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铸造铝合金熔炼、浇注操作规程

  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2021年04月07日

1  铝合金的熔化

1.1 坩埚、锭模及熔炼工具的准备

1.1.1 石墨坩埚的准备:

1.1.1.1 根据熔化量的多少选用容量适当的坩埚;

1.1.1.2 新坩埚使用前,应由室温缓慢升温至900℃进行焙烧,以去除坩埚的水分并防止炸裂;

1.1.1.3 旧坩埚(注意同一个坩埚不能用于熔化不同牌号的合金)使用前应检查是否损坏,清除表面熔渣和其它脏物,装料前预热到250~300℃。

1.1.2 铁质坩埚一般采用球铁坩埚,也可用铸钢(或钢板焊接)坩埚。为提高坩埚使用寿命,其外表面可进行液体渗铝处理。

1.1.3 坩埚、锭模及熔炼工具,使用前应将残余的金属、氧化皮等杂物清除干净。

1.1.4 新坩埚及有锈蚀污物的旧坩埚,使用前应吹砂或用其它方法清除干净,并加热到700~800℃,保温2~4小时,以除去坩埚吸附的水分及其它化学物质。

1.1.5 铝镁系合金的熔炼工具,使用前应在光卤石等溶剂中洗涤干净。

1.1.6 坩埚、锭模、熔炼工具使用前应涂防护涂料。搪衬的保温坩埚重复使用时,可不涂防护涂料。

1.1.6.1 涂料成分可按表1中的规定:

表1  坩埚和工具用涂料

代号名称成分配比(重量百分比)%
氧化锌滑石粉水玻璃
T03涂料三号25~30/3~5余量
T04涂料四号/20~306

1.1.6.2 涂料的配制:涂料成分中的所有固体组元,配制前应磨碎,并经过100~140目过筛,然后混合均匀。使用时,先将水玻璃倒入80~100℃的热水中搅拌均匀,加入固体组元后再搅拌均匀,冷却后备用。配好后的涂料停放时间一般不超过8小时。

1.1.6.3 将坩埚、锭模、熔炼工具预热到180~250℃,涂以防腐涂料。

1.1.7 用于保温的碳素钢板焊接坩埚,其内表应用耐火材料搪衬。耐火材料可按表2中的规定:

表2  耐火材料成分配比

成分(重量百分比)%
耐火熟粘土石英砂耐火土
453520适量(另加)

1.2 原材料

1.2.1 配制铝合金所用的金属材料应符合QB004《原材料技术条件及验收标准 >标准》中的规定。

1.2.2 配制涂料、搪衬、精炼用剂所用的辅助材料也应符合QB004中的规定。

1.3 中间合金的配制:铝基中间合金的配制工艺及配料系数见表3及表4:

表3  常用中间合金的配制工艺参数

名称代号成分/%原材料块度/㎜加入温度/℃浇注温度/℃
铝铜AlCu50含Cu:48~52电解铜~100×100850~950700~750
铝锰AlMn10含Mn:9~11金属锰10~15900~1000850~900

表4 常用中间合金的配料系数

序号合金代号各炉料的配制系数
铝锭
01AlCu50100/100
02AlMn1010011.11/

1.3.1 铝铜中间合金熔炼工艺:

1.3.1.1 将配制好的炉料充分预热;

1.3.1.2将10~15%的铝及全部铜装炉,随着铜的熔化,分批将剩余铝锭加入熔炉,并充分搅拌,至全部熔化;

1.3.1.3 在700℃左右加入精炼剂(用量按各种精炼剂使用要求配加,如使用AWJ-3精炼剂,加入量为0.5~0.8%)进行除气精炼处理,扒渣后浇锭(锭厚≤25mm)。

1.3.2 铝锰中间合金熔炼工艺:

1.3.2.1 将配制好的炉料充分预热;

1.3.2.2 在石墨坩埚内将75%左右的铝锭熔化,并过热到900~1000℃;

1.3.2.3 分批加入锰,每加入一批后,以石墨棒充分搅拌,待熔化后,加入下一批,最后加入余下的铝;

1.3.2.4 熔化完后,在850℃左右加入精炼剂(用量按要求进行配加,如AWJ-3精炼剂加入量为0.5~0.8%)除气精炼处理后静置5~10分钟浇锭。为防止锰的偏析,浇锭前要充分搅拌,并应尽快浇注完毕(锭厚≤25mm)。

1.4 铝合金的配制

配制铝合金采用金属锭、中间合金及回炉料,也可使用各种牌号的预制合金锭。

1.4.1 装料前必须去除炉料表面上的锈迹、泥砂等污物。

1.4.2 回炉料分为三级:

表5  回炉料的分级、应用及最大回用量

级别分类     熔炼前的预加工用途回用量
一级不是因化学成分报废的铸件,金属型铸件的浇冒口,砂型铸件的冒口。清除油污、泥沙、杂质及其它附属物可直接用作所有类别工作合金的回炉料<80%
二级砂型铸件的浇道,坩埚底部的剩料,因化学成分报废的铸件。除去夹砂、杂物,可考虑喷砂处理,并补加所需元素。可直接用做Ⅱ、Ⅲ类铸件的合金的回炉料<70%
三级溅屑、铸件飞边和碎小的废料分离处理,除去杂物及泥沙用于无气密性要求,或化学成分范围较宽的合金                                                                                                                                                                     <30%

注:(1)当铸件有特殊要求时(如针孔度等),回炉料的用量应酌情减少,如气缸铸件应低于40%;

(2)当各级回炉料搭配使用时,回炉料的总量≤80%,其中,三级回炉料≤10%,二级回炉料≤50%。

(3)回炉料应按牌号分开堆放,成分不清的需经重熔后分析成分方可用于配料。

1.4.3 炉料计算:

1.4.3.1 元素含量计算法,按表6举例说明:

表6  炉料的计算程序实例(一)

计算程序举例
1.确定熔炼要求:                                                    A.  合金牌号                                                    B.  所需合金液重量                                                    C.  所用炉料的成分1.以熔炼ZL104合金80㎏为例(配料计算取技术要求的平均值):                                                    Si:9%,Mg:0.27%,Mn:0.4%,Al:90.33%,杂质Fe≤0.6%                                                    Al-Mn合金:Mn10%,Fe≤0.3;镁锭:Mg99.8%;铝锭:Al99.5%,Fe≤0.3%。                                                    回炉料:P=24㎏,占总量的30%,成分为:Si9.2%,Mg0.27%,Mn0.4%,Fe≤0.4%
2.确定元素的烧损量:E2.各元素的烧损量按表9中选取,必要时根据生产实际加以调整。                                                    举例:ESi:1%,EMg:20%,EMn:0.8%,EAl:1.5%
3.计算100㎏炉料各元素的需要量Q:                                                    Q=a/(1-E)3.100㎏炉料中,各元素的需要量Q:                                                    QSi=9%×100/(1-1%)=9.09㎏          QMn=0.4%×100/(1-0.8%)=0.40㎏                                                    QMg=0.27%×100/(1-20%)=0.34㎏      QAl=90.33%×100/(1-1.5%)=91.7㎏
4.根据熔制合金的实际含量W,计算各元素的需要量A=W/100×Q4.熔制80㎏合金实际所需元素量A:                                                    ASi=80/100×QSi=80/100×9.09=7.27㎏                                                    AMg=80/100×QMg=80/100×0.34=0.27㎏                                                    AMn=80/100×QMn=80/100×0.4=0.32㎏                                                    AAl=80/100×QAl=80/100×91.7=73.37㎏
5.计算回炉料中各种元素的含有量B5.BSi=24×9.2%=2.21㎏                                                         BMg=24×0.27%=0.07㎏                                                         BMn=24×0.4%=0.1㎏                                                         BAl=24×90.16%=21.64㎏
6.计算应加的新元素含量C:C=A-B6.CSi=ASi-BSi=7.27-2.21=5.06㎏  CMg=AMg-BMg=0.27-0.07=0.20㎏                                                         CMn=AMn-BMn=0.32-0.1=0.22㎏   CAl=AAl-BAl=73.37-21.64=51.73㎏
7.中间合金量D:D=C/F(F:元素含量),带入的铝量:MAl=D-C7.相应于新加入的元素量所应补加的中间合金量:                                                    D(Al-Mn)=CMn/10/100=0.22×100/10=2.2㎏                                                    带入的铝:M(Al-Mn)=D-C=2.2-0.22=2.08㎏
8.应补加的纯铝GAl8.GAl=AAl-[M(Al-Mn)+BAl]=73.37-(2.08+21.64)=49.65㎏
9.计算炉料总重W9.W=GAl+(Al-Mn)+Si+Mg+P=49.65+2.2+5.06+0.20+24=81.11㎏
10.核算杂质含量U(以铁为例)10.U=GAl×0.3%+D(Al-Mn)×0.3%+P×0.4%=49.65×0.3%+2.2×0.3%+24×0.4%=0.25㎏                                                    UFe=0.25/80×100/100=0.3125%

1.4.3.2 炉料配比系数法:按表7举说明:

表7  炉料的计算程序实例

计算程序举例
1.  确定熔炼要求:                                                    A.合金牌号                                                    B.所需合金液重量                                                    C.所用炉料成分1.以熔炼ZL104合金100㎏为例(配料计算取技术条件规定的平均值):                                                    Si:8.5%,Mg:0.26%,Mn:0.4%,Al:90.84%                                                    回炉料P=100×50%=50㎏,按合金成分计算
2.确定元素的烧损量E2.元素的烧损量按表9选取,必要时根据生产实际加以调整。计算确定为:                                                    ESi:1%,EMg:30%,EMn:1%,EAl:1.0%
3.计算100㎏炉料各元素的需要量A:                                                    A=a/(1-E)3.100㎏炉料中,各元素的需要量A:                                                    ASi=8.5%×100/(1-1%)=8.58㎏       AMn=0.4%×100/(1-1%)=0.4㎏                                                    AMg=0.26%×100/(1-30%)=0.37㎏     AAl=90.84%×100/(1-1.0%)=91.75㎏
4.计算回炉料中各元素的含有量B4.BSi=50×8.5%=4.25㎏                  BMn=50×0.4%=0.2㎏                                                         BMg=50×0.26%=0.13㎏                  BAl=50×90.84%=45.42㎏
5.应补加的新元素量C5.CSi=ASi-BSi=8.58-4.25=4.33㎏    CMn=AMn-BMn=0.4-0.2=0.20㎏                                                         CMg=AMg-BMg=0.37-0.13=0.24㎏   CAl=AAl-BAl=91.75-45.42=46.3㎏
6.中间合金加入量D及带入的铝M6.D(Al-Mn)=CMn/10%=0.20/10%=2.0㎏                                                         M=D(Al-Mn)-CMn=2.0-0.20=1.80㎏
7.应加的纯铝量G7.G=CAl-M=46.3-1.8=44.5㎏
8.以加入NAl=100㎏铝锭为准,计算其它炉料的需要量N8.NSi=CSi×NAl/G=4.33×100÷44.5=9.7㎏                                                       NMg=CMg×NAl/G=0.24×100÷44.5=0.54㎏                                                         N(Al-Mn)=CMn×NAl÷G=2.0×100÷44.5=4.5㎏                                                         N回=P×NAl÷G=50×100÷44.5=112㎏

注:ZL107的计算程序与此相同,计算过程略。ZL104和ZL107的配料系数列于下表:

表8  常用铝合金的炉料配制系数

序号合金                                                    代号各种炉料的配制系数
铝锭工业硅镁锭AlCu50AlMn10AlTi5A同牌号回炉料≤备注
01ZL1071008.122/9.29//170
02ZL1071009.4/10.95.12/178Fe>0.4%时
03ZL1041009.740.774/4.584/168
0410500210014.8/8.2335.15/188
05ZL11110011.31.634.013.156.36184

注:上表中所列各种炉料必须符合QB004-2003《原材料技术条件及验收标准》的相应规定,否则,不能使用本表系数。此外,实际配料时,应逐一填写配料原始记录,以便复查核实。

表9    铝合金熔炼时元素的烧损量

元素烧损量(电炉熔炼)元素烧损量(电炉熔炼)
Al1.0~1.5Na2~3
Si0.5~1Mn0.5~1
Cu0.5~1Sn0.5~1
Mg2~3若纯金属加入可达到15~30%Fe0.5~1
Zn1~3若以纯金属加入则烧损可达10~15Be0.5~1
Ni0.5~1Ti1~2

1.4.4 炉料加入先后原则:

1.4.4.1 当用铝锭和中间合金熔化时,首先装入铝锭,然后加入中间合金;

1.4.4.2 当用预制合金锭进行熔炼时,首先装入预制合金锭,然后补加所需的铝和中间合金;

1.4.4.3 当炉料为回炉料和铝锭组成时,首先加入炉料中最多的那一部分;

1.4.4.4 当熔炉容量足以同时装入几种炉料时,则应首先装入熔点相近的成分;

1.4.4.5 容易烧损和低熔点的炉料,如镁和锌,应在最后加入;

1.4.4.6 在连续熔化时坩埚内应剩余一部分铝液以加速下一炉的熔化;

1.4.4.7 采用覆盖剂时,应在炉料开始熔化时就加入熔剂。

1.4.5 炉料全部熔化后,进行搅拌使成分均匀,然后调温到除气工艺所需的温度。

1.5 合金的除气或精炼处理

1.5.1 除气剂准备:

1.5.1.1 使用六氯乙烷时,应将其压成圆饼(Ф66×40,比重1.8g/cm3),每块重约200g,存放干燥器内备用。

1.5.1.2 使用六氯乙烷加载体时,载体材料(氟硅酸钠或二氧化钛)应进行脱水处理;氟硅酸钠于200~250℃烘烤12~24小时,二氧化钛于300~400℃烘烤3~4小时,然后按表10中的比例混合后压成圆饼放在干燥箱内备用。

1.5.2 除气处理:用钟罩将除气剂压入距坩埚底100mm,沿坩埚直径1/3处(距坩埚壁)的圆周匀速移动,为不使铝液大量喷溅,除气剂可分2~3次加入。除气结束后静置、除渣。

1.5.3 除气效果检验:分炉前和炉后检验

1.5.3.1 炉前检验:用勺取约半勺合金液,用干净铁片刮去表面氧化物和渣,露出镜面样液面,冷却后如有气泡析出,则除气效果差,反之则效果好。

1.5.3.2 炉后检验,试样经腐蚀后看到针孔的大小和多少。

1.5.4 除气剂的工艺参数见表10:

表中规定的精炼剂用量仅作为计算每炉使用量的依据,不作为工艺参数控制。当出现操作不当造成额外损耗、炉料含杂质(如渣、泥砂等)过多等原因,导致炉前检验除气效果差时,应考虑增加使用量,直到炉前检验合格为止。

精炼温度(精炼处理时铝液的温度)的选择也应根据条件(如环境、设备因素等)的变化作随机调整,以最终炉前检验的效果来验证,应作为工艺参数控制并予以记录。

表10  常用精炼(除气)工艺参数

精炼剂合金代号精炼剂用量                                                    ≥(%)精炼温度                                                    (℃)备注
六氯乙烷ZL1010.5~0.7700~730
ZL1020.3~0.5690~720
ZL1040.5~0.7700~740a
ZL1050.5~0.7700~730
ZL4010.5~0.8700~730
六氯乙烷75%                                                    氟硅酸钠25%ZL1010.5~0.8700~730
ZL1050.3~0.5700~730
六氯乙烷50%                                                    氟硅酸钠50%ZL1040.5~0.7690~720
ZL1050.4~0.6700~730
六氯乙烷65%                                                    二氧化钛35%Al-Cu                                                    系合金0.5~0.7700~730
光卤石60%                                                    氟化钙40%Al-Mg系合金2~4660~680含Be、Ti的合金
光卤石或                                                    钡熔剂55Al-Mg系合金1~2660~680不含Be、Ti的合金
a                                    AWJ-3                                                    成品精炼剂ZL1040.5~0.8690~720
ZL1070.5~0.8b700~740
ZL1110.5~0.8700~730
1050020.5~0.8b700~740

注:除气剂以六氯烷及六氯烷加载体的效果最好。当采用其它精炼剂时,应按其产品使用说明书要求进行验证合格,出具操作工艺后,方可使用。

1.6 合金的变质和孕育处理:

1.6.1变质处理是为了细化铝硅合金中的共晶硅,孕育处理是为了细化铝合金中的初生相。

1.6.2 常用钠盐变质剂按表11的成分要求混合均匀,装入料盘摊平,厚度不超过50㎜,于300~400℃烘烤3~5小时,然后破碎。30~40目过筛,放入干燥器内备用。

1.6.3 变质剂的准备、用量、处理时间等作为操作处理时的参考,以最终炉前检验的效果来合理选择,不作为工艺参数控制和记录,精炼剂的处理温度和效果应予以验证和记录。

表11  常用变质剂使用工艺参数

序号01020304
名称钠基钛、硼、锆稀土
三元变质剂四元变质剂变质孕育剂金属
成分(%)氟化钠25氯化钠63氯化钾12氟化钠30氯化钠50氯化钾10冰晶石10氟锆酸钾氟硼酸钾铝稀土                                                    中间合金
用量(%)≥1.5~2≥2~30.50.60.15~0.20.2~0.4
预热温度≥100~300℃200±10℃350~450℃
时间≥3h2~4h
处理温度700~740℃b700~750℃b730~750℃720~740℃
处理时间液面停留≥10~15min≥2~3min/
压入合金≥3~5min≥5~8min/
处理方法将预热后的变质剂均匀撒在合金液面上,覆盖10~15分钟,打碎硬壳,使气体排除并将变质剂压入合金液中至100~150㎜深,连续操作3~5分钟后打渣。钛以合金形式加入,氟锆酸钾、氟硼酸钾在除气后均匀撒在合金液上,覆盖2~3分钟后压入静置5~8分钟后打渣。于浇注前30分钟加入合金搅拌均匀。













1.6.3 合金经变质后,调整到浇注温度进行浇注。

1.7 采用其它变质剂时,应按其使用说明书要求进行验证合格后方可使用。

1.8 常用铝合金熔炼工艺举例如下表:

表12  常用铝合金熔炼工艺举例

合金                                                    牌号熔炼工艺要点备注
ZL104装料顺序:回炉料、铝锭、铝锰合金、硅,熔化后搅拌均匀,680~700℃时将镁压入合金液。浇注温度:700~740℃
ZL107装料顺序:回炉料、铝锭、铝铜合金、硅,熔化后搅拌。浇注温度:690~740℃
ZL111装料顺序:回炉料、铝锭、铝铜、铝钛、铝锰合金、硅,熔化后搅拌,镁在除气精炼后680~700℃时加入。浇注温度:690~720℃,金属型铸造,可不进行变质处理
105002装料顺序:铝锭、铝铜、铝锰合金、回炉料、硅,熔化后搅拌,使成分均匀浇注温度:690~740℃

2  铝合金的浇注

2.1 浇注前的准备工作:

2.1.1 工具的准备:所有工具应经过清理、预热、涂料,使用前应再次预热。

2.1.2 检查开模机构各部分是否完好,各运动部分应加油润滑。如导轨、导杆、螺杆、螺母、轴承等。保证开型、合型灵活。

2.1.3 金属型的预热:金属型预热前应仔细清除原来的涂料,去除部位为型腔、铁芯和分型面。浇冒口和冒口颈可不去除。

2.1.3.1 预热时要不断移动喷枪,使型腔受热均匀。严禁将喷枪搁置不动,使局部严重过热。

2.1.3.2 需要温度高的地方,如冒口部位,要多加热,使该部分温度高于型腔温度。

2.1.3.3 必要时,要预热金属型的背面,使金属型变形小。

2.1.4 金属型的涂料:

2.1.4.1 涂料成分配比:根据金属型的特点,按表13选取涂料:

表13  金属型涂料成分配比

代号名称成分及配比(重量百分比)%适用范围
氧化锌滑石粉石墨粉石棉粉水玻璃
T05涂料五号9~11///6~8余量中小型及表面要求光滑的铸件。
T06涂料六号/153/6大型或厚壁铸件。
T07涂料七号//22/4斜度小的型芯和厚壁铸件。
T08涂料八号10~12//10~1210~12浇冒口系统用。

2.1.4.2 涂料的配制:涂料中的所有固体组元,配制前应磨碎,并经过100~140目过筛(经检合格,未成团的组元可直接用于配制),然后混合均匀。使用时,先将水玻璃倒入80~100℃的热水中搅拌均匀,加入固体组元后再搅拌均匀,冷却后备用。配好的涂料停放时间一般不超过8小时。

2.1.4.3 涂料操作:

1)涂料可以用喷刷,要求均匀、表面光洁;

2)为利于补缩,远离冒口的部位涂薄些,而靠近冒口处涂厚些。必要时在产生缩孔的部位将涂料去除掉;

3)冒口用涂膏刮上一层2~3㎜厚的涂料,以提高冒口的补缩能力。

2.1.5 除去分型面及各配合面的涂料。

2.1.6 对大金属型,在涂料后还需再次预热。

2.1.7 下好泥芯,吹净型腔,并合严金属型。

2.2 浇注操作:

2.2.1 金属型合严后,应尽快浇注,避免其降温。

2.2.2 浇包自坩埚中舀取金属液时,先用包底拨开液面上的氧化皮或熔剂层,缓慢地用包口舀取合金液。在浇包接近金属型浇口时,应用热铁片或干木块将包嘴处的氧化皮或渣拨开,让干净的金属液进入浇口杯。

2.2.3 浇注温度的高低,要根据具体情况来决定,总的原则是保证铸件成型的前提下,浇注温度越低越好。常用铝合金浇注温度见表12。

2.2.4 浇注时,开始瞬间应略慢,防止金属液溢出浇口杯和严重冲击型腔,紧接着应加快浇注速度,使浇口杯充满,做到平稳而不中断液流。

2.2.5 浇注快慢尚须视不同金属型而变化,操作者应积累经验,以便做到不冷隔、排气顺畅及不冲坏型芯。

2.2.6 浇包中的合金液应正好为铸件所需用量,如有剩余,应浇入锭模中,禁止将剩余金属液返回坩埚中。

2.2.7 浇注完毕,根据不同铸件,即时开模,做到不因开模过早损坏铸件,也不因过迟而产生脱模困难。

2.2.8 取出铸件后,观察铸件是否合格,若有缺陷,应采取措施解决,直至合格为止。

2.3 浇注安全:

2.3.1 工作场地应平坦、整洁,道路畅通,场地上不得有积水,车间应有良好的通风措施。

2.3.2 搬运金属型、浇注和取出铸件都应细心操作,防止碰伤和烫伤。

2.3.3 浇包中铝液不宜太满。

2.3.4 金属液溢出型外时,应放干砂,以防爆炸伤人。

3  相关文件

3.1  QB004-2003《原材料技术条件及验收标准》

4  相关记录

4.1 《炉料配制原始记录表》2010-002-01

4.2 《熔炼、浇注原始记录表》2010-002-02

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