铝合金熔炼过程的材料配比、合金元素、除气测氢！

    铝合金在许多方面特别是在使用性能方面比锌合金优越，加上它的铸造性能、力学性能和刚性等均比锌合金高，压铸件精度高、切削余量少，因此使铝和铝合金的压铸发展极为迅速。目前以压铸件数量和重量及应用领域，均占所有压铸件之首。因此，铝合金压铸在目前的压铸生产中占有极为重要的地位。而铝合金材料熔炼过程和质量控制是整个压铸过程中万里长征第一步，因此在生产过程中如何确保熔炼过程稳定可靠，过程质量可有效监控至关重要。

1、 熔炼铝合金材料配比

     铝合金压铸厂商通常有集中熔炼和集边单独熔炼两种方法。所谓集中熔炼是指使用大吨位集中熔化炉集中熔炼再使用小的中转包中转运输到各个压铸机台集边保温炉中，其优点熔炼过程集中便于管理可有效定时对铝液进行精炼处理，且单位时间内出铝液量大，适于中大型压铸企业。所谓机边单独熔炼是指熔化炉直接在压铸机旁边，熔化后铝液直接流道集边保温炉中用于压铸生产，其优点每台压铸机可灵活变换合金牌号，能耗较低，只适用于小规模压铸企业。

    在铝合金熔化炉熔炼过程中由于熔炼炉膛温度通常高于 800℃，其中铝合金材料中化学元素会发生不同程度的化学反应形成杂质或氧化物，从而使熔化的合金重量出现损耗，根据化学元素周期表排列得出靠前排列的化学元素易发生反应，故铝合金材料在熔炼过程中各化学元素损耗率也存在较大差异，见表 1。

     上述损耗一般按元素的上下限的平均化学成分来计算，对于烧损大的或从力学性能等需要出发取上限的元素，则取上限值来计算。通常铝合金在熔化过程中烧损率在 2%－4%，故在熔化的过程中要添加精炼剂来确保铝合金熔液中的化学元素可以满足规定要求。通常精炼剂添加比例为烧损重量的10%－15%即可，例如 2 吨集中熔化炉每次精炼要放入8kg－12kg 的精炼剂，才能确保铝液化学成分符合要求。在压铸生产过程会产出回炉料，通常按回炉料中杂质、含气量通常会分为一级、二级回炉料。所谓一级回炉料是指压铸件料柄和不合格产品本体，这部分材料中含杂量和含气量相对较少，可以直接在压铸企业中回炉熔化。二级料是指压铸件中的排气板和排气槽等，这部分压铸过程中主要用于排气排杂作用，不能在压铸企业中直接回炉熔化，否则将会严重影响铝液质量。通常压铸企业铝合金回炉料配料组成，如表 2。

      在压铸企业实际生产过程中会出现严格按 8:2 配比比例执行时，生产过程中二级料会出现大量积压现象，这会极大增加生产成本，故在实际生产过程中，企业可以通过实验验证来调整配比比例在确保铝液质量的同时也可以有效降低生产成本，提高生产效率。但其原则是回炉料配比比例不可以高于 40%，实验证明超过40%以后铝液中的化学成分通过精炼也无法有效保证。

2、 铝液化学元素管控

     压铸铝合金按所含基本元素可将其铸造铝合金分为Al-Si 合金、Al-Cu 合金、Al-Mg 合金、Al-Zn 合金等，因为各自的化学成分差异，从而导致其力学性能和物理性能也有所差异。如铝合金中 Mg 含量增加到 0.3%时，其铸件的机械性能会有显著提高，但同时会在压铸时增加粘模倾向性，整体充型能力降低。若Mg含量继续增加时铸件耐腐蚀能力降低，充型能力急剧降低。在国际上因地缘差异，压铸铝合金主要有美国标准、欧盟标准、日本标准和国标。例如美国高强度Al-Si-Cu 合金 （SC84A/SC114A/SC84B）中铜含量为2.0%－4.0%,锌含量不超过3%，硅含量为7.5%－12.0%，具有较高的力学性能、良好的压铸工艺能力和机械加工性能。

     铝合金在熔化精炼后需要对化学成分进行检测，以保证其化学成分可以满足其成分标准，这样不会影响铸件物理和力学性能，通常使用光谱分析仪对铝液样块进行化学成分检测。首先使用标准样块对光谱仪进行校验，在对被检测样块进行成分检测，每有样块检测 3 点，取其平均值。若检测结果超出标准则此炉铝液需要重新精炼直到合格为止。

3、铝合金熔液除气和测氢

     压铸铝合金在熔炼过程中的吸氢是导致铝合金铸件形成针孔、降低气密性能和力学性能的主要原因，所以要采用各种措施来严格控制氢气等气体的含量。熔炼过程中控制含氢量的措施见表 3。

      除气过程是指将中转包中的铝液运输到除气机下，通过除气机石墨转子中的通气孔将惰性气体充入铝液中使氢气析出，从而降低熔液中含氢量。图 1 为铝合金样块除气前后孔隙率对比。

     在铝合金熔炼过程中铝合金熔液中含氢量测定方式：将熔炼炉或中转包中的铝合金熔液取两组样块，一组在空气中正常冷却，一组放入真空机中进行抽真空冷却。在通过计算两组样块的密度值，其含氢量密度值计算公式（1）如下：

     通过资料查询发现对于铸件有内在气缩孔要求的，铝合金熔液含氢量密度值正常≤2.5 ，且密度值越小，铝合金生产过程中内在气缩孔质量越稳定，故为了降低铝合金熔液密度值，我们在熔炼过程中进行一系列实验来进行验证。

     在正常的熔炼作业中转除气工序进行优化改进，讨论使用不同种类的惰性气体充入中转包铝合金熔液中，使铝合金熔液中含有的氢气可以有效的被析出，从而降低铝合金熔液密度值。我们选取两种不同种类的惰性气体分别是：氮气和氩气，进行不同比例混合后进行中转除气，其密度值实验结果见表 4。

     通过上述实验数据可以发现若使用较高比例的氩气进行中转除气，其密度值有明显降低，但在除气使用方面生产成本增加 25%以上。综合讨论考虑控制生产成本等方面因素后，研究最终决定使用方案二：此方案在持续导入生产验证后，其铝合金熔液密度值一直控制在 2.5 以内，其压铸件内在气缩孔质量相对于试验验证前提升了 1%左右。

4、小结

     压铸铝合金熔炼过程质量控制，对铸件机械性能起到至关重要。实验通过不同比例的惰性气体除气，来验证铝合金熔液密度值，为其他压铸企业在铝合金中转除气提供详细的数据支持和借鉴意义。

本文作者：同济大学  赵一栗   吴志军