低温加硅直接熔炼铸造铝合金的工艺试验

吴龙庆

（东北轻合金有限责任公司黑龙江哈尔滨150060）

摘要：铝合金在熔融状态下吸气倾向大，铸件容易形成氧化夹渣、缩孔、缩松等缺陷，浇注前合金液需要变质处理，以改善合金力学性能，这限制了其在汽缸体、缸盖、引擎齿轮箱、连杆及电动工具体等零部件上的应用。

关键词：低温加硅；熔炼铸造铝合金；工艺试验；

铝硅系铸造合金密度小、导热性好，线膨胀系数低、力学性能好，在汽车、航天等许多领域都获得广泛应用。铝硅系铸造合金约占铝消费量的1/4，如果再考虑其它含硅的铝基合金，铝硅合金所占的比例还要高。铝硅合金的制备虽然现在有电热还原法、电解法，但目前比较常用的方法还是熔配法，采用优良的熔配工艺对稳定产品质量、提高生产效率、降低能源消耗都有很大的好处。

一、低温加硅直接熔炼铸造铝合金的工艺试验

1.将50g左右的铝块在井式坩埚电阻炉中加热至熔化，铝液温度为660℃，加入一定比例的预热至200℃的碎硅块（粒度为10mm左右），再升温至不同的温度，保温一段时间使硅块熔化，撇渣后浇注到金属模具中（冷却速率为200℃/min）。

2.铝硅合金低温熔炼实验。一是共晶型铝硅合金的低温熔炼。610℃保温工艺：铝液温度变化为粒径为10mm左右的大硅块加入到刚熔化的铝液中，铝液温度迅速降低到630℃，此时铝液基本凝固，降低炉温使温度下降到A点时的610℃，此时铝液完全凝块；保温15min后，铝液开始熔化；再保温10min，到达G点，硅块完全熔化。该工艺熔炼温度低，熔炼时间也长。630℃保温工艺，铝液温度变化加入硅块后，铝液温度降到630℃后，控制炉温维持铝液温度不变。SB阶段铝液基本处于凝块状，B点时铝液开始熔化，再保温10min，硅块完全熔化。铝液温度变化加入硅块后给铝液加热，但在SB阶段是吸热阶段温度却不上升，铝液温度变化规律与650保温时相似，有所不同的是当温度升到670℃点时，硅块就完全熔化了。当温度升到设计的保温温度，再保温5min使熔液均匀化。兼顾降低能耗与提高效率，选择在650℃保温熔炼的工艺为最优工艺。二是过共晶铝硅合金的低温熔炼低温加硅法熔配了A-l20Si过共晶型铝硅合金。为取得最佳熔炼工艺，分别在730℃、750℃、780℃、810℃、850℃对铝液保温一段时间。730℃保温工艺，铝液温度变化硅块加入到刚熔化的660℃的铝液中，温度迅速下降到600℃，给铝液供热，温度上升到630℃后，由于该阶段是吸热反应铝液温度基本保持稳定，C点后铝液温度重新快速升温至730℃，此时硅块大部分被熔化掉，只剩4mm左右的圆硅块，再保温10min到达G点，硅块完全熔化。750℃、780℃、810℃、850℃保温工艺，铝液温度变化规律与730℃时类似。当温度硅块仅为2mm大小，当温度升到780℃或者更高的温度时，硅块都已经完全熔化。每炉试样升至设计保温温度后，再保温5min使其均匀化。兼顾降低能耗与提高效率，选择在750℃保温熔炼的工艺为最优工艺。

3.实验结果分析。一是成分分析。铝硅合金的密度随硅含量的增加而减小，硅含量每增加1%，密度大约减小0􀀁004g/cm3。因此可以通过测定密度间接的反映铝硅合金硅的百分含量。根据测定了得铝硅合金的密度，该方法的原理是：试样先在空气中称重，然后在液体中称重，每个试样密度的绝对误差都没有超出系统误差，说明每组试样的密度都是一致的，即合金的成分是一致的。说明铝硅合金的成分符合设计成分，并且成分稳定。生成不溶的SiO2粒子，成为细小的夹杂物。这些夹杂物不但对产品的力学性能及表面质量产生不利的影响，而且会缩短模具寿命。熔炼配料时，硅块是严格按13%、20%的计量添加的，最终试样又符合13%、20%的计量关系，说明了硅的烧损率低，符合生产要求。二是微观结构分析。金相图片中颜色比较深的、呈多边形存在的、大块的相为初晶硅；颜色比较浅的、呈树枝状存在的相为；呈纤维状分布的相为共晶硅。用于配制铝硅中间合金的铝纯度一般较低，容易导致最终合金的杂质含量超标。配制中间合金的过程仍然困难，工人的工作条件依然恶劣。初晶硅的颗粒很少，在显微镜200倍的视场中仅有两三个，随着熔炼温度的提高，初晶硅的颗粒数迅速增加，670℃时初晶硅个数已增加到40个，过了670℃颗粒数目增加趋势变缓。初晶硅的大小随熔炼温度的提高而变小，共晶硅颗粒尺寸随温度变化呈现两头小中间大的趋势，在低温与高温时的晶粒都很细小，长度大约为30m，组织变化趋势变缓。合金的金相组织变化规律不如A-l13Si合金那样明显，可能因为A-l20Si合金的熔炼温度比较高，熔体在高温时组织均匀。

二、采取的控制措施

一是在使用时把一定质量的饼块投到铝熔体中，饼块迅速溶解。采用速熔硅添加剂可以避免结晶硅的烧损，精确控制硅的添加量，熔化时间极短。此方法虽然有效，但也有缺点：（1）结晶硅破碎、磨制成硅粉需要很多的能量，增加了成本。若合金中硅的含量较高时，成本较高；（2）硅粉的表面容易氧化形成氧化硅，易形成夹渣；（3）工艺复杂。加强结晶器水套的管理与维护，定期对水套内部通道和水眼进行维护清理，确保铸造过程中铸锭冷却的均匀性。消除由于铸锭冷却不均匀所产生铸锭应力集中而导致的铸锭开裂。加强铝液溜槽和分流盘的清理、修补、涂刷ＴｉＢ２涂料、吹扫并烘干。二是防止在铸造开始时液流将耐火材料及氧化夹杂颗粒带入铸锭成为引起铸锭应力集中发源地。由于合金本身具有强烈的裂纹倾向，铸造过程中稍有应力集中现象的发生，就会导致铸锭开裂。因此，在铝合金圆铸锭热顶铸造时，必须用纯铝进行铺底，以降低铸造开始阶段的铸锭底部应力集中。在纯铝铺底时注意控制，通常铺底铝端头厚度不小于３５ｍｍ。铝合金熔体有一定的吸气性，其中氢占吸附气体的90%左右。以吸附、溶解和化合状态存在的气体，对铝合金的性能和铸锭质量有不良影响。三是某厂铝合金生产线的在线除气精炼设备为钢壳外壁，顶部安装3个石墨转子，内衬是陶瓷材料，具有不粘铝的特点。根据化学动力学原理，惰性气体与铝合金液体的接触时间越长越好、接触面积越大越好，即气泡尽可能小，以达到最大的接触面积。该设备在使用过程中存在以下问题：（1）转子透气转头尺寸10cm偏小，不能将气体充分打碎，除气效果一般；（2）石墨转子转柄部分，抗液铝侵蚀能力差，最多运行10天；（3）内衬为陶瓷材料，外形为1000×800×800mm，壁厚100mm，制作成本较高，约2万元，内壁损坏时会增加生产成本。（4）生产过程中，顶部需要行车多次起吊，操作不方便，且容易损坏。分别对其进行了如下改造：（1）转子转头部分尺寸增加到15cm，透气槽改为12个5mm均布的小孔，氮气气泡很容易打碎，提高了吸氢能力，保证了产品质量。（2）转子转柄部分表面增加了5mm厚的氧化镀层，抗液铝侵蚀能力加强，可运行30天左右，全年可减少使用转子70余套，创效10余万元。（3）顶部改为液压自动升降结构，操作方便。（4）陶瓷内衬外形尺寸减小到700×600×550mm，壁厚减到50mm，与铁壳之间的剩余空间用普通耐火材料填充塞实。

铝硅合金低温加硅熔炼法工艺稳定、环境友好，不仅适合于共晶型铝硅合金的熔炼，也适合于过共晶型铝硅合金的熔炼，适合于中小企业生产或实验室的研究。

参考文献：

［1］黄晓锋，谢锐，田载友，等．压铸合金的发展与展望［Ｊ］．热加工工艺，２０1８，３７（２１）：１４５－１４９．

［2］龚磊清，金长庚，刘发信，等．铸造铝合金金相图谱［Ｍ］．长沙：中南工业大学出版社，2017．

［3］孙伟成，张淑荣，侯爱芹．稀土在铝合金中的行为［Ｍ］．北京：兵器工业出版社，2017．