铝合金铸造工艺简析

铝合金铸造工艺简析一、铸造的分类重力铸造、低压铸造、压力铸造，我厂主要为重力铸造，利用重力自行流入模具，通过结晶器进行梯度降温，让铝合金按顺序凝固的铸造方式铸造铸棒。二、铝液的熔炼铝合金熔炼简单知识影响铝液质量的主要因素：铝液中的含气量和氧化夹杂物。在铝合金熔体（铝液）中溶解的气体有：𝐻2、CO2、CO、N2、C𝑛H𝑚（碳氢化合物）等气体；其中以𝐻2为主。分析铝合金中的气体成分，证明𝐻2占85﹪以上，因而铝合金的“含气量”可以近似地视为“含氢量”。铝液中的氢主要来自高温铝液和溶解在其中的水发生化学反应生成氢。铝液中气体的主要来源：１.燃料：火焰反射炉熔炼铝合金时，煤气中的水分以及燃烧时产生的水分易进入熔体（铝液）；２.大气：熔炼过程中，大气中的水蒸气被熔体（铝液）吸收；３.炉衬：烘炉不彻底时，炉衬表面吸附的水分以及砌制时泥浆中的水分在熔炼头几个班次时对熔体（铝液）中的气体含量将有明显的影响；４.炉料：吸附在炉料（包括铝锭和辅料）表面上的湿气，在熔化过程中起化学作用而产生的氢将被溶解，如果炉料放置过久，且表面有油污，对熔体（铝液）的吸气量尤有影响；５.熔炼工具：如果熔炼工具干燥不好，易使熔体（铝液）的吸气量增加；６.倒料过程中：如果熔体（铝液）落差大或液流翻滚过急时也会使气体及氧化夹杂卷入熔体（铝液）；高温时铝和水汽的反应：2Al+3H2OAl2O3+3H2（溶入铝液中）当在水汽比较多的环境下，剧烈反应，引起爆炸，造成事故。当在干空气条件下（水分较少），水汽也能和铝液起反应，因此在铝液中总是含有一定数量的氢。铝液中的氧化夹杂：铝液与空气中的氧气O2、氮气N2、在高温下发生化学反应生成氧化夹杂物，其中以生成的氧化膜（Al2O3)对铝液的污染最大。这些氧化夹杂的熔点都较高，如氧化铝的熔点约为2050℃，所以铝液中的氧化夹杂主要以固态形式存在，严重影响我们熔炼的铝液质量。氧化夹杂表面疏松，能吸附空气中的水汽和氢，增加了铝液中的气体含量。熔炼过程中，熔体（铝液）由于氧化而变成某些不能回收的金属氧化物时，这种损失统称为烧损。烧损大小与炉型、铝料状态和生产工艺有关。如：铝料表面积越大（即铝料越细碎）其烧损也越大，而且由于镁为易燃金属，烧损极大。为了避免和减少烧损，我公司主要控制加料的顺序，先放氧化废料后加熔铸用铝锭。最后调整成分时所加的镁块要用镁筐沉入，减少与空气的接触使烧损过大。综合考虑，在大气中熔炼铝合金，总要产生氧化夹杂，增加铝液中的含气量，熔炼时间越长，铝液温度越高，氧化夹杂越多，合金的吸气就月严重。因此，在生产中，应该采取快速熔炼，不允许铝液过热。而且，每炉铝水都要经过熔炼炉和静置炉的两次扒渣，在铸造时还要放置过滤用陶瓷板以减少夹渣。三、铝液的静置炉精炼处理静置炉用于接受在熔炼炉中熔炼好的合金熔体，并在其中进行精炼、静置和调整熔体温度，在铸造过程中对熔体起保温作用；对于仅接受铝液的静置炉还有配合金、调整成分的任务，。对静置炉的基本要求是：炉内水蒸气含量少；熔池内熔体的温差小、保温良好并能准确控制炉温；具有一定的升温能力；容量与熔炼炉相适应；结构简单，操作方便。同时静置炉可以增加熔炼的连续性，并降低成本，可使低品质废杂铝升级，极大的提高熔炼铸造的效率。精炼的目的是除气、除渣以获得优良的铝液。通氮精炼时，氮气以气泡形式存在于铝液中，在氮气泡与铝液的接触面上，由于气泡内部与铝液中氢之间存在着压力差，铝液中的氢的分压更大，氢会从铝液中向氮气泡内扩散。同时气泡在上升途中若与悬浮状态的氧化夹杂相遇时，夹杂物便可能被吸附于气泡表面，而与氢一起带出铝液表面。吹氮精炼工艺要点：1.吹氮精炼所需的氮气压力和氮气流量的大小应以引起铝液沸腾，但不以发生飞溅为原则；2.将除气精炼管放置在铝液液面上方预热烘烤至暗红；3.除气精炼温度：690-720℃；4.除气精炼时间；5.铝液静置、扒渣。铝合金的变质（细化）处理：在铝液中加入适量的变质剂（细化剂），改变铝合金的金相组织，使得铝合金的晶粒细化，从而提高铝合金的机械性能。四、铝合金中各元素的作用和影响1.硅（Si）硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。在577℃时，硅在铝中的溶解度为1.65％，室温时为0.2％、含硅量至11.7％时，硅与铝形成共晶体。提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。二元铝基合金有高的耐蚀性。当合金中含硅量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬质点，使切削加工困难，高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重。2.铜（Cu）铜和铝组成固溶体，当温度在548℃时，铜在铝中的溶解度应为5.65％，室温时降至0.1％左右，增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。3.镁（Mg）在高硅铝合金中加入少量（约0.2～0.3％）的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。含镁8％的铝合金具有优良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。4.锌（Zn）锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围中。至于含锌量很高的ZL401铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好。5.铁（Fe）在所有铝合金中都含有害杂质。因铝合金中含铁量太高时，铁以FeAl3、Fe2Al7和Al－Si－Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性减低，热裂性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当铁含量在0.6％以下时尤为强烈。当超过0.6％后，粘模现象便大为减轻，故含铁量一般应控制在0.6～1％范围内对压铸是有好处的，但最高不能超过1.5％。6.锰（Mn）锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，故一般铝合金允许有0.5％以下的锰存在。含锰量过高时，会引起偏析。7.镍（Ni）镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。当镍含量在1～1.5％时，铸件经抛光能获得光洁的表面。由于镍的来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。8.钛（Ti）铝合金中加入微量的钛，能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的机械性能，降低合金的热裂倾向。五、铸件缺陷分析与预防(一)气孔1.特征在铸件表面和内部存在有孔洞，呈圆形、椭圆或不规则形，有时由多个孔组成气孔群。孔内无其它物质存在，大多表面较光滑，这种缺陷称气孔缺陷。气孔的种类较多，有时弥散分布在铸件各处，有时只有个别部位有气孔。2.产生原因溶解在铝液中的气体析出，而由于模具温度太低，使铝液很快冷却，溶解气体不能及时排出金属液外，造成析出气孔。3.防止措施尽量减少铝液中气体含量。适当提高模具温度、浇注温度。(二)缩孔和缩松1.特征在铸件表面或内部存在有形状极不规则的孔，孔壁粗糙并带有枝状晶，这种缺陷称为缩孔。铸件断面上有分散或细小的缩孔，有时借助放大镜，甚至显微镜才能发现，称为缩松。缩孔和缩松处晶粒粗大，它们常发生在铸件内浇道附近、冒口根部、铸件厚大部位等铸件上最后凝固的地方。2.产生原因缩孔和缩松是铸件凝固过程中由于补缩不良而产生的缺陷。铸件某些部位，通常是最后凝固的热节处，因铝液液态和凝固时期体收缩不能得到液态铝合金及时补偿，从而在该处产生缩孔。铝合金有较宽的凝固温度范围，铝液在此温度范围内时同时形成晶核并长大，枝晶长成骨架，把未凝固的最后铝液分割成孤立小熔池，使这些小熔池铝液凝固时的体收缩导致的体积亏损难于得到补偿，结果形成许多细小而分散的小孔，即缩松。3.防止措施正确设计冒口位置。在铸件厚实处设冒口，并可采用各种方法使冒口缓冷，以提高冒口补缩效果，防止缩孔、缩松。采用不同涂料和涂层厚度来调节模具各处的冷却速度，防止铸件缩孔。在不产生冷隔和浇不足的前提下，尽量降低浇注温度和浇注速度，以减小铝液的液态收缩量，延长浇注过程的补缩时间。(三)铝棒弯曲1.概念：弯曲是指铸锭纵向不成一条线的现象称弯曲。2.产生原因：铸造温度过高或水量不足；引锭座水平未调好，底盘与结晶器不能对中；四条钢丝绳张力大小不一致，钢丝绳新旧不一，不是同一卷钢丝绳；铸造速度不稳定；轴承损坏。3.防止方法：铸造温度不能过高，同时保证铸造水量；引锭座要确保水平，并使底座与结晶器能对中；定期更换钢丝绳，确保同一卷钢丝绳，且确保四条钢丝绳张力大小一致；铸造过程中铸造速度要平稳，不要频繁调整铸造速度或铸造水压；轴承损坏应及时更换。(四)冷隔和浇不足1.特征铸件上有穿透或不穿透的，边缘呈圆角壮的缝，不能完全融为一体的缺陷，称冷隔。更严重时，则铸件就会残缺，或轮廓不完整，称浇不足。冷隔常出现在远离内浇道处，在铸件薄壁处和厚薄连接处以及金属流汇合处。最轻的冷隔只是一条带有圆角棱边的浅槽。2.产生原因由于模具温度过低，或铝液浇注温度过低、或涂料涂层过薄造成铝液进入型腔后流动性差，使两股金属流汇合时，相互不能融合在一起，形成冷隔缺陷，甚至局部未能充满，造成浇不足。3.防止措施为防止产生浇不到、冷隔等缺陷，铸件的最小壁厚有一定限制。适当提高模具温度和铝液浇注温度。(五)夹渣1.特征铸件上有明的（铸件表面）或暗的（铸件内部），外形不规则的孔，孔内全部或局部被熔渣（多数是氧化夹渣）所填塞，这种缺陷称夹渣。夹渣一般分布在浇注位置上部、内浇道附近或铸件死角。按夹渣形成的时间先后可以分为一次夹渣和二次夹渣。2.产生原因渣滓是因为铝液在熔炼过程中产生且未清除干净，或浇注时挡渣不良，或浇注系统设置不当，造成渣滓随铝液进入型腔中形成夹渣缺陷，这类夹渣称为一次夹渣。铝液在进入型腔后，由于冲刷、紊流卷气而发生二次氧化，产生氧化夹渣留在铸件内部，这类夹渣称为二次夹渣。3．防止措施选用干净的铝锭。减少铝液熔炼过程和浇注过程中产生氧化夹渣。浇注系统中设置集渣包和过滤网（块），强化挡渣能力。采用底注和缝隙式浇注系统，引导铝液平稳充型，防止二次氧化。(六)裂纹1.特征铸件上有直线或不规则的曲线裂口，称裂纹缺陷。裂纹有两种：热裂纹和冷裂纹。断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边发生和发展，外形曲折而不规则的裂纹称为热裂纹。断面表面光洁，有金属光泽称为冷裂纹。2.产生原因热裂是铸件在一定温度范围内形成的，即铸件凝固晶体析出已形成一定强度的骨架，在“有效凝固温度范围区间”或称“脆性温度区间”形成的。铸件在此温度范围内，温度下降金属线收缩受硬模阻碍，铸件局部产生拉应力，当该应力超过合金在此温度下的强度极限，铸件则产生热裂缺陷。冷裂是铸件处于弹性状态时，局部铸造应力超过材料强度极限而造成的裂纹。3.防止措施铸件结构设计要合理，例如铸件壁厚应均匀，厚、薄过渡之处应圆角，避免尖角等应力集中的结构。铸件厚实部位放置冷铁。增加模具、坭芯的铸造斜度，防止铸件裂纹。确保铸件的留模时间落砂时间不要过早。铸件在落砂、清理和搬运过程中避免碰撞。(七)表面气泡1.概念：铸锭表面形成的鼓包称为表面气泡。2.产生原因：铝液炉内除气不充分；结晶器漏水；耐火材料含水未干燥。3.防止方法：加强除气精炼，尽量降低铸锭氢的含量；熔炼炉、静置炉流道修理后要进行充分的干燥。