鋁信訊 當(dāng)金屬熔化成分調(diào)整完畢后，接下來就是鋁液的精煉工序。鋁合金精煉的目的是經(jīng)過采取除氣、除雜措施后獲得高清潔度的、低含氣量的合金液。精煉有下列幾種方法：

　　加入氯化物（ZnCl2、MnCl2、AlCl3、C2Cl6、TiCl4等）；通氣法（通入N2、Cl2或N2和Cl2混合物）；真空處理法；添加無毒精煉劑法；超聲波處理。

　　按其原理來說，精煉工序有兩方面的功能：對(duì)溶解態(tài)的氫，主要依靠擴(kuò)散作用使氫脫離鋁液；對(duì)氧化物夾雜，主要通過加入熔劑或氣泡等介質(zhì)表面的吸附作用來去除。

　　（一）除氣

　　一般都是采用浮游法來除氣，其原理是在鋁液中通入某種不含氫的氣體產(chǎn)生氣泡，利用這些氣泡在上浮過程中將溶解的氫帶出鋁液，逸入大氣。為了得到較好的精煉效果，應(yīng)使導(dǎo)入氣體的鐵管盡量壓入熔池深處，鐵管下端距離坩鍋底部100mm～150mm，以使氣泡上浮的行程加長(zhǎng)，同時(shí)又不至于把沉于鋁液底部的夾雜物攪起。

　　通入氣體時(shí)應(yīng)使鐵管在鋁液內(nèi)緩慢地橫向移動(dòng)，以使熔池各處均有氣泡通過。盡量采用較低地通氣壓力和速度，因?yàn)檫@樣形成的氣泡較小，擴(kuò)大了氣泡的表面積，且由于氣泡小，上浮速度也慢，因而能去除較多的夾雜和氣體。

　　同時(shí)，為保證良好的精煉效果，精煉溫度的選擇應(yīng)適當(dāng)，溫度過高則生成的氣泡較大而很快上浮，使精煉效果變差。溫度過低時(shí)鋁液的粘度較大，不利于鋁液中的氣體充分排出，同樣也會(huì)降低精煉效果。

　　用超聲波處理鋁液也能有效地除氣。它的原理是通過向鋁液中通入彈性波，在鋁液內(nèi)引起“空穴”現(xiàn)象，這樣就破壞了鋁液結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，產(chǎn)生了無數(shù)顯微真空穴，溶于鋁液中的氫就迅速地逸入這些空穴中成為氣泡核心，繼續(xù)長(zhǎng)大后呈氣泡狀逸出鋁液，從而達(dá)到精煉效果。

　　（二）除雜

　　對(duì)于非金屬夾雜，使用氣體精煉方法能夠有效去除，對(duì)于要求較高的材料還可以在澆注過程中采用過濾網(wǎng)的方法或使熔體通過熔融熔劑層進(jìn)行機(jī)械過濾等來去除。

　　對(duì)于金屬雜質(zhì)，一般的處理方法是化有害因素為有利因素。即通過合金化方法將其變?yōu)橛幸娴牡诙啵岳诓牧闲阅艿陌l(fā)揮。如果一定要去除的，多數(shù)情況下是利用不同元素沸點(diǎn)差異進(jìn)行高溫低壓選擇性蒸餾，來達(dá)到除去金屬雜質(zhì)的目的。

　　由含鋁廢料熔煉成的鋁合金往往含有超標(biāo)的金屬元素，應(yīng)盡量將其除去。可以采用選擇性氧化，可將與氧親和力比鋁與氧親和力大的各種金屬雜質(zhì)從熔體中除去。例如，鎂、鋅、鈣、鋯等元素，通過攪拌熔體而加快這些雜質(zhì)元素的氧化，這些金屬氧化物不溶于鋁液中而進(jìn)入渣中，這樣就可以通過撇渣而將其從鋁熔體中去除。

　　還可以利用溶解度的差異的方法來除去合金中的金屬雜質(zhì)。例如將被雜質(zhì)污染的鋁合金與能很好溶解鋁而不溶解雜質(zhì)的金屬共熔，然后用過濾的方法分離出鋁合金液體，再用真空蒸餾法將加入的金屬除去。通常用加入鎂、鋅、汞來除去鋁中的鐵、硅和其他雜質(zhì)，然后用真空蒸餾法脫除這些加入的金屬。

　　例如將被雜質(zhì)污染的鋁合金與30%的鎂共熔后，在近于共晶溫度下將合金靜置一段時(shí)間，濾去含鐵和硅的初析出晶相，再在850℃下真空脫鎂，此時(shí)蒸氣壓高的雜質(zhì)如鋅、鉛等也與鎂一起脫除，除鎂后的純凈鋁合金即可鑄錠。

　　為了進(jìn)一步提高鋁合金液質(zhì)量，或者某些牌號(hào)鋁合金要求嚴(yán)格控制含氫量及夾雜物時(shí)，可采用聯(lián)合精煉法，即同時(shí)使用兩種精煉方法。比如氯鹽-過濾聯(lián)合精煉，吹氬-熔劑聯(lián)合精煉等方法都能獲得比單一精煉更好的效果。

　　（三）組織控制與變質(zhì)處理

　　1、亞共晶和共晶型鋁硅合金的變質(zhì)處理

　　鋁硅合金共晶體中的硅相在自發(fā)生長(zhǎng)條件下會(huì)長(zhǎng)成片狀，甚至出現(xiàn)粗大的多角形板狀硅相，這些形態(tài)的硅相將嚴(yán)重的割裂Al基體，在Si相的尖端和棱角處引起應(yīng)力集中，合金容易沿晶粒的邊界處，或者板狀Si本身開裂而形成裂紋，使合金變脆，機(jī)械性能特別是延伸率顯著降低，切削加工功能也不好。為了改變硅的存在狀態(tài)，提高合金的力學(xué)性能，長(zhǎng)期以來一直采用變質(zhì)處理技術(shù)。

　　2、變質(zhì)元素

　　對(duì)共晶硅有變質(zhì)效果的元素有：鈉（Na），鍶（Sr），硫（S），鑭（La），鈰（Ce），銻（Sb），碲（Te）等。目前研究主要集中在鈉，鍶，稀土等幾種變質(zhì)劑上。

　　（1）鈉變質(zhì)（Na）

　　鈉是最早而最有效的共晶硅變質(zhì)元素，加入方式有金屬鈉，鈉鹽及碳酸鈉三種。

　　金屬鈉最初采用的變質(zhì)劑是金屬鈉，鈉的變質(zhì)效果最佳，可以有效的細(xì)化共晶組織，加入較小的量（約0.005%～0.01%），即可把共晶硅相從針狀變質(zhì)成為完全均勻的纖維狀。但采用金屬Na變質(zhì)存在一些缺點(diǎn)，首先變質(zhì)溫度為740℃，已接近鈉的沸點(diǎn)（892℃），因此鋁液容易沸騰，產(chǎn)生飛濺，促使鋁液氧化吸氣，操作不安全。其次，鈉比重小（0.97），變質(zhì)時(shí)富集在鋁液表面層，使上層鋁液變質(zhì)過度，底部則變質(zhì)不足，變質(zhì)效果極不穩(wěn)定。同時(shí)，鈉極易與水氣反應(yīng)生成氫氣，增加鋁液的含氣量。鈉化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在空氣中極易和氧氣等反應(yīng)，一般要浸泡在煤油中保存，在使用前必須除去煤油，這也是一件難度很大的事情，但不除去又會(huì)給鋁液中帶入氣體和夾雜。

　　鈉鹽。生產(chǎn)中一般應(yīng)用的變質(zhì)劑是含NaF等鹵鹽的混合物，利用鈉鹽和鋁反應(yīng)生成鈉而起變質(zhì)作用。但這些鈉鹽極易帶入水氣，會(huì)增大合金吸氣氧化傾向，同時(shí)這些鈉鹽對(duì)環(huán)境具有腐蝕作用，對(duì)身體健康有損害。

　　碳酸鈉。以碳酸鈉為主的變質(zhì)劑是應(yīng)克服采用上述鈉鹽變質(zhì)的環(huán)保問題而開發(fā)的無公害變質(zhì)劑。也即利用碳酸鈉和鋁、鎂在高溫下反應(yīng)，生成鈉而起到變質(zhì)作用，此反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物都是無毒的。同樣，這類無公害變質(zhì)劑也存在著吸水而增加鋁合金吸氣氧化傾向的問題。

　　采用鈉變質(zhì)還有一個(gè)不容忽視的缺點(diǎn)，就是變質(zhì)效果維持時(shí)間短，是一種非長(zhǎng)效變質(zhì)劑。鈉鹽變質(zhì)劑的有效期只有30min～60min，超過此時(shí)間，變質(zhì)效果自行消失，溫度愈高，失效愈快。因此，要求變質(zhì)過的鋁液必須在短時(shí)間內(nèi)用掉，重熔時(shí)，必須重新變質(zhì)。而且，精確控制鈉變質(zhì)的過程是比較困難的，所以目前鈉變質(zhì)正逐漸被一些長(zhǎng)效變質(zhì)方法所取代。

　　（2）鍶變質(zhì)（Sr）

　　鍶（Sr）是一種長(zhǎng)效變質(zhì)劑，變質(zhì)效果與鈉相當(dāng)，且不存在鈉變質(zhì)的缺點(diǎn)，是頗有應(yīng)用前途的變質(zhì)劑。英國(guó)、荷蘭等國(guó)從20世紀(jì)80年代初就開始推廣應(yīng)用鍶（Sr）變質(zhì)方法。目前，對(duì)于鍶變質(zhì)，國(guó)內(nèi)外做了不少研究，中國(guó)使用鍶（Sr）代替鈉或鈉鹽的規(guī)模也在日益擴(kuò)大。

　　鍶變質(zhì)有如下優(yōu)點(diǎn)：①變質(zhì)效果良好，有效期長(zhǎng)；②變質(zhì)過程，無煙、無毒，不污染環(huán)境，不腐蝕設(shè)備、工具，不損害健康，操作方便；③易獲得滿意的力學(xué)性能；④回爐料有一定的重熔變質(zhì)效果；⑤鑄件成品率高，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是，實(shí)踐表明，變質(zhì)后的合金易產(chǎn)生縮松，增加鑄件的針孔度，降低合金的致密性，出現(xiàn)力學(xué)性能衰退的現(xiàn)象。

　　（3）銻變質(zhì)（Sb）

　　銻（Sb）可使共晶硅由針狀變?yōu)閷悠瑺睢楂@得層片狀，其最佳加入范圍通常為0.15%～0.2%。它的變質(zhì)效果不如鈉和鍶。加銻變質(zhì)一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是變質(zhì)時(shí)間長(zhǎng)（8小時(shí)以上）。銻的熔點(diǎn)630.5℃，密度為6.68g/cm?，所以，比較容易控制銻含量，不易造成變質(zhì)不足和過變質(zhì)現(xiàn)象，也不增大鋁液的吸氣與氧化夾雜傾向。但它的變質(zhì)效果受冷卻速度的影響較大，對(duì)金屬型和冷卻較快的鑄件有較好的變質(zhì)效果，但對(duì)緩冷的厚壁砂型鑄件變質(zhì)效果不明顯，使用上受到一定限制。

　　（4）碲變質(zhì)（Te）

　　碲（Te）是中國(guó)研究成功的變質(zhì)劑。碲變質(zhì)的作用和銻變質(zhì)相似，是促使硅以片狀分枝方式被細(xì)化，而不能變?yōu)槔w維狀，變質(zhì)效果比銻強(qiáng)。其變質(zhì)效果具有長(zhǎng)效性，變質(zhì)后經(jīng)8小時(shí)或重熔效果不變。同樣的，它的變質(zhì)效果受冷卻速度的影響也較大。

　　（5）鋇變質(zhì)（Ba）

　　鋇對(duì)共晶硅具有良好的變質(zhì)作用。與鈉，鍶，銻相比較，鋇的變質(zhì)效果比較長(zhǎng)效，加入量范圍寬，加入0.017%到0.2%的鋇，都能獲得良好的變質(zhì)組織。加入鋇后，合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，連續(xù)重熔，變質(zhì)效果仍能保持，變質(zhì)效果令人滿意。采用鋇變質(zhì)的不足之處是對(duì)鑄件的壁厚敏感性大，對(duì)厚壁鑄件的變質(zhì)效果差，為了獲得良好的變質(zhì)效果，必須快冷。同時(shí)，鋇對(duì)氯化物敏感，一般不用氯氣或氯鹽來精煉。

　　（6）稀土變質(zhì)

　　稀土在鋁及鋁合金中應(yīng)用較早的國(guó)家是德國(guó)，德國(guó)早在第一次世界大戰(zhàn)期間就成功的使用了含稀土的鋁合金。稀土元素可以達(dá)到與鈉、鍶相似的變質(zhì)效果，即可使共晶硅由片狀變成短棒狀和球狀，改善合金的性能。而且稀土的變質(zhì)作用具有相對(duì)長(zhǎng)效性和重熔穩(wěn)定性，其變質(zhì)效果可維持5～7小時(shí)，經(jīng)對(duì)La變質(zhì)壽命進(jìn)行檢驗(yàn)，含La0.056%的變質(zhì)合金，經(jīng)反復(fù)熔化-凝固10次仍有變質(zhì)效果。

　　稀土由于其化學(xué)性質(zhì)的活潑性，極易與O2、N2、H2等發(fā)生反應(yīng)，從而起到脫氫、脫氧、去氧化皮等作用，因而可以凈化鋁液。

　　總之，稀土在Al-Si合金中兼有精煉和變質(zhì)的雙重效果，變質(zhì)效果具有相當(dāng)長(zhǎng)效性和重熔穩(wěn)定性。稀土元素的加入提高了合金的流動(dòng)性，改善了合金的鑄造性能，優(yōu)化了合金的內(nèi)在質(zhì)量。還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是加入稀土不產(chǎn)生煙氣，對(duì)環(huán)境不造成污染，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的需要。

　　（四）變質(zhì)劑的選擇

　　目前鋁合金鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的是鈉鹽變質(zhì)劑，由鈉和鉀的鹵素鹽類組成。這類變質(zhì)劑使用可靠，效果穩(wěn)定。變質(zhì)劑的組成中，NaF能起變質(zhì)作用。與鋁液接觸后發(fā)生如下反應(yīng)：3NaF+Al→AlF3+3Na，反應(yīng)生成的鈉進(jìn)入鋁液中，即起變質(zhì)作用。由于NaF熔點(diǎn)高（992℃），為了降低變質(zhì)溫度，以減少高溫下鋁液的吸氣和氧化，在變質(zhì)劑中加入NaCl、KCl。加入一定量的NaCl、KCl組成的三元變質(zhì)劑，其熔點(diǎn)在800℃以下，在一般變質(zhì)溫度下，處于熔融狀態(tài)，有利于變質(zhì)的進(jìn)行，提高變質(zhì)速度和效果。

　　此外，呈熔融狀態(tài)的變質(zhì)劑容易在液面形成一層連續(xù)的覆蓋層，提高了變質(zhì)劑的覆蓋作用。為此，NaCl、KCl又稱為助熔劑。

　　有的變質(zhì)劑中加入一定量的冰晶石（Na3AlF6），這種變質(zhì)劑具有變質(zhì)、精煉、覆蓋作用，一般稱為“通用變質(zhì)劑”。澆注重要鑄件或?qū)︿X液的冶金質(zhì)量要求較高時(shí)常采用此變質(zhì)劑。

　　在生產(chǎn)中，變質(zhì)工序一般多在精煉之后、澆注之前進(jìn)行。變質(zhì)溫度應(yīng)稍高于澆注溫度，而變質(zhì)劑的熔點(diǎn)最好介于變質(zhì)溫度和澆注溫度之間，這樣使變質(zhì)劑在變質(zhì)時(shí)處于液態(tài)，并且變質(zhì)后即可進(jìn)行澆注，免得停放時(shí)間長(zhǎng)造成變質(zhì)失效。此外，在變質(zhì)處理完畢后，變質(zhì)后的熔渣已經(jīng)變?yōu)楹艹淼墓腆w，便于扒去，不致把殘留的熔劑澆入鑄型中，形成熔劑夾渣。

　　選擇變質(zhì)劑時(shí)，一般根據(jù)所要求的澆注溫度來確定變質(zhì)劑的熔點(diǎn)和變質(zhì)溫度，接著就可以按照所選的變質(zhì)劑熔點(diǎn)選擇合適的變質(zhì)劑成分。

　　（五）變質(zhì)工藝因素的影響

　　變質(zhì)工藝因素主要為：變質(zhì)溫度、變質(zhì)時(shí)間、變質(zhì)劑種類及用量。

　　1.變質(zhì)溫度。溫度高些，對(duì)變質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行有利，鈉的回收率高，變質(zhì)速度快，效果好。但變質(zhì)溫度不能過高，過高會(huì)急劇增加鋁液的氧化和吸氣，并使鋁液中鐵雜質(zhì)增加，降低坩堝的使用壽命。一般來說，變質(zhì)溫度應(yīng)選擇在稍高于澆注溫度為宜。這樣避免了變質(zhì)溫度過高，可以減少變質(zhì)后調(diào)整溫度的時(shí)間，有利于提高變質(zhì)效果和鋁液的冶金質(zhì)量。

　　2.變質(zhì)時(shí)間。變質(zhì)溫度越高以及鋁液和變質(zhì)劑接觸的狀況越好，則所需的變質(zhì)時(shí)間就越短。變質(zhì)時(shí)間應(yīng)按具體情況，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定。變質(zhì)時(shí)間太短，則變質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行不完全；變質(zhì)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)增加變質(zhì)劑的燒損，增加合金的吸氣和氧化。

　　變質(zhì)時(shí)間由兩部分組成：變質(zhì)劑覆蓋時(shí)間一般為10～15分鐘，壓入時(shí)間一般為2～3分鐘。

　　3.變質(zhì)劑種類及用量。應(yīng)根據(jù)合金的種類、鑄造工藝及對(duì)組織控制的具體要求，來選擇合適的變質(zhì)劑種類及用量。選擇無毒、無污染并有長(zhǎng)效變質(zhì)效果的變質(zhì)劑是目前鋁合金熔煉工藝的發(fā)展方向。

　　在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)考慮到變質(zhì)劑反應(yīng)可能進(jìn)行不完全，所以變質(zhì)劑用量不能過少，否則變質(zhì)效果不好。但變質(zhì)劑用量也不宜過多，過多會(huì)產(chǎn)生過變質(zhì)現(xiàn)象。因此，變質(zhì)劑用量一般規(guī)定為占爐料重量的1%～3%。在生產(chǎn)中，通常加入2%就可以保證良好的變質(zhì)效果。對(duì)于金屬型鑄造的鑄件，變質(zhì)劑用量可適當(dāng)減少。當(dāng)采用通用變質(zhì)劑時(shí)，除了考慮變質(zhì)效果外，還要考慮對(duì)這種變質(zhì)劑的覆蓋、精煉能力的要求，通常其變質(zhì)劑用量為鋁液重量的2%～3%。

　　（六）變質(zhì)處理的爐前檢驗(yàn)

　　澆注試樣，冷卻后敲開，根據(jù)斷口形狀判斷變質(zhì)效果。若變質(zhì)不足，則晶粒粗大，斷口呈灰暗色，并有發(fā)亮光的硅晶粒可見；若變質(zhì)正常，則晶粒較細(xì)，斷口呈白色絲絨狀，沒有硅晶粒亮點(diǎn)；若變質(zhì)過度，則晶粒粗大，斷口呈現(xiàn)藍(lán)灰色，有硅的亮晶點(diǎn)。

　　（七）過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理

　　過共晶Al-Si合金由于含硅量多，使合金的熱膨脹系數(shù)降低，耐磨性提高，適用于內(nèi)燃機(jī)活塞等耐磨零件。過共晶Al-Si合金組織中存在板狀初晶硅和針狀共晶硅。初晶硅作為硬質(zhì)點(diǎn)可提高合金的耐磨性，但因?yàn)樗捕啵瑢?duì)合金機(jī)械性能不利，并使合金的切削加工性能變壞，因此，過共晶Al-Si合金中的共晶硅和初晶硅都要進(jìn)行變質(zhì)處理。

　　長(zhǎng)期以來，初晶硅的細(xì)化得到了深入的研究。采用超聲波振動(dòng)結(jié)晶法，急冷法，過熱熔化，低溫鑄造等都能取得一定效果。但是效果最穩(wěn)定，在工業(yè)上最有使用價(jià)值的還是加入變質(zhì)劑。

　　目前，實(shí)際用于生產(chǎn)的變質(zhì)劑是磷單質(zhì)。赤磷使用最早，當(dāng)加入量為合金重量的0.5%時(shí)，即可使初晶硅細(xì)化。但由于磷的燃點(diǎn)低（240℃），運(yùn)輸不安全，變質(zhì)時(shí)，磷會(huì)激烈燃燒，產(chǎn)生大量煙霧，污染空氣，同時(shí)也使鋁液吸收更多的氣體，所以磷多與其他化合物混合使用。現(xiàn)在工業(yè)上比較常用的方法是以Cu-P中間合金形式加入。中間合金含磷量一般為8%～10%，加入量在0.5%～0.8%之間。

　　關(guān)于磷對(duì)鋁硅合金變質(zhì)的機(jī)理，一般認(rèn)為是磷在合金液中與Al形成大量高熔點(diǎn)的AlP質(zhì)點(diǎn)，AlP與硅相的晶體結(jié)構(gòu)相似，晶格常數(shù)相近，AlP屬閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.451，熔點(diǎn)為1060℃，硅晶體的晶格常數(shù)a=5.428，AlP與硅的最小原子間距離也十分相近，硅為2.44，AlP為2.56，AlP可作為初生硅的非自發(fā)核心，從而細(xì)化初生硅。