鑄造鋁合金熔煉工藝研究

劉培德，董 壘，溫曉妮

（1.煙臺路通精密科技股份有限公司，山東 煙臺 264000；2.煙臺工程職業技術學院，山東 煙臺 264000）

ZL109A鋁合金是這幾年我國相關材料學工作者和冶金部門，在以往的Si-Cu-Al合金基礎上，通過添加Na、Mg、Be、Cd、Ti等多種合金微量化學元素，所研究開發形成的一種新型的，具有高強度、高適應性、耐高溫的優質鋁合金。這種鋁合金本身具有極強的綜合性力學性能和良好的后期鑄造重塑性，因此被許多大型冶金工廠所引進用于鑄造許多復雜關鍵的鋁合金機械工程零件。在日常生產時，對于鋁合金的熔煉工藝會直接影響鋁合金的金屬元素成分、元素組織狀況，從而改變鋁合金的化學性和物理性能，為了讓ZL109A鋁合金可以獲得較強的力學應用性，必須優化其熔煉工藝，從爐料選擇到工藝流程設計再到后期的精煉加工，研究與其性能相適合的方式，最終保證其生產性的完善[1]。

1 熔煉爐料和相關工具

1.1 ZL109A鋁合金成分性能探究

對ZL109A鋁合金熔煉工藝的研究必須建立在充分認識其物理性和化學性的基礎上。經過分析探測可以確定，ZL109A鋁合金的化學成分表如表1所示。

表1 ZL109A合金元素表

由表1可以看出，ZL109A鋁合金的主要合金元素和微量合金元素總共有九種，屬于復雜成分合金，所以必須合理協調和元素之間性能，尋找平衡點，在滿足其改造性的同時，釋放其固有的物理性能，最終完成對ZL109A鋁合金的熔煉升級[2]。

1.2 Fe元素的稀釋

根據以往的熔煉經驗Fe元素是合金熔煉中威脅性最大的元素之一。一旦超量流入鋁合金元素，就能在合金中生成FeAl3、FeSiAl2、Al3Si2多種具有脆化作用的鐵化合物，嚴重影響合金物理性能，所以熔煉合金一項重要的工作就是降低合金中Fe雜質的含量[3]。根據實驗可知，Fe元素大多伴隨坩堝、合金熔煉器械以及熔煉爐料進入熔煉合金中，所以必須提前對熔煉坩堝進行涂料翻新處理。合金熔煉器械盡量以石墨灰為主要材料進行制造，尤其是在合金熔煉變質和細化處理時，一定要使用純石墨制造的金屬鐘罩和鹽勺，因為熔煉添加的細化劑和變質劑具有極強的氧化性和腐蝕性，如果與任何含鐵元素的工具接觸，會直接吸收大量鐵元素，并融入合金中[3]。除此以外，加強熔煉爐料的純度，也可以有效降低鐵元素流入量。傳統鑄造鋁合金含鐵量≤0.15，但是高純鋁中鐵元素含量≤0.003，所以不難判斷，在熔煉過程中適用高純鋁可以有效降低鐵元素含量。與之相似的還有Al的選擇。無論是工業用的冶金Al還是化學用的Al2Mg，均含有較高Fe元素。所以本次研究的熔煉工藝選擇了電子工業生產中的單晶Al料頭，這種Al料頭純度極高，最高可以達到光譜級別，可以有效降低Fe含量。除此以外，類似常見的Mg、Cd、Ti、Be、Na、Zn等元素的流入不會影響鐵元素含量，所以可以忽略。

2 ZL109A鋁合金熔煉流程

整個熔煉工藝流程如圖1所示。

在熔煉過程中，所加入的Mg、Zn、Cd元素會在合金精煉時，與其產生的C2Cl6（六氯乙烷）產生化學反應并伙同Cl元素稀釋Mg元素，Cd元素也會隨著高溫精煉而持續減少。為了保證ZL109A鋁合金微量合金元素含量，可以在C2Cl6靜置半小時后再進行后續操作，同時整個操作過程不要超過2小時，盡量縮短時間也可以減少熔煉吸氣含量和鐵元素進入概率[4]。

圖1 熔煉流程圖

3 ZL109A鋁合金精煉處理

在整個熔煉過程中，由于爐料高溫等各種化學反應生成，熔煉坩堝以及其他熔煉工具難以避免的會使熔煉合金體重出現各類雜質。在液態鋁合金中還會出現許多熔煉氣體，其中以氫氣最為常見，所占比重也最高，約占總量的80%～95%左右。而精煉的核心目的，就是對ZL109A鋁合金進行再次提純，去除液態鋁中的各類雜質和氣體，從而獲得純度更高的金屬液態鋁。通過實驗證明，C2Cl6（六氯乙烷）對液態鋁的提純效果最優，其原理式如下：

在上述反應中，C2Cl4和AlCl3均為氣態，在液態鋁中以氣泡的方式慢慢浮出，最終離開液面，從而達到精煉合金的目的。C2Cl6（六氯乙烷）的用量可以參考合金液體總重量，一般在6%到10%即可。精煉時，溫度最好控制在750攝氏度左右[5]。

4 結語

本次研究的鑄造鋁合金熔煉工藝可以在保證ZL109A鋁合金物理性的同時，最大限度的對其進行精煉和提純。為了降低鋁合金的含鐵量，從爐料和用具兩方面進行升級，開創了利用C2Cl6熔煉的方式，盡可能降低金屬鋁中雜質氣體的殘留，最終形成高精度液態鋁，完成ZL109A鋁合金熔煉方式的升級。

[1]張春莉.汽車車輪用A356.2鋁合金錠熔煉生產工藝研究[J].有色冶金節能,2017,33(3):35-37.

[2]周金全,江俊.5005鋁合金Φ166mm圓鑄錠熱頂鑄造工藝研究[J].云南冶金,2016,45(5):79-82.

[3]吳曉旭,馬月,才智,等.低液位2219鋁合金420mm×1620mm厚鑄錠熔鑄工藝研究[J].鋁加工,2017(2):29-33.

[4]顧勇,李芳,徐佳利,等.鑄造鋁合金前副車架焊接技術研究[J].熱加工工藝,2016(9):39-42.

[5]胡斌,高志華,高明偉,等.環縫式電磁攪拌技術對擠壓鑄造7075鋁合金組織和性能的影響[J].金屬功能材料,2017(5):44-49.