铝合金及其熔炼
铝在地壳中储量丰富，占地壳总质量8.2%，居所有金属元素之首，因其优异性能已在几乎所有工业领域得到应用。
纯铝化学性能活泼，在空气中极易氧化形成一层牢固致密的表面氧化膜，从而使其在空气及淡水中具有良好的抗腐蚀性。固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变，因此铝具有良好的塑性和韧性。铝还易于铸造和切削，具有良好的工艺性能，但工业铝强度低，室温下仅为40～45MPa，故不宜做结构材料。为改善铝的机械性能，向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到刚的强度标准（σb可达400～700MPa）。目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu，Mg，Si，Mn，Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。除上述元素外，许多铝合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni，B，Zr，Cr，Ti，稀土等进一步改善铝的综合性能。以下为各元素在铝中的作用和影响：
1.硅（Si）：硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。在577℃时，硅在铝中的溶解度为1.65％，室温时为0.2％、含硅量至11.7％时，硅与铝形成共晶体。提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。二元铝基合金有高的耐蚀性。当合金中含硅量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬质点，使切削加工困难，高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重。
2.铜（Cu）：铜和铝组成固溶体，当温度在548℃时，铜在铝中的溶解度应为
5.65％，室温时降至0.1％左右，增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。
3.镁（Mg）：在高硅铝合金中加入少量（约0.2～0.3％）的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。 含镁8％的铝合金具有优良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。
4.锌（Zn）：锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围中。至于含锌量很高的ZL401铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好。
5.铁（Fe）：在所有铝合金中都含有害杂质。因铝合金中含铁量太高时，铁以FeAl3、Fe2Al5和Al－Si－Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性减低，热裂性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当铁含量在0.6％以下时尤为强烈。当超过0.6％后，粘模现象便大为减轻，故含铁量一般应控制在0.6～1％范围内对压铸是有好处的，但最高不能超过 1.5％。
6.锰（Mn）：锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，故一般铝合金允许有0.5％以下的锰存在。含锰量过高时，会引起偏析。
7.镍（Ni）：镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。当镍含量在1～1.5％时，铸件经抛光能获得光洁的表面。由于镍的来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。
8.钛（Ti）：铝合金中加入微量的钛，能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的机械性能，降低合金的热裂倾向。
由于铝合金在熔炼过程中极易吸气氧化，是铸件中缩孔，气孔，夹渣的主要原因，尤其针孔是由于精炼不良，铝液中气体，氧化夹杂物含量高，凝固速度变慢造成。铝合金液易出现的问题如下：
1.氧化：铝及其合金液与空气接触很容易生成一层氧化膜Al2O3。铝体表面的氧化膜虽有保护作用，但如因搅拌，翻滚而被破坏时，氧气进入熔体中，不易去除，一则Al2O3不易还原，二则它的比重和熔体差不多，悬浮在熔体中，容易随熔体进入铸件中。
2.吸氢：铝液很容易从大气，合金锭或工具表面湿气，燃烧的油气中吸氢。氢在固态铝中的溶解度非常低，因此当吸氢过多在凝固时处于饱和状态，氢气会析出，使铸件产生气孔，缩孔。
3.杂质：铝合金融体中常见常见夹杂物时Al2O3，SiO2，MgO等，会造成金属液的不纯净。夹杂物影响熔体流动性，在压铸件中聚合聚合产生气泡，影响缩松程度。
4.结渣：铝合金液对坩埚炉衬之间发生反应而产生结渣。在铸件的切削面上肉眼看到一些芝麻大小的黑色，灰色粒子。有非金属氧化物，金属性渣（Si）或金属
化合物，复合性结渣，偏析性结渣。
5.增铁：铝液与坩埚，浇勺，模具有一定的溶蚀作用，导致增铁，因炉料中含铁量远远大于新料规定的含铁量。
铝料的表面都有一层厚薄不均的氧化膜，有时还吸附水分，夹杂灰沙，粘有油污等。在熔化时，铝料在高温环境中进一步氧化，氧化膜厚度增加，并与气氛中的水分起化学反应，生成氧化铝和氢，使氧化夹杂和气体含量增加。所以，铝料熔化以后，必须进行净化处理（除气和精炼），以清除铝液内部的气体和杂质。铝及铝合金的净化方法很多，大体可归纳为炉内净化和炉外净化两类。炉内净化一般分为：氮气净化，氯气净化，混合气体精炼，溶剂净化，氯盐净化和真空净化。炉外净化一般分为：玻璃丝布过滤，陶瓷过滤器过滤，泡沫陶瓷板过滤。
变质处理就是向铝液中加入变质剂，以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。目前对初晶Si 细化处理的方法有：添加变质剂法，超声波振动法，激冷法，低温铸造法，加压铸造法，电磁搅拌，高低温熔体相混和旋转磁场作用等。由于工艺、生产效率和生产规模等原因都受到一定的限制，所以在我国运用最多的是添加变质剂法。
我国对于共晶Si 变质元素的研究主要有Na，Sr，Sb，Ba，Te，Bi 等。
1.Na（钠）：Na 的变质能力最强，应用最早也最广泛，通常以Na或Na盐的方式加入。Na可使共晶硅的结晶由短圆针状变为细粒状，并降低共晶温度，增加过冷度，细化晶粒。其细化效果，对冷的慢的砂型、石膏型铸件而言比较好，还有分散铸件（铸锭）缩窝的作用，这对要求气密性好的铸件有重要的作用。钠盐变质法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不很高的产品，其缺点是：钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对人体和环境都有危害，操作也不太安全，特别是易使坩埚腐蚀损坏，它的充分变质有效时间短，一般不超过 1h。钠还使Al-Mg系合金的粘性增加，恶化铸造性能，当钠量多时，还会使合金的晶粒催化，所以Al-Mg系合金和含Mg量高于2%的Al-Si合金，一般都不用钠盐变质剂来进行变质处理，以免出现所谓“钠脆”现象。
2.Sr（锶）：Sr是一种长效变质剂，加入量为炉料总重量的0.04-0.05%的Sr。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧损也比钠盐小，有效变质持续时间长，对坩埚的腐蚀性也比钠盐小，因而可使坩埚的使用寿命延长。这种变质法操作也比使用
钠盐安全卫生，不产生对人体和环境有害的气体，变质效果也比钠盐好，一般有80-90%的良好变质合格率。其缺点是：成本比钠盐高，要预先配制成中间合金（否则就要采用锶盐变质剂），没有钠盐那样的有分散铸件缩窝的作用。Al-Sr 变质有如下优点：(1)变质效果良好；(2)变质操作方便；（3）变质有效期长；（4）回炉料有重熔性；（5）铸件成品率高；（6）污染小。但是Sr 变质处理促进了熔体吸氢，它与夹杂相互作用，促进了疏松的形成，用含Cl精炼剂处理Sr 的消耗大，另外Sr价格昂贵。
3.Sb（锑）：Sb也是一种长效变质剂，加入量为炉料总重量的0.2-0.3%的Sb，可获得长效变质效果，即使到铝合金重熔，此变质效果仍起作用。其变质效果与合金的冷却速度有关，冷却速度快（如在金属型中铸造），变质效果好；冷却速度慢（如在石膏型、砂型中铸造），则变质效果差。但应注意，已经过钠盐或锶盐或铝锶中间合金变质过的铝合金不能再加Sb来变质，因为这样会形成Na3Sb化合物而使合金的晶粒粗大、性能变坏，从而反使钠、锶的变质效果降低。
4.Te（碲）：Te的变质既不能促进Si相生核，也不能使共晶Si由针片状转变为纤维状，而只不过使Si相以片状分枝的方式使其细化。Te的变质也有一定的长效性（约8h）。变质机理基本上与Sb相似，但效果强于Sb。Te与Sb的变质效果能够相互加强，但与Na，Sr，P等元素有相互抵消和削弱变质效果的作用。其加入量为炉料总重量的0.05-0.1%，处理温度为740℃左右。其优点是变质后合的性能与钠变质的相当，合金重熔后其变质效果基本不变，Te变质不腐蚀坩锅、熔炼工具。缺点是变质效果也受合金的冷却速度的影响，且变质效果不够稳定，价格较贵。
5.Bi（铋）：Bi做为变质剂具有长效性，且工艺简单，对坩锅无腐蚀，价格便宜，但由于Bi密度大，易偏析，要通过中间合金形式加入为佳，且Bi不能获得完全的变质组织，变质后合金的力学性能提高不大。另外Bi除具有变质效果外，还可以改善高硅Al-Si合金的耐磨性、尺寸稳定性、抗咬合性、自润滑性。形成Al-Si-Bi多元合金，具有偏晶转变特点，由于Bi的不溶性及自润滑性，并以高弥散游离态分布于基体中而使Al-Si合金耐磨性提高。
其具体方法如下：
1）钠盐变质剂变质方法
2）铝锶中间合金变质法
3）铝锑中间合金变质
4）SR813磷复合细化剂和SR814磷盐复合细化剂孕育法
5）铝钛中间合金变质法
6）钛硼熔剂细化法
7）铝钛硼丝细化法
8）稀土变质法
9）铝钡中间合金变质法
10）纯碲变质法
11）用K2ZrF6变质法
其中，我们公司采用的就是稀土变质法，加入40%Ce（铈）和La（镧）。
热处理也是提高铝合金的综合机械性能和组织稳定性的重要工艺方法，其主要热处理工艺方法有退火，固溶处理（淬火）和时效等。
T1：人工时效——提高硬度与机械强度，改善切削加工性；
T2：退火——消除内应力，稳定铸件尺寸，提高其塑性；
T4：固溶处理（淬火）+自然时效——提高合金硬度，强度及抗腐蚀性；
T5：固溶处理（淬火）+不完全人工时效——获得较高强度与塑性，抗腐蚀性下降；
T6：固溶处理（淬火）+完全人工时效——获得最高强度，但塑性与抗腐蚀性有所降低；
T7：固溶处理（淬火）+稳定化退火——稳定铸件尺寸与组织，提高其抗腐蚀能力，并保持较高的力学性能；
T8：固溶处理（淬火）+软化回火——稳定铸件尺寸，提高塑性，但抗拉强度下降；
T9：循环处理——进一步稳定铸件尺寸外形。
以上为铝合金熔炼，变质处理及热处理的简单了解，后期还有待深入学习。
铝合金及其熔炼
铝在地壳中储量丰富，占地壳总质量8.2%，居所有金属元素之首，因其优异性能已在几乎所有工业领域得到应用。
纯铝化学性能活泼，在空气中极易氧化形成一层牢固致密的表面氧化膜，从而使其在空气及淡水中具有良好的抗腐蚀性。固态铝具有面心立方晶体结构，无同素异构转变，因此铝具有良好的塑性和韧性。铝还易于铸造和切削，具有良好的工艺性能，但工业铝强度低，室温下仅为40～45MPa，故不宜做结构材料。为改善铝的机械性能，向铝中加入适量的某些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其机械性能，其强度甚至可以达到刚的强度标准（σb可达400～700MPa）。目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu，Mg，Si，Mn，Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。除上述元素外，许多铝合金还常常要加入一些辅助的微量元素，如Ni，B，Zr，Cr，Ti，稀土等进一步改善铝的综合性能。以下为各元素在铝中的作用和影响：
1.硅（Si）：硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。在577℃时，硅在铝中的溶解度为1.65％，室温时为0.2％、含硅量至11.7％时，硅与铝形成共晶体。提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。二元铝基合金有高的耐蚀性。当合金中含硅量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬质点，使切削加工困难，高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重。
2.铜（Cu）：铜和铝组成固溶体，当温度在548℃时，铜在铝中的溶解度应为
5.65％，室温时降至0.1％左右，增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。
3.镁（Mg）：在高硅铝合金中加入少量（约0.2～0.3％）的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。 含镁8％的铝合金具有优良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。
4.锌（Zn）：锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围中。至于含锌量很高的ZL401铝合金却具有较好的铸造性能和机械性能，切削加工也比较好。
5.铁（Fe）：在所有铝合金中都含有害杂质。因铝合金中含铁量太高时，铁以FeAl3、Fe2Al5和Al－Si－Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性减低，热裂性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当铁含量在0.6％以下时尤为强烈。当超过0.6％后，粘模现象便大为减轻，故含铁量一般应控制在0.6～1％范围内对压铸是有好处的，但最高不能超过 1.5％。
6.锰（Mn）：锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，故一般铝合金允许有0.5％以下的锰存在。含锰量过高时，会引起偏析。
7.镍（Ni）：镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。当镍含量在1～1.5％时，铸件经抛光能获得光洁的表面。由于镍的来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。
8.钛（Ti）：铝合金中加入微量的钛，能显著细化铝合金的晶粒组织，提高合金的机械性能，降低合金的热裂倾向。
由于铝合金在熔炼过程中极易吸气氧化，是铸件中缩孔，气孔，夹渣的主要原因，尤其针孔是由于精炼不良，铝液中气体，氧化夹杂物含量高，凝固速度变慢造成。铝合金液易出现的问题如下：
1.氧化：铝及其合金液与空气接触很容易生成一层氧化膜Al2O3。铝体表面的氧化膜虽有保护作用，但如因搅拌，翻滚而被破坏时，氧气进入熔体中，不易去除，一则Al2O3不易还原，二则它的比重和熔体差不多，悬浮在熔体中，容易随熔体进入铸件中。
2.吸氢：铝液很容易从大气，合金锭或工具表面湿气，燃烧的油气中吸氢。氢在固态铝中的溶解度非常低，因此当吸氢过多在凝固时处于饱和状态，氢气会析出，使铸件产生气孔，缩孔。
3.杂质：铝合金融体中常见常见夹杂物时Al2O3，SiO2，MgO等，会造成金属液的不纯净。夹杂物影响熔体流动性，在压铸件中聚合聚合产生气泡，影响缩松程度。
4.结渣：铝合金液对坩埚炉衬之间发生反应而产生结渣。在铸件的切削面上肉眼看到一些芝麻大小的黑色，灰色粒子。有非金属氧化物，金属性渣（Si）或金属
化合物，复合性结渣，偏析性结渣。
5.增铁：铝液与坩埚，浇勺，模具有一定的溶蚀作用，导致增铁，因炉料中含铁量远远大于新料规定的含铁量。
铝料的表面都有一层厚薄不均的氧化膜，有时还吸附水分，夹杂灰沙，粘有油污等。在熔化时，铝料在高温环境中进一步氧化，氧化膜厚度增加，并与气氛中的水分起化学反应，生成氧化铝和氢，使氧化夹杂和气体含量增加。所以，铝料熔化以后，必须进行净化处理（除气和精炼），以清除铝液内部的气体和杂质。铝及铝合金的净化方法很多，大体可归纳为炉内净化和炉外净化两类。炉内净化一般分为：氮气净化，氯气净化，混合气体精炼，溶剂净化，氯盐净化和真空净化。炉外净化一般分为：玻璃丝布过滤，陶瓷过滤器过滤，泡沫陶瓷板过滤。
变质处理就是向铝液中加入变质剂，以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。目前对初晶Si 细化处理的方法有：添加变质剂法，超声波振动法，激冷法，低温铸造法，加压铸造法，电磁搅拌，高低温熔体相混和旋转磁场作用等。由于工艺、生产效率和生产规模等原因都受到一定的限制，所以在我国运用最多的是添加变质剂法。
我国对于共晶Si 变质元素的研究主要有Na，Sr，Sb，Ba，Te，Bi 等。
1.Na（钠）：Na 的变质能力最强，应用最早也最广泛，通常以Na或Na盐的方式加入。Na可使共晶硅的结晶由短圆针状变为细粒状，并降低共晶温度，增加过冷度，细化晶粒。其细化效果，对冷的慢的砂型、石膏型铸件而言比较好，还有分散铸件（铸锭）缩窝的作用，这对要求气密性好的铸件有重要的作用。钠盐变质法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不很高的产品，其缺点是：钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对人体和环境都有危害，操作也不太安全，特别是易使坩埚腐蚀损坏，它的充分变质有效时间短，一般不超过 1h。钠还使Al-Mg系合金的粘性增加，恶化铸造性能，当钠量多时，还会使合金的晶粒催化，所以Al-Mg系合金和含Mg量高于2%的Al-Si合金，一般都不用钠盐变质剂来进行变质处理，以免出现所谓“钠脆”现象。
2.Sr（锶）：Sr是一种长效变质剂，加入量为炉料总重量的0.04-0.05%的Sr。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧损也比钠盐小，有效变质持续时间长，对坩埚的腐蚀性也比钠盐小，因而可使坩埚的使用寿命延长。这种变质法操作也比使用
钠盐安全卫生，不产生对人体和环境有害的气体，变质效果也比钠盐好，一般有80-90%的良好变质合格率。其缺点是：成本比钠盐高，要预先配制成中间合金（否则就要采用锶盐变质剂），没有钠盐那样的有分散铸件缩窝的作用。Al-Sr 变质有如下优点：(1)变质效果良好；(2)变质操作方便；（3）变质有效期长；（4）回炉料有重熔性；（5）铸件成品率高；（6）污染小。但是Sr 变质处理促进了熔体吸氢，它与夹杂相互作用，促进了疏松的形成，用含Cl精炼剂处理Sr 的消耗大，另外Sr价格昂贵。
3.Sb（锑）：Sb也是一种长效变质剂，加入量为炉料总重量的0.2-0.3%的Sb，可获得长效变质效果，即使到铝合金重熔，此变质效果仍起作用。其变质效果与合金的冷却速度有关，冷却速度快（如在金属型中铸造），变质效果好；冷却速度慢（如在石膏型、砂型中铸造），则变质效果差。但应注意，已经过钠盐或锶盐或铝锶中间合金变质过的铝合金不能再加Sb来变质，因为这样会形成Na3Sb化合物而使合金的晶粒粗大、性能变坏，从而反使钠、锶的变质效果降低。
4.Te（碲）：Te的变质既不能促进Si相生核，也不能使共晶Si由针片状转变为纤维状，而只不过使Si相以片状分枝的方式使其细化。Te的变质也有一定的长效性（约8h）。变质机理基本上与Sb相似，但效果强于Sb。Te与Sb的变质效果能够相互加强，但与Na，Sr，P等元素有相互抵消和削弱变质效果的作用。其加入量为炉料总重量的0.05-0.1%，处理温度为740℃左右。其优点是变质后合的性能与钠变质的相当，合金重熔后其变质效果基本不变，Te变质不腐蚀坩锅、熔炼工具。缺点是变质效果也受合金的冷却速度的影响，且变质效果不够稳定，价格较贵。
5.Bi（铋）：Bi做为变质剂具有长效性，且工艺简单，对坩锅无腐蚀，价格便宜，但由于Bi密度大，易偏析，要通过中间合金形式加入为佳，且Bi不能获得完全的变质组织，变质后合金的力学性能提高不大。另外Bi除具有变质效果外，还可以改善高硅Al-Si合金的耐磨性、尺寸稳定性、抗咬合性、自润滑性。形成Al-Si-Bi多元合金，具有偏晶转变特点，由于Bi的不溶性及自润滑性，并以高弥散游离态分布于基体中而使Al-Si合金耐磨性提高。
其具体方法如下：
1）钠盐变质剂变质方法
2）铝锶中间合金变质法
3）铝锑中间合金变质
4）SR813磷复合细化剂和SR814磷盐复合细化剂孕育法
5）铝钛中间合金变质法
6）钛硼熔剂细化法
7）铝钛硼丝细化法
8）稀土变质法
9）铝钡中间合金变质法
10）纯碲变质法
11）用K2ZrF6变质法
其中，我们公司采用的就是稀土变质法，加入40%Ce（铈）和La（镧）。
热处理也是提高铝合金的综合机械性能和组织稳定性的重要工艺方法，其主要热处理工艺方法有退火，固溶处理（淬火）和时效等。
T1：人工时效——提高硬度与机械强度，改善切削加工性；
T2：退火——消除内应力，稳定铸件尺寸，提高其塑性；
T4：固溶处理（淬火）+自然时效——提高合金硬度，强度及抗腐蚀性；
T5：固溶处理（淬火）+不完全人工时效——获得较高强度与塑性，抗腐蚀性下降；
T6：固溶处理（淬火）+完全人工时效——获得最高强度，但塑性与抗腐蚀性有所降低；
T7：固溶处理（淬火）+稳定化退火——稳定铸件尺寸与组织，提高其抗腐蚀能力，并保持较高的力学性能；
T8：固溶处理（淬火）+软化回火——稳定铸件尺寸，提高塑性，但抗拉强度下降；
T9：循环处理——进一步稳定铸件尺寸外形。
以上为铝合金熔炼，变质处理及热处理的简单了解，后期还有待深入学习。