè)備、熔煉工具的準備和精心處理，精煉劑、變質(zhì)劑，覆蓋劑的細心預(yù)熔、烘干，正確的攪拌、扒渣操作和小心澆注等等。80四、鋁合金組織控制第一類：改變外界條件實現(xiàn)細化； 如提高熔體冷卻速度、外力打碎枝晶等方法均可改變?nèi)垠w的凝固外界條件。目前工業(yè)上常用的方法有噴射沉積法、機械震動法、電磁攪拌法、超聲波振動法等第二類：改變?nèi)垠w的化學(xué)成分，形成細化彌散的高熔點化合物，如添加變質(zhì)劑及微量元素來實現(xiàn)。 組織控制方法目前工業(yè)中廣泛采用81 變質(zhì)處理是常用的組織控制手段，在合金成分、冷卻速度、凝固時外加力場不變的條件下，在鋁液中加入少量添加劑，使金相組織發(fā)生明顯變化，獲得理想的合金組織

39、。第一類：晶粒細化處理，主要用來細化初生相，如(Al)晶粒和初生硅；第二類：共晶體變質(zhì)，用來改變共晶體的組織，廣泛應(yīng)用于Al-Si共晶合金；第三類：改善雜質(zhì)相的組織或消除易熔雜質(zhì)相，如加鈹、加錳、加鈷等改變粗大的富鐵相等。變質(zhì)處理821) 第一類變質(zhì)處理(1) (Al)晶粒細化處理 常見的晶粒細化劑有鈦、硼、鋯及稀土金屬等，以中間合金或鹽類形式加入鋁液中。當(dāng)采用鹽類形式時，與鋁液發(fā)生下列反應(yīng)83TiAl3， AlB2， TiB2， TiC,，B4C，ZrAl3等均起晶粒細化作用，反應(yīng)式中的碳來自精煉后的殘留碳，或以碳粉形式直接加入鋁液中。加入溫度取決于中間合金的熔點和成分；一般在800-950

40、之間。使用鹽類細化劑時要選擇合適的溫度并輔之以攪拌，務(wù)使反應(yīng)完全，提高鈦、硼、鋯的收得率，又不致使合金液過熱。84（2）初晶硅細化處理 工業(yè)上廣泛應(yīng)用的初晶娃變質(zhì)細化主要是磷變質(zhì)。 磷主要以單質(zhì)磷（赤磷）、磷化物、磷酸鹽等形式加入到鋁硅合金中。目前常用的變質(zhì)劑是磷的中間合金，并優(yōu)化了操作工藝，變質(zhì)效果良好。 日本和德國科學(xué)家采用粉末冶金法成形,并經(jīng)熱擠壓和熱鍛研制的Cu-P中間合金。適合感應(yīng)電磁爐中使用，而不合適在靜置爐中使用、且成本高。 山東大學(xué)劉相法等利用熔鑄法得到了一種高效綠色鋁硅合金變質(zhì)劑，即 Al-P和Al-P-Si 中間合金變質(zhì)劑，解決了變質(zhì)過程中的環(huán)境污染及生產(chǎn)成本高昂等問題。8

41、5熔化溫度低，并且無反應(yīng)渣產(chǎn)生，僅為而且變質(zhì)效果很穩(wěn)定和高效。影響細化效果的因素: 最佳含磷量 和許多工藝因素有關(guān)，如處理溫度、澆注溫度、合金成分、孕育時間等，應(yīng)通過試驗確定最佳含磷量的范圍及其加入量。低于最佳值，則細化不足；過量時會產(chǎn)生“過變質(zhì)”，使初晶硅粗化。 處理溫度 AlP的熔點高于1000，處理溫度過低，AlP在鋁液中凝聚成團，隨溫度下降逐漸失去細化作用，處理溫度一般高于合金液相120-150，已有正常的細化效果。處理溫度過高。將增加氣體和夾雜物含量。86 澆注時間 經(jīng)細化處理的鋁液在800-900高溫下長期保溫，細化效果會因AlP逐漸聚集而衰退。在澆注時間長的條件下，發(fā)現(xiàn)細化效果衰

42、退后應(yīng)用C2Cl6反復(fù)精煉，在精煉的同時打散聚集的AlP，重新獲得細化效果。變質(zhì)效果的檢驗方法一般用金屬型澆注試塊，打開斷口判斷細化效果及冶金質(zhì)量。 未變質(zhì)處理試樣，裂紋源穿過板狀初晶硅，然后沿基體擴張，導(dǎo)致斷裂。斷口呈藍灰色，斷口上可以看到粗大發(fā)亮的初晶硅片。87 變質(zhì)處理后，初晶硅變?yōu)榧毿☆w粒，裂紋穿過(Al)及硅初晶，因而初晶硅亮點較少，分布較均勻，斷口顏色較淺。 為了提高判斷的準確性，應(yīng)將試樣模具控制在150-200范圍內(nèi)，以免因冷卻速度不同，引起假象，影響判斷的準確性。 未變質(zhì)處理變質(zhì)處理后88 對于初晶硅的變質(zhì)處理，國內(nèi)外還對鈉、鍶、稀土、鈣等元素的作用進行了研究，但目前還沒能有公

43、認的結(jié)論。但比較一致的結(jié)論是若磷變質(zhì)和鈉或鍶或鈣同時加入時，則將會對磷變質(zhì)產(chǎn)生毒化作用，即減弱磷對初生硅相的變質(zhì)效果892) 第二類變質(zhì)處理 共晶硅處理 合金的力學(xué)性能的好壞還與組織中共晶硅的形貌有關(guān)，在合金未變質(zhì)之前，共晶硅通常呈現(xiàn)為粗大的針片狀，使得容易在其組織尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋容易在此處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致合金容易斷裂。通過共晶硅變質(zhì)技術(shù)改變共晶硅的形貌和尺寸后合金的力學(xué)性能和塑性都會提高。目前對于共晶硅變質(zhì)普遍采用的變質(zhì)元素有鈉、鍶、鉍、鋇、銻、碲、稀土元素等。903) 初生硅和共晶硅雙重處理 P變質(zhì)處理只能細化初晶硅，不能同時細化共晶硅。近年來出現(xiàn)了能同時細化初晶硅和共晶硅的變質(zhì)方法即

44、雙重變質(zhì)，能進一步改善合金的力學(xué)性能，尤其是伸長率。對于含硅較低的過共晶鋁硅合金，雙重變質(zhì)更顯得重要。 常見的雙重變質(zhì)組合包括：P和S、P和RE、P和Sr、P和Na、C和P、Ba和P；或多元復(fù)合變質(zhì)劑。91未變質(zhì)(a)與變質(zhì)后(b)過共晶 Al-16wt.%Si 合金的顯微組織 復(fù)合變質(zhì)劑:1.0wt.%的 Al-P 合金、0.7wt.%氧化釔、0.8wt.%碳化鈦92未變質(zhì)(a)與變質(zhì)后(b)過共晶 Al-20wt.%Si 合金的顯微組織 復(fù)合變質(zhì)劑:1.0wt.%的 Al-P 合金、0.7wt.%氧化釔、0.8wt.%碳化鈦93 變質(zhì)處理工藝要點 變質(zhì)處理工藝要點: 溫度、時間、用量及操作

45、方法。溫度 變質(zhì)溫度過高，增加鋁液氧化、吸氣，變質(zhì)效果衰退快，合金易滲鐵；溫度過低，變質(zhì)反應(yīng)慢，鈉的收得率低，浪費變質(zhì)劑，變質(zhì)效果差。 在生產(chǎn)中，變質(zhì)溫度通常稍高于澆注溫度，此外還應(yīng)考慮變質(zhì)效果、鋁液冶金質(zhì)量，經(jīng)過試驗來確定變質(zhì)溫度。94時間和用量 變質(zhì)溫度越高，鋁液和變質(zhì)劑反應(yīng)速度越快，所需變質(zhì)時間也越短，具體時間和用量需要針對具體合金通過試驗確定。采用“攪拌”法時，攪拌的時間就是變質(zhì)的時間。操作方法采用“壓鹽”法時，用壓瓢把變質(zhì)劑壓入液面下100-150mm處，經(jīng)3-5min后，即可取樣檢驗變質(zhì)效果。95五、過共晶鋁硅合金的鑄造方式 按GB T 1173-2013中所述的 鑄造鋁合金方法包

46、括：砂型、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造。實際上，鋁合金的鑄造方式有多種，根據(jù)其成形特點可有不同的名稱，如壓力鑄造、低壓鑄造、半固態(tài)鑄造、離心鑄造、擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）等。 近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了一些新的能改變硅相形態(tài)和分布的改進鑄造方法：快速凝固、 熔體處理、 電磁振蕩、 固液或液液混合鑄造（又稱受擴散控制凝固）等。96 混合鑄造：例如熔煉澆注Al-20%Si鋁合金固-液混合鑄造： 將預(yù)熱到預(yù)定溫度的固態(tài)ZL102合金或純鋁分別加入到經(jīng)熔化、精煉除氣、除渣后冷卻到預(yù)定溫度的液態(tài)Al-25%Si合金熔體中。同時，將測溫儀上的熱電偶插入熔體內(nèi)部收集溫度數(shù)據(jù)，待固態(tài)材料完全熔化后停置一段時間 觀察測溫儀上的溫度數(shù)據(jù)變化情況，待目標合金熔體各處溫度均勻一致，達到預(yù)定澆注溫度690時，澆注到預(yù)熱至 200 金屬型模具中成形。97 混合鑄造：例如熔煉澆注Al-20%Si鋁