铸造有色合金及其熔炼

第三节　铸造有色合金及其熔炼

铸造有色合金极少使用纯金属，大量使用的是合金，常用的铸造有色合金有铝合金、铜合金、镁合金和轴承合金等。

一、铸造铝合金

铸造铝合金是以铝为基础，分别加入其他元素的合金。其中，铝的质量分数为85%～95%。铝合金是应用很广的轻合金，它密度小，塑性高，具有良好的导电、导热、耐蚀性能，力学性能好，铸造性能亦好。

1.铸造铝合金的分类、牌号及化学成分

铸造铝合金分为铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金、铸造铝锌合金。铸造铝合金的部分牌号、代号及化学成分见表5-9。

表5-9　铸造铝合金牌号、代号及化学成分（摘录GB1173—86）

2.铸造铝合金的铸造性能及铸造工艺要点

（1）铸造铝合金的流动性。铸造铝合金熔点低，因此流动性好。造型时，要求砂粒较细，砂型紧实度高，分型面和芯头等处间隙小。

（2）铸造铝合金的氧化。铝的化学性质很活泼，所以很容易氧化。而且氧化物的密度接近了铝的密度，且不溶于铝，熔点也较高，因此很难从铝液中除去而成为夹杂物。在熔炼时，应加强精炼操作，并用覆盖剂严密覆盖铝液表面，浇注时防止冲击、飞溅，浇注系统应有除渣和集渣功能。

（3）铸造铝合金的吸气性。铸造铝合金很容易吸气，而且铝铸件易形成针孔缺陷。为防铸造铝合金吸气，在精炼时应加强液面覆盖，还应对炉料进行去污干燥，铸造工艺上，应增大型、芯的排气，尽量提高型的冷却速度，如采用金属型或外冷铁，可以防止溶解在金属液中的气体的析出。

（4）铸造铝合金的缩孔、缩松和热裂。铸造铝合金的结晶凝固温度范围较大，所以容易产生缩松或缩孔缺陷，同时也容易产生热裂缺陷。防止方法一是加快冷却，二是要安放冒口补缩，为防热裂要采用退让性好的砂芯，如树脂砂芯、油砂芯等。

3.铸造铝合金的熔炼

（1）熔化设备。熔化铝合金的用炉一般有坩埚炉和反射炉两类。一般中、小厂普遍采用坩埚炉熔炼铝合金；生产大型铝合金铸件采用反射炉。

坩埚炉是一种结构简单的熔炼设备，如图5-13所示。工作时把熔炼的金属炉料放在坩埚中，炉料不与热源直接接触，因此不受炉气和硫的污染，合金不易烧损，成分好控制，但此种炉子热惯性大，合金温度较难控制。

图5-13　坩埚炉

（a）燃料坩埚炉（b）电阻或感应坩埚炉

目前使用的坩埚炉一般都是固定式，即将炉体固定在具有倾动机构的支架上，当合金熔炼完毕后，炉体倾转，将坩埚内液体转注于浇包中进行浇注。

坩埚是用陶瓷、石墨或碳化硅和粘土或钢铁制成的容器，非铁质坩埚适用于熔化熔点较高的铜合金等；铁质坩埚常用于熔化低熔点的铝、锌、镁等合金。

（2）炉料。铸造铝合金的炉料由金属材料、熔剂和变质剂等组成。

金属炉料包括新金属、回炉料和中间合金。新金属炉料一般为纯铝锭，按纯度和用途分类，通常用于降低炉料中的杂质含量，根据铸件质量和化学成分选用。

回炉料是指生产中的浇冒口和废铸件等。

中间合金是为把一种或多种难熔或易烧损元素加入铸造铝合金中而特殊制备的合金。熔炼铝合金常用的中间合金有铝硅中间合金、铝铜中间合金和铝锰中间合金。

熔剂是在熔炼过程中能降低杂质熔点，形成流动性好的熔渣。可分为覆盖剂和精炼剂。覆盖剂防止液态金属氧化、吸气，常用的是50%KCl、50%NaCl的混合物。精炼剂可去除非金属杂质。铝合金常用的精炼剂有氯化锌、六氯乙烷、氯气、氮气以及由氯化钠、氯化钾、冰晶石等组成的精练剂。

变质剂是改善合金的结晶组织和性能的添加剂。铝合金常用的变质剂是氯化钠、氯化钾、氟化钠等盐类混合物，有67% NaF，33%NaCl组成的二元变质剂，25%NaF，62%NaCl，13% KCl组成的三元变质剂。

（3）铸造铝合金的熔炼工艺大致分为以下几个环节：

熔化前的准备→装料→熔化→调整化学成分→精炼→变质处理→调整炉温→浇注。

首先对炉料、坩埚进行清理及预热，对操作工具（撇渣勺、取样勺、钟罩、夹料钳等）进行烘烤，对铁质工具需涂刷涂料（石墨，水玻璃，水的混合物）并烘干。

然后装料，坩埚预热至暗红色，依次加入2/3铝锭，全部铝—锰中间合金，2/3铝—钛中间合金和余下的1/3铝锭。中间合金应加入坩埚底部再加铝锭。待所加炉料熔化后加入铝—铜中间合金，升温至700～740℃加入余下的1/3铝—钛中间合金，仔细搅拌3～5min，直至铝—钛中间合金熔化，并清渣。

清渣后进行精炼，在700～730℃将六氯乙烷分批用钟罩压入合金液中，历时5～15min。六氯乙烷的用量为铝合金液质量分数的0.4%～0.5%。

精炼后再用变质剂进行变质处理，处理温度725～740℃。随后扒除液面熔渣，进行炉前检验，升至浇注温度进行浇注。浇注温度一般为690～730℃，最好不超过740℃，要根据铸件结构情况而定。

二、铸造铜合金

铸造铜合金以质量分数53%～90%的铜为主，分别加入适量的锡、锌、铅、铝、铁、锰等元素，获得各种具有较高强度和很高韧性以及耐磨性和耐蚀性的铜合金铸件。

1.铸造铜合金的分类及牌号

分类如下：

根据GB1176—87规定，铸造铜合金牌号、名称及主要元素质量分数见表5-10。

表5-10　铸造铜合金的牌号、名称及主要元素质量分数（摘录GB1176—87）

2.铸造铜合金的铸造性能及铸造工艺要点

根据铸造铜合金的种类不同，其铸造性能分述如下。

（1）铸造锡青铜。锡青铜结晶凝固温度范围大，呈体积凝固方式，所以缩松、热裂和偏析倾向大。但锡青铜氧化倾向小，线收缩率小。锡青铜还容易产生反偏析，即在凝固过程中易产生“锡汗”。

因此，对于锡青铜铸件的生产，要尽量提高冷却速度和采取顺序凝固原则，以利于补缩，防止产生缩松和缩孔。要尽量减小型、芯对铸件收缩的阻碍，防止铸件产生热裂。

（2）铸造铝青铜。这种合金收缩大，易氧化。同时结晶凝固温度范围小，凝固收缩量较大，所以易产生缩孔。由于线收缩量大，铸造应力较大且冷裂倾向大。由于铝在高温时易氧化，所以在熔炼铝青铜和浇注时会产生大量氧化夹杂物。

铸造铝青铜铸件时，熔炼要快速，少搅拌，覆盖好液面。浇注系统要有好的挡渣设施，并要保证液流平稳。为消除缩孔，设置冒口补缩，并要合理开设内浇道消除热节，降慢冷速，同时要减小对铸件型、芯的阻碍，以防止铸件产生裂纹。

（3）铸造黄铜。铸造黄铜中含有锌，锌的汽化点为907℃，铸造黄铜的熔点在900℃左右，所以，在熔炼和浇注时，锌有极大的蒸发和氧化倾向。铸造黄铜流动性好，但锰黄铜收缩大，易产生缩孔和冷裂、变形等缺陷。

铸造黄铜铸件在生产时，要尽量降低浇注温度，浇注系统要保证顺序凝固，均匀冷却，还要保持液流平稳。同时挡渣集渣要好，还要设冒口补缩。选用退让性好的砂芯，减少铸造应力，防止裂纹和变形。

3.铸造铜合金熔炼的一般原则

铸造铜合金的种类较多，铜合金的种类不同，其熔炼工艺亦不同，但都遵循某些共同的工艺原则，概括起来有以下几点。

（1）金属炉料必须进行表面处理（清除表面油污、砂土、水分及氧化物）和预热。熔剂必须焙烧、预熔（如ZnCl₂）。坩埚使用前必须焙烧至暗红色（600℃以上），以免开裂。

（2）采用“快速熔炼”的原则。为防止氧化和吸气。整个熔炼过程尽量采用高温，大风量，炉料要充分预热，料块要小，加料要迅速，铜水在炉内停留时间要短，达到出炉温度后应尽快浇注。

（3）除普通黄铜（高锌）外，所有铜合金都要脱氧。加磷脱氧可分二次进行：紫铜熔化后加2/3磷脱氧，浇注前加1/3磷脱氧。

（4）采用氧化法去气时，铜合金液表面不应加木炭或其他非氧化性熔剂覆盖，开始时炉气必须保持为氧化性，脱氧及加入合金元素后可改为弱氧化性炉气。

（5）浇注前应进行炉前检验，包括弯曲试验、断口检查、含气性试验等。重要件需进行炉前化学成分分析。锡青铜一般不进行弯曲试验。

（6）严格控制浇注温度，尤其应防止铜合金液过热。浇注前应将熔渣扒净，充分搅拌，并用热电偶测量温度，之后在铜液表面覆盖一层草灰和干燥碎木炭。浇注要求快而平稳。常用的铜合金的浇注温度如下：锡青铜1120～1200℃；含磷锡青铜为980～1050℃；铝青铜为1100～1180℃；特殊黄铜1000～1060℃。

（7）弯曲试验检验。精炼末期对铜合金进行弯曲试验检验，检查铜合金的力学性能和化学成分是否合格。检验方法是：将合金液浇入预热到200℃的金属型中，见图5-14（a）。待冷凝后投入水中冷却至常温，将试样一端固定在台虎钳钳口上，用锤击露出端，使其弯曲，直到折断，如图5-14（b）。对折断试样检查折断角度α，是否与合金牌号所规定的折断角度范围相符。

图5-14　铸造铜合金的弯曲试验

如果折断角度过大，说明主要合金元素含量不足，黄铜则需补加锌，铸造青铜按不同种类，分别补加锡、铝等主要元素。如果折断角过小，说明合金元素过多，需补加紫铜。

（8）除气效果检验。经过精炼的铜合金（铝合金）液都要进行除气效果检验。检验方法是将合金液浇入预热到300～400℃的铸型内，如图5-15（a）所示。对于铜合金，观察液面有无气泡逸出，更主要是观察铜合金液凝固后自由表面的凸凹程度，缩凹越大，除气效果越好，见图5-15（c）。对于铝合金是观察液态试样的自由表面气泡逸出情况，见图5-15（b）。若精炼效果好，则逸出气泡极少，甚至没有气泡逸出现象，否则精炼除气效果差。

图5-15　有色合金除气效果检验

（a）试样铸型（b）气泡逸出表现（c）自由表面的胀缩表现

本章小结

本章重点论述铸铁及其熔炼。铸铁包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。对铸钢及有色合金及其熔炼作一般论述。

本章主要内容有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁的牌号、力学及铸造性能与应用；铸铁的熔炼工艺及其具体的操作。铸钢的牌号；力学及铸造性能；铸钢的熔炼操作；铸造铝合金与铸造铜合金的铸造性能及其熔炼的具体操作。