铝合金的熔炼与铸造

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铝合金的熔炼与铸造发布时间：2012-4-321:37:13|38人感兴趣|评分：3|收藏：01配料及其计算配料是熔体铸的第一道工序。它的首要任务是控制成分和杂质含量使之符合要求，其次是根据对合金的加工和使用性能的要求，确定各种炉料品种及配料比；再次是正确地计算每炉的全部炉料量。合理地吊装各种原辅材料，管理好各种金属及废料(旧料)。铝合金熔炼时，炉料大致分为三类，即：工业纯金属，或称新料或新金属；回炉的金属或合金废料，也称旧料或返回料；以及中间合金或配制合金用的纯金属。正确地选择配制合金的炉料，对于合金成分控制，铸锭质量的保证，以及金属原料的节约，都有重要的意义。总之，在保证性能合乎要求的前提下，允许利用各种废料，节约新金属和贵重金属。换句话说，就是能用废料应少用纯金属，能用低品位纯金属绝不用高品位的纯金属。做到废料用尽，次料代替好料，好料精用，搭配适当，保证质量。1.1工业纯金属--新料铝合金是在纯金属熔炼的基础上，加上其它合金元素配制而成．因此，在配制合金以前，首先应依所需配制的合金成分的要求，选择所需的纯金属之品位。有色金属的工业纯金属多来源于冶炼厂，如工业纯铝(称原铝)，工业纯铜(称紫铜或电解铜)，工业纯镁，以及金属镍等都是从电解工厂制得的。原铝多铸成15-20公斤的小锭(称铝锭)；镁以锭状供应，镁锭的重量可分为2.5公斤和9公斤两种；纯铜和金属镍一般多以电解铜板和电解镍板的形式供应；金属锌一般铸成重40公斤左右的扁平锌锭，而金属锰和铬分别以不同的粒度供应。这些所谓的纯金属中，杂质仍是不可避免的。例如，原铝锭中仍含有Fe和Si两种主要杂质。它们大多数是从炼铝原料---铝矿石中带来的。这两种杂质元素对铝及其合金的性能有极大的影响，因而使用原铝锭时，必须注意这些杂质的含量，根据所配制合金的要求正确地选用原铝锭。铝冶炼厂生产的原铝新料，是按所含铁和硅二种主要杂质元素的多少而定其品位的。纯铜内所含杂质元素种类很多，所以一般工业纯铜基本上是按照铜的含量多少而定其品位的。总的来讲，在选择金属品位时，为了保证质量，应尽量选择杂质较少，纯度较高的高品位的纯金属；但纯度越高，生产越困难，成本也越高，因而应尽量避免使用过高纯度的原料，以节约生产成本。因此正确地选用金属原料的品位，在配料过程中是十分重要的。铝合金中常用的金属原料有铝锭，镁锭，紫铜板、锌锭和用于制作中间合金的电解镍板，金属锰，金属铬，结晶硅以及海棉钛，海棉锆等。1.2废料--回炉料1.2.1废料的来源和使用原则废料，又称回炉料，也叫旧料。按其来源不同，大致可分为本厂废料及厂外废料两大类．(1)本厂废料这部份废料来源于熔铸车间及各加工车间各工序所得的加工余料(一般称几何废料)及不合格的报废料(一般称工艺废料)。铝合金成品率一般在60～80％左右，也就是说，将有20-40％的原料在加工过程中变成废料。这部份废料大致都有可能保持质量不受掺杂，是高质量的废料，是熔炼铝合金的重要原料之一。对本厂废料要加以仔细分离、分级，并按合金归类分组保管。只要管理得好，这些废料一般都能保持良好的质量，不受掺杂，污染及混料，在工厂里称为一级废料或二级废料。这部份废料通常不需处理就可以直接入炉使用。只有从车床，刨床，锯床等回炉的铣，锯、刨边碎屑料，常被油污或氧化，或含杂质过多，这些料质量低劣，通常称之为三级废料。这部份废料不能直接入炉，事先要经过洗涤，干燥处理，再重熔复化，经化验取得准确的成分后才能入炉使用． 在使用废料时，要求入炉的废料不得混合金，混级，应清洁无油泥污染。如果混料，则宁愿将少量的低成分合金(低合金)混于高成分合金(高合金)，不可使少量的高成分合金混于低成分合金。例如，纯铝混入LF21合金中，则用于LF21合金炉料中；防锈铝(LF2--LF21)各合金废料分别混于LY12合金中；则可用于LY12合金炉料中；LD6合金废料混于LD2合金中，则可用于LD5合金炉料中；LD7、LD8，LD9合金废料互混在一起，则可酌量用于LD8合金或LD9合金中。有的合金废料互混在一起，则不能用于生产，如LD10合金料混入LC4合金中，则必须挑选后，经检查确定无混料时，方能分别用于该合金炉料中。还有一些合金废料互混后，又难于挑选，不易检查分辨的，应重熔复化，取得准确的成分后方可作为炉料。另外，某些废料，虽未混料，但放置时间过长，严重腐蚀，或油泥污染严重的，也应回炉重熔复化。总的来讲，所有牌号不明，成分含量不清，腐蚀污染严重的一级和二级废料和车，刨、铣、锯碎屑都不能直接入炉，属于工厂里规定的三级废料范围，应重熔复化。(2)厂外废料源于用制造工厂或市场上回收的废料，大都掺杂混合，其质量多不可靠，甚至无准确的化学成分，最好不直接入炉使用。如确实保证不掺杂其它金属者，方可按本厂废料分级归类使用。必须注意，这些厂外回收废料，往往含有一般化验方法难于检查出来的有害杂质元素，其含量即使仅万分之一，甚至十万分之一，也会严重影响产品质量及工艺性能。因此，凡制造高质量的产品，最好不使用这些厂外回收废料。那些化学成分不明，或不符合标准的杂料，有时被称为化学废料，工厂里也称之为号外料．也应当进行复化重熔，明确其化学成分后，才能适量入炉．1.2.2废料的分级和归类管理铝合金废料的分离，分级，按合金系统门类保管的要求是十分严格的。因为铝合金一经混杂入炉，就无法使之除去，除非加入大量纯金属予以冲淡。因此管理好废料,正确的使用废料对保证产品质量，降低消耗，节约金属极为重要。某些铝合金的成分含差异很大,如果一种合金废料混入另一种合金，即使数量不多，也会造成废料无法使用。例如，超硬铝中含Zn量都很高，而其它系列铝合金中要求含Zn量却很低，如果有5-10％的超硬铝合金废料混入LY12合金炉料中，就会使炉料全部报废。又如Al-Cu-Mg-Fe-Ni系锻造铝合金中含Ni量都在1.0％以上，而其它铝合金中一般要求含Ni量低于0.1％，当有百之几的高Ni废料混入其它合金炉料中，同样会造成全炉报废。如果各合金废料互混在一起，废料中同时含有较多量的Si，Zn、Ni等元素。那么此废料很难用于任何一种铝合金铸锭生产中,即使用量少也可能形成杂质元素的恶性循环，影响产品的机械性能及加工性能。其结就只好积压大批废料而使用较多的新金属，浪费金属材料。因此对本厂废料要分合金或按合金系统严格管理。所有一、二级废料必须分合金装架打捆，三级废料应按合金系统归类装箱,所有废料都必须合理分组归类堆放，而且要有明显的标牌或标示。在铝合金铸锭生产中，某些制品由于用途不同，要求其杂质含量和铸锭的内部质量也不相同、因而对炉料的几何尺寸和表面清洁度的要求也不一样。例如，制作大梁、型材，和锻件的合金铸锭，要求其杂质含量较低，非金属夹杂物愈少愈好，其炉料一般不用碎片及薄板和油泥较多的废料。因而，各种合金废料除不混料外，还必须按照工艺规程的规定,根据废料的外形尺寸和表面清洁度而分级装架和堆码。铝合金废料一般分四级，一二级废料可直接入炉熔制成品合金铸锭，某些特殊制品不得使用二级废料；三、四级废料须经干燥，重熔复化，分析化学成分后才能使用。下表列出了某生产厂的废料分类。废料分级的标准第一级1．报废的铸锭及毛料2．铸锭的切头切尾 3．铸锭的低倍试片4．干燥的放干料和清理铸造工具时大块金属5．包铝板的压延废料6.厚度为1.0毫米以上的废料板材的切头切尾7．5毫米以上厚板拉伸试样余料．8．5毫米以上厚板的切边料9．锻压和模压的废品及中间毛料10．水压机的压挤残料11．管、棒，型、板的废品、残料和切头，切尾12.模锻件和氧化膜试片取样余料13.模压毛边料第二级1．厚度小于1.0毫米板材废品及切头切尾2．热压时撕下来的包铝边2．所有板材的予剪碎边料4．软硬片精整试样长度小于300毫米之余料6．壁厚小于10毫米的管材低倍试片6．被油污，泥土弄脏的所有一级废料第三级1．熔铸过程中扒渣中的金属，流盘倒出的金属2．化学成分分析用的园并、棒状试样3．锯床，车床，铣床、刨床的加工碎屑4．挤，模压车间的所有试样料5．所有被油污，泥土弄脏的二级料第四级1．不能分开的混合废料2．掏铸造井时的掏井渣3．打扫工作场地时的回收金属铝合金一，二级废料存放专区的划分LC4，LC5、LC6，LC9、LC10，LB1LD7，LD8，LD9LD2、LD5、LD10LF2、LF3、LF5、LF6、lF11、LF12、LT66等L1-7、LB2、LF21LY11、LY2，LY16，LY17，等LYl1、LT2，LT2-1 工艺过程中产生的一、二级废料是分合金，按不同的级别装架或打捆，每架，每捆废料的上，中、下部多处应标明合金牌号和级别；大块废料用钢印在其端部打上合金牌号及熔次号，并尽快返回熔铸车间。实际上，一种合金的生产不是连续的，而是间断式周期性的生产。各工序的废料是按照产生→运输→积存→待用的规律循环着。在这些过程中，由于吊装、堆码等多方面的原因，料架与料架之间，捆与捆之间仍有混料的可能。为了减少再次混料的几率，便于配料吊装，所有的一、二级废料应按合金成分含量归类，每类合金存放在指定的区域内统一称之为废料专区。废料专区的划分应根据合金的化学成分，品种规格和料场情况而合理归类，—而般而言，铝合金一、二级废料场可分为高锌、高镍、高硅、高镁、纯铝和LY12及LY11专区，因LYl2，LY11合金的生产量大，可单列一专区存放。按合金分级装架，打捆的一、二级废料必须存放在规定的专区内。备专区内的料架或整捆废料要放置平稳可靠，不易倾倒，滑动，并要定期清理，核对，以免发生混料，混级.生产中的三级废料大多为细碎之残屑，分合金装箱、堆放是有困难的，一般都分组装箱，堆放，分组重熔复化。当然也可将三级废料分合金堆放，复化，这要视工艺要求条件而合理安排。生产实践表明，三级废料只要不混组，经重熔复化后，都可作为合金铸锭生产的原料。四级料也称号外料，大部份是成分不清的混合料。由于四级料质量低劣，成分复杂，必须重熔复化，因此，四级料也是复化料的一部份。如果废料管理得好，四级废料是极少的，生产中要求四级料越少越好．混合料经重熔复化后,用于成品合金炉料时，要仔细调配各杂质元素的含量，并视合金性能的要求少量用于生产。1.3配料计算配料计算是合金铸锭生产的重要工序，是合金成分及杂质含量控制的首要关卡，它的首要任务是控制成分和杂质含量使之符合要求；根据合金的加工和使用性能的要求，确定各种炉料品种的配料比；正确地计算出每炉的全部炉料量。1.3.1使用纯(新)金属和废料的比例在确定配料比例时，应根据下列一些原则：(1)考虑到经济原则，在保证产品质量和性能的前提下，根据合金制品用途和加工工艺的要求，应充分利用本身废料，降低新料用量，做到能自身平衡，即该合金加工的产生的废料，能全部回炉使用。例如，在熔制LY1l及LYl2、LC4合金的板材时，某些熔次可全部使用lOO％的本身一、二级废料;而另一些熔次则可使用一部份低合金及纯铝废料，同时配入一部份复化料及少量新金属。(2)在考虑尽可能使用低品位纯金属的原则下，还应注意到废料循环使用及操作上的原因所造成的杂质逐渐增加，使原料晶位逐步降级。例如在熔制工业纯铝时，为防止杂质增高而使品位降级，不但应限制废料用量不超过50％，而且应使用一部份比制品要求品位高一级的原料，例如，全部使用新铝熔制L3纯铝时，常用50％的A1-1品位的原铝和50％A1-0品位的原铝锭。(3)对质量要求较高的制品，应尽量少用废料，而选用高品位新铝。例如生产LY12合金的大梁型材，一般只允许使用20％以下的废料，甚至全部用原铝锭和新料，并且还要求选用Al-0品位以上的原铝锭。又如LT66合金板材的表面质量要求高，杂质Fe的允许量要低，宜用高纯铝制作，一般不用废料。(4)低合金的废料(指一、二级废料)对高合金可做新料使用，但对某些合金制品，例如模锻件及某些特殊制品，只允许用原铝作新铝。所有合金废料对本身合金不能当做新铝使用，只有某些合金制品使用本身一级废料时，可代替新铝实际用量的一半。对于LY11，LY12，LC4合金方锭，全部使用本身废料时，可不用新铝。1.3.2配料成分的确定原则合金的组成决定丁合金的产品力学性能及加工过程的工艺性能。因此正确地选择及掌握合金成分是优质，高产的先决条件． 部颁标准规定的合金化学成分包括合金元素含量的范围和有害杂质的最大限量两部份．前者是为了保证合金的标定性能而有意加入的合金元素，后者是各种原材料和工具等在熔铸过程掺入的杂质。这两部分的数据是合金配料计算时的重要依据。确定合金元素在允许范围内的含量时，不但要考虑产品的使用性能，而且还要考虑合金在加工过程的工艺特性，特别是铸造工艺性能．另外还应考虑金属材料的节约等因素。在合金成分没有其它特殊要求的情况下，对易于氧化和挥发损失的金属，应当取偏于上限的成分，对容易带入有害杂质的元素，最好偏于下限，一般的合金元素常取平均值，又考虑到节约有色金属的原则，应该尽量考虑取偏下限，对于有回收价值的合金元素，常取较窄．的成分范围，以免经多次回炉后，杂质超过工业标准范围。为了保证工艺性能，要求某些元素含量范围很窄，或者根据一些特殊要求，在国家标准范围以内可适当调整某些元素的含量。为此，材料生产厂常在部标准范围内，又具体地规定生产实际采用的内部标准，称之为厂内标准或制造标准。合金中的杂质含量亦必须在配料计算时进行控制。例如Fe及Si二种杂质对铝制品质量和加工工艺性能都有不同的重要影响。在水冷半连续铸造大规格的锭坯时，特别是当Fe与Si的比例失调时，铸锭大都具有较大的裂纹倾向，严重失调时，则无法铸造合格的锭坯。例如LC4和LY12合金方锭，要求Fe＞Si。另外，还应考虑到熔炼过程中各元素的损耗，蒸发、氧化的情况，要进行适当的补偿。2铝合金熔炼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休质量的好坏，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。这里将着重讨沦在大气压下熔炼铝合金的物理化学行为，合金中主要元素成分和杂质含量的控制，铝合金的—般工艺流程及操作，最后还介绍几种铝合金的熔炼特点。2.1概述2.1.1熔炼目的熔炼的基本目的是，制造出化学成分符合要求，并且熔体纯洁度高的合金，为铸成各种形状的铸锭创造有利条件．具体说来有：(1)为了获得化学成分均匀并且符合要求的合金合金材料的组织和性能，除了工艺条件的影响而外，首先要靠化学成分来保证。如果某一成分或杂质—旦超出标准，就要按化学成分废品处理，造成很大的损失。很明显，控制好合金成分有着重要的意义，同时在合金成分范围内调整好一些元素的含量，可以大大减少铸造的裂纹废品。(2)通过精烁以获得纯洁度高的合金熔体冶炼厂供应的电解铝液或者回炉的废料，往往含有杂质、气体、氧化夹渣物，必须通过熔炼过程，藉助物理的或化学的精炼作用，以排除这些杂质、气体、氧化物等，以提高熔体金属的纯洁度。(3)除上述目的外，熔铸车间还有将回收的废料复化的任务这些回收的废料往往由于管理不严被混杂，成分不清，或者被油等杂物污染、或者是碎屑不能直接用于成品合金的生产，必须藉助熔炼过程以获得准确的化学成分，并铸成适用于再次入炉的铸锭。2.1.2熔炼特点(1)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 A1+H2O→A12O3+H2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。(2)制造铝合金的原材料，必须是金属材料形式加入的．极个别的组元(如Be、Zr等)可以以化工原料形式加入。不像其他有色金属或黑色金属制造合金时那样，以间接形式(如以矿石之类)加入。因为这样会使铝合金带来金属损失，并将污染金属。(3)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。(4)熔化铝合金，任何组元的加入，一旦进入就不能去掉．所以对铝合金的加入组元必须严格注意．误加入非合金组元或者加入合金组元过多或过少，都要出现化学成分不符废品，同时也给铸造带来困难。如在高镁合金熔炼时使用含钠的熔剂，则会引起“钠脆性”，造成铸造时的热裂性和压力加工时的热脆性。如向LC4合金中多加入Si则会给铸锭成型带来一定的困难。(5)冶金缺陷，在以后加工中难以补救．而且冶金缺陷直接影响材料的使用性能。冶金缺陷的产生很大部份是在熔化过程中造成的，如含气量高，非金属夹渣，晶粒粗大，金属化合物等．适当地控制化学成分和杂质含量以及加入变质剂，可以改善铸造性能，同时对提高熔体质量是很重要的。2.1.3熔炼方法1．分批熔炼法分批熔炼法是一个熔次一个熔次的熔炼，即一炉料装炉后，经过熔化，扒渣，调整化学成分，再经过精炼处理，温度合适后就出炉，炉料一次出完，不允许剩有余料，然后再装下一炉料。这种方法适用于铝合金的成品生产，它能保证合金的化学成分均匀性。2．半分批熔炼法半分批熔炼法与分批熔炼法的区别，在于出炉时炉料不是全部出完，而留下五分之一到四分之一的液体料，随后装入下一熔次炉料进行熔化。此法的优点是所加入的料浸在液体料中，从而加快了熔化速度，减少烧损；可以使沉于炉内的夹杂物留在炉内，待铸金属熔体中的非金属夹杂，同时炉内温度波动不大，可延长炉子寿命，有利于提高炉龄。3．半连续熔炼法半连续熔炼法与半分批熔炼法相仿．每次出炉量为三分之一到四分之一，即可加入下一熔次料。与半分批熔炼法所不同的是，即留于炉内的液体料为大部份，每次出炉量不多，新加入的料可以全部搅入熔体之中，以致每次出炉和加料互相连续。此法适用于双膛炉熔炼碎屑或大批量的废铝回收。由于加入之炉料浸入液体之中，可以减少烧损，而且还可使熔化速度加快。4.连续熔炼法此法加料连续进行，出炉间歇进行。连续熔炼法灵活性小，仅适用于纯铝的熔炼。 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。2.2碎屑的复化铝合金铸锭在锯切、车皮，镗孔及铣面等加工工序中产生大量的碎屑，这些碎屑从成分，清洁度上看，都不适合直接生产成品合金，所以需要经过复化以获得确切的成分，为熔制成品合金准备好条件。2.2.1碎屑复化的目的a这些废料成分复杂，通过复化可以确定其化学成分。b这些废料粘附乳液，油类等较多，通过复化可以消除或减少这些粘附物质的污染。c这些废料通过复化，可铸成再生铝锭，可以减少熔制成品合金时的烧损。同时也便于保管，使用。2.2.2复化前的预热处理这些废料含油、乳液较多，并且潮湿，如果将这些废料直接加入炉内，易使金属强烈的吸气，同时还有产生爆炸的危险性。故潮湿的废料不能够直接加入炉内，应预热处理。通过离心机，进行净化，去掉油污通过卧式回转窑，进行干燥，去掉水分等；通过打包机或制团机，制成一定的形状，以便于加料，也可减少烧损。2.2.3碎屑的复化铝合金碎屑及渣中金属在熔炼过程中极易烧损，故应采用连续法熔炼。2.2.3.1熔炼①第一炉应先装入部分大块废料进行熔炼，做为底料，其底料不应少于炉子容量的35-40％。②炉料应分批加入，每批料加入后，应彻底搅拌，防止露出液体表面。当前一批搅入熔体后，再投入下一批料。③熔化过程中可根据炉内渣量情况，适时进行扒渣，并及时使用复盖剂对熔体进行复盖。④熔炼温度为750-800℃。2.2.3.2铸造炉料全部熔化后，经充分搅拌即可铸造，并在铸造中途取分析试样。2.2.3.3保管复化铸锭应按其炉号，熔次号分组分别进行保管。2.3熔炼过程中的一些物理化学行为铝是活泼的金属元素之一；除惰性气体外，其它元素几乎都与铝发生反应生成铝的化合物。在大气下的熔炼炉中加热，熔炼铝合金的过程中，随着温度的升高，金属表面与炉气或大气接触时，会发生一系列的物理化学作用。根据温度，炉气和金属性质的不同，金属表面可能产生气体的吸附和溶解，或产生氧化物，氢化物，氮化物和碳化物。主要讨论铝合金在大气压下的熔炼中的一些物理化学行为。2.3.1炉内气氛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一炉气的变化是很大的，是很不稳定的。2.3.2熔融态铝与气体间的相互怍用上面讨沦了几种典型熔炼炉内的气体组成情况，这些气体与熔融态铝之间究竟起什么作用?显然不同的气体和金属之间有着不同的作用。 2.3.2.1氢的溶解氢是铝及铝合金中最易溶解的气体之一。①．氢的溶解机理凡是与金属有一定结合力的气体，都能不同程度的熔解于金属中。而与金属没有结合力的气体，—般只能进行吸附，但不能溶解。气体与金属之间的结合能力不同，则气体在金属中的溶解度也不相同。金属的吸气由三个过程组成，即吸附，扩散，溶解。吸附有物理吸附和化学吸附两种。吸附是由于金属表面的一层原子，当上下两个方向受力不平衡时，便形成一个力场。在这这个力场的作用下，使气体吸附其上，若表面力场很小，则气体分子很快离去，若表面力场较大，则吸附的气体离去较慢，且会形成不超过半个分子厚的连续层，这便是物理吸附。随着温度升高，或压力减小，或金属蒸气压增大，物理吸附逐渐减弱。物理吸附是不稳定的，单靠物理吸附的气体是不会溶解的。然而当金属与气体有一定结合力时，气体不仅能吸附在金属之上，而且．还会离解为原子，其吸附速度随温度升高而增大，达到一定温度后才变慢，这就是化学吸附。只有能离解为原子的化学吸附，才有可能进行扩散或溶解。由于金属不断的吸附和离解气体，当气体表面某—气体的分压达到大于该气体在金属内部的分压时，气体在分压力及与结合力的作用下，便开始向金属内部扩散，即溶解于金属中。其扩散速度与温度，压力有关，金属表面的物理，化学状态对扩散也有较大影响。气体原子通过金属表面氧化膜(或熔剂膜)，其扩散速度比在液态中慢的多．氧化膜和熔剂膜越致密，越厚，其扩散速度越小。气体在液态中扩散速度比固态中快得多．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：V=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气体在金属中的溶解是通过吸附，扩散，溶解诸过程而进到金属中，但溶解速度主要取决于扩散速度．②氢的熔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。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。不同温度下氢在铝中的溶解度温度氢在铝中的溶解度（厘米）3/100克铝 850℃658℃658℃300℃2.010.650.0340.001上表说明，在一定的大气压下，温度越高，氢在铝中的溶解度就越大，温度越低，氢在铝中的溶解度就越小。在固态时，氢几乎不溶于铝。还可以看出，由固态到液态时，氢在铝中的溶解度出现一个突变现象。这种溶解度急剧变化的特点，决定了铝在凝固时，使氢原子从金属中析出成为分子氢，最后以疏松，气孔的形式存在于铸锭中。2.3.2.2与氧的作用在生产条件下，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+302＝2A12O3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。此时金属的氧化将按抛物线规律变化，其关系式如下W：＝KT式中：W-氧化物重量K-氧化反应速度常数T-时间金属在其氧化膜的保护下，氧化率随时间增长而减慢。铝，铍属于这类金属。若氧化物的分子体积比本金属小，则氧化膜容易破裂或呈疏松多孔状，氧原子和金属离子通过氧化膜的裂缝或空隙相接触，金属匹会继续氧化，氧化率将随时间增长按直线规律变化。镁和锂即属于此类，即氧化膜不起保护作用，因而在高镁合金中加入铍，改善氧化膜的性质，则可以降低合金的氧化性。在温度不太高时，金属多按抛物线规律变化；高温时多按直线规律氧化。因为温度高时原子扩散速度快，氧化膜与金属的线膨胀系数不同，强度降低，因而易于被破坏。例如铝的氧化腆强度较高，其线膨胀系数与铝相近，其熔点高，不溶于铝，在400℃以下呈抛物线规律，保护性好。但在500℃以上时，则按直线规律氧化，在750℃时易于断裂。炉气性质要由炉气与金属的相互作用性质决定。若金属与氧的结合力比碳、氢与的结合力大，则含CO2、CO、H2O的炉气会使金属氧化，这种炉气是氧化性的，否则，便是还原性的或中性炉气。如H2O和CO2对铜是中性气体，对含Al、Mn的铜合金是氧化性的。在大气压下的炉气对铝合金来说都是氧化性的。生产实践表明，炉料的表面状态是影响氧化的—个重要因素。在合金熔炉一定时，氧化烧损主要取决于炉料状态和操作方法。 降低氧化烧损主要应从熔炼工艺着手。一是在大气下的熔炉中熔炼易烧损的合金时，尽量选用电阻炉或感应电炉；二是采用合理的加料顺序，快速装料以及高温快速熔化，缩短熔炼时间，易氧化烧损的金属尽可能后加；其次采用复盖剂复盖，尽可能在熔剂复盖下的熔池内熔化．对易氧化烧损的高镁铝合金及镁合金，可加入0.001～0．005％的铍；最后应正确地控制炉温及炉气性质。在炉底安装电磁搅拌装置，使炉内金属熔体温度均匀，加快了铝合金的熔化，同时也将减少烧损。2.3.2.3与水的作用①铝与水的反应熔炉的炉气中虽然含有不同程度的水蒸汽，但是以分子状态存在的水蒸汽都并不容易被金属所吸收，因为H2O对一般金属的溶解度是不大的。而且水在2000℃以后才开始离解。水蒸汽之所以是造成铸锭内部疏松，气孔的根源，是因为在金属熔融状态这样的高温下，分子H2O要被具有比较活性的铝所分解，而生成原于状态的[H]。3H2O+2Al→A12O3+6[H]所分解出的(H)原子，就很容易地溶解于金属熔体内，而成为铸锭内疏松，气孔缺陷的根源。这种反应即使是在水蒸气分压力很低的情况下，也可以进行。②水的来源1)空气中有大量的水蒸汽，尤其在潮湿季节，空气中水汽含量更大。我国南方的夏季气温较高，空气中绝对湿度较大，铝合金在这样条件下生产时如不采取措施，将会增加合金中气体的溶解量．根据生产统计资料证明，每年五月到十月是空气中湿度较大的季节，在这个季节里生产的铸锭，曾因疏松，气孔而报废的较多，七，八，九三月尤甚。2)从原材料中带来的水份用于生产铝合金的原材料以及精炼用的熔剂或复盖剂，无数的生产实践已证明，这些原材料如果潮湿，一经入炉，所蒸发出来的大量水蒸汽必定成为铸锭的疏松，气孔废品的根源。所以在生产中都严禁使用潮湿的原材料。对于极易潮湿的氯盐熔剂，尤应注意其存放保管．有些容易受潮熔剂，入炉前应在一定温度下进行充分烘烤。3)燃料当采用反射炉熔炼铝合金时，燃料中的水份以及燃烧时所产生的水份，是气体的主要来源。4)耐火材料耐火材料表面吸附的水份，以及砌砖泥浆的水份，在烘炉不彻底时，在熔炼头几炉时，熔体中气体含量明显偏高。由于所在地点不同,一年四季温度和湿度都不一样，在环境湿度不能控制的条件下，自然界的影响是明显的。因此，由原材料保管到工艺过程和工艺装备，都要进行严格选择和控制。2.3.2.4与氮的作用氮是一种惰性气体元素，它在铝中的溶解度很小，几乎不溶于铝。但也有人认为，在较高的温度时，铝可能与氮结合成氮化铝，2A1+N2→2Al4N3同时氮还能和合金组元镁形成氮化镁。3Mg+N2→Mg3N2氮在高温下与铝反应，生成氮化物，形成非金属夹渣，影响金属的纯洁度。2.3.2.5与碳氢化合物的作用任何形式的碳氢合化物(CmHn)，在较高的温度下都会分解为碳和氢，其中氢溶解于铝熔体小，而碳则以元素形式或以碳化物形式进入液态铝，并以非金属夹杂物形式存在。其反应式如下：4Al+3C→A14C32.3.3影响气体含量的因素1．合金元素的影响 金属的吸气性是由金属与气体的结合能力所决定的。金属与气体的结合力不同，气体在金属中的溶解度也不同。蒸气压高的金属与合金，由于具有蒸发去吸附作用，可降低含气量。与气体有较大结合力的合金元素，会使合金的溶解度增大，与气体结合力较小的元素则与此相反，增大合金凝固温度范围且降低固相线温度的元素，易使铸锭产生气孔，疏松。Cu，Si，Mu，Zn均可降低铝合金中气体溶解度，而Ti、Zr，Mg则与此相反．2。温度的影响当熔融金属的温度升高后，金属和气体分子的热运动增高，气体在金属内部的扩散速度也增加。因而，在一般情况下，气体在金属中的溶解度随温度升高而增加。许多试验已表明这一普遍规律。3．压力的影响压力和温度是两个互相关联的外界条件．对于金属吸收气体的能力而言，压力因素也有很重要的影响．随压力的增大，气体溶解度也增大。其关系式如下：S=K式中：S气体的溶解度(在温度和压力一定的条件下)，K平衡常数。表示标准状态时金属中气体的平衡溶解度，也可称为溶解常数。P气体的分压力公式表明，双原子气体在金属中的溶解度与其分压平方根成正比。4．其它因素金属表面的氧化膜以及熔炼时间对气体在金属中的溶解度均有影响由于金属熔体表面有氧化膜存在，而且致密，它阻碍了气体向金属内部扩散，使溶解速度大大减慢。如果氧化膜遭到破坏，就必然加速金属吸收气体。所以在熔铸过程中，任何破坏熔体表面氧化膜的操作，都是不利的。其次，对任何化学反应，时间因素总是有利于一种反应的连续进行，最终达到它对气体溶解于金属的饱和状态。因此，在任何情况下暴露时间越长，吸气就越多。特别是熔体在高温下长时间的暴露，就增加了吸气的机会。因而，在熔炼过程中，总是力求缩短熔炼时间，以尽量降低熔体的含气量。2.4合要求且纯洁度高的熔体。铝合金的一般熔炼工艺流程及操作铝合金的一般熔炼工艺过程如下：熔炼炉的准备→装炉熔化(加铜或锌)→扒渣与搅拌(加镁，铍)→调整成分→精炼→出炉→清炉。熔炼工艺的基本要求是，尽量缩短熔炼时间，准确地控制化学成分，尽可能减少熔炼烧损，采用好的精炼办法，以及正确地控制熔炼温度，以获得化学成分符熔炼过程的正确与否，与铸锭的质量及以后加工制品的质量，密切相关。2.4.1熔炼炉的准备为保证金属和合金的铸锭质量，并且要做到安全生产，事先对熔炼炉必需做好各项准备工作．这些工作包括烘炉，洗炉及清炉。1．烘炉凡新修或中修过的炉子，在进行生产前需要烘炉，以便清除炉中的湿气。2．洗炉实际生产中住往需要用一台炉子熔炼多种合金，由一种含金改为生产另一种合金时往往需要洗炉。①洗炉的目的洗炉就是将残留在熔池内各处的金属和炉渣清除出炉外，以免污染另一种合金，确保产品的化学成分。另外对新修的炉子，可减少非金属夹杂物。②洗炉原则1)新修，中修和大修后的炉子生产前应进行洗炉； 2)长期停歇的炉子可以根据炉内清洁情况和要熔化的合金制品来决定是否需要冼炉；3)前一炉的合金元素为后一炉的杂质时应该洗炉；4)由杂质高的合金转换熔炼纯度高的合金时需要洗炉．③洗炉时用料原则1)向高纯度和特殊合金转换时，必须用100％的原铝锭；2)新炉开炉，一般合金转换时，可采用原铝锭或纯铝的一级废料；3)中修或长期停炉后，如单纯为清洗炉内脏物，可用纯铝或一级废料进行；4)洗炉时洗炉料用量不得少于炉子容量的40％。④洗炉时的要求1)装洗炉料前和洗炉后都必须放干，大清炉；2)洗炉时的熔体温度控制在800-850℃，在达到此温度时，应彻底搅拌熔体，其次数不少于三次，每次搅拌间隔时间半小时。3．清炉清炉就是将炉内残存的结渣彻底清除炉外。每当金属出炉后，都要进行一次清炉．当合金转换，一般制品连续生产5-15炉，特殊制品每生产一炉，都要进行大清炉。大清炉时，应先均匀向炉内撒入一层粉状熔剂，并将炉膛温度升至800℃以上，然后用三角铲将炉内各处残存的结渣彻底清除。2.4.2熔炼工艺流程和操作1．装炉熔炼时装入炉料的顺序和方法不仅关系到熔炼的时间，金属的烧损，热能消耗还会影响到金属熔体的质量和炉子的使用寿命。1)装炉料顺序应合理正确的装料要根据所加入炉料性质与状态而定，而且还应考虑到熔化速度快，烧损少，以及化学成分的控制。通常，装料顺序可按下述原则进行。装炉时，先装小块或薄板废料，铝锭和大块料装在中间，最后装中间合金。熔点低的中间合金装在下层，高熔点的中间合金装在最上层，所装入的炉料应当在炉膛中均匀分布，防止偏重。小块或薄板料装在下层，这样可减少烧损，同时还可保护炉底免受大块料的直接冲击。有的中间合金熔点高，如A1-Ni和A1-Mn合金的熔点为750-800℃，装在上层，由于炉内上部温度高容易熔化，也有充分的时间扩散，使中间合金分布均匀，则有利于熔体的成分控制。炉料装平，各处熔化速度相差不多这样可以防止偏重时造成的局部金属过热。炉料应尽量一次入炉，多次加料会增加非金属夹杂物及含气量。2)特殊制品(重要制品)的炉料除上述的装炉要求外，在装炉前必须向炉内撒一定量的粉状熔剂，这可提高炉体的纯洁度，也可减少烧损。3)电炉装料时，应注意炉料最高点距电阻元件的距离不得少于100毫米。2．熔化炉料装完后即可升温度熔化．熔化是从固态转度为液态的过程。这一过程的好坏，对产品质量有重大影响。1)复盖 熔化过程中随着炉料温度的升高，特别是当炉料上部熔化以后，金属外层表面所复盖的氧化膜很容易破裂，将逐渐失去保护作用。气体在这时候很容易侵入，造成内部金属的进一步氧化。并且已熔化的液滴或液流要向炉底流动，当液滴或液流进入底部汇集起来的液体中时，其表面的氧化膜就会混入熔体中。所以为了防止金属进一步氧化和减少进入熔体中的氧化膜，在炉料软化下塌时，应适当向金属表面撇上一层粉状熔剂复盖。这样也可以减少熔化过程中的金属吸气。复盖剂用量为炉料量的0.4-0.6%。2)加铜、锌当炉料熔化一部份以后，即可向液体中均匀加入锌锭或铜板，以熔池中的熔体刚好能淹没铜板和锌锭为宜。这里应该强调指出的是，铜板的熔点为1083℃，在铝合金熔炼温度范围内，铜是溶解在铝合金熔体中。因此铜板如果加得过早，熔体未能将其盖住，这样将增加铜板的烧损，反之如果加得过晚，铜板来不及溶解和扩散，将延长熔化时间，影响合金的化学成分控制。3)搅动熔体熔化过程中应注意防止熔体过热。电阻炉内的金属熔化，主要是靠电热元件的辐射传热，在上层炉料熔化后，下层炉料的受热主要靠上层高温炉料通过传导方式进行，此时热量由上层传递到下层进行的特别慢。此时上层金属在高温度下容易产生局部过热。当炉料化平之后，应适当搅动熔休，以使熔池里各处温度均匀，同时也利于加速熔化。扒渣与搅拌当炉料在熔池里已充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，即可扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣。1)扒渣扒渣前应先向熔体上均匀撤入粉状熔剂，使渣冲与金属分离，有利于扒渣，可以少带出金属。扒渣操作要求平稳，防止渣滓卷入熔体内；扒渣要彻底，因浮渣的存在会增加熔体的含气量，并弄脏金属。2)加镁和铍扒渣后便可向熔体内加入镁锭，同时要用2#粉状熔剂进行复盖，以防镁的烧损．对于高镁铝合金为防止捞的烧损，并且改变熔体及铸锭袁面氧化膜的性质，在加镁后须向熔体内加入少量(0.001～0.004％)的铍．铍是以铍氟酸钠(Na2BeF4)或Al-Be中间合金形式加入，为了提高镀的实收率，Na2BeF4与2#粉状熔剂按1:1混合加入，加入后应进行充分搅拌。Na2BeF4+A1→2NaF+A1F3+Be为防止铍的中毒，在加铍操作时应戴好口罩。加铍后,扒出的渣滓应堆积在专门的堆放场地或作专门的处理。3)搅拌在取样之前，以及在补料后，都应当及时地进行搅拌。其目的在于使合金成分均匀分布和熔体温度趋于一致。这看来似乎是一种极简单的操作，但是在工艺过程中是很重要的工序。它关系到合金成分是否能获得准确的控制。一些比重较大的合金元素容易沉底，另外合金元素的加入不可能绝对均匀，这就造成了熔体上下层之间，炉内各区域之间合金元素的分布不均匀。如果搅拌不彻底(没有保证足够长的时间和消灭死角)，容易造成熔体化学成分不均匀。搅拌应当平稳进行，不应激起太大的波浪，以减少氧化夹杂卷入熔体中的机率。4．调整成分在熔炼过程中，由于各种原因可能会使合金成分发生改变，这种改变可能使熔体的真实成分与配料计算值发生较大的偏差。因而须在炉料熔化后，取样进行快速分析，以便根据分析结果确定是否需要调整成分。1)取样熔体经充分搅拌之后，即应取样进行炉前快速分析，分析化学成分是否符合标准要求。取样时的炉内熔体温度不应低于熔炼温度中限。 快速分析试样的取样部位要有代表性，一般在二分之一熔体的中心部位取两组试样．取样前试样勺要进行预热。2)成分调整当快速分析结果和求成分不相符时，就应调整成分-补料，或冲淡。调整成分是为了保证合金的化学成分在规定的标准之内，避免由于主要的合金成分超出内部标准范围而降低合金的工艺性能和最终制品性能，当然，调整组元及杂质的配比，显然也可以改善合金的铸造性能。①补料快速分析结果低于合金要求的化学成分时就需要补料。②冲淡分析结果高于国家标准的化学成分上限时就需要冲淡。③调整成分时应注意的事项若发现快速分析结果与实际相差太大，或有些值得怀疑之处，则应分析产生偏差的原因，如不加分析就进行补料，则会造成大量的成炉化学成分不符废品。因此冲淡补料不仅仅是一个计算过程，而且还应注意以下几个方面。a试样有无代表性试样无代表性是因为，某些元素比重较大，溶解扩散速度慢，或易于偏析分层．故取样前应充分搅拌，以均匀其成分，由于熔池表面温度高，炉底温度低，取样前要多次搅拌，每次搅拌时间不得少于五分钟。b取样部位和操作方法要合理由于熔池大，尽管取样前进行多次搅拌，熔池内各部位的成分仍然有一定的偏差，因此试样应在熔池中部最深部位的二分之一处取出。取样前应将试样模充分加热干燥，取样时操作方法该正确，使试样符合要求，否则试样有气孔，夹渣或不合要求，都会给快速分析带来一定的误差。c取样时温度要适当某些比重大的元素，它的溶解扩散速度随着温度的升高而加快。如果取样前熔体温度较低，虽然经过多次搅拌，其溶解扩散速度仍然缓慢，此时取出的试样仍缺乏代表性，因此取样前应控制熔体温度适当高些。d补料和冲淡时一般用中间合金，避免使用熔点较高和较难熔化的新金属。e补料量或冲淡量在保证合金元素要求的前提下应越少越好，且冲淡时应考虑熔炼炉的容量和是否便于冲淡的有关操作．f冲淡量如果在较多的情况下，还应补入其他合金元素，使这些合金元素的含量不低于它们所要求的化学成分．5精炼工业生产的铝合金绝大多数在熔炼时都要有精炼过程，其目的是为了提高熔体的纯洁度。这些精炼方法可分为两类：即气体精炼法和熔剂精炼法。6清炉铝熔体铸造完后，要对炉子进行清理。2.5合金元素和杂质含量控制2.5.1合金成分的控制熔炼时要控制好合金成分，除了采用措施控制烧损以外，还要做好几项工作，原材料的检查，合理的加料顺序，做好炉前的成分分析和调整等。1检查原材料炉料配到熔炼加料点，由于配料计算，称重及吊运等都可能发生差错，甚至还可能出现 缺料或多料的情况。如果不进行检查，就可能使合金元素的含量超出或低于控制成分所要求的范围，甚至造成整炉的化学成分不符的废品。因此对原材料的检查这一工作是熔炼生产时的重要工序之一。1)清洁无腐蚀所配入的原材料要求表面清洁无腐蚀，炉料要做到三无(无灰，无油污、无水)，否则将会影响合金熔体的纯洁度。2)成分符合要求如果原材料的成分不符合要求，就会直接影响合金成分的控制．为此：①对于无印记、或印记不清的炉料，在未确定成分前严禁入炉；②对于中间合金应有成分分析单，或标明炉号熔次，否则不准入炉；③另外，加工方法和材料的供应状态不同，对成分的要求也就不同。3)重量要准确原材料的重量准确与否，不但影响合金的成分，而且影响铸锭的尺寸。因此在检查原材料时对这一工作也不可忽视。2．加料顺序要合理炉料入炉的顺序不仅关系到熔炼时间，金属的烧损，还会影响到金属的熔炼质量。正确的装料要根据所配入之炉料的状态和性质而定，以便获得最准确的化学成分。1)为了避免炉底受到撞击，减少烧损，一般边角废料或铝锭先入炉，然而再装大块的废料。2)中间合金在装炉时均匀加在炉料最上层，避免合金的偏析现象发生，以利于合金成份均匀。3．取样准确，补料无误1)取样准确取样是否准确，能否有代表性，对合金成分的控制有直接的影响．要做到取样准确，而且有代表性，必须注意取样时熔体的温度和取样的部位。一般来说，取样时的温度不能低于熔炼温度的下限，Cu，Zn和Mn作为主要合金元素加入的合金取样温度就要高些，其部位应在熔池的中心。2)补料无误要做到补料无误，必须考虑到下面几点：①取样误差铝合金的熔炼炉的熔池较大，在人工搅拌的操作条件下，要做到熔池内各处的化学成分绝对均匀一致，这是不容易的，虽然取样的部位有代表性，但也存在一定的误差。②由于炉料过称不准，中间合金成分不均，取样温度偏低等情况，都可能造成误差。因此，在炉料补料计算调整成分时，都要注意这些情况并做出合理的估计。否则，若合金成分在偏上下限时，如果不考虑这些误差，便有可能使成分超出或者低于规定。2.5.2，杂质含量的控制在熔炼过程中，熔融的金属与炉衬。炉渣及炉气的相互作用，同时熔炼使用的操作工具不可避免地要受到金属熔体的浸蚀，以及炉料的纯度和熔炼工艺等原因，不可避免地要吸收杂质，甚者可使杂质允许量超过标准，造成化学成分废品。因此在熔炼铝合金时，要对杂质进行控制。1．杂质的来源1)与炉衬作用在熔炼温度下合金与炉衬的相互作用，人们早就给予了很大的注意．因为他们之间相互作用，不仅降低炉衬寿命，而且会使某些杂质进入合金熔体。当金属与炉衬内某一元素能形成化合物，则金属熔体与炉衬之间的相互作用，在一定的高温条件下就可能进行，即发生溶解或置换反应。 熔炼温度越高，金属在炉内的运动越强烈，这种液固两相间的反应也进行得越激烈，尽管每次熔炼所吸收的杂质量很有限，但由于铝合金在熔铸或压力加工中不可避免地要产生一部份废品，而这些废料的反复使用，故杂质会逐渐地积累增多。2)以其他方式吸收杂质同一熔炼炉先后熔炼不同成分的合金时，由于这些合金的主要成分和杂质含量各不相同。若前一种合金的主要成分是后一种合金的杂质，在这种情况下，如不经过洗炉或洗炉不彻底，则前一炉残存在炉衬及炉渣中的部分合金，将会使后一炉金属熔体的杂质增加，严重时能使后一炉因杂质超标而报废。如熔炼LY12合金向纯铝转炉时，洗炉不彻底，就可能致使纯铝中杂质铜超出规定而报废。这类质量事故在生产中是发生过的。由于生产管理不严，对废料无清晰的印记，或不经过认真的检查，而配错料或装错料，都将要造成无法挽救的废品。2．减少杂质污染途径1)所有与金属熔体接触的工具，尽可能采用不会带入杂质的材料，否则必须用涂料保护好。2)在可能的情况下，采用纯度高的新金属料，合金返回料不超过炉料的50％，以保证某些合金的要求。如熔炼LT66特殊制品时，本身的返回废料最好不要使用。3)转换合金时必须先洗炉，洗炉时要彻底，并且要认真进行清炉。4)加强炉料管理，杜绝混料。2.6主要铝合金的熔炼特点变形们合金的种类很多用途又十分广泛，因此在熔炼工艺上又有各自的要求。这里只讨论铝软合金，硬合金、锻铝合金的熔炼特点。2.6.1软铝合金的熔炼所谓软合金是指热处理不强化的铝合金．一般来说，这类合金的成分、组织比较简单，塑性比较好，抗腐蚀性和焊接性也比较好。因此它们的用途比较广，这类合金在铝加工厂生产量比较大。由于这类合金的成分比较简单，对杂质含量都有严格的要求，所以如何保证不受杂质污染成为这类合金的共同熔炼特点。1．工业纯铝的熔炼工业纯铝熔炼最主要而又最重要的，是如何保持其纯洁度不受杂质的污染。因为任何一种元素的混入都会造成无法挽救的损失，将会造成成炉废品的产生，对于高纯铝更应注意。此外在熔炼时还要注意最大限度地避免纯度降级。工业纯铝的用途十分广泛，而冶炼厂所生产的铝锭成分很复杂，为了避免杂质的影响，首先必须仔细选择原材料。为此，应依制品的纯度和工艺性能来选择使用原铝锭，同时，不应被其他杂质所混入．为了避免化学成分废品应该少用废料或避免用废料。1)各种不同牌号的纯铝杂质含量见表xxx．随着铝的纯度降低，强度有所提高，而导电性，耐蚀性和塑性则会降低。这些不同牌号纯铝的差异，是由于所含杂质量的不同所致。2)铁和硅对纯铝组织和性能的影响Fe和Si是纯铝中的主要杂质，它们的含量及相对比例(即通常所说的铁硅比)对纯铝的生产工艺和产品的性能有较大的影响。铁和硅能显著降低纯铝的塑性。如果在高纯铝LO3中将Fe含量从0.0017％增加至1.0%时，其延伸率则从36%降低到14.3％，若将Si含量从0.0025％增加至0.5％时，其延伸率从36％降低至24.5％。因此，在熔炼工业纯铝时，必须造用合理的炉衬，并且用较短的熔炼时间，以免从炉衬中吸收较多的杂质。另外，对于熔炼所使用的工具最好喷上涂料，避免金属熔体内含铁量的增高。 Fe和Si的相对含量不同，在铸造过程中形成裂纹倾向性也不相同。生产实践证明，纯铝的纯度越高，其铸造时裂纹倾向性随着增加。工业纯铝中以L1的裂纹倾向比较大，而L3以下较低品位的纯铝在生产中几乎不产生裂纹。因此，当纯铝中Fe和Si含量较高时，熔炼时可不控制铁硅比。但是，如果纯铝中Fe和Si含量较低时，要防止裂纹的产生，必须控制铁硅比，使铁大于硅。但是如果补入的Fe过多，废料重复使用后，将会使纯铝中的铁含量不断增加，可能造成纯铝的品位降级。因此，现在多数铝加工厂采用补加微量的钛，对消除其裂纹废品也收到了显著的效果。2．Al-Mn系合金的熔炼1)由于锰在铝中的溶解速度很低，即使是含Mn只有5％或10％的铝锰中间合金，在正常的熔炼温度下的溶解速度也不高。为此，Al-Mn中间应均匀分布于炉料的最上层，当熔体温度达720℃时，应多次搅拌熔体，以加速锰的溶解和扩散。否则。如搅动熔体时的温度过低，取样分析后的锰含量往往要比实际含量偏低，补料后将会造成Fe+Mn>1.8％。2)LF21合金板材在退火时，易产生粗大晶粒组织，为此可适当提高Fe含量，或加入适量的Ti．因为只要有微量的Fe存在，就将显著降低Mn在铝中的溶解度。因此，在半连续铸造法生产LF21合金时，一般控制Fe在0.4-0.6％范围内，同时使Fe+Mn≤1.8％，以防止(MnFe)A16—次晶出现。为减少裂纹倾向性，一般要控制Fe＞Si0.2％以上，另外还加入少量的Ti。3．铝-镁系合金熔炼1)熔炼时加强熔体复盖，防止镁的烧损铝-镁系合金熔炼所遇到的第一个问题，是镁元素的烧损较大．因此，在熔炼铝-镁合金时为了减少烧损，在熔炼过程中要使用熔剂复盖。同时，镁元素是以镁锭形式加入炉内，由于镁的比重比铝小，而且在高温下遇空气会燃烧，不容易加入。因此，加镁时一般是将镁锭放在特制的加料器内，迅速浸入铝水液面之下，往返搅动，使镁锭逐渐溶化于熔体中，加入之后，应立即撤上一层粉状熔剂。2)对于高镁铝合金，熔炼时应加入一定的铍和钛。为了减少镁的烧损，改善氧化膜的性质，增加其致密性，改善铸锭的表面质量。因此在加镁之后，就应在合金中加入少量Be。试验表明，加入微量的Be(0.002％左右)，即可形成氧化铍和氧化镁组成的比较致密的氧化膜。但是，加铍后的合金易引起晶粒粗大，故加铍后的合金应加钛来抵消此有害作用。3)不得使用含钠离子的熔剂钠可使高镁合金产生钠脆性，熔炼时严禁使用含钠离子的熔剂复盖或精炼。为了杜绝钠的污染，必须使用以MgCl2和KCl为主要成分的二号熔剂。2.6.2硬铝合金的熔炼这类合金在铝合金中占有很重要的地位，用途较广，是飞机材料的主要合金。因为它们都是可热处理强化的合金，所以化学成分的控制，必须十分严格。1．铝-铜-镁系合金铝-铜-镁系合金通常称为硬铝．硬铝合金具有较高的强度，应用较广，但合金有晶间腐蚀倾向，其板材要加包铝层。1)熔炼时要防止化学成分不符废品的产生。这类合金的铜含量较高，为节省中间合金现在工厂多直接使用电解铜板加入，为了保证成分不发生比重偏析，铜板应均匀的适时加入炉内，不能露出液面。否则铜板加得过早或过晚，会影响取样的准确性，容易造成成分出现偏差。另外，为保证成分均匀不产生比重偏析，取样前要进行多次搅拌，并要适当地提高温度，以利铜元素充分溶解。 2)在熔炼过程中应加强复盖和精炼除气由于这些合金中都含有Mg，特别是LYl2合金的Mg含量较高，在液态时氧化膜的致密性较差，增加了合金的吸气性，同时它的结晶温度间隔较宽，因此LYl2合金产生疏松的倾向性较大。特别是在高温潮湿的地区，LY12合金因疏松而报废的较多，为此，在熔炼过程中应防止合金的吸气，适时使用足量的复盖剂复盖，并且加强对这些合金的精炼除气。3)在调整成分时要注意对Fe与Si杂质含量的控制Fe和Si对于这类合金铸造性能影响较大，它们是使铸锭产生裂纹倾向的根源之一。因此，在调整成分时要注意对Fe和Si杂质含量的控制。对于LY12合金一般控制Fe稍高些，并使Fe>Si。对于大直径的园铸锭，要控制Fe+Si≤0.5%，可减少其冷脆性。而对于LY11合金一般控制Si稍高些，并使Si>Fe，可减少其热脆性。2．Al-Cu-Mg-Zn系合金的熔炼铝-铜-镁-锌系合金包括超硬铝合余。这类合金的强度高，塑性较差，且有应力腐蚀，其缺口敏感性较强。1)Al-Cu-Mg-Zn系合金该系合金使用的历史比硬铝合金短，上世纪在四十年代后半期才有比较成型的合金在航空工业上试用，五十年代以来才大量使用。该系合金的强度比硬铝合金高，是目前铝合金中强度最高的合金系。因此把该系合金称为高强度铝合金，或超硬铝合金。2)熔炼时要保证成分均匀，以防止化学成分不符废品的产生。超硬铝合金系都含有一定数量的锌，在铝合金熔体中，由于锌的比重大而容易沉底，即所谓“比重偏析”，为使其成分均匀，锌宜在炉料化平后用加料器具均匀加入炉内。在熔炼过程中，应加强对熔体的搅拌，以助溶解和以防沉淀。3)该系合金不但容易遭受应力腐蚀，而且更富于缺口敏感性。这些缺陷和熔炼时所用原材料是否清洁及工艺有密切关系。凡废料如果搁置时间过久，也会产生表面腐蚀。因此在熔炼过程中应适当地使用复盖剂，防止金属吸气和产生氧化夹杂。对其所使用的原材料应力求清洁。4)为了使该系合金获得较好的机械性能和铸造性能，熔炼时应控制该系合金的组元和杂质。为了提高该系合金的机械性能，而加入一些合金元素是很重要的。常用的合金元素有Mn，Cu，Cr，Zr，Ti等。对改善抗腐蚀性起主要作用的元素是Mn和Cr，而Cr的作用比Mn更显著些，一般Cr的加入量在0.1-0.3％，而锰的加入量为0.1-0.8％。如果加入量过多，出现一次金属间化合物，对合金的疲劳强度不利；Mn，Cr的存在使合金固熔体的分解在晶内较均匀的进行，降低了合金组织上的不均匀性，从而提高了合金的抗腐蚀性。Cr，Mn、Cu可单独加入，也可以一起加入。在A1-Cu-Mg-Zn系合金中，在某些情况下加入少量的Cu也可改善合金的抗腐性，当加入的量较多时，形成S相，提高合金的强度．Zr，Ti可细化铸锭和焊缝的组织，对减少裂纹倾向起重要的用。该系合金铸造时形成裂纹的倾向性非常大，在一段时间里，曾是生产中最大的障碍，尤其是大型的扁铸锭。为了解决这个问题，各国都进行了大量的试验研究，一方面改度铸造工艺参数，另一方面是在熔炼时控制其主要成分和杂质的含量。生产实践表明，Mn偏下限，Cu偏下限，Zn偏中上限，Mg偏上限控制对防止铸锭裂纹是有利的。另外杂质Si对该系合金的裂纹影响较大，要尽量控制到最低值。Fe虽然是杂质，但控制在偏上限对防止铸锭裂纹有重要作用。2.6.3锻造铝合金的熔炼 锻造铝合金主要是A1-Cu-Mg-Si系和A1-Cu-Mg-Fe-Ni系合金。这两类合金系是工业上应用较广的重要合金，主要用作锻件。（1）在熔炼过程中应注意保持金属的纯洁度锻造铝合金是航空工业的重要材料，在熔炼过程中应注意保持金属的纯洁度，防止氧化夹渣很重要，以获得最好的内部质量。有的试验指出，如有氧化膜夹渣存在时，横向的强度比纵向降低50％，横向的伸长率比纵向降低90％。1)对原材料应该有严格的选择首先要保证所配入的原材料应是三无(即无水，无灰，无油污)，以保证原材料表面的清洁度。除了原铝锭和经过仔细选择过的本厂合金废料外，一般厂外回收的复化铝最好是不用，对有潮气、油污和受腐蚀的炉料不能入炉。其次对原材料的成分和重量要认真的检查核对，否则若因混料将会造成冲淡和熔炼时间延长，使熔体受到污染的可能性增加。2)在熔炼过程中应多用熔剂，加强对熔体的复盖。3)在操作中应注意防止气体与非金属夹杂物卷入熔体中，严禁破坏表面的氧化膜，应在熔体的中、下部平稳地进行。4)加强对熔体的精炼除气。5)熔炼每生产一个熔次后，炉内金属必须彻底放干，并升温要二次大清炉，以保持炉子的清洁度，使下熔次的炉料不受炉内残渣所污染。2．熔炼时化学成分的控制1)Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金中，由于Fe，Ni是主要合金元素，为了避免形成粗大硬脆的铝锰铁等化合物，故锰作为杂质来控制。该系合金性能的变化将取决于Fe与Ni之比，因此在控制成分时，Ni与Fe应控制在中下限，并使二者相等，这样可获得最佳的强化效果．否则存在过剩的Fe或Ni，将使强化相减少，因而合金的强度会降低，塑性也会变坏。2)Al-Cu-Mg-Si合金与硬铝合金相比，Mg2Si相是该系合金唯一的强化相，为保证该系合金的强度性能，将Si控制在上限是有利的，对降低铸锭的裂纹也有利。3)为了细化锻造铝合金的组织，降低形成结晶裂纹的倾向，提高铸锭质量，在实际生．产中都加入少量的钛。3炉内喷粉精炼工艺1）精炼温度熔体粘度越高，则去气除渣越困难。而粘度决定于温度和化学成分，提高熔体温度会促使粘度降低。一定成分的合金其温度越低，则粘度也就越大。为此精炼温度应适当高些。但是精炼温度过高又会造成吸气量的增加和晶粒粗化。熔体精炼温度应控制在铸造温度上限加10～20℃范围内。对Mg含量较高的合金精炼温度一定要超过712℃，因为：Mg+Cl2=MgCl2生成的MgCl2的沸点为712℃，低于712℃时，MgCl2为液态，只有高于712℃时MgCl2才能蒸发为汽态，才能起到精炼作用。2）精炼剂的质量和用量 用气体精炼时精炼时间长，除气效果要好。喷粉精炼熔剂的质量对精炼效果的影响很大，使用高质量的精炼剂进行精炼，可以大降低熔体的氢含量。而精炼气体的质量，尤其是精炼气体内的水氧含量，对精炼效果的影响也是非常大的。如果精炼气体质量不佳，精炼效果会大打折扣，严重时也可能产生负面的影响，即精炼不但没能除气，反而会增加熔体中的氢含量。另外，精炼时间或精炼剂的用量，也是一个重要参数，喷粉精炼时，熔剂的用量一般要达到2-8kg/吨金属。3）熔体静置时间熔体静置时间对去气除渣的影响，对于铝合金来说，是一个不可忽视的因素。因为处在熔休中的非金属夹杂物，一般其颗粒度都很小。其分散程度也较高,在吸附造渣能力强的熔剂的作用下，尺寸较大及比重差较大的夹渣，容易上浮或下沉，然而尺寸较小或比重差较小的夹渣，它们的上浮或下沉则需要一定的时间。因此，在熔体精炼后，还应有一定的静置时间，一般静置时间应在40分钟以上。炉内静置时间与夹杂的关系（LIMCA测量结果）4）精炼操作见操作规程。4铝合金铸造铝加工厂大量生产的是变形铝合金，是将成分合格的铝合金熔体浇入模内，铸成各种形状的铸锭(扁锭，园锭，空心锭)，然后经轧制，挤压或锻造等压力加工过程，生产出各种不同的工业用铝材。也涉及铸造设备，铸造工具，铸造工艺与操作等。4.1概述1）对铸锭的基本要求铸造的任务是将熔炼好的熔体铸成尺寸，形状，成分，组织等符合要求的铸锭．具体来说，铸锭应具备下列基本要求：（1）．铸锭的化学成分和组织应尽量均匀。铸锭组织和化学成分不均匀，枝晶网格粗大，晶粒粗大或低熔点呈网状分布，金属化合物粗大及分布不均匀等，都会使铸锭塑性和强度大大降低。（2）．铸锭内外质量要好，不应有气孔，疏松，夹渣，偏析及裂纹等缺陷。气孔、疏松及夹渣往往是使板材起皮，起泡、断口分层的主要根源。偏析、裂纹和夹渣不仅降低塑性，造成轧裂，而且还会使产品的机械性能和抗腐蚀性变坏。．铸锭尺寸必须符合要求，否则会增加加工废品量，影响生产实收率3）。2）铸造方法（变形铝合金的铸造方法比较多，各铝加工厂生产方法又不相同，在这里仅介绍铝加工厂中比较普遍的几种铸造方法．（1）．锭模铸造此法是将合金熔体浇入锭模内，待其凝固后，取出供轧制或挤压等加工。按模子情况又分为平模，立模和水冷模等。锭模铸造是靠模壁或空气传导热量，以使熔体凝固，水冷模是靠循环水进行冷却的。锭模铸造由于其冷却速度慢，晶粒粗大，金属通过模壁和空气接触面传热，结晶方向基本与散热方向一致，故使得铸锭内各处的结晶方向不一致，产品质量不高。锭模铸造是金属由模底或模壁先结晶，次由顶部结晶，内部金属最后结晶。熔体的气体受结晶次序的影响，多在中心产生气孔。内部金属最后结晶时，因无液体补缩，多在中心部位产生集中疏松。锭模铸造是一种比较原始的铸造方法。对产品性能要求低的小规模生产，可以采用锭模铸造。因为锭模铸造比起连续铸造来操作简便，设备简单，投资少，所以在某些小型的铝制品厂仍在应用。但是在一般的铝加工厂，锭模铸造法已为连续铸造所取代。（2）．立式铸造 立式铸造一般为半连续铸造，铸造冷却水直接喷到铸锭上，冷却速率较大，铸锭质量较好，它也叫ＤＣ铸造。早期的半连续铸造出现于欧洲和北美，是在上世纪三十年代开发并用于工业生产中的。下面是早期的ＤＣ铸造的示意图。最初的DC铸造:左,1935-Zunkel,中1936_VereinigteLeichtmetallWerke,　　　　　　　　　　　右1935-W.T.Ennor1942年,DC铸造挤压锭除了—些有色合金的线材生产外，大多数有色金属合金的生产，都采用立式半连续铸造。半连续铸造和连续铸造是将熔体直接注入外壁用水冷却的“结晶器”中，金属液由于冷却作用而进行凝固。开始，金属受到结晶器壁极强的冷却作用(一次水冷)，而形成了一层坚固的外壳。在它脱离结晶器后，立即受到结晶器下缘强烈的二次水冷却，金属的结晶不断向中心扩展，铸锭进一步被冷却热量迅速地被冷却水带走，使铸锭内部也完全实现结晶的全过程。这样上部不断地向结晶器中注入液体金属，液体金属在结晶器中就不断地结晶而凝固成铸锭，铸锭受铸造机的向下牵引不断拉出。这种铸造方法，由于主要的冷却作用是依靠结晶器下缘的二次水的直接冷却，因此又可以称为直接水冷半连续铸造法或直接水冷连续铸造法。目前绝大部份铝加工厂都已采用直接水冷半连续铸造法生产铸锭。自从半连续铸造出现后，由过去铁模铸锭的几十公斤或者几百公斤，发展到了几吨，甚至几十吨的大型铸锭，铸锭的质量也得到很大的提高，满足了大生产的需要。立式铸造法的优点，大致可归纳如下：a由于熔体是通过流槽，流盘将金属液体从炉内引入结晶器内，通过控制，可以保证浇铸时金属液体的连续性和平稳性，从而最大限度地避免了液体转注时的的涡流翻滚及对模壁的冲击飞溅，这样可以减少氧化膜和夹渣的卷入。热顶铸造，特别是气滑铸造的出现，大大提高了立式铸造小规格铸锭的产品质量和生产效率，是以前单模铸造所无法比拟的，甚至是无法想象的。它将单模铸造以及水平铸造基本上完全赶出了市场。HLC技术的出现是扁锭铸造的新里程，它的操作与普通DC铸造基本上没有太大差别，但产品质量却与EMC相接近。b由于稳定的连续地浇铸，可以允许较低的铸造温度和熔炼温度，从而可以减少熔体的过热度和熔体的吸气，使铸锭获得细密的晶粒。c由于浇铸时，采用一次水冷，二次水冷，因此冷却强度大，结晶速度很高。不仅有利于提高铸锭的机械性能和变形性能，而且增加合金内的中间相分布的均匀性。d由于采用二次水冷和连续供流，二次水和继续被水冷却的铸锭带走的热量是绝大部份，因此整个结晶方向基本是一致的，结晶倾向于自下而上，铸锭组织比较均匀。e由于生产的连续性，可以大大减少切头切尾的儿何废料，从而提高了成品率。f生产的机械化，自动化程度较高，改善了生产条件，减轻了工人的劳动强度。但是，半连续铸造是在极强的冷却条件下进行的，铸锭断面和轴向温度梯度较大，因此热应力较大．对于一次裂纹倾向性较大的合金，铸造易产生裂纹。裂纹废品是铝合金半连续铸造的主要废品之一。（3）．水平铸造水平铸造又称卧式铸造，也分为连续铸造和半连续铸造。立式铸造的铸锭从垂直方向拉出，而水平铸造的铸锭从水平方向拉出。如果配备一台同步的锯床进行锯切，则铸造可以一直进行下去，直至炉内金属全部铸完。这就是水平连续铸造，否则就是水平半连续铸造。 目前水平铸造多用于生产φ200毫米以下的园铸锭以及截面不大的铝母线，虽然国外也有生产大规格扁铸锭的例子。它的优点是：a不要挖掘深的铸造井，也不需建造高大的厂房，没备简单，易于安装，便于保养，大大减少了基建投资。b可以实现边铸造边锯切即连续铸造，可以生产出的铸锭长度较长。(4)．电磁场铸造：铝及铝合金连续铸造法，在电磁场铸造问世后，世界上已经引起越来越多的注意。我国在七十年代已对此法引起了重视，东北轻合金加工厂首先采用电磁场铸造，对几种合金的不同规格铸锭；西南铝加工厂也已生产出了大规格的扁锭。电磁铸锭虽然质量好，但设备投资大，生产操作复杂，维护要求高，电磁铸造在国内没有得到实际应用。4.2铸锭的结晶和组织4．2．1结晶过程的热交换半连续铸造的结晶器与水套组合在一起，内充满冷却水，结晶器水套下部开槽与结晶器下缘组成一个个喷水孔，冷却水通过喷水孔直接浇到铸锭上。金属注入结晶器内后，热量通过结晶器壁传导给冷却水，称为一次水冷。冷却水直接喷射铸锭，带走铸锭的大量热量,称为二次水冷．因此在半连续铸造过程中，从熔体浇入结晶器时起，到铸锭冷却至室温为止，铸锭将受到两次冷却作用，即一次水冷和二次水冷。金属液浇入结晶器内之后热最通过底坐，结晶器壁，传递到冷却水中去，使金属温度降低。当温度降低到凝固点时，就开始在结晶器壁，底坐上结晶，凝壳有一定厚度时，则开车以选定速度向下拉出铸绽，铸锭脱离结晶器后遇二次水冷，铸锭继续冷却。同时，液体金属的热量通过已凝固的金属传到温度较低的铸锭表面，尔后由冷却水带走。由于铸锭沿轴线方向存在温度梯度，即铸锭下部温度低，上部温度高，则上部的热量向下部传导。综上所述，浇入结晶器内的金属液体的热量是通过三个散热途径传导的：(1)一次水冷：(2)二次水冷，(3)沿轴线方向的自身传导。其中一次冷却中的一部分热量被水套内冷却水所带走。结晶器壁与金属之间形成的空气隙限制了热的传导。所以一般说来，一次冷却主要是起形成一层凝固外壳的作用，二次水冷才是是铸锭凝固排放热量的主要因素。二次冷却强度越高，带走的热量也越多，但当冷却水量增大到某一限度之后，冷却强度也不会无限止的增加。铸造开始时，液体金属连续导入结晶器内，熔融金属受到结晶器壁和底座的冷却，凝结成壳，而内部仍然是液态的金属，对于圆铸锭，这部分液态金属随铸造过程的进展，逐步呈现倒锥形，一般称之为“液穴”。液穴的深度和形状与铸造参数相关，它也影响着铸锭的组织。由结晶器壁冷却生成的壳体，由于冷却收缩，与结晶器壁产生了间隙，妨碍了结晶器对铸锭的进一步的冷却。这时液穴中的温度较高的熔体对该凝固壳进行加热，已凝固的金属中的低熔点相就可能被熔化，并被挤压到铸锭表面上，形成所谓的“偏析瘤”。而凝壳的组织也变差，在进一步加工前必须去除，就是铸锭的车皮和铣面。当单位时间里进入结晶器内的液体金属所带进的热量与单位时间里结晶器内液体金属通过上述途径所带走的热量相等时，则达到了热平衡。达到热平衡是连续铸造能够进行下去的先决条件。任何时候，这种平衡遭受破坏，就使连续铸造无法进行。当导入的热量多于散失的热量时，则液体金属还没有来得及凝固，就拉出结晶器，造成拉漏使得铸造无法进行下去，但是导入的热量少于散失的热量时，则结晶器内金属液的温度会越来越低，在铸锭液穴边部上沿形成凝固壳，后进入的金属不能与之熔合，形成冷隔，是铸锭主要缺陷之一。4．2．2铸锭的结晶1.结晶前沿，两相区，过渡带 用连续铸造法或锭模法生产铝合金铸锭时，铸锭的结晶过程总是从铸锭表面开始，由表面向中心，由底部向上部逐渐扩展的。随着热量从铸锭外表面不断导出，结晶逐渐向熔体深处进行。这时，在结晶器内同时存在结晶了的固相和尚未结晶的液体金属。液体金属与固体金属的交介面一般称为结晶前沿。更准确地说，固体金属形成的连续结晶骨架的面，为结晶前沿，结晶前沿与敞露液面间的液体金属区城称为液穴。具有一定结晶范围的合金，结晶前沿是相当于液相线温度的等温面，而在相当于固相线温度的等温面，结晶结束。结晶前沿与结晶结束面之间的区域称为铸锭的过渡区，也称为过渡带。包含在结晶开始和结晶结束面之间的区域，由固相和液相两相组成，称为铸锭的两相区。在连续铸造条件下，合金在快速冷却时，总是存在着三个区域：固相区，两相区和液相区．过渡带内越靠近结晶前沿，液相越多，越远离结晶前沿，则周相越多。所以过渡带又分为两区：液相较多的液固区和固相较多的固液区。液固区在过渡带的上部，深度不大，但对偏析过程发展中起着一定作用，过渡带的下部是固液区，这一部份固相较多，形成了坚硬的结晶骨架，骨架间隙充塞着少量的液相，它不但对偏析起一定作用，同时对于热裂纹的产生和发展有极其重要的影响．整个过渡带的尺寸和形状决定着铸锭中区域偏折，树枝晶、疏松的特性和程度。过渡带尺寸的确定：铸锭中过渡带的几何尺寸可用合金结晶温度范围除以该区凝固层内温度梯度的平均值的商来近似确定：B=式中B-过渡带几何尺寸毫米T1-合金液相线沮度℃T2-合金固相线温度℃G-温度梯度℃／毫米显然，1)对于不同合金，在其他条件相同时，具有较宽结晶温度范围和高导热性(即温度梯度小)的合金，过渡带的尺寸较大．2)对于同一种合金，在其他条件相同时，(1)冷却强度越大，则温度梯度越大，因此铸锭过渡带尺寸越小，(2)随着铸锭断面增大，冷却强度变小，则过渡带的深度宽度增大，(8)用低结晶器直接水冷半连续铸造时，过渡带尺寸从铸锭周边向中心增大．(4)随着铸造速度的增加，过渡带的水平间距稍为减少，而垂直范围和总的体积增大。(5)提高结晶器的有效高度，能使铸锭周边部份的过渡带扩大。(6)铸造温度，金属导入方式，结晶器锥度以及冷却介质对过渡带尺寸和形状都有一定的影响．2．浓穴形状和深度．在连续铸造时，被结晶前沿和铸锭敞露液面所包围的液体金属区域，一般称液穴，在图所示的液体部份就是液穴．从敞躇液面到液穴底部间的距离(h)称为液穴深度.(a)液穴透视图(b)液穴剖面半连续铸锭的液穴示意图液穴的形状和深度是连续铸造过程的重要综合指标，它决定着沿铸锭断面的结晶速度变化的性质。首先，对液穴的形状和深度作一理论上的计算．假设在铸锭凝固时，熔体热量沿垂直于铸锭轴线的水平方向导出，而沿轴向完全没有热传导，得出下列公式：H=式中，h-液穴深度米R-铸锭半径米 U铸-铸造速度米/时γ-铸锭密度公斤/米’L-熔化潜热大卡/公斤C-金属比热大卡/公斤·℃t熔-熔点温度(液相线温度)℃t表-铸锭表面温度℃L一导热率大卡/米.小时.t.℃由于此公式是在理想状态下，利用热平衡推导出来的，因此该公式没有考虑到，(1)结晶器高度的影响，而是假定凝固在达到二次冷却带时开始，(2)熔体过热和合金结晶温度范围的影响，而是假定熔体没有过热，凝固在固定温度发生，(3)表面温度t的变化，而是假定铸锭表面温度不变，(4)铸锭凝固部份的实际温度分布，而是假定在垂直于轴线的方向上，凝固壳的温度梯度是直线变化的。由于上述原因，根据上式计算出的液穴尺寸只能是近似的，特别是在低速铸造时，沿铸靛轴线的热传导是不可忽视的，使计算结果偏差较大。因此在实际生产中多偏重于实测方法．但是，上述公式反映了液穴深度与铸造因素之间的关系，即液穴深度与下列因素有关：1)液穴深度取决于铸锭尺寸和铸造速度U，合金潜热L，比热C，密度γ等。对于各种变形铝合金，其热含量和液相线温度差别不大，液穴深度主要与导热性有关。2)对于同一合金，在其他条件相同时，(1)液穴深度与铸造速度成正比，。(2)液穴深度与铸锭厚度的平方成正比;(3)液穴深度随结晶器有效高度和锥度的增加而加深，(4)提高冷却强度，降低铸锭表面温度，液穴变浅，(5)随铸造温度的提高，则热含量增加，液穴变深，(6)采用漏斗铸造比不用漏斗供给金属时的液穴浅，供流公式可改变液穴形状．3．结晶速度．在稳定的半连续铸造条件下，结晶的位置保持不变，结晶速度与铸造速度有关．为了测定结晶速度，只要根据铸锭的移动速度(即铸造速度U铸)和液穴形状便能知道结晶速度。在结晶面上，任一点沿其法线方向的移动速度称为结晶速度。结晶前沿某一点的结晶速度大小，也取决于结晶前沿在该点的切线与铸锭轴线的夹角。铸锭液穴在边部较平坦，靠近内部，则液穴变陡，在中心部位液穴又变得较为平坦。所以结晶速度边部最大，向内去逐渐减小。当距中心一定距离时，结晶速度反而逐渐增大。一般铸造速度快时，液穴变深，φ角变小。但其结果仍然是结晶速度随铸造速度增大而增大。冷却强度增大时，则液穴变浅，φ角增大，所以结晶速度也增大。降低结晶器高度，可以增加冷却强度，故结晶速度增大。以上三种方法--提高铸造速度，加强冷却强度，降低结晶器高度，都可以使结晶速度增加。结晶速度的大小，直接影响铸锭的组织结构和铸锭的成型性。结晶速度大，可使晶粒组小，但因结晶速度过快，温度梯度增大，热应力增大，裂纹倾向性增大，所以必须选择适当的结晶速度。4．结晶前沿的过冷。熔体冷却到平衡液相线以下某一温度内未结晶的现象叫做过冷。平衡液相线温度(即理论结晶温度)与实际结晶温度之差，叫做过冷度。过冷度越大，过冷带越宽，则形核越多，结晶所需的时间越短。结晶速度越快，则结晶组织就越细密，晶内偏析程度越小，铸锭性能也越好。提高冷却强度，降低熔体过热度，降低结晶器高度，可使过冷度增加。 4．2．3结晶过程1．结晶原理液体金属中，金属原于是无规则排列的。但会瞬间出现大量的“近似规则排列”的原于集团。当熔体温度降低时，这些“近似规则排列”的原子集团随着保持的时间逐渐增长成为晶胚，达到一定大的尺寸时，则会形成晶核。这时液体金属就会附着在晶核上长大，直至全都液体原子排列完毕，则结晶就进行完了，成为规则有秩序排列的固体金属。液体金属原子重新排列的过程就称为结晶过程。2．晶核分类熔体中存在“近似规则排列’的原子集团，是晶核的前身，当这些原子集团具有足够大酌尺寸时，才能在熔体中稳定存在，从而形成晶核。这一足够大的尺寸，称为晶核的临介尺寸。小于临界尺寸的“近似规则排列”的原子集团，不能稳定存在，不能形成晶核，或成核的几率很小。晶核根据其来源不同分为自发晶核和非自发晶核。非自发晶核又1)自发晶核称为一次晶核，自发晶核称为二次晶核。就是熔体自身在温度降低时，熔体中“近似规则排列”的原子集团，当其尺寸达到或超过临介尺寸时形成的。自发晶核必须在很大的过冷度下才能形成，通常过冷度必须有几十度甚至上百度。在不含杂质的纯铝中，形成晶核所需的过冷度达到195℃。2)非自发晶核是熔体中的熔点较高的杂质质点，在结晶过程中起晶核作用，液体金属附着其上进行结晶。促进形核这类杂质质点分为两类，(1)活性质点。这类质点的晶体结构与金属晶体的晶体结构很相似，因此具有的活性，故称为活性质点。这类质点包括熔点较高的该金属的氧化物等。(2)非活性质点。这类质点是难熔物质，它们的结构相差很远，这些质点本身并不具备形核的优越条件。但是当液体金属的“热温度”不高时，存在于难熔物质表面的微细凹孔和裂缝中的金属，其饱和蒸气压比在同一温度下有凸面的金属的饱和蒸气压小。因此，这些在凹孔及裂缝中的金属熔化温度要高一些，所以它可能还未熔化．在这种情况下，这些在凹孔和裂缝中残存有未被熔化的金属的外来质点，能够强烈地促进形核。这些质点称为活性化了的质点。3．晶核的形成与长大：液体金属在结晶时，首先要有晶核存在，而晶核实际上就是那些“近似规则排列”的原子集团．但是并非所有的原子集团都能成为结晶的晶核，只有当那些"近似规则排列”的原子集团的尺寸大于临介尺寸时才能成为结晶的晶核。晶核的临介尺寸与过冷度有关，过冷度越大，稳定晶核的临介尺寸越小，则形核率越大。形成自发晶核所需的过冷度是很大的。然而在熔体中总是存在着很多杂质质点，如铝中的钛，锆等，这些杂质质点的熔点很高，所以在液体金属开始结晶之前，就呈微粒状态悬浮于液体金属中，则晶核往往首先依附着现有的杂质质点而形成。由于依附杂质质点的存在，使得液体金属开始结晶所需的过冷度小，往往只需要几度就够了，从而促进了结晶的进行。熔体在结晶晶核的基础上继续生长，当邻近的晶核长大到互相接触时，停止长大，低熔点的共晶最后凝固在它们的边界上。这些由一个晶核长大的晶体称为晶粒，它们的边界称为晶介。所有变形铝合金，都是由固熔体和化合物所组成的多相合金。在所有的合金元素中，只有硅在铝合金中呈元素状态存在。一次结晶的固熔体构成树枝状晶。而金属间化合物一般呈高次的析出物。 晶粒是在晶核的基础上生长出来的。铝合金晶体是面心立方体结构。结晶时，每个顶角上生长出一个晶轴。一次晶在空间上是互相垂直的。然后在一次轴上生长出相互平行的二次晶轴，再在二次晶轴上生长出相互平行的三次晶轴。在结晶的过程中，晶体的树枝状骨架所占的空间逐渐扩张，直到相邻晶体的树枝状骨架相碰后，骨架扩张才停止。在骨架扩张的同时，以及在骨架扩张之后，一方面在骨架内不断长出多次晶轴，另一方面，各晶轴逐渐加粗，直至两相邻晶轴相遇为止。结晶时金属的体积减少，收缩的空隙由最后结晶的低溶点相填充。一般称这样生长出来的晶粒为树枝状技晶，各次晶轴又称为晶枝。4．2．4铸锭的典型结晶组织1．典型结晶组织熔体进入结晶器后，由于模壁处散失热量最快，熔体温度下降的也快，所以首先开始形成过冷状态，由于边部的冷却强度较大，过冷度大，形核数量多，所以在铸锭边部形成细小的等轴晶。随着铸锭的继续冷却，已结晶处温度继续降低，产生收缩。则铸锭表面与结晶器间产生间隙，大大降低了冷却强度，此时结晶前沿的过冷度较小，形核较少，结晶前沿附近的熔体，就在边部等轴细晶的晶轴上进行结晶，结晶热通过外层已凝固部份导出，故此时晶粒的成长沿热传导最大的方向发展最快，由于结晶前沿形核较少，没有新晶粒阻碍晶粒长大，使得结晶能继续向内部深入，形成特殊的柱状晶．随着铸锭凝固部份的增多和二次水的冷却，液穴中心部份熔体的热量大部份通过铸锭温度较低下部导出。使得残存的熔体温度下降，过冷带较宽，再加上浓度过冷，因而液穴中心部份很大体积的熔体中都能形核，在中心部位形成不均匀的较边部粗大的等轴晶。一般称边部生成细小等轴晶的结晶过程为近似顺序结晶，靠近边缘的一层柱状晶的结晶过程为顺序结晶，中心部份的很大体积内的形核结晶称为体积顺序结晶。所以铸锭的典型结晶组织是由三部份组成的(如图8一L5)。1．不大的边缘细晶组织区，2．柱状晶组织区，3．中心部份的较粗大的等轴晶组织区。对于几乎所有的工业铝合金铸锭，上述三种结晶方式都可能在铸造条件下获得。金属越纯合金的结晶温度范围越窄，熔体过热越大，越容易发生顺序结晶，合金的结晶温度范围越大，越容易发生体积顺序结晶。同时这三种结晶方式的变化是逐渐地进行而不是断续地发生。通常铸锭生产中希望近似顺序结晶，以保证获得均匀细晶组织的铸锭。2．影响结晶组织的因素1)冷却速度的影响。冷却速度对于金属及合金的结晶组织有决定性的影响。如果冷却速度很小，则所获得的结晶组织必然是粗大的等轴晶，冷却速度增大，就出现柱状晶。冷却速度越大，柱状晶的区域范围也越广。如果冷却强度极大，可以获得十分细密的连续柱状晶组织，以及细小的等轴晶组织。2)铸造温度和速度的影响。铸造温度和速度对于铸锭的结晶组织也有很大的影响。通常过低的铸造温度易得细小的晶粒组织，而过高的铸造温度易得粗大的晶粒组织。铸造速度对于结晶组织的影响如下：较低的铸造速度易获得具有显著方向性的结晶组织，过高的铸造速度易获得过份发育的树技状晶及致密的组织．3)熔体对结晶面运动的影响：金属在结晶时，结晶面开始形成结晶骨架时，晶体是十分脆弱的.此时，如果受到液体运动的干扰，它就很容易破碎．被破碎的枝晶骨架就形成了结晶的晶核。晶核增加越多，晶晶就越细小．4.3晶粒细化4.3.1晶料细化的一般原理 铸锭在结晶时如果成核速率大，晶粒成长速率小，那么晶核多并且晶粒细。但如何提高成核速率呢?如果依靠增加过冷而产生自发晶核，则必须增大冷却强度及浓度梯度，但在一般生产条件下是不容易实现的。由此，必须从生核和晶体长大两方面去探求晶粒细化的原理．因为铸锭在结晶时形核速率要大，势必就要有较多的自发晶核，而自发晶核的产生必须在过冷度很大(纯金属的过冷度可达其熔点温度的18—20％)，并有浓度起伏时才能形成，但在有外来掺入物质点作晶核时，就可以在很小过冷度(厶T：1～5℃)或不过冷条件下开始结晶。其次，由于这些人工晶核的共格性，还可以有降低表面张力的作用等．另外，外来掺入物和原有杂质元素，即使没有晶核作用，但堆积在晶核和生长的晶粒周围，也可使其成长受到阻碍，造成较大的浓度过冷．4.3.2晶粒细化的途径工业上最常用的是人工晶核变质法通常在液态金属或合金中有意地加入足以起结晶晶核作用又无害的物质，这种物质称为变质剂，其过程就称为变质处理。为了起晶核作用而外加的变质剂，必须首先是难溶解于熔体的物质，并且它的晶体性质应和基体金属的晶体性质相近似．这种物质可以是金属，也可以是非金属。多在熔炼时加入熔体，操作比较简便，效果较好．铝及铝合金最常用的变质剂是钛(Ti)，锆(Zr)，硼(8)等难熔元素．此外，还有过热法，振动法及超声波法等，虽用得很少，但各有其特点.4.4铸造工艺参数与铸锭质量的关系铸锭质量好坏的标志是：a.铸锭组织的细密程度：晶内结构的细化程度，局部组织不均匀一致的程度和晶粒度;b．铸锭的致密度：破坏铸锭连续性的缺陷，如疏松、气孔，裂纹，夹渣等的有无及程度;c，铸锭内合金组元的分布均匀性;d．铸锭表面质量。前三条直接决定着铸锭的机械性能，并强烈地影响到制品的工艺性能和最终性能。连续铸锭时，影响铸锭质量的主要工艺参数是，冷却速度，铸造速度和铸造温度．4.4.1冷却速度冷却速度就是铸锭的降温速度，又称冷却强度。用单位时间内下降的温度来表示(℃/秒)。1．对机械性能的影响对铝合金来说，其铸锭的机械性能一般随冷却速度的加快而提高。其主要原因是由于晶内结构更加细化，因为晶枝大小唯一取决于冷却强度。此外，随着液穴变浅，过渡带缩小，使金属补缩条件得到改善，减少或消除了铸锭中的疏松、气孔等缺陷。铸锭的机械性能越高，其制品的机械性能也高。2．对铸锭裂纹倾向性的影响。随着冷却速度的增加，铸锭中温度梯度增大，热应力值相应提高，因此铸锭裂纹倾向性增大。在连续铸造时，向结晶器和铸锭供水的均匀程度很重要，局部的水冷过弱，将导致冷却速度的差异，造成铸锭各处收缩率大小不一和收缩不同步，由于热应力将引起很大的裂纹倾向性．方铸锭的表面裂纹和由此而引起的撕裂，大多数是由此引起的。此外，提高冷却速度可以减轻铸锭区域偏析的程度，但在某些情况下，过大的冷却速度，则是铸锭表面冷隔形成的原因。一般来说，提高冷却速度对改善铸锭组织和机械性能有明显的优越性，因此在实际生产中，在允许的条件下都尽可能地强化铸锭的冷却。在连续铸造时，保证铸锭获得强烈冷却的基本措施是：1)采用矮结晶器，以便提前二次冷却，从而提高冷却强度。目前工厂所使用的结晶器，其高度在100-200mm之间。 2)在一定范围内增大冷却水量，提高水压或增大流速，降低水温。同时调整好二次水冷的喷射角度，使其尽量沿着铸锭下流，防止散射。3)采用尽可能高的铸造速度。4.4.2铸造速度连续铸造时，铸锭在单位时间内相对固定的结晶器向下降落的长度叫铸造速度,它的单位一般用毫米／分，或米/小时来表示。从发挥连续铸造机的最大生产能力的观点出发，应当采用最大的铸造速度。但是，对于不同合金不同规格的铸锭，最合适的铸造速度的选择还必须考虑到对铸锭质量提出的要求。连续铸造过程的一些基本规律都与铸造速度有关。铸造速度的快慢直接影响到铸锭的结晶速度，液穴深度和过渡带的宽窄。因此，它是决定铸锭质量的重要工艺参数。1．对机械性能的影响铸造速度对铸锭机械性能的影响，取决于它对铸锭结晶速度和过渡带尺寸影响的综合结果。随着铸造速度的提高，铸锭平均结晶速度增加。在增加铸造速度的可能情况下，对于直径较大的园铸锭，平均结晶速度的提高不大，对直径小于400毫米的铸锭，平均结晶速度则增加较大，铸造速度与结晶速度的这种关系对铸锭平均机械性能产生有利的影响。但是，在铸造速度提高的同时，液穴变深，过渡带尺寸较宽，区域偏析加，使结晶金属的补缩条件恶化，降低了铸锭组织的致密度。由于偏析中心区域强化组元的降低，组织和成分不均匀性及疏松程度增加，使机械性能显著下降。对于小直径的园铸锭，提高铸造速度，除了增加机械性能沿横断面的分布不均的程度外，对整个铸锭的平均机械性能影响不大，甚至有所提高。但对于较大直径的园铸锭，提高铸造速度其机械性能会显著下降。试验结果指出，伸长率与抗张强度具有相同的变化方向，说明导致性能降低的决定因素是铸锭过渡带尺寸增宽，疏松和组织不均一程度增加，偏析组元含量在铸锭中心的减少只是第二位的原因。正常条件下，方铸锭沿横断面的机械性能随着铸造速度的提高而降低。2．对裂纹倾向性的影响铸造速度对裂纹倾向性的影响是很大的，又是很敏感的。对于一般方铸锭，适当提高铸造速度，可以减少侧裂纹倾向。这是因为小面区受三面冷却，冷却速度远比宽面中心层为大，这就在小面产生了沿高度方向作用的拉应力。提高铸造速度，将降低铸锭轴向的温度梯度，从而减少轴向的热应力，同时小面的收缩受内层的阻力较小(因为由于铸造速度增大，液穴变深，内部金属仍呈液态)，故能防止侧面冷裂纹的产生。但是提高铸造速度将会增加宽面表面热裂纹的倾向性。这是由于铸造速度提高时，在增大横向梯度的同时，将使沿水平截面的温度梯度分布更不均匀，使作用在水平方向上的横向拉应力增大的缘故。对于园铸锭，铸造速度对裂纹倾向性的影响可分两种情况。当铸造速度较大时，液穴深度增加，如果液穴底部延伸到结晶器之外。在这种情况下，当铸锭脱离结晶器时，外层受激冷产生收缩，但此时内层还是液体状态，由于结晶层薄，对外层收缩阻力小，但当内部金属冷却收缩时，外层温度已经很低，而中心层则以很大的导热速度冷却，其收缩受到已凝固的外层的阻碍，因而在内层形成拉应力。这种拉应力对中心裂纹的发展关系极大，铸造速度越大，则形成中心裂纹的倾向性越大。第二种情况，铸造速度很低，液穴底部在结晶器内。即中心层开始具有小于边缘层的冷却速度，而后在某一瞬间加快至大于周边层的冷却速度。虽然，在这种情况下，当铸锭从结晶器中拉出来瞬间，表皮冷却速度很大，这时内层已经凝固。由于收缩的不同步,内层对外层收缩阻力较大，以至铸锭表皮层形成很大的拉应力。这种压力正是园铸锭表面裂纹形成的原因。铸造速度越慢，结晶器越高，则表面裂纹越严重。 3.对表面质量的影响随着铸造速度增加，液穴加深，同时拉锭阻力增加，铸锭表面产生拉痕，甚至拉裂的倾向性增大。但是铸造速度过慢,将造成冷隔的发展，甚至成为横向裂纹的起因。根据铸造速度对铸锭质量影响的规律性，对于大截面园铸锭，为了提高铸锭致密度，降低裂纹倾向性，应采用低速铸造。对于工业纯铝及合金结晶温度范围窄的合金铸锭，在保证表面质量的情况下，为了实现最大可能的结晶速度，应尽可能采用高速铸造，以不出现裂纹为限，对于方铸锭，铸锭速度的选择应该首先保证不出现裂纹。4.4.3铸造温度铸造温度通常是指出炉前静置炉中的金属熔体温度。显然，这一温度首先应该保证金属熔体从静置(保温)炉通过流槽及各种铸造工具，在注入结晶器前的流程中，保证其必要的流动性，更不能进行结晶。提高铸造温度，会增加液穴深度，使凝固外壳变薄，增加铸锭表面偏析浮出物的程度，也使裂纹废品增多。如铸造温度过低，不仅影响其金属流动性，并将促使冷隔的形成和增大其深度，而且还将导致体积顺序结晶，从而使铸锭组织产生显著的不均一性，降低铸锭的机械性能。另一方面铸造温度过低，金属的流动性降低，使金属液帖度增大，而使疏松，气孔，废品增多，还会促使初晶和光晶(合金元素贫乏的固溶体晶粒)及金属化合物的形成。通常，静置炉中金属液体的温度应该控制比该合金液相线温度(即该合金最高的凝固温度)高50-80℃。对于某些形成金属间化合物一次晶倾向比较大的合金，铸造温度可以适当提高，如锻铝中的A19FeNi的粗大晶，就是温度低时的液穴内形成并长大的。裂纹倾向性较大的LC4合金的方铸锭，铸造温度可适当降低。适当的提高铸造温度,金属液体粘度小，有利于补缩，可减少疏松，气孔，冷隔等废品，改善表面质量。实际生产中，铸造温度每提高30℃，而在液穴内平均温度仅提高1—2℃，可见在液穴内熔体温度虽然提高不大，而对铸锭组织和缺陷的影响却很关键。由于熔体温度的调节比较慢，而且与静置炉的加热方式，以及温度控制装备的自动化程度有关，所以铸造温度的调节不象铸造速度的调节那样灵敏。通常，在整个铸造过程中，要求控制在一个合理的温度范围内，并尽量减少其波动。4.4.4结晶器内的液面高度除了以上三个铸造参数对铸锭质量有着重要的关系外，结晶器内液面的水平高度对铸锭质量也有一定的影响。结晶器内金属液面的水平高度是是非常重要的,以前我们的铸造工艺中对此没有规定,由铸造者自己决定。由于结晶器内液面越高越容易操作，所以实际操作中结晶器内的金属液面都比较高。其结果是铸锭的粗晶层较厚，铸锭质量不高。国外的一些工厂对结晶器内的金属液面位置在铸造工艺中早已做了规定，并把它作为主要铸造参数之一来控制。考虑到结晶器内液面高度是可以调节的，单独讲结晶器高度就意义不大。因为即使对高的结晶器，只要我们将其内金属液面控制得很低，有可能生产出比用矮结晶器更好的铸锭。用结晶器的有效高度更能说明问题，所谓有效高度可以这样定义：结晶器内金属液面到结晶器下沿的距离。该值越小,二次冷却提前,就使冷却速度增大，使金属的平均机械性能提高-一其抗拉强度，屈服强度及伸长率都有所提高。反之，如果提高结晶器的有效高度，二次冷却延后,先期结晶的凝固壳受液穴金属熔体的加热,容易引起表面偏析瘤等缺陷。4.5铸造工具用来生产变形铝合金和镁合金的铸造工具按其作用可以分为三类： 1．铸锭成型工具:包括结晶器，水冷装置和底座。2．液流转注和控制工具,包括虹吸管，流槽，下浇注管，控流塞阀,液面控制器,液流分配器等。3．操作工具。其中，铸锭成型工具和液流转注工具对铸锭质量影响较大。4.5.1扁锭结晶器1．结晶器半连续铸造时的锭模称为结晶器,以前也有叫冷凝槽的。它是铸锭成型的主要工具，它的结构不仅决定了铸锭的形状和尺寸，而且在很大程度上影响铸锭的内部质量，表面质量和裂纹情况。以前,扁锭结晶器用紫铜板在两端对焊而成，结晶器内表面光洁度不少于△7，结晶器高度为180-200毫米，厚度为10毫米。结晶器宽面稍呈向外突出的弧形，是考虑铸锭冷却时的收缩现象，以保证获得表面平直的铸锭。根据实测铸锭沿宽度方向的收缩率为1.5-2.0％，铸锭两端沿厚度方向的收缩率为2.8-4.35％，在宽面中心处沿厚度方向收缩率为6.4-8.1%。这种结晶器易变形,铸出的铸锭的形状不够规范,使铣面量增加。现在扁锭结晶器基本上是整体铝合金的,抗变形能力较大，如合理设计，可大大降低铸锭的铣面量。2．冷却装置。1)以前使用的结晶器的水冷却装置，有用水管式的，也有水箱式的，它们与结晶器是分离的。水冷装置出来的水以直角或45°角喷向结晶器或铸锭，喷水孔径通常为φ4毫米，相邻两孔中心距为8-10mm。3．底座底座是引锭装置，对铸锭起支承重量作用，安放在铸造机的平台上．对其制作材料的要求是：导热性好，耐急冷急热性好，质轻耐用。底座与结晶器内腔相配合，以前底坐横断面尺寸比相应结晶器内腔小5-10同毫米，铸造前用石棉绳或纸，铝箔等将结晶器与底座之间的缝隙塞住。现在全铝式结晶器与底座的间隙很小（不大于1毫米），铸造前不用堵塞任何东西，由于铝熔体表面有一定的表面张力，铝也不会从结晶器与底座的缝隙中漏出来。4.5.2园铸锭结晶器铝加工厂广泛采用的园铸锭结晶器，是由外套和内套两部份组成．1．材料：对内套材料要求具有高的导热性，良好的耐磨性和足够的强度。常采用LD5和LY11等铝合金锻造毛料经淬火后加工而成。紫铜以及铜加10％锰石墨等亦是制作内套的材料。外套材料用有足够的强度和适当塑性的材料制造，生产中多采用铸铁。2．结构直径小于400毫米的园铸锭,现在已基本都采用热顶结晶器,只有极特别的情况下才用单体结晶器。大直径结晶器还是单体式的，内套内表面距离上口20—50毫米的距离内，一般加工成高为30毫米的锥度区，其锥度为1：10。铸造时让金属液面保持在锥度区内，使铸锭和内套壁之间先形成空气隙，以降低结晶器中铸锭外层的冷却强度，有利于减少或消除冷隔和防止悬挂拉裂。大直径结晶器内套外面具有双纹螺旋筋，作为冷却水的导向槽，可提高其流速，使结晶器内水冷均匀，也可提高结晶器的刚度，减少内套的翘曲。3，主要尺寸 结晶器的高度是连续铸造工艺中的一个重要参数。降低结晶器的高度，使铸锭冷却速度增加，可以提高铸锭的平均机械性能，同时有利于消除表面裂纹，但是增加了其他裂纹倾向性，而且容易造成表面冷隔。如果提高结晶器的高度，铸锭的边缘层性能会降低，使铸锭的表面裂纹倾向性增加，所以要选择适当高度的结晶器。目前大多数工厂多采用100—200毫米高的结晶器。铸锭线收缩率和合金性质，铸锭工艺参数和铸锭直径有关，通常在1.60～3.10％之间。4．水冷系统内套和外套合在一起就组成了一次冷却作用的水套。内套外侧下缘斜面和外套下缘的一圈小槽孔拼在一起，就组成了一圈起二次冷却作用的方形小孔。每个水孔的截面积为3x3毫米2，相邻水孔中心间距为7毫米。如果减少水孔截面积，能提高二次水的喷出速度，但增加了水孔被脏物堵塞的可能性;增大水孔截面积不利于二次冷却。水孔对铸锭轴线的倾角通常为20-30°，进水管截面积总和应比出水孔截面积总和至少大15-20%，以保证二次冷却水的喷出速度．5．结晶器的润滑铸造过程中，铸锭表面相对于结晶器工作表面发生滑动，相互之间的摩擦力较大，而且．两者常常发生粘附，使铸锭拉降过程产生很大阻力，严重者甚至出现拉裂。为此，应对结晶器进行润滑。对润滑剂的要求是：油性强，闪点高，含水少价廉易得。通常，在铸造前对结晶器内表面涂一层钙基润滑脂，浇铸过程中，一般采用汽缸油(GB448—64)润滑。每次给油量不宜过多，使结晶器壁有一层油膜为好，不使金属和结晶器内壁发生粘结现象，太多则会产生油隔。在结晶器壁上开一排细油孔,将贮存在结晶器内油槽中的润滑油均匀连续地注到结晶器壁上,不但减轻了铸造操作,而且润滑效果更好。6．底座铸造园铸锭用底座上面开有不大的燕尾槽(φA—φB=4-6毫米)，以便铸造开始铸锭本身重量不大时，将铸锭从结晶器中拉出来，以防止产生悬挂。4.5.3流槽，下浇注管，控流塞,液面控制器,液流分配器等1．流槽和涂料流槽是来传输金属熔体的，外壳一般用8-10毫米的钢板焊成，内层用专门成型的流槽砖彻筑或者用浇注耐火材料浇注而成，而钢壳与耐火材料间堵塞保温材料。对流槽耐火材料的要求是：不污染铝液，有一定的强度，保温性能好，最好不浸润铝液。好流槽的标准是保温性好，不污染金属熔体，不粘金属便于清理残渣，经久耐用。流槽涂料也叫分离剂，将其喷涂于流槽表面，隔离金属熔体，保护流槽。在铸造结束后，留在流槽表面上的少量铝皮能容易的取下。2．下浇注管，控流塞,液面控制器,液流分配器除热顶铸造外，一般铸造的流槽都是架设在结晶器上面的，流槽中的金属熔体是通过一个叫“下注管”或浇注管的锥形管流入结晶器内的。在下注管内放置一个控流塞来控制流入结晶器的金属流量。这个看似非常简单的机构，对浇注，进而对铸锭质量的影响却是非常大的。不合理的设计，会对金属熔体的质量产生严重影响，使前面的炉内处理和炉外在线处理的优质熔体的质量大大下降。正确的作法是，下注管必须插入结晶器金属液面下；控流塞的头部应置于下注管的下部。结晶器内的金属液面的稳定对铸锭的质量是很关键的。最初，是用手动的方式控制金属流量来达到控制金属液面的。这种方式劳动强度大，金属液面的波动大。后来发明的自动控流的方式主要有两种：浮船式和浮子-杠杆式。 浮船也叫浮标或漏斗，用于扁锭铸造的，很象一只浮在水面上的小船，叫它浮船非常贴切。这种浮船受铝液的浮力作用，可以自动的调节进入结晶器内的金属流量，在流槽内金属水平变化不大时，可将结晶器内的金属液面控制在1mm内。此外，它也对进入结晶器的金属流起着分配作用。这种浮船内有时有较强的金属翻滚发生；它的另一个缺点是调整金属液面较为困难。浮子-杠杆式金属水平控制装置简称杠杆式，它的最大优点是能够较为方便的调整被控金属液面的水平。由于它的浮子与金属液面的接触，破坏了液面上的氧化膜，仍有可能产生氧化夹杂。为解决上述问题，又开发出了无接触式金属液面控制系统。先期开发的有电感式和电容式无接触传感器，因容易受环境影响以及探测距离较小等而没有广泛应用。现在用得较为广泛的是激光探测式。合理分配铸锭液穴的金属液流，使液穴内的熔体运动方向和温度分布合理，不但能影响液穴形状和深度，也直接影响到铸锭的内部结晶组织，甚至还对铸造的成败起着重大作用。现在使用分配袋来控制扁锭液穴中的金属流向。它的网状结构使其具有一定程度的过滤作用。上图是扁铸锭液面手动控制，其特点是流盘和漏斗组合成一个整体。由于是用锥体阀手控液面，这样难于避免液面的波动。直径大于500毫米的园铸锭采用环形漏斗比较适宜。漏斗的大小和漏斗的孔经及数目对于液流均匀分配关系很大，必须选择适当。通常园铸锭用漏斗直径为相应铸锭直径的30-60％，漏斗小孔的孔径为8-12毫米，涂料：用于喷漏斗的涂料成分为：25-35％TiO2+余量水+少许水玻璃。空心铸锭采用弯月形叉式漏斗供流，液态金属在直径相对的两点进入环形漏斗。4.6铸造流程及操作金属熔体从保温炉流入结晶器的过程中，㈠要与大气和结晶器壁接触并相互作用，如金属的二次氧化，产生滴流裹入气体及浮渣等，这些无疑会影响铸锭的质量。因此，金属熔体虽然经过精炼和静止处理，其内部比较纯洁，但金属熔体在转注过程中，由于操作不当也会影响铸锭的质量。生产实践说明，铸造废品的产生在很大程度上是由于金属转注时操作不当所致。所以，铸造工作者切不可忽视这一过程。4.6.1铸造前的准备1．保温炉的烘炉，洗炉与熔炼炉相同。2．熔体的准备。1)熔体熔化并达到工艺要求的的温度后，进行成分调整。2)调整好成分后，需要对熔体进行精炼。3)精炼完毕，扒除熔体表面浮渣，并撒入粉状熔剂进行表面复盖。4)熔体精炼后应静置半小时以上，以利于去气除渣。3．铸造工具的准备。1)调整结晶器水平，四角的水平差应在0.5mm以内。2)金属传输流槽涂刷涂料并充分烘烤到要求的温度。3)过滤板要烘烤到400℃以上。4）铸造工具，放流箱等要烘干，不得有潮气。5）在线除气装置按工艺要求准备好。要是氧化夹渣或者氧化膜没有卷入金同中,就不要用渣刀搅动金属表面的氧化膜。收尾后，对于园4.6.2开头1，对需用纯铝铺底的合金，规格：1)铺底铝的温度不能低于700℃，以700-740℃为宜。 2)铺底铝的品位不能低于L3.3)铺底铝不要浇得太急。4)铺底铝表面硬壳和浮渣要打净。5)适时放入基本金属，即基本金属应在铺底铝四周凝固20毫米左右时放入。2．对不需铝铺底而需铺假底的合金，规格，先放入基本金属，迅速用于热好的渣刀将液体金属在底座内扒平，井打出氧化渣，待假底四周凝固20--30毫米后，继续注入基本金属。3．打开流口后，要及时将各落差点用液体金属封闭。在放入基本金属前，通常采用降底座的办法，这样可避免开始时液面上升太高而造成悬挂。4.6.3金属液面水平控制结晶器内金属液面水平控制直接影响铸锭的表面质量，甚至可以造成铸锭的报废。当基本金属注入后，应该使液面慢慢上升，供流不要过快，控制到适当位置即可。一旦—液面高了，要缓慢地降下去，以防冷隔的产生。液面水平也不要控制过低，这样会产生成层或漏铝的现象，有时甚至会造成裂纹。开头正常后，只要控制好金属液面水平即可。此外，当发现结晶器壁有粘铝现象时，可加入适量的润滑油。4.6.4打渣当铺底铝浇入后或基本金属铺满底座时，就应及时打渣。打渣时，渣刀不要过于搅动金属，动作要轻而快，先打掉边部的硬壳而后打中间的渣滓。铸造过程中，只铸锭除了外部掉入的渣子外；浇口部一律不准打渣。对于方铸锭，当漏斗取出后，应立即用预热好的渣刀打出浇口部的氧化渣。4.6.5收尾处理铸造收尾的处理，也的铸造工艺中一项很重要的工序，如果处理不好会影响铸锭浇口部的质量，甚至会引起铸锭报废。1．实心园铸在收尾时，一定要待漏斗脱离液面后取出漏斗，在取漏斗时要注意其上的结渣不要掉入浇口部。所有合金方锭，由于冷却强度大，收尾时要立即取出漏斗。2．浇口部需回火的合金，规格的处理：所谓‘回火”，是指当浇口部的金属已凝固一部分，但尚未完全凝固时就停止冷却水的冷却，让部分液体金届缓慢凝固并将浇口部加热到较高的温度。浇口部需回火的铸锭，一般是指那些低温塑性较差的合金，规格较大的铸锭。对某些合金，规格的铸锭进行浇口部回火处理可以防止其浇口部裂纹的产生。1)方锭停止供流后，液面距结晶器下缘15-20毫米左右时停车，当浇口部液体伺有铸锭厚度的二分之一至三分之一时停水，严禁过早回火。2)园锭对φ482毫米及以上规格时当浇口部液体尚有三分之一左右时停水，严禁过早回火。所有回火的园锭，在回火后开快车下降，使浇口部距冷凝槽下缘向有5—15毫米时停车。对回火的铸锭，开启盖板时，严禁水滴落到浇口部。凡不需回火的合金或规格，在浇口部不见水的情况下应晚停车，待浇口部完全凝固，并冷却到室温时停水。严禁在未冷却好前，开车下降让水直接浇到浇口部。4，铸锭的打印1)各种铸锭在铸造完毕后，必须及时地打上钢印．印记应有合金牌号，炉号，熔次号，铸锭号．其排列顺序如下：合金牌号炉号熔次号铸锭号 对于小方锭和园锭的印记可打在浇口部，而大方锭的印记则宜打在底部。对于洗炉料，应在浇口部上，打上洗炉前的合金牌号，并在合金牌号前冠以“x”或其他符号。4.7方铸锭铸造4.7.1铸造前的准备1．认真检查水冷系统，使水孔畅通，冷却均匀，对于方铸锭铸造有着重要的意义．若水孔堵塞，水冷不均，往往导致铸锭裂纹。2．检查结晶器各部分尺寸是否符合要求，有无变形之处，安放是否平正．对于结晶器的工作表面在铸造前要认真打磨，以保证要求的光洁度。3．对于硬铝合金，超硬铝合金及高镁铝合金熔体静置后应用熔剂保护，防止氧化和吸气．4.7.2铸造与操作1、硬铝合金，超硬铝合金裂纹倾向性较大，为防止底部裂纹，一律采用纯铝铺底(对于高镁铝合金也易产生底部裂纹，故采用纯铝铺底)。为了防止开车后悬挂，在放基本金属前通常应先降底座。基本金属放入后大小面应同时打渣，打渣时先周边后中心，这项操作非常重要，如打渣不及时或稍有疏忽，都可能使渣滓卷入熔体中，造成不良后果．软铝合金铸锭在铸造开始时，可采用铺假底和慢供流以及多次开停车的方法，来消除底部裂纹．同样要打尽表面浮渣．铸造开始后要尽快封闭各落差点。调整好漏斗位置保证均匀供流．一般铝合金方铸锭都采用铸造温度上限开头．2．过程中在铸造过程中要控制好液面水平，并适时涂油润滑。严禁液面水平忽高忽低，以免造成冷隔。只要液面没有浮渣就不要打渣，这样能使液面上的氧化膜自始至终保持不破，铸出表面质量较好的铸锭。铸造过程中熔体温度宜控制在铸造温度中限。3．收尾铸造收尾时往往由于夹渣处理不当而引起铸锭裂纹，因此切不可忽视这一操作。收尾时应及时取出漏斗并打尽表面浮渣，还要做好回火与否的处理。对需回火处理的合金，在收尾时要进行回火处理，即当浇口部向有液体金属时就停水，并立即开车使铸锭脱离冷凝槽。对不需回火的合金，要使浇口部金属凉透后才能停水，在浇口部不上水的情况下停车越晚越好。4.7.3典型硬铝合金LY11和LY12的铸造。1．硬铝合金Lyl1和Lyl2LY11和LY12合金在成分方面的差别，仅在于LY12合金的含Mg量比LY11为高．除此之外，LY12合金中杂质Fe和Si控制较低。这些差别使这两个合金在铸造性能方面也产生差异。LY12合金形成疏松的倾向性比LY11大，这是因为LY12的Mg含量较高，液态合金氧化膜的致密性较差增加了吸气性。同时LY12合金的结晶温度间隔也略比LY11宽，铸锭裂纹倾向性的性质也不相同。LY11合金一般易出现热裂纹(结晶裂纹)，而LY12合金往往是热裂导致严重的冷裂。为防止裂纹，LY11合金要使Si>Fe，LY12合金则必须控制Fe>Si。铸造时为防止浇口裂纹，LY12合金需要进行回火处理，而LY11合金不能回火，回火反而可能引起裂纹．这是因为Lyll合金易生成的Mg2Si相，当温度降到400℃左右时Mg2Si相析出并聚集于晶介，当杂质Si达到一定数量时，Mg2Si在晶介上大量聚集而形成较大的相变应力易使铸锭浇口部产生裂纹．4.7.4典型的超硬铝合金LC4的铸造 LC4合金铸造时，形成裂纹的倾向性非常大，铸锭长久搁置，也会产生裂纹，并发出巨大的响声。在一段时间里，铸锭裂纹曾是生产中的最大障碍，尤其是大型的方铸锭。为解决这一问题，冶金工作者进行了大量的试验研究，这些研究是从两方向着手的。首先是从改变铸造工艺入手。在一段时间里，曾经将水冷改成风冷，降低冷却速度以减少裂纹倾向。但这种改变可以说把连续铸造的优点去掉了，铸锭的组织致密性变差。同时也不能有效地防止铸锭裂纹．其次是控制该合金中主要成分和杂质的含量．其中认为Si对裂纹的影响比较大，美国控制在0.12％以下，苏联控制在0.15％以下，这是从改变合金的内在因素着手，比上述的方法前进一步。但也不能根本解决问题。广大工人和技术人员，根据长期生产实践发现，Mg的含量对LC4合金方铸锭裂纹的影响是重要的，Mg控制在2.6％以上；可以有效地防止方铸锭裂纹。同时在LC4的成分范围内，控制Mn偏下限，Cu偏下限，Fe偏上限、Si尽量低，最好使Fe/Si≥2，对防止铸锭裂纹是有利的。4.7.5铸造制度各种铝合金、规格的铸锭铸造制度见在关文件。4.8圆锭铸造4.8.1铸造前的准备1．结晶器在检查结晶器时使水孔要畅通，最好没有半孔流动或局部减弱现象。结晶器内表面要光柑，安放要平稳，当同时铸造多根时底座高低要一致．2．漏斗是圆锭铸造的主要工具，其作用是改变熔体进入方式，减少液流冲击，使液流分布得比较均匀。铸造时，应务必使漏斗安放在结晶器的中心，漏斗的大小应相当于铸锭直经的三分之一至二分之一。过小容易产生成层和中心裂纹，过大易产生金属间化合物和光亮晶粒。漏斗如果偏离中心，结晶时铸锭冷却不均，会使局部冷却变弱而造成偏心裂纹．3．熔钵的准备熔体温度应控制在铸造温度的中上限为好，一般都采取降温铸造。降温铸造就是熔体精炼完了温度应稍高于铸造温度上限，经过静置以后，熔体温度降至铸造温度范围。温度低了，要进行长时间升温，这样就会增加熔体的氧化和吸气。4.8.2铸造与操作1．铸造开始铸造开始前按铸造制度要求给冷却水．当铸造要铺底的合金铸锭时，在铺底铝周围凝固20毫米左右后放液流，放流时不能太快，液面应缓慢上升，并及时打渣．打渣时先周边后中心，待液面上升到漏斗底部，把漏斗抬起，再次打出漏斗底部的渣滓．如稍有疏忽，都会带来不良后果．打渣时，渣刀不能过于搅动金属。液面缓慢升入锥度区10-15毫米，对于大直经铸锭可适当高一点，再根据这个高度适当调整漏斗沉入液穴中深度。一般应使液面封闭漏斗孔眼。开车后的重点操作是调整液面高低，液流分配均匀程度，校正漏斗位置．2．铸造过程在铸造过程中，要看稳液面水平和正确涂油润滑．铸造过程中，温度应控制在中限或中上限．在整个铸造过程中，流槽和流盘中的金属应保持稳定，不得搅动。3．铸造收尾铸造收尾前，严禁清理流盘和流槽里的液面浮渣，以防渣滓带入铸锭。 当停止供流后，待漏斗脱离液面方可取出漏斗，浇口部不用打渣。要回火的合金，根据情况及时停水停车。对不需回火的合金，在浇口部不见水的情况下，停车越晚越好，待浇口部冷却至室温后停水．