（1）熔炼前的准备工作及其禁忌

1）金属炉料的准备及其禁忌：

①为确保铝合金熔炼质量，决不可忽视铸造铝合金的熔炼特点。铝合金的熔炼是铝铸件生产过程中的一个重要环节，它包括选择熔炼设备和工具、炉料处理与配料计算以及控制熔炼工艺过程。由于铝合金易氧化和吸气，从而使其熔炼工艺控制较为复杂，必须十分注意。

铝及铝合金中的一些元素，容易氧化造成氧化夹杂，清除不净，就会恶化合金的铸造性能（降低流动性，增大形成孔洞、裂纹和结疤的倾向），降低其力学性能，特别是冲击韧度和疲劳极限。在生产中除选用适当的熔炼用炉外，也采用合理的熔炼操作和工艺，如尽量减少不必要的搅拌，保护铝液表面氧化膜的完整，避免不必要的合金过热和尽量缩短熔化和保温时间，还常结合精炼去气的措施，利用气泡吸附氧化夹杂物微粒上浮，净化合金液体。

铝合金在熔炼过程中吸气能力很强，容易产生气孔，这就给熔炼过程带来很大的困难。为了减少吸气，熔炼时必须避免出现氧化性气氛，避免合金过热，尽量缩短熔炼时间，缩短在高温停留的时间。所用炉料和工具都要充分预热，去除水分、油污和炉料上带有的含水腐蚀物，如Al₂O₃·H₂O、Al₂O₃·3H₂O及Al（OH）2，同时，熔炼过程中一定要有精炼去气的措施。

铝合金牌号较多，使用的元素也较多。某一元素对一种合金是有益的，但对另一种合金可能是有害杂质，所以对回炉料要严格管理，同一坩埚不要熔炼成分相差较大的合金。熔炼时，配料要准确。

铁在铝合金中是有害的杂质，使用铁质坩埚熔炼时，如果铝液与坩埚直接接触，会发生铁的溶解，其溶解速度很快，并随熔炼温度的升高而迅速增加；随着保温时间的增长，铁的溶解量不断增加。为防止铸造铝合金增铁，坩埚工作面应涂敷涂料。熔炼过程中，与合金液接触的铁质工具，也要涂敷涂料。炼高强度铝合金或熔点较高的铝合金，最好用石墨质的坩埚和工具。

铝合金中各种合金元素的熔点和相对密度相差较大，为缩短熔炼时间，避免过热，应使用中间合金。

②铝合金用金属炉料必须严格管理，切忌随意放置或混料。熔制铝合金的炉料一般由新金属、中间合金、回炉料（浇口、冒口、废品）以及重熔回炉锭（由厂内回炉料和切屑或外购废料重熔而成）等组成，它们的质量对合金液的质量有很大影响，因此，妥善地保管炉料，是生产中不可忽视的一环。其保管的要点有：

a.入厂炉料须附制造厂产品合格证和成分分析报告，并经本厂复验其主要成分和有害杂质，必要时，对铝硅合金应检查针孔等级。

b.入库时应填写入库卡片（包括本厂回炉料），注明材料名称、牌号、化学成分、炉号、批重及入库日期。

c.炉料的存放：（a）不露天存放，存放处应通风良好，湿度≤75%。以铝锭为例，曾作过试验：将铝锭分别置于潮湿和干燥处各30天后进行重熔，前者铝液的氢含量为2.2mL/100g，而后者仅为0.8mL/100g，前者为后者的2.75倍。这是由于在潮湿的空气中，铝与水进行反应，形成氢氧化铝：

2Al+6H₂O→2Al（OH）3+3H₂

该氢氧化铝称之为铝锈，在熔炼时，该杂质与铝液起反应：

Al（OH）3+Al→Al₂O₃+3[H]

形成夹杂物，并使铝液吸氢，所以铝锭等应贮存于干燥处，对有铝锈的炉料应进行喷丸处理，或用钢丝刷擦刷干净。（b）各种金属应分类存放，不许与有腐蚀性的材料同库存放，不直接堆放在地上；（c）定期检查或按气候情况进行检查是否锈蚀等。锈蚀镁锭应彻底擦涂干净，并仔细在热碱水及重铬酸钾溶液中洗涤、吹干、油封、蜡封，但对铝、锌、铜等材料，若有锈蚀，应擦净，不宜涂油。

d.出库时应认真核对所领材料与入库卡片是否一致。为防止镁合金混料，可磨掉炉料表面氧化皮，滴上稀盐酸，若呈黑色，即为含锆镁合金；若呈白色则为含铝镁合金。或滴入一滴稀盐酸后加两滴浓度为3%的双氧水，呈黄色泡沫者，为含锆镁合金；呈灰黑色沉淀者为含铝镁合金。

③熔炼铝合金时，为方便某些难熔合金元素或在成分上需严格控制的元素的加入，不可不采用中间合金。由于铝合金中，有些元素如铜、锰、硅、钛等，其熔点都比铝的熔点高，若将这些元素以纯金属的形式加入铝液中，必然要提高铝液的过热温度而使铝液氧化和吸气加剧，从而降低铝液的质量；有些元素例如锆（Zr）、铍（Be）、钒（V）、硼（B）等比较稀贵，来源很少，常常需要利用较易供应的这些元素的化合物，用铝热法使这些稀贵元素还原后进入铝液；某些元素，如稀土元素，较易挥发、氧化，直接加入铝液中会引起严重的烧损，因此，事先熔制成Al-RE中间合金，以减少熔炼时的烧损，从而获得成分准确的合金。所以铝合金熔炼中，采用中间合金，常是必要的。部分铝中间合金锭的主要成分、物理性能见表3-153。

表3-153 部分铝中间合金锭的主要成分、物理性能（摘自GB 8735—2000《铝基中间合金》）

对中间合金的要求是：熔化温度和铝液温度接近，合金元素比例尽可能高，化学成分均匀，冶金质量好，易于破碎，便于配料称量等。熔制中间合金的方法有直接熔化法和铝热法。后者用合金元素的氧化物作原料，成本可降低，但熔炼温度高，夹杂物多，劳动条件差。

④铝合金熔炼前备好的炉料，忌不进行处理就直接使用。为确保合金液的质量，每一步操作都应该仔细审视，防患于未然。对炉料的熔炼前处理，一般包括表面处理和预热。

a.炉料表面处理，包括：

（a）炉料表面最好经喷砂处理或用钢丝刷刷净。

（b）用油脂保护的镁锭，需热水洗涤或用蒸气吹净油脂，并注意将凹陷、孔洞处油脂吹净；镁锭及镁合金回炉料有锈蚀者，应重熔后使用，轻微锈蚀的镁锭用吹砂、刮去、铲除等方法去除。

（c）回炉料应刷去表面粘附砂粒、去除过滤网、镶嵌件等。

表面清理后的炉料，应尽快供熔炼用。

b.炉料预热：表面清理后的炉料预热主要为：

（a）镁锭、锌、稀土金属在200～250℃下保温2～4h。

（b）其他金属炉料在350～450℃下烘烤3h以上，并在此温度下入炉熔炼。

2）铝合金熔炼用炉和坩埚的选取及其禁忌：

图3-132 熔炼非铁合金用鼓风焦炭坩埚炉

1—炉盖 2—炉身 3—坩埚 4—非铁合金液 5—垫砖 6—炉栅 7—风管

①不宜采用类似冲天炉的熔炉来熔炼非铁合金。冲天炉熔炼，是依靠鼓风机将压缩空气直接吹入炉内，使焦炭（燃料）燃烧发热，而将金属（铸铁）熔化，这种熔炼方法不适宜于易氧化的非铁合金，否则将造成非铁合金中的金属元素被灼热炉气中的CO₂、O₂剧烈氧化而造成大量烧损；同时，合金也极容易吸气，这样，将不可能获得烧损少、含气量和夹杂物低、化学成分均匀的非铁合金液。故非铁合金决不可采用类似冲天炉的熔炉来进行熔炼，一般多采用间接加热的坩埚炉等熔炼，即金属在坩埚内，而热源在坩埚外，金属与燃料不直接接触。图3-132所示是一般小型车间常用的一种鼓风焦炭坩埚炉，尽管其存在产量小、劳动条件差、温度不易控制等缺点，但其结构简单，投资小，适应性较强，故仍有采用。

②铝合金熔炼用炉品种繁多，不宜随意选取。铝合金以及其他非铁合金熔炼中的问题是元素容易氧化，合金液容易吸气。为获得含气量和夹杂物少、化学成分均匀的高质量合金液，在选用熔炼用设备时，要求熔炼炉应保证金属炉料快速熔化，缩短熔炼时间，以减少合金元素烧损和吸气；降低燃料、电能消耗；延长炉龄；操作简便，炉温便于调节和控制；劳动卫生条件好，有利环境保护。常用的熔炼炉有坩埚炉、反射炉和感应电炉等，见表3-154。每种熔炉在结构和熔炼工艺等方面各有特点，具体选用时，必须从热能来源、合金种类、质量要求、铸件大小、产量、批量、操作及劳动条件等方面综合考虑，合理地选用。例如，电炉，在很多方面比燃料炉先进，使用液体或气体燃料的坩埚炉又比焦炭地坑炉优越，但在缺电、缺油、缺气地区及产量又不大的小型车间，使用焦炭或燃煤坩埚炉还是适宜的。

表3-154 铝合金常用的熔炼炉

③使用铸铁或石墨新、旧坩埚熔炼铝合金时，通常都不可直接拿来就进行装料、熔炼。熔炼铝合金的坩埚有铸铁（材质多为含铬耐热铸铁或中硅耐热球墨铸铁）坩埚和石墨坩埚两种。用铁质新坩埚时，为避免铝合金增铁，除必须在坩埚工作表面涂敷涂料外，还必须彻底去除坩埚工作表面吸附的水分和污染物，为此，一般在使用前，应用同一牌号废料洗炉，即先熔化一次同一牌号的回炉料或杂铝，然后趁热清理坩埚壁，并在装料前加热至150～200℃，喷上涂料，再加热至暗红色，方可装料。也有在用新坩埚时，先将其加热到600～700℃，使呈暗红色，保持30～60min，以烧去铸铁坩埚内壁的水分及可燃杂质。待坩埚冷却到300℃以下时，仔细地清理坩埚内壁，至200℃左右，喷上涂料，在装料前，再加热至暗红色。为提高坩埚使用寿命，可对其进行渗铝处理。

对旧坩埚，则应将其内壁的残留变质剂、熔渣，以及其他脏物清理干净，用小锤轻轻敲击坩埚，凭声音判断有无裂缝出现；目视坩埚内外壁上有无缺陷，应特别仔细检查坩埚腰部的情况。检查合格后，将坩埚、熔炼工具加热至200℃左右，在坩埚内壁和工具上喷涂料；装料前，坩埚加热至暗红色，再装料。

图3-133 电阻坩埚炉

1—坩埚 2—坩埚托板 3—耐热铸铁板 4—石棉板 5—电阻丝托板 6—电阻丝 7—炉壳 8—耐火砖

图3-134 重油反射炉结构示意图

对新石墨坩埚，在使用前，应由室温缓慢升温至800℃，保温15h，并随炉冷却，存放在通风、干燥处。坩埚不能重叠堆放。

对旧石墨坩埚，使用前应检查是否损坏，清除表面熔渣和其他脏物，并预热至250～300℃。

④选用熔炼铝合金坩埚大小时，不可直接按坩埚号来选定铝合金坩埚容量。坩埚号的数值代表每次能熔炼锡青铜的质量，如20号坩埚为每次可熔炼20kg锡青铜，用于铝时，需乘以0.39，即只能熔炼7.8kg。具体选用时，为防止金属溅出，还应考虑将坩埚的容量增加15%。

3）熔炼铝合金用熔剂的准备及其禁忌：

①为防止铝合金液氧化、吸气，不可无覆盖剂。铝合金用熔剂包括有覆盖剂、精炼剂和变质剂三种。覆盖剂用来覆盖于合金液体表面，防止合金氧化和吸气。常用的覆盖剂见表3-155。

②为清除铝合金液中所含的气体和氧化物夹杂等，通常不可不借助精炼剂。精炼剂可用来清除铝合金液中所含的气体和氧化物夹杂等。其原理是：在铝液中造成大量的小气泡，小气泡比铝液轻故上浮，在上浮的过程中，Al₂ O₃等夹杂物与小气泡相遇而相聚，同时，铝液中的氢原子也会向小气泡中扩散，最后，小气泡带着夹杂物和氢分子上浮至表面，通过扒渣将之去除。基于这一认识，按照Stocks公式可知其气泡的上浮速度与气泡的半径平方成正比，而与气泡的密度呈递减关系，故控制气泡的上浮速度，则应控制气泡的尺寸以及气泡的密度。

生产中常用的精炼剂有：氯化锌（ZnCl₂）、六氯乙烷（C₂Cl₆）、四氯化碳（CCl₄）、氯气、氮气、氩气及由氯化钠、氯化钾、冰晶石等组成的精炼剂，见表3-156。

表3-155 熔炼铝合金用的覆盖剂

（续）

表3-156 几种熔炼铝合金用的精炼剂

这些精炼剂有的本身为气体；有的靠加入铝液中反应产生气体，达到精炼目的。例如：

a.加入氯盐或氯气：常用的氯盐有氯化锌、六氯乙烷、四氯化碳、氯化锰（MnCl₂）、四氯化钛（TiCl₄）等。在精炼时，利用氯盐中的氯与铝液进行反应，形成不溶于铝液的AlCl₃气体，起到精炼的作用。或者直接加入Cl₂+N₂混合气体。其中部分氯盐和氯气与铝液的反应为：

2Al+3ZnCl₂→3Zn+2AlCl₃↑

2Al+3C₂Cl₆→3C₂Cl₄↑+2AlCl₃↑

2Al+3Cl₂→2AlCl₃↑

Cl₂+N₂混合气体的优点是Cl₂被稀释，有可能来得及全部参与反应，生成的AlCl₃及N₂起精炼作用。但要配备一套较复杂的两种气体发生装置及输送管道。氯盐精炼的优点是省去了一整套气体发生装置和输送管道；其次，AlCl₃的毒性比氯气小得多。

b.加入氩、氮等分子态的惰性气体：由于惰性气体都不溶于铝液中（指在通常精炼所用的温度条件下），故直接向铝液中吹入隋性气体。用此法精炼铝液时，应注意以下几点：

（a）预先去除惰性气体中的水分，不能直接将没经处理过的氩气或氮气直接吹入铝液中，否则，反而会增加夹杂物和铝液的氢含量。

（b）要选择合适的吹气头，要使吹出的气泡细小、均匀，以控制气泡的上浮速度不能过快，否则精炼效果也不明显；若用铁质吹气头时，还应注意防止铁（Fe）往铝液中扩散。

（c）对于含镁的Al-Si系铸造合金，当用N₂精炼时，铝液中的Mg与N₂反应，形成MgN，会消耗一部分Mg含量。

鉴于上述精炼剂中，除氩气、氮气外，大都存在对人体有害的毒性，故人们均在开发无毒精炼剂，尽管很有吸引力，但存在争议，观点上还未臻一致。

③我国较常用的无毒精炼剂，有人针对其无毒性提出质疑，其原因不可不究。无毒精炼剂通常是由硝酸钠、石墨粉、氯化物、耐火砖粉、冰晶石粉等组成，有些还加入六氯乙烷，应属复合型精炼剂。

较常用的无毒精炼剂为硝酸钠36%+石墨粉（也有用煤粉的）6%+食盐28%+耐火砖粉30%，其加入铝液的量为0.5%。

无毒精炼剂中的硝酸钠与石墨粉中的碳起反应：

4NaNO₃+5C→2Na₂CO₃+2N₂+3CO₂↑

2Na₂CO₃→2Na₂O+2CO₂↑

3Na₂O+2Al→Al₂O₃+6Na

利用上述反应产生的N₂和CO₂气泡来去除Al₂O₃夹杂物，因为N₂和CO₂为无毒，无刺激气味，故称之为无毒精炼剂。而且，能使Na进入铝液中，故兼有一定的变质作用。缺点是没有氯、氟等有效成分，净化效果欠理想；另外，由于存在较多的不参与反应的缓冲剂，如耐火砖粉等，故铝液中含渣量比其他精炼方法要多。但无毒精炼剂价格便宜，又无嗅、无味，因此，工人乐于采用，通常适用于不重要的中、小型铝铸件。

而反对者则认为，无毒精炼剂根本反应不出N₂，而是产生O₂、NO、NO₂和CO₂，其反应为：

a.在380℃时，加入铝液中的NaNO₃进行下述反应：

2NaNO₃→2NaNO₂+O₂↑

b.分解出的氧，优先于石墨中的碳，而与铝进行反应：

2Al+（1/2）O₂→Al₂ O₃

c.在高温下，NaNO₃继续分解为Na₂ O、NO和NO₂：

4NaNO₂→2Na₂ O+2NO↑+2NO₂↑

d. 2NO₂→2NO+O₂↑

e. 3Na₂O+2Al→Al₂ O₃+6Na

因此，无毒精炼剂在铝液中，反应的结果是产生O₂、NO、NO₂和CO₂等气体，而且认为NO₂的毒性远高于AlCl₃等。

还有研究指出：铝液中存在CO₂气泡时，会妨碍铝液中去氢。因为在铝液中的CO₂气泡，其表面会被一层Al₂O₃夹杂物包覆，抑制了存在于铝液中的氢原子向气泡扩散，故妨碍去氢。

当然，这样的争论是有益的，既能活跃学术气氛，也有可能最终得出真实结果，并推动无毒精炼剂的开发向前迈出一大步。

④为防止熔炼铝合金用铁质坩埚及熔炼工具使铝液增碳，通常不可不涂敷涂料。铝合金开始熔炼前，通常必须在干净的、温度为200℃左右的铁质坩埚内壁和工具表面喷涂料，所采用的涂料成分及配比见表3-157。

表3-157 铝合金用铁质坩埚、工具和锭模涂料

①水玻璃密度1.45～1.55g/cm³。

②用于铝—镁合金。

上述涂料配方中，采用的耐火粉料有白垩粉、滑石粉、氧化锌（ZnO，别名锌白）、硅石粉和石棉粉等，也有用氧化铝粉的；粘结剂主要是水玻璃，少量用耐火粘土；载液主要为水，很少用酒精的。用白垩粉作耐火粉料时，白垩粉在高温时产生分解反应：

的工具舀取铝液时，起初有CO₂产生，形成气泡，但是反应产物CaO、MgO仍能紧密地粘在坩埚或熔炼工具上，涂料不易剥落，因此该耐火粉料涂料不仅适用于熔铝工具，也有用于坩埚的。如果用氧化锌作耐火粉料，用它配制的涂料和铝液接触过程中，产生下列反应：

3ZnO+2Al→Al₂O₃+3Zn

反应结果，氧化锌被破坏，涂料较易剥落，但是，氧化锌有一种特点，当工具预热至约350℃时，涂料由白色转为杏黄色，可借以估计熔炼工具的温度，判断是否吸附水气。其次氧化锌不会分解产生气态产物，因此，氧化锌涂料除用来涂敷熔铝工具外，像7号、8号涂料也常用于喷涂锭模型腔、锭模浇冒口。采用由滑石粉或硅石粉为耐火粉料配成的5号、3号、4号涂料，其中的滑石粉、硅石粉在铝合金熔炼过程中，既不会分解产生气态物质，也不会与铝液发生反应，因此，常用作坩埚涂料。

坩埚在约200℃喷好涂料后，应升温至暗红色（500～600℃），方可开始装料。

4）铝合金配料及其禁忌：

①根据铸件所指定的铝合金牌号进行配料时，不可忽视对材料的合理利用。根据铝合金铸件所指定的牌号进行配料计算时，通常为按牌号查出所规定的化学成分范围，以及杂质元素的含量限制，按化学成分含量范围的中值（平均值）或稍为偏高一点选定。而配料计算主要是根据选定的各元素的需要量来搭配金属料，以满足合金质量要求。一方面，是依据新金属料、预制合金锭、回炉料、中间合金的化学成分和杂质含量，各元素的烧损率，每一炉次的投料量等，配出合乎要求的化学成分；另一方面，是在保证质量的前提下，要多用一些纯度较低的新金属或回炉料，以使各种金属炉料得到合理利用。通常在炉料中用30%～80%的回炉料，而对于重要的铸件，回炉料的加入量一般不宜超过30%。

②配料计算时，选定合金元素在熔炼过程中的烧损率，一般不会相同。元素烧损情况因金属炉料状态，加入方法、熔炼设备和熔炼工艺等不同而不同，变化范围较大，通常在下述范围：铝1%～3%、硅0.5%～2.0%、铜0.5%～3.0%、锰0.5%～3.0%、镁2%～20%、锌1%～5%、镍0.5%～1.0%、铍0.5%～1.0%、钛1%～2%。更详细的烧损情况，可见表3-158。

表3-158 铸造铝合金熔制时元素的烧损率（质量分数，%）

注：本表中数值适用于中间合金熔制工作合金。

需特别指出的是镁的烧损。当熔炼ZL104牌号时，采用钠盐-无毒精炼剂熔炼时，其镁的烧损率为20%，而采用锶合金-氩气熔炼时，其镁的烧损率为6.7%。另外，锌、镁等以纯金属形式加入时，烧损量增加，锌烧损率达10%～15%，镁达15%～30%。

③为较好掌握铝合金配料计算，不可不知其炉料的计算程序及具体计算方法。铝合金的配料计算主要是如何搭配金属料，以满足规定的合金化学成分及整体质量的基本要求。现以熔制代号为ZL104合金80kg作为实例，说明其计算程序及其具体计算方法。对ZL104合金来说，其目标成分为硅（Si）9%，镁（Mg）0.27%，锰（Mn）0.4%，铝（Al）90.33%，杂质铁（Fe）应不大于0.6%，其他杂质从略。假定炉料库已有的各种炉料的成分为：

铝锭：铝99.5%、铁0.3%；镁锭：镁99.8%；

Al-Si中间合金：硅12%、铁0.5%；Al-Mn中间合金：锰10%、铁0.45%；(www.daowen.com)

回炉料：硅9.2%、镁0.27%、锰0.4%、铁0.4%；制定回炉料量：由于铸件生产过程中，必然会有浇冒口、废品等回炉料。所以，在配料中必须要考虑加入一定量的回炉料，本配料制定回炉料占炉料总量的30%，即回炉料P=24kg。

现介绍熔炼ZL104合金液80kg炉料的计算程序及其具体计算方法：

a.先计算包括烧损量在内的各元素的需要量：

（a）确定各元素的烧损率E：E_Si1%，E_Mg20%，E_Mn0.8%，E_Al1.5%。

（b）计算包括烧损在内的100kg炉料内各元素的需要量Q

Q=（牌号要求的成分）/（1-烧损率）Q_Si=9/（1-E_Si）=9/（1-1%）=9.09kg

Q_Mg=0.27/（1-E_Mg）=0.27/（1-20%）=0.34kg

Q_Mn=0.4/（1-E_Mn）=0.4/（1-0.8%）=0.40kg

Q_Al=90.33/（1-E_Al）=90.33/（1-1.5%）=91.71kg

（c）根据熔制合金的实际质量，即80kg所需元素量，以A表示

A_Si=Q_Si×80%=9.09×80%=7.27kg

A_Mg=Q_Mg×80%=0.34×80%=0.27kg

A_Mn=Q_Mn×80%=0.40×80%=0.32kg

A_Al=Q_Al×80%=91.71×80%=73.37kg

b.计算已制定的24kg回炉料中各元素的含有量B

B_Si=24×9.2%=2.21kg

B_Mg=24×0.27%=0.07kg

B_Mn=24×0.4%=0.1kg

B_Al=24×89.73%=21.54kg

c.计算应补加的各新元素质量C

C=A-B

C_Si=7.27-2.21=5.06kg

C_Mg=0.27-0.07=0.20kg

C_Mn=0.32-0.1=0.22kg

d.计算应补加的Al-Si、Al-Mn中间合金的质量D

D=C/F（F为中间合金中所含该元素的质量分数）

D_Al-_Si=CSi/（12%）=5.06×（100/12）=42.17kg

D_Al-_Mn=CMn/（10%）=0.22×（100/10）=2.2kg

Al-Si、Al-Mn中间合金带入的铝量

Al_Al-_Si=42.17^-5.06=37.11kg

Al_Al-_Mn=2.2-0.22=1.98kg

e.计算应补加的纯铝量Al_纯

Al_纯=A_Al-（B_Al+Al_Al-_Si+Al_Al-_Mn）=71.37-（21.54+47.11+1.98）=12.74kg

f.实际的炉料总重W

W=Al_纯+D_Al-_Si+D_Al-_Mn+C_Mg+P=12.74+42.17+2.2+0.20+24=81.31kg

g.核算100kg合金的杂质含量u（以铁为例）

u=Al_纯×0.3%+D_Al-_Si×0.5%+D_Al-_Mn×0.45%+P×0.4%=12.74×0.3%+42.17×0.5%+22×0.45%+24×0.4%=0.355kg

炉料中铁的质量分数

u_Fe=（0.355/80）×100%=0.44%

（2）铸铝合金的熔炼工艺及其禁忌

1）为得到优质的铝液，熔炼中不可不注意遵循的几项原则。为得到优质铝合金液，熔炼中应注意的几项原则叙述如下：

①炉料成分准确，清理干净并且充分预热。

②熔炼工具及坩埚应仔细清理，喷涂适当涂料并经充分干燥。严格避免铁质工具直接与铝液接触。

③所用覆盖剂、精炼剂及变质剂必须脱水处理。熔剂使用前应该烘烤。

④避免炉气与铝液直接接触，必要时使用覆盖剂。

⑤快速熔化，但应注意坩埚的“热惯性”，避免合金过热。

⑥熔炼过程中，尽量保持氧化膜的完整，避免不必要的搅拌，搅拌时，搅拌勺应上下运动，不要破坏表面氧化膜。

⑦精炼后，熔液应除渣，镇静5～15min后浇注，或再进行变质处理。

2）熔制铝合金时，其装料顺序必须遵循一些原则，不可随意。装料顺序对保证快速熔化、减少元素烧损、提高熔炉的生产率有很大关系，它取决于炉料的熔点、相对数量、相互间的溶解度和炉料的烧损情况等，其原则是：

①当用铝锭和中间合金进行熔制时，首先装入（全部或部分）铝，然后加入中间合金。

②当用预制合金锭进行熔制时，首先装入预制合金锭，然后补加所需数量的中间合金。

③当炉料由回炉料和铝锭组成时，首先熔化炉料中最多的那一部分。

④当熔炉的容量足以同时装入几种炉料时，则应首先一起装入熔点相近的成分。

⑤容易烧损和熔点低的炉料，如镁和锌，应在最后加入。

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。

⑦采用覆盖剂时，应在炉料开始熔化时就加入熔剂。

3）铸造铝合金可能采用的熔炼工艺不可忽视。铸造铝合金的熔炼方法有常规熔制法、合金锭重熔法和一次熔炼法三种。合金重熔法，实际上是铸造厂购买合金代号相同的铝合金锭进行重熔，这是今后的发展方向。一次熔炼法，大部分合金元素均以纯金属的形式加入，不用中间合金，这就使熔炼合金时能耗下降，并可提高劳动生产率、降低成本，近年来国内有些工厂在实践中获得良好的效果。目前采用较多的，是常规熔制法，采用的金属炉料有纯金属炉料、回炉料、中间合金、预制合金锭等，这也是本书将重点阐述的。

4）Al-Si类合金熔炼时，吸气倾向很大，不可忽视其熔炼工艺中应抓住的要点。Al-Si类合金熔炼时，吸气倾向很大，熔炼过程中，每道工序都要注意这一点。以下以ZL104合金熔炼工艺为例，说明工艺要点。

①熔化前准备：把加入的炉料计算称好，炉料表面应无污垢、粘砂，浇道中的铁质过滤网应事先除去。坩埚壁及工具上之残渣、铁锈和旧涂料等脏物也应清除干净。坩埚和工具都应预热到150～200℃，并喷好涂料。

②坩埚喷好涂料后，升温至500～600℃，呈暗红色时，开始装料。炉料也要预热到300～400℃（至少150～180℃）。预热温度越高，熔化速度越快，但温度过高，会使炉料失去强度，反而不便装料。严禁把冷料直接加入铝液中，否则会使铝液飞溅，甚至爆炸。

③通常先加熔点较低的回炉料，Al-Si合金锭，再加熔点较高的铝锭，待其全部熔化后，升温至700～710℃时再加入经预热的Al-Mn中间合金，同时轻轻搅动铝液以加速熔化，并使其成分均匀，待温度降至680～700℃，迅速用钟罩将镁锭压入铝液中，利用氧化铝薄膜保护铝液，因此，不要过分搅动，以免破坏保护膜。

④升温至720～750℃进行精炼，例如用钟罩把0.4%C₂Cl₆块分数次压入铝液中，精炼6～12min，完毕后，静置、除渣，同时浇注含气量试样及炉前光谱分析试样。

⑤温度至730℃左右进行变质处理，通常为在铝液上撒2%三元变质剂，保持15min，再搅拌2min，扒渣，再浇注检查变质效果的试样。

⑥浇注：铝液质量合格后，在700～750℃进行浇注，并在30min内浇注完毕。浇注厚大件，要在压力下结晶。

近年来推荐直接加硅、加锰，具有一定的优点。加料次序改为先投铝锭，升温至700～730℃，把预热至600～700℃的结晶硅或电解锰直接加入铝液中，同时吹氮精炼，搅拌铝液，加速结晶硅、电解锰的熔化，全部熔清后，用回炉料降温后加镁，搅拌均匀后，即可进行变质处理。此法省去了熔制中间合金的工时、能源，免去了熔制中间合金的高温操作，对提高冶金质量有利。但熔制时，必须创造出确保铝液与结晶硅、电解锰的表面直接接触的良好合金化条件，直至熔清。不宜随便翻动液面上的结晶硅、电解锰，防止在其表面生成SiO₂或MnO膜，再外包一层Al₂O₃，隔断铝液和结晶硅、电解锰的接触，阻止合金化过程，这样，熔炼就会失败。

5）Al-Cu类合金熔炼时，如果成分中含钛，不可不防钛可能产生偏析；而且不可忽视其中某些Al-Cu合金对杂质铁、硅敏感问题。Al-Cu类合金在熔炼过程中吸气和氧化倾向相对低些，又不需变质处理，熔炼过程较容易控制一些，以熔炼代号为ZL201合金为例，它对杂质铁、硅很敏感，最好用石墨坩埚，而且不可使用熔炼过含镁合金的坩埚，因为镁作为ZL201合金杂质，其允许含量不大于0.05%。其熔炼工艺要点是：严格控制化学成分和杂质含量，防止产生钛偏析、沉底。为此，应使用纯度较高的铝锭，回炉料加入量不能超过60%，配料时，要掌握准确的各元素的熔耗率，并验算铁、硅含量；用MnCl₂精炼时，应考虑精炼剂带入合金液的锰量。

防止和消除钛偏析的工艺措施有：

①不允许使用成分不均匀，存在大片状TiAl₃或冶金质量差的Al-Ti中间合金；配料时，钛含量控制在0.15%～0.30%之间。

②熔炼时，加强搅拌，尽量采用感应电炉熔炼。

③尽量缩短搅拌后到浇注铸件时的保温时间，不要超过20～30min。

6）熔制ZL201合金时，常用二次熔炼法，不可忽视其熔炼工艺要点。熔制ZL201合金时，锰、铜、钛分别以Al-Mn、Al-Cu、Al-Ti中间合金形式加入，也可以用K₂TiF₆加入钛。为了获得成分准确、冶金质量高的合金，常用二次熔炼法，先熔制预制合金锭，第二次快速熔化，调整成分后即进行浇注。

①熔制预制合金锭：

a.装料顺序：先熔化铝锭及Al-Mn、Al-Ti中间合金，然后加入Al-Cu中间合金，熔化后，升温至740～750℃，保温10～15min，充分搅拌。

b.在720～730℃分批加入MnCl₂（共占炉料重0.2%），精炼后，静置5～10min，扒渣，至670～720℃浇锭。

②快速熔化工作合金：

a.待炉料（预制合金及回炉料）熔化后，升温至740～750℃搅拌。

b.用占炉料重0.2%的MnCl₂在720～730℃精炼，最后静置5～8min。

c.扒渣、调整温度后浇注。

在熔炼工艺成熟，能准确控制合金成分，保证合金质量的条件下，可以省去熔制预制合金锭这道工序。

7）熔制铸造铝合金中的Al-Mg合金例如ZL301时，通常不能在焦炭坩埚炉内熔炼；不宜用石墨坩埚熔炼；也不宜在感应炉内熔炼；而且切忌合金液面无覆盖剂。Al-Mg类合金在高温下，有强烈的氧化和吸气倾向。含镁合金氧化膜不能起保护作用，所以Al-Mg类合金必须在以光卤石为主[80%光卤石（MgCl₂·KCl）+20%氟化钙；没有光卤石时，可用工业MgCl₂40%～60%，工业KCl60%～40%配制而成]的熔剂覆盖剂下熔炼。ZL301合金不允许过热，熔炼温度不得超过700℃，一般不能在焦炭坩埚炉内熔炼，因为不容易控制炉温；也不宜在感应炉内熔炼，因为铝液剧烈地翻滚，会使铝液大量氧化、吸气，最好选用中性炉气的电阻坩埚炉。

选用坩埚时，由于石墨坩埚或粘土坩埚中含有二氧化硅，和铝液接触会产生下列反应：

3SiO₂+4Al→3Si+2Al₂O₃

SiO₂+2Mg→Si+2MgO

引起渗硅，而ZL301合金中硅、铁对其力学性能影响很大，均限制在≤0.3%，故最好使用铸钢坩埚。为防上渗铁，坩埚内壁应涂敷涂料。

8）具体熔制ZL301合金时，不可不熟悉其熔炼工艺要点。熔制时，先在暗红色的坩埚内撒入经预熔脱水的光卤石，然后装入预热的回炉料及铝锭，化清后加入Al-Ti中间合金，再在670～690℃时，将镁锭压入铝液，并缓慢移动，熔完后，搅拌，并静置5～8min；于660～680℃时，进行精炼，然后在熔剂层上撒上占熔剂重15%～20%的粉状CaF₂或Na₂SiF₆，起辅助精炼作用，稠化熔渣。浇注时，把浮（熔）渣撇在一边，用茶壶包舀取铝液。

对重要的铸件，常进行二次熔炼。第一次精炼后的铝液浇入预制合金锭模时，须在裸露的液面上撒上硫磺粉50%+硼酸50%的混合物，以防止氧化；预制锭浇得要薄，以获得细晶粒组织。二次熔炼时要快速熔化，调整成分后低温浇注，能保证合金的力学性能。

9）为提高ZL301合金的力学性能，通常不可不用氟锆酸钾（K₂ZrF₆）进行变质。为提高ZL301合金的力学性能，可用氟锆酸钾（K₂ZrF₆）进行变质，变质温度为780～800℃，在此温度下在合金液面上均匀地撒上一层经烘干、粉碎的氟锆酸钾，加入量为炉料重的1%，保持10min左右，将氟锆酸钾压入铝液，搅拌2～3min，当液面开始泛金黄色，用工具推开液面后颜色发蓝时，说明反应正常。此时的铝液内部发生下列反应：

K₂ZrF₆+2Mg→2MgF₂+2KF+Zr

3K₂ZrF₆+4Al→4AlF₃+6KF+3Zr

3Al+Zr→ZrAl₃

MgF₂、KF、AlF₃等有辅助精炼作用，ZrAl₃是α（Al）的异质核心，细化晶粒。锆还能夺取铝液中的氢，生成氢化锆ZrH，既降低氢含量，减轻了铸件的疏松和氧化，也提高了合金的充型能力。加入0.03%～0.20%锆后，合金的力学性能显著提高：σ_b=360MPa，δ=18%，HBW=90，即比ZL301合金高得多。

10）具体熔制铸造铝合金中的Al-Zn合金ZL402时，不可不熟悉其熔炼工艺要点。熔制时，坩埚底部先撒光卤石（可用MgCl₂60%+KCl40%），再装铝锭、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金；全部熔化后，压入锌锭（镁在精炼后加入）；温度至730～750℃时，进行精炼，例如用0.10%～0.15%MnCl₂或0.2%～0.5%C₂Cl₆精炼；静置5～10min，扒渣，并用钟罩压入镁锭；扒渣、搅拌、调整温度后浇注。

（3）铸铝合金液质量的炉前控制及其禁忌

1）不可忽视对铝液质量进行炉前检查与控制应包括的主要方面。炉前检测是控制铝合金熔炼工艺，保证铸件质量的重要手段，尤其在采用大容量熔炉进行大批量生产时，更为重要。炉前检测的项目包括：化学成分分析、温度测量与控制、变质效果检查、气体含量检查（针孔度级别）、夹杂物含量等方面，以求达到所熔炼的铝液：温度合适，成分在规定范围，变质效果良好，含气量低和夹杂物少。其中，铝液温度通过各种测温仪表来确定，而化学成分的炉前分析，一般通过炉前光谱直读仪测量，同时，往往还应在铝液精炼前，浇注单铸化学分析试样，或者在铸件冒口上取试样进行化学分析。对于大炉（100kg以上），应在浇注过程的前、中后，各取1～2个试样进行化学分析。而其他方面的检测和控制将在下面有关题目分别介绍。

2）为能尽快查明Al-Si合金变质后的效果，不可忽视一些简便易行的炉前检测方法。为确保Al-Si合金变质后的质量，必须对变质效果进行炉前检查。常用的简便易行的方法有：

①根据弯角判断：浇注ϕ15mm×200mm的变质合金试样、冷却后，将试样弯曲（折角）判断，断裂角度小于90°，且断口呈银白色细晶组织，则表明变质良好。如果断裂角度很大，断口晶粒粗大，呈暗灰色、有闪亮的小点，则为未完全变质，应重新进行变质处理。ZL104、ZL101合金试样弯角可以小于90°而不折断。

②试样断口检查：干型明浇90mm×40mm×12mm的扁平试样；或在金属型内浇注扁平形试样（25mm×6mm矩形试片）；或在砂型内浇注ϕ15mm×30mm的圆棒状试样，试样冷却后击断，观察其断口，变质效果良好时，断口呈银白色，断口平整，组织晶粒细小，呈丝绒状，无明显的硅亮点，有时可见细小分布均匀的硅亮点；变质过度，断口呈青灰色，有闪亮白点，断口不平整，组织粗大，可适当延长静置时间，让变质剂，例如钠逸出一些；变质不足时，断口呈暗灰色，断口较平整，组织晶粒粗大，有硅的闪亮小点，应补加适量变质剂，重新进行变质处理。

③液面花纹鉴别法：未变质试样，液面光泽发亮；变质后试样液面出现蓝紫色亮纹，并逐渐呈灰白色，后出现花纹，花纹粗、明显，分枝发达，则变质完全，凝固后，试样表面无银白色光屏，呈淡灰色，并有明显花纹。采用此法，需要有一定的经验，适用于ZL102合金。

3）气体对铝合金的力学性能危害较大，不可忽视对铝液含气量的检测。铝液中的气体主要是氢气，其量占到总气体量的85%。所以，对铝合金而言，气体对其质量的影响，主要是氢的影响。氢主要来源于水分，包括炉料、坩埚涂料、空气中的含水量等；再就是铝液的过热温度、铝液在高温的保持时间。过热温度越高，保持时间越长，其氢含量就越高，分别见表3-159～160。为此，必须在铝液精炼时注重除气，而且应及时进行铝液含气量的炉前检测和控制。含气量的检测方法较多，这里仅介绍常压凝固试样法和减压凝固试样法（见表3-161）。常压凝固法操作简便，但灵敏度不高。当含气量较高时，在凝固过程中，刮去表面氧化皮的试样表面会有小气泡冒出，越接近凝固温度，冒的气泡越多。对比精炼前后凝固试样表面情况，有无小气泡冒出，即可判断精炼效果。一旦精炼后的铝液所浇试样冒泡，说明净化效果差，需重新精炼。

表3-159 铝液温度与氢含量的关系

表3-160 铝液高温保持时间与氢含量的关系

当将凝固后的试样敲断，其断口如出现白点，则是含气断口。白点有两种：一种呈圆点状，面积不大，彼此不相连，这种白点就是针孔的孔穴，孔穴圆而光滑；另一种呈片状，面积较大，有时连成一片，看不出明显的孔穴，呈棉絮状，这是由网状针孔所形成。用显微镜观察，可以看出白点的孔壁是由α（Al）枝晶所组成，因而呈白色。根据断口中有无白点及白点形态、多寡，很容易判断净化效果。

表3-161 铝合金含气量的部分检测方法

常压凝固试样法一般适用于Al-Si类合金，对于Al-Cu、Al-Mg类合金，由于熔化潜热低，凝固速度比Al-Si类合金快，气泡来不及冒出，不易判断；其次，它的灵敏度低，当铝液含气量低于0.5mL/100g时，不易看到气泡，但砂型铸件会产生气孔；当雨季下雨，空气相对湿度大时，又会出现反应过敏，净化效果好的铝液也会冒小气泡，易引起误判。因而浇注重要铸件时，应采用灵敏、可靠的检验方法。减压凝固法是用得最多的一种。

减压凝固法的灵敏度比常压凝固试样法高得多，不受大气湿度影响；积累经验后，能定性地快速测出铝液中含气量的多少，但需要一套测定装置（见图3-135）。测试时，定量铝液放在小坩埚（样杯）中，快速降压，由凝固过程液面的上凸及下凹状态判定含气多少。