中国压铸杂志
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铝合金ADC12的熔炼及其处理

作者:admin 来源:原创 发表时间:2014-07-08

陈 宇
重庆隆鑫压铸有限公司

摘 要:保证压铸铝合金熔炼质量是压铸生产中最重要的步骤,本文结合本公司的具体情况,简要介绍了压铸铝合金 ADC12 的熔炼过程中产生的渣子和气体,同时也提出了关于除渣和精炼的一些具体的工艺流程。
关键词:熔炼;ADC12;除渣;精炼
1 铝合金的基本特性
日本 ADC12 铝硅合金有很好的铸造性能,且铸件强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性能高及切屑性能好,因此,被广泛用于制作汽车化油器、汽缸体、缸盖、机车减震器、引擎齿轮箱、农机齿轮箱、摄影机机体及电动工具机体等零部件.近年来,随着汽车、摩托车工业的迅速发展,更为广泛地用于制作小型汽车的制动泵壳体及摩托车减震器壳体等形状较复杂、强度精度较高的批量生产的中小型零件。
 

铝合金 ADC12 铸件中,α-Al 相是最主要的组织,在铸态时,α-Al 相呈树枝状,并且比较粗大,其取向没有一定的规律,较为杂乱,这使得其性能不是很好;合金中 Si,主要用来改善铸造性能,提高耐磨性、耐蚀性和力学性能 Cu 和 Mg是形成 CuAl2和 Mg2Si 相,强化合金,但含量过高,会使塑性降低,Cu 还能提高高温性能,但会降低耐腐性;Mn 主要是形成 AlFeMnS 相,减小 Fe 杂质的有害作用,同时可提高铸件的耐热性能,Fe 在 Al 合金中通常被认为是最有害的杂质元素,常见的Fe相为α-Fe相( Al8SiFe2)和 β-Fe相(Al5
SiFe)两种,硬而脆的针状的 β-Fe 相会破坏金属基体的连接强度,大幅降低合金的力学性能(如抗拉强度),Fe 在 Al 合金中作为有害元素会显著降低合金的力学性能,影响断裂粗糙程度等。
2 铝合金原材料需控制的过程
现在压铸行业中多数是从铝合金锭生产厂购进牌号铝锭,这种配制好的牌号合金铝锭多以回收的再生铝制品为主料,经过成分调整(加入纯铝锭及部份中间合金)生产的。因此,这种合金铝锭成本、售价都低于以纯铝锭为主料的合金铝锭,但杂质含量较高。针对这种情况,需要对购进的合金铝锭做原材料的化学成分检验,应根据GB/T8733与合金铝锭生产厂签订技术要求时做适当调整,再根据压铸铝合金的要求做出进一步调整。由于铝合金中含气量和硬质点的要求,要求铝锭生产厂必须做好精炼、除气、造渣,防止铝锭中含气量高,杂质多,遗传到压铸铝液中,要求铝锭表面光滑(经过扒去浮渣的)断口细密无结晶硅亮晶粒的。铝锭表面有气泡孔是锭模上涂料水份大未烘干,表面不光亮是浮渣未刮除干净,铝锭断口有亮晶晶的晶粒是浇注温度过高,有硅结晶。
压铸生产中有30%~60%回炉料,对于回炉料有油污的要先烧除再压入铝液中,对碎铝渣料必须过筛除尘、清除砂石才能回炉,凡使用回炉料的铝液,精炼剂、除渣剂用量必须适量增加,一般按上限比例控制。熔炼时,加入的铝锭一定要干燥。
3 铝合金的熔炼
本公司使用的熔炼炉为 ATM-1500。公司要求每次开班时熔炼炉必须进行烘烤,以便清除炉中的湿气,烘烤后的炉子必须达到一定的工艺要求。在进行熔炼过程中要求熔炼温度:(680~750)℃;精炼炉温度:(730±10) ℃。铝合金在整个熔炼过程中,炉料受热而开始熔化,实现由固态到液态的转变,在这个转变过程中,就会使金属氧化,烧损和吸气。金属的氧化和烧损不但会影响合金的化学成分,而且.所造成的氧化夹渣是铝合金铸锭最有害的缺陷之一,金属的吸气则会使铸锭在凝固过程中来不及或不能逸出,而以疏松,气孔形式存在于铸锭中,因此,铝合金熔炼过程的正确与否直接关系到熔体质量的好坏,它不仅影响其化学成分,而且与其铸锭的质量乃至最后加工的产品质量密切相关。
铝非常活泼,除了惰性气体,几乎和所有的气体发生反应:
如:A1+O2→A12O3
2A1+3H2O→A12O3+3H2↑
而且这些反应都是不可逆的,一经反应金属就不能还原,这样就造成了金属的损失.而且生成物(氧化物、碳化物等)进入熔体,将会污染金属,造成铸锭的内部组织缺陷。因此在铝合金合金的熔炼过程中,对工艺设备(如炉型,加热方式等)有严格的选择,对工艺流程也应有严格的选择和措施,如缩短熔炼时间、控制适当的熔化速度,采用熔剂复盖等。
(1)由于铝的活性,在熔炼温度下,它对大气中的水分和一系列工艺过程中的水分,油,炭氢化合物等,都会发生化学反应.一方面增加熔体中的含气量,造成疏松,气孔,另一方面其生成物可将金属弄脏。因此,在熔化过程中必须采取一切措施尽量减少水分,对工艺设备,工具和原材料等都要严格保持干燥和避免油染。
(2)本公司采用的是连续熔炼法,此法加料连续进行,出炉间歇进行。对于铝合金熔炼,由于炉内结构,熔体停留时间要尽量缩短。因为延长熔体停留时间,尤其在较高的熔炼温度下,大量的非自发晶核去活,引起铸锭晶粒粗大,造成铸锭废品,而且增加金属吸气,使熔体非金属夹杂和含气量增加。
(3)熔化金属的炉子中的气氛中的气体,是最主要的气体来源之一。根据所用的熔炼炉炉型及结构,以及所用燃料的燃烧或发热方式,炉内气氛往往含有各种不同比例的氢(H2)、氧(O2)、水蒸汽(H2O)、二氧化碳(CO2),一氧化碳(CO)、氮(N2)、二氧化硫(SO2)此外还有各种碳氢化合物。这些结果当然是不完全的,而且成分范围很广,这是因为炉内燃烧生成物—炉气的变化是很大的,是很不稳定的。在这里主要介绍一下铝合金液吸氢(H2)的过程,主要包括三个过程:吸附,扩散,溶解。由于氢是结构比较简单的单元气体,其原子或分子都很小,较易溶于金属中,在高温下也容易迅速扩散。所以氢是一种极易溶解于金属中的气体。
氢在熔融态铝中的溶解过程:物理吸附→化学吸附→扩散(H2)→2H→2(H+)氢与铝不起化学反应而是以离子状态存在于晶体点阵的间隙内,形成间隙式固溶体。在金属液体表面无氧化膜的情况下,气体向金属中的扩散速度,与金属厚度成反比,与气体压力平方根成正比,并随温度升高而增大.其关系式如下: 式中:v 扩散速度 n--常数 d--金属厚度 E--激活能 p--气体分压 R--气体常数 T--温度°K
因此,在达到气体的饱和溶解度之前,熔体温度越高,则氢分子离解速度越快,扩散速度也就越快,故熔体中含气量越高。
(4)在生产条件下,无论采用何种熔炼炉生产铝合金,熔体直接与空气接触,也就是和空气中的氧和氮接触.铝是一种比较活性的金属,它与氧接触后,必然产生强烈的氧化作用而生成氧化铝。其反应式为:
4Al + 3O2= 2A12O3
2Al + 3H2O = Al2O3+ 3H2↑
2Al + 3CO2= Al2O3+ 3CO↑
铝一经氧化,就变成了氧化渣,成了不可挽回的损失。氧化铝是十分稳定的固态物质,如混入熔体内,便成为氧化夹渣。由于铝与氧的亲合力很大,所以氧与铝的反应很激烈。但是,表面铝与氧反应生成A12O3,A12O3的分子体积比铝的分子体积大,所以表面的一层铝氧化生成的A12O3膜是致密的,它能阻止氧原子透过氧化膜向内扩散,同时也能阻止铝离子向外扩散,因而就阻止了铝的进一步氧化。
4 铝合金的处理
铝合金的处理主要包括除渣,精炼。
(1)除渣
铝合金熔炼过程中,常常由于不能有效除渣净化,微量熔渣溶解在熔体中,从而使得铝合金表面产生雪花斑,严重影响铝合金的品质,如果除渣不干净,将会造成夹渣等缺陷,使铸件报废。铝是一种活泼金属,在熔炼过程中易产生铝的氧化物,一些非金属夹杂也很容易进入熔体,夹杂物对铝制品的危害很大,去除夹杂成为铝熔体净化的主要任务。生产实践中,铝合金熔体中常见夹杂物是A12O3、SiO2、MgO等。会造成金属液的不纯净,夹杂物影响熔体流动性,凝固过程中聚合产生气泡,影响缩松程度。由于细小的氧化物颗粒密度和铝的相近,一般悬浮于铝液中,采用铝液静置的办法很难去除。去除的氧化物中通常包含很多铝。尽管熔剂有许多其他用途,使铝减少氧化和去除氧化夹杂物是使用熔剂的主要原因。
熔炼炉内的打渣原理:用打渣剂(或除渣剂)撒在铝液表面,使渣水分离,将分离出的渣扒出炉外,因扒渣剂中有Na3AlF6(或K3SiF6),这种盐有强烈吸附A12O3的能力,还有Na2SiF6(或K2SiF6),它可以与A12O3和铝起下述反应:
3Na2SiF6+ 2Al2O3= 2Na3AlF6+ 2AlF3↑+ 3SiO2
Na2SiF6= SiF4↑+ 2NaF6NaF + Al = 3Na + Na3AlF6
第一个反应可以吃掉一部分A12O3,第三个反应使渣水分离,将渣扒出炉外,达到去渣的目的,同时还生成Na3AlF6,有强烈吸附r—A12O3的作用,使渣和铝液得到分离。铝合金的除渣工序,目的是使进入铝液的杂质,氧化物渣清除掉,往往在除渣时,渣中含有铝液。因此,希望渣中含的铝液尽量少,扒出的渣要经过再次炒灰。炒灰的目的是使渣中铝液挤出沉在炒锅底部,使灰渣揉碎分散留在上部,使渣灰与铝液分离,为达到这一目的就要选择良好的除渣熔剂。除渣的方法是根据熔炼炉内的铝液多少,按要求比例均匀投入除渣剂,并匀速搅拌,静止8-10min后再拔出滤渣,打渣要求铝液温度720-740℃。经验表明除渣剂所造的渣是松散的,不发黑的,呈灰白色的是比较好的除渣剂。
(2)精炼
铝的化学性质比较活泼,因此即使合金液中含氢量很低,凝固时也会有大量的氢析出,在铸件中形成针孔和夹杂等缺陷,从而严重影响铝合金的力学性能。提高铝合金的熔体质量,净化合金液,是铝合金熔炼的关键问题之一,也是提高铝铸件的产品质量和市场竞争力的有效途径和手段。不合理的精炼工艺,合金除气不净,铸件易产生气孔。为增加除气效果势必要增加精炼剂的加入量。但加入量过多,易造成Mg、Al、Ti 等元素的氧化烧损,形成氧化夹渣。为此一个关键的铝合金的精炼工艺是必不可少的。
研究表明,氢气到达气泡所需的距离越短,除气速度越快。我公司选择的是FOSECO公司研
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