铸造非铁合金及熔炼技巧优化方法

铸造非铁合金一般是指除铸钢、铸铁合金以外的其他铸造合金。铸造非铁合金品种较多，工业中常用的是铸造铜合金和铸造铝合金。

1.铸造铜合金

铸造铜合金虽价格较高，但由于它具有很好的耐蚀性、减摩性及一定的力学性能，因此，目前仍是工业中不可缺少的合金。铸造铜合金按其成分分为铸造黄铜和铸造青铜两类。

1）铸造黄铜

普通的黄铜是指以铜和锌为主要成分的合金，有时还常含有硅、锰、铝、铅等合金元素。铸造黄铜因铜含量稍低，故其价格低于铸造青铜。但它有相当高的力学性能，如Rm=250～450 MPa，A=7%～30%，硬度为60～120 HBS。同时，它的凝固温度范围较小，所以，铸造黄铜有优良的铸造性能，常用于制造在重载低速条件下工作或一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件，以及形状复杂的阀门、大型螺旋桨等耐蚀件。

2）铸造青铜

以铜和锡为主要成分的合金是最普通的青铜，称为锡青铜。虽然铸造锡青铜的力学性能大多低于黄铜，但其耐磨性优于黄铜。锡青铜的凝固温度范围宽，容易产生显微缩松。这些缩松可作为储油槽，使锡青铜特别适合用于制造高速滑动轴承和衬套。同时，锡青铜的耐蚀性一般优于黄铜，适合制造在海水中工作的零件。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜等，其中，铝青铜有优良的耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用来制造有重要用途的耐磨、耐蚀件。表2.7所示为常用铸造铜合金的牌号、主要化学成分、力学性能及用途举例。

表2.7　常用铸造铜合金的牌号、主要化学成分、力学性能及用途举例

注：S—砂型铸造；R—熔模铸造；J—金属型铸造；Li—离心铸造；La—连续铸造。

2.铸造铝合金

铝合金密度小，比强度（强度/质量）高，熔点低，导电、导热和耐蚀性优良，常用来制造质量小而具有一定强度的铸件。

铸造铝合金分为铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金四类。其中，铝硅合金因流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广，常用来制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。铝铜合金的铸造性能差，热裂倾向大，气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用来制造活塞、气缸头等。表2.8所示为常用铸造铝合金的牌号、主要化学成分、力学性能和用途举例（GB/T 1173—2013）。

表2.8　常用铸造铝合金的牌号、主要化学成分、力学性能及用途举例

注：S—砂型铸造；J—金属型铸造；R—熔模铸造；K—壳型铸造；B—变质处理；T1—人工时效处理；T4—固溶处理加自然时效处理；T5—固溶处理加不完全人工时效处理；T6—固溶处理加完全人工时效处理。

3.铸造铜合金、铝合金的熔炼

铸造铜合金、铝合金在液态下均具有易氧化和吸气的特性，铜合金氧化后生成Cu2O，溶解在铜合金内，可降低铜合金力学性能。铝合金易氧化生成Al2O3，Al2O3的熔点高达2050℃，且密度稍大于铝，易沉淀在铝液中，成为非金属夹渣。同时铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。另外，非铁合金品种很多，且有时熔点相差很大，不宜按成分直接配料。

为了防止上述缺陷产生，需采取下列措施。

1）采用坩埚炉熔炼(www.zuozong.com)

将铜合金或铝合金置于坩埚（铜合金用石墨坩埚，铝合金多用铁坩埚）中，进行间接加热，使金属料不与燃料直接接触，以减少金属的烧损，保持金属液纯净。此外，当合金元素的熔点相差太大时，不直接加入低熔点金属，而以中间合金（母合金）的形式加入。中间合金是用一种低熔点金属与一种或两种高浓度的所需成分元素熔炼配成的（有商品供应，亦可自己配制）。坩埚炉可用焦炭、油、电阻丝或感应电流加热，视工厂条件而定。图2.11所示为电阻坩埚炉。

图2.11　电阻坩埚炉

图2.12　向坩埚内金属液中通入氯气

2）用熔剂覆盖金属液

用熔剂覆盖金属液，可以隔绝空气并防止金属液氧化。熔炼青铜时用木炭粉加玻璃、硼砂做熔剂，而熔炼铝合金时常用KCl、NaCl、FCa2等做熔剂。

3）脱氧、去气精炼

为了将Cu2O脱氧还原，铜液出炉前，应向其中加入占铜液0.3%～0.6%的磷铜合金（其中磷的质量分数为10%）进行脱氧，其反应如下：

5Cu2O+2P=10Cu+P2O5↑

6Cu2O+2P=10Cu+2CuPO3（上浮进入渣中）

因锌本身就是良好的脱氧剂，且锌氧化后可在铜液表面生成比较致密的氧化锌薄膜来保护铜液，所以熔炼黄铜时一般不需另加熔剂和脱氧剂。

为了去除铝液中的氢及Al2O3夹杂物，在铝液出炉前要对其进行精炼。其原理是利用不溶于金属液的外来气体所形成气泡的上浮过程，将有害气体和夹杂物一并带出液面而去除。具体工艺方法有多种，例如，用管子向铝液内吹氯气（或氮气、氩气）5～10 min（图2.12）。氯气分别与铝和氢气发生如下反应：

3Cl2+2Al=2AlCl3↑

Cl2+H2=2HCl↑

生成的AlCl3、HC1及过剩的氯气泡中的分压为零，使得铝液中的氢向气泡中扩散，AlC13夹杂物亦附着到气泡上，在气泡上浮过程中一并被带出铝液。生产中还可通过向铝液中加入氯化锌（ZnCl2）等氯盐或六氯乙烷（C2Cl6）等氯化物来产生同样效果。

4）采用正确的铸造工艺

为避免非铁合金在浇注过程中再度氧化吸气，防止金属液飞溅，应尽量采用平稳快浇、快凝的浇注工艺和底注式或某些特殊的浇注系统，将金属液连续平稳地导入型腔。采用金属型可使金属液快速冷凝，减少吸气，细化晶粒。如果用砂型铸造，则必须严格控制型砂水分，并采用细颗粒原砂，增大砂型的紧实度。铜液的密度大、流动性好，特别易渗入砂粒孔隙而产生机械黏砂，使铸件清理工作量大。

铜合金、铝合金的凝固收缩率比铸铁大，除锡青铜外，一般需采用冒口补缩。