鍶變質(zhì)在消失模鋁合金鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

侯俊波（寶雞法士特鑄造分公司，陜西寶雞 722409）

介紹鍶（Sr）變質(zhì)在用于消失模鋁合金鑄件時鋁液精煉工藝的選擇，對Sr變質(zhì)的潛伏期、Sr的加入量及變質(zhì)衰退期進行了實驗驗證。通過嚴格控制原材料，采用惰性氣體除氣精煉，鋁液符合鑄件要求；生產(chǎn)中要根據(jù)自身的工藝摸索變質(zhì)潛伏期及衰退期，變質(zhì)衰退的鋁液可以進行補充變質(zhì)；砂型鑄造為了獲得良好變質(zhì)效果，要想辦法改善鑄件冷卻條件。變質(zhì)效果好壞與凝固條件密切相關(guān)，同樣的工藝在金屬型比砂型鑄造效果好很多。

鍶變質(zhì)；除氣精煉；變質(zhì)潛伏期；變質(zhì)衰退

20世紀20年代及60年代發(fā)現(xiàn)，在Al-Si合金中加入少量的Na鹽（鈉變質(zhì)在實際生產(chǎn)中一般用Na鹽以減緩變質(zhì)速度）或Sr（Sr合金），細化和改變了共晶硅或初生硅的形貌，從而顯著提高了合金的力學(xué)性能，研究者對Zl102合金(硅含量11%～13%，共晶成分為11.7%硅)，澆注前向合金熔體中加入NaF的變質(zhì)劑2%～3%進行變質(zhì)處理，金相組織表明,使共晶體中粗大的針狀的硅變成細小的球狀或蠕蟲狀硅，同時增加初生α（Al）固溶體體積分數(shù),合金力學(xué)性能提高明顯，抗拉強度σb達到180 MPa,提高32%，伸長率能超過8%。， 因此稱其為變質(zhì)處理，把鈉、鍶等叫做變質(zhì)劑。后來發(fā)現(xiàn)磷、碲、銻及稀土也有變質(zhì)作用，不過磷僅用于過共晶Al-Si合金，用來增加塊狀硅的數(shù)量，而銻變質(zhì)經(jīng)淬火時效后，組織發(fā)生顯著變化，合金強韌性有明顯提高。變質(zhì)處理使得原本性能不佳的Al-Si系合金強度和延伸率有了很大的提高，大幅提高了該系合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

我公司生產(chǎn)的變速器殼體鑄件合金牌號為ZAlSi7Mg，合金代號ZL101A ,屬Al-Si系合金。年需求量在10萬件左右，鑄件質(zhì)量等級為1級，有較高的氣密要求。鑄件輪廓尺寸為600×500×350（mm）。壁厚最薄處8 mm，最厚處48 mm，鑄件毛坯質(zhì)量47 kg（圖1）。采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)。

圖1 鑄件結(jié)構(gòu)

1 變質(zhì)劑的選擇

鈉變質(zhì)的優(yōu)點是變質(zhì)效果穩(wěn)定，缺點是變質(zhì)效果保持時間短，產(chǎn)生大量煙氣，生產(chǎn)環(huán)境差，變質(zhì)劑易吸潮，不好保管，腐蝕鐵坩堝。

鍶變質(zhì)的優(yōu)點是變質(zhì)效果可保持7～8小時或更久，處理后的合金重熔后五六次后仍然有變質(zhì)效果，與鈉變質(zhì)互不干涉。缺點是變質(zhì)有40 min潛伏期，有增加吸氣的傾向。

我們經(jīng)過多次試制，先后試用了鈉鹽、稀土及鍶變質(zhì)等。因鈉鹽煙氣大，生產(chǎn)環(huán)境不好；稀土變質(zhì)不夠穩(wěn)定；由于鍶變質(zhì)效果穩(wěn)定且持續(xù)時間長，特別是作為中間合金時，加入量能精確控制，且保存方便，便于實際生產(chǎn)使用，最終選定鍶變質(zhì)工藝。

2 熔化精煉工藝

熔化爐為燃氣式反射爐，該爐充分利用廢氣余熱，熱效率很高，熔化量2 t/h。其結(jié)構(gòu)分為熔化室及保溫室，熔化的鋁液順坡度流進保溫室，此方式可保證鋁液快速熔化但不過熱氧化，降低燒損。保溫室有單獨的天然氣噴嘴對鋁液加熱保溫。各區(qū)溫度都可單獨調(diào)控。熔煉時，從熔化室即采取清渣除渣措施，減少因疏松氧化渣增加吸氣的機會，鋁液輸送過程中，盡量保持密封狀態(tài)，減少合金液接觸大氣的機會。由于水汽會與鋁液發(fā)生反應(yīng)：2Al+3H2O=Al2O3+3H2↑，所生成的氫氣直接進入鋁液，增加鋁液含氫量。因此熔煉現(xiàn)場要保持干燥，防止水汽產(chǎn)生。另外，爐料也要保證足夠干燥潔凈，回爐料僅使用本公司生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢殼體或澆注系統(tǒng)，以確保爐料純凈及成分穩(wěn)定可靠。

鋁合金精煉時要輔以有效的除氣措施。一般采用氯氣或與惰性氣體混合氣體除氣，氯氣除氣效果最好，但此種方法對設(shè)備有腐蝕，對人體有一定的危害，需要完善的保護措施，投入大，操作麻煩，一般生產(chǎn)采用較少。使用廣泛的是惰性氣體除氣精煉，也可以隨惰性氣體再吹噴粉狀精煉劑。惰性氣體除氣，一般使用氬氣及氮氣，氬氣成本稍高，但除氣效果更好。本公司采用氬氣除氣，從鋁液進入前保溫爐開始，這時已經(jīng)把AlSr10中間合金變質(zhì)劑加入前爐內(nèi)（加入量約為鋁液質(zhì)量的0.2%～0. 4%），開始變質(zhì)，同時啟動系統(tǒng)的除氣設(shè)備進行除氣，再造渣、扒渣。本次精煉完成，約30～40 min，鍶變質(zhì)的潛伏期剛好完畢，可以把鋁液放至后保溫爐，途中經(jīng)過一道在線除氣程序，隨后鋁液經(jīng)過過濾箱，10 μm級別的渣可以被過濾掉。鋁液達后爐時，變質(zhì)已經(jīng)完全生效，且經(jīng)過除氣除渣，鋁液純凈度得到保證，鋁液吸氣傾向大幅降低。生產(chǎn)實踐證明鍶變質(zhì)雖增加吸氣傾向，但通過控制原材料及生產(chǎn)環(huán)節(jié)，經(jīng)過適時有效的除氣精煉及過濾，可以獲得除氣（渣）含量低的鋁液（圖2）。

圖2 精煉工藝

精煉完畢的鋁液，使用IDECO密度當量儀（其原理是使用缺陷放大原理，比較常壓及負壓下試樣密度值，評價其氣、渣含量），測量其密度當量，基本穩(wěn)定在1.5%以下。該值隨季節(jié)或鋁錠變動也有一定波動，在空氣濕度大的季節(jié)（如夏季），其值偏高；采用較優(yōu)質(zhì)的鋁錠熔化出的鋁液，其值偏低。實踐發(fā)現(xiàn)，停產(chǎn)后再復(fù)產(chǎn)的第一爐，這時由于爐體放空，鋁液接觸環(huán)境氣體多，氧化渣增加，密度當量大幅升高到3%～5%，鋁液內(nèi)渣氣含量也大幅增加，該鋁液澆注產(chǎn)品的廢品率比正常生產(chǎn)時高出2～3倍。即使強化除氣措施，效果也很有限。因此，鋁合金鑄件的生產(chǎn)還是應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)、集中休息，避免反復(fù)停、開爐，對質(zhì)量控制，減少浪費更為有利。

3 鍶變質(zhì)的驗證及應(yīng)用

3.1 鍶變質(zhì)的加入量及潛伏期驗證。

鍶變質(zhì)的加入量必須考慮鍶增加吸氣傾向、爐料純凈度、爐料中的鍶殘留、工藝及設(shè)備、成本等各方面因素，經(jīng)過多次實驗，本公司消失模鑄造鍶變質(zhì)（AlSr10）加入量穩(wěn)定在0.25%～0.3%。

鍶變質(zhì)的潛伏期，有資料認為該時間長短與鋁液含磷量有關(guān)，也跟所采取的生產(chǎn)工藝及參數(shù)有關(guān)，通行說法是40 min左右。本公司在生產(chǎn)實踐中經(jīng)多次試驗，比較20到40 min（每隔5 min）時的變質(zhì)效果，較典型的金相圖片如圖3所示。

圖3 變質(zhì)效果金相圖片

仔細分辨圖片中的金相組織，共晶硅的形貌基本沒有差別，無桿狀或針狀。但是第一張α枝晶（白色Al基體）和共晶更趨向于圓型，大小不均勻，第二張和第三張組織更均勻。

實際生產(chǎn)中，我們按30 min的變質(zhì)潛伏期生產(chǎn)，變質(zhì)溫度在760～770 ℃之間，曾經(jīng)三個月時間內(nèi)，出現(xiàn)三爐次變質(zhì)不足，后來將時間延長為40 min，溫度不變，再也沒有出現(xiàn)變質(zhì)不足的現(xiàn)象。

3.2 鍶變質(zhì)的衰退期驗證

生產(chǎn)中，我們在720 ℃內(nèi)保溫，從第2 h起，每小時取樣，觀察其衰退狀況，發(fā)現(xiàn)在4 h內(nèi)無變質(zhì)衰退跡象。第5小時有輕微衰退，鋁基體有所長大，第7小時衰退跡象稍明顯，到第48小時達到變質(zhì)衰退的標準（圖4）。

圖4 鍶變質(zhì)衰退期金相圖片

據(jù)此，生產(chǎn)過程若有4 h以上48 h（兩天）以內(nèi)停產(chǎn)，復(fù)產(chǎn)時要對鋁液進行補充變質(zhì)，補充量為0.2%左右，即可恢復(fù)到正常變質(zhì)水平。

3.3 鑄型對變質(zhì)效果影響

變質(zhì)效果好壞與凝固條件密切相關(guān)。同樣的熔煉工藝，金屬型鑄造比砂型鑄造效果好很多。本公司低壓鑄造（金屬型）與消失模鑄造（砂型）以同樣的變質(zhì)工藝，生產(chǎn)的鑄件變質(zhì)金相差別很大?？梢钥闯?，無論晶粒度或硅相形貌，金屬型大大優(yōu)于砂型鑄造。低壓鑄件與消失模鑄件抗拉強度分別為290 MPa與240 MPa（圖5）。

圖5 鑄型對變質(zhì)效果影響

4 結(jié)論

本公司選用鍶變質(zhì)工藝，嚴格控制原材料，采用惰性氣體除氣精煉，所生產(chǎn)的鋁液符合鑄件技術(shù)要求；生產(chǎn)中要根據(jù)熔煉工藝摸索變質(zhì)潛伏期及衰退期，變質(zhì)衰退的鋁液可以進行補充變質(zhì)；砂型鑄造為了獲得良好變質(zhì)效果，要想辦法改善鑄件冷卻條件。

[1] 1.李國栻,楊國杰,張震斌等.鑄造工程師手冊［M］機械工業(yè)出版社,1997.12.

[2] 2. 黃伯云,李成功,等.中國材料工程大典(第4卷有色金屬材料工程) ［M］，北京：電子工業(yè)出版社，2007,3.

[3] 3. 米國發(fā),文濤,等. Al-Si合金Sr變質(zhì)研究現(xiàn)狀［J］，航天制造技術(shù),2006(4):49-52.

[4] 趙忠興,馬玉嬌,耿德軍,等.鋁合金氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉與變質(zhì)劑和清渣劑復(fù)合使用研究[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù)，2015（4）.

Application of strontium modification in aluminum lost foam casting

HOU JunBo
(Baoji Fast Auto Components Company,Baoji 722409, Shaanxi,China)

How to selected degassing refining process when strontium modification was used in aluminum lost foam casting, verify the period of hiding modification、fading of modification and quantity of strontium are investigated. Through strict control of raw materials, using inert gas to degassing and refining, the liquid aluminum meeting the specification of casting. The hiding modification and fading modification time should be grope according to itself process in production. The fading liquid aluminum can be additional modification. In order to get higher degree modification result in sand casting process, need to find ways to improve the casting cooling conditions. The quality of modification is closely related to cooling conditionals, such as permanent mold casing is much better than sand casting in same process.

strontium modification; degassing refining process; period of hiding modification; fading of modification

TG146.21；

A；

1 006-9 658（201 6）04-0073-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.01 9

2016-05-10

稿件編號: 1605-1369

侯俊波（1984—），男，工程師，主要從事鑄造現(xiàn)場工藝控制工作.