1铸铝金具制造质量控制要点.docx
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1铸铝金具制造质量控制要点
铸铝金具制造质量控制
一、铸铝金具质量问题及主要原因
1.铸铝金具常见的质量问题：
1）材质化学成分不合格；
2）铝铸造件表面出现可见裂纹、冷隔、浇不足；
3）铝铸造件内部出现气孔、疏松；
4）材料强度不符合要求。
2.材质化学成分不合格主要原因:
1）进厂的原材料成分不合格，没有经过检验检测就投入使用；
2）自己熔炼时各种原材料配置比例不合格，如硅（Si）、镁（Mg）等加入量太多或太少；
3）加入的回炉料没有经过成分检测就投入使用；
4）回炉料中各种杂质，特别是有害杂质铁（Fe）带入铝液中；
5）熔炼中熔炼炉没有清理干净（洗炉），不同牌号铝合金成分混杂；
6）各种熔炼工具、金属模等没有进行清理和喷刷涂料，有害杂质铁（Fe）带入铝液中。
7）熔炼温度过高、时间过长，导致有用元素烧损、杂质的增加。
3.铝铸造件表面出现可见裂纹原因：
1）合金的铸造性能差，线收缩系数大，如纯铝；
2）浇注温度过高，而模具温度过低；
3）开模过早，铝液还没有凝固；
4）开模过迟，铸件对模具、芯棒的包裹力过大，导致脱模力过大。
5）模具补缩系统不良，对铸件的补缩不足
6）铸件壁厚相差过大。
4.铸件出现冷隔、浇不足原因：
1）合金的铸造性能差，流动性差，如纯铝；
2）浇注温度过低或模具温度过低；
3）模具排气不良；
4）模具设计不合理，压力头不足；
5）铸件壁厚太薄，不适合用重力铸造、砂模铸造；
6）铝合金液未进行变质处理，合金流动性差；
7）铝合金含硅（Si）低于标准值,合金流动性差。
5.铝铸造件内部出现气孔、疏松原因：
1）铝合金熔炼时温度过高、时间过长或铝锭受潮没有进行烘干，导致金属液吸入的氢气太多；
2）熔炼时铝液未进行精炼除气处理；
3）模具模具排气不良；
4）铝合金熔炼温度过高、时间过程、浇注时间拖延过长，导致金属氧化严重，炉气中有害气体、杂质入侵增加；
6.材料强度不符合要求原因：
1）是铸件在铝液熔炼和浇注中各种问题引起；
材料强度是否符合标准要求是上述铸铝件各种质量问题综合的反映，如材质化学成分不合格；铝铸造件表面出现可见裂纹、冷隔、浇不足；铝铸造件内部出现气孔、疏松等反映；
2）铝液没有经过变质细化处理；
3）铝合金热处理不当引起。
至于产品强度不符合要求还与产品设计有关。
二、铸铝金具质量问题解决对策
1.铸铝件材质化学成分不合格解决对策：
1）进厂的原材料成分必须经检验合格后才能入库，检验标准如下：
a）纯铝锭应符合标准GB/T1196《重熔用铝锭》；
表
（1）常用《重熔用铝锭》化学成分（GB/T1196）
铝锭牌号
质量分数（％）
AI≥
杂质≤
Si
Fe
杂质总量
AI99.7
99.7
0.10
0.20
0.30
AI99.6
99.6
0.16
0.25
0.40
AI99.5
99.5
0.22
0.30
0.50
b）铸造铝合金锭应符合标准GB/T8733《铸造铝合金锭》，常用的有ZL101AD、ZL102D、ZL104D等
表
（2）常用铝合金锭主要化学成分（GB/T8733）
合金牌号
合金代号
质量分数（％）
主要元素
杂质总量≤
Al
Si
Mn
Mg
Ti
Fe
其他
ZAlSi7Mg
ZL101D
6.5～7.5
0.3～0.5
0.4
—
余量
ZAlSi7MgA
ZL101AD
6.5～7.5
0.3～0.5
0.08～0.20
0.12
—
余量
ZAlSi12
ZL102D
10.0～13.0
0.60
—
余量
ZAlSi9Mg
ZL104D
8.0～10.5
0.20～0.50
0.20～0.35
0.45
—
余量
注：
以上铝合金锭都是AI—Si系铝合金，主要特点是都含有硅（Si）元素，AI—Si系铝合金中主要元素作用：
（1）硅（Si）元素：
当铝硅合金中含硅（Si）的质量分数在12.6％时，我们称其为“共晶铝硅合金”，当硅（Si）的质量分数＜12.6％时称其为“亚共晶铝硅合金”，当硅（Si）的质量分数＞12.6％时称其为“过共晶铝硅合金”。
因为硅（Si）元素在铝硅合金基体形成Al—Si共晶体，Al—Si共晶体的增加提高了合金的强度和流动性、降低合金线收缩率、减小合金的热裂倾向。
但随着Al—Si共晶体的增加，合金的可切削性、伸长率、导电率、耐蚀性等都在降低。
当硅（Si）的质量分数＞12.6％，形成“过共晶铝硅合金”时，铝硅合金中出现大量初晶硅，粗大的初晶硅出现严重割裂了基体，降低了铝硅合金的机械强度。
从表列的四种铝硅合金可见，它们的含硅量都在共晶与亚共晶的区间，这样能得到良好的铸造和力学综合性能。
（2）镁（Mg）元素：
在铝硅合金中加入一定的镁（Mg）元素，形成Al—Si—Mg合金。
Mg与Si形成Mg2Si中间相化合物，在对Al—Si—Mg合金进行固溶处理和时效处理时，因Mg2Si中间相的作用，能提高铝合金强度、硬度、流动性。
当镁（Mg）元素含量达0.2％～0.5％时，铝合金的抗拉强度有明显提高，但韧性降低；当镁（Mg）元素含量超过0.5％时则容易氧化，增大合金的粘模性、并使合金的流动性变差。
表
（2）所列的四种铝硅合金中ZLD102不含镁（Mg）元素，不呈现出热处理的强化效果外，其余三种（ZLD101、ZLD101A、ZLD104）均含有镁（Mg）元素，所以都可以通过固溶（淬火）＋时效的热处理方法来提高合金的强度。
（3）锰（Mn）元素：
在合金基体中形成MnAl6的弥散质点，并阻止再结晶的粗大化，有效地细化再结晶晶粒，从而提高合金强度、耐热性、耐蚀性，减小粘模性。
锰（Mn）元素并能与有害元素铁（Fe）形成形成化合物，达到溶解杂质铁（Fe），减小杂质铁（Fe）的有害作用。
但过多会使合金产生硬化与脆性。
在ZLD104铝合金中加入0.20％～0.50％的锰（Mn）元素，能提高耐蚀性能和强度。
（4）钛（Ti）元素：
加入钛（Ti）能使合金晶粒细化提高合金的强度。
ZLD101A铝合金的含硅（Si）量与含镁（Mg）量与ZLD101铝合金相同，但ZLD101A铝合金加入了0.08％～0.20％的钛（Ti）元素，使强度有很大提高，所以ZLD101A铝合金的强度大于ZLD101铝合金。
但生成的化合物密度比铝合金大，在熔炼时或铝液放置时间长就容易发生钛（Ti）元素沉淀或偏析。
（5）铁（Fe）元素：
铁（Fe）元素是铝合金中最主要的有害元素。
铁（Fe）在铝合金中生成Al3Fe、Al9Fe2Si2等针状结晶体，降低了铝合金的强度、增加了脆性、抗蚀性降低。
并且使合金的铸造流动性变差、热裂倾向增大。
但铁（Fe）元素在增在适当范围内有利于铸件的脱模，所以在GB/T8733《铸造铝合金锭》中同种牌号压铸用铸造铝合金锭的含铁（Fe）量会略高于普通铸造铝合金锭0.3％左右。
由于压铸件的冷却速度快，所析出的结晶很细，对强度不会带来太大的影响。
我们常用铝合金中含铁（Fe）量的多少来评价铝合金的纯洁度，如356Z.2
（ZLD101A）就是高纯洁度铝合金，含铁（Fe）量在0.12％以下。
这也是ZLD101A铝合金强度高的原因之一。
但用高纯洁度铝合金锭制造出来的产品含铁量未必就低，因为铝合金锭在二次熔炼、浇铸过程会有很多增铁的可能性。
因此在生产中必须严格控制铝合金的增铁。
（6）铜（Cu）元素：
铜（Cu）元素会形成Al2Cu，提高合金的强度、硬度和耐热性，介降低了合金的伸长率和耐蚀性，增加热裂倾向。
铝合金电力线路金具对耐蚀性能要求很高，因此铜（Cu）元素是一种有害元素，金具生产厂家应避免铝回炉料中混入铜削。
（7）锌（Zn）元素：
锌（Zn）元素降低了铝合金的强度，增加了热裂倾向。
在Al—Si合金中锌（Zn）元素控制在0.1％～0.2％范围内。
以上是电力金具制造厂常用铝合金的几种主要元素和几种容易混入的有害元素，其元素就不作说明。
必须充分注意的是一旦铝合金液中某有害元素超出标准要求，是不可能用什么办法来加以去除的，唯一的办法是加入高纯度的纯铝锭进行冲淡处理，使该有害元素的含量符合标准要求，同时要求做到其他必须的元素含量也符合标准要求，这一操作是较困难的。
c）铸造铝合金产品应符合标准GB/T1173《铸造铝合金》，常用的有ZL101A、ZL102、ZL104等。
GB/T1173《铸造铝合金》标准见表（3）、表（4）
表（3）用常铸造铝合金化学成分（GB/1173）
合金牌号
合金代号
主要元素，％
Si
Mg
Mn
Ti
其他杂质
Al
ZAISi7Mg
ZL101
6.5～7.5
0.25～0.45
余量
ZAISi7MgA
ZL101A
6.5～7.5
0.25～0.45
0.08～0.20
余量
ZAISi12
ZL102
10.0～13.0
余量
ZAISi9Mg
ZL104
8.0～10.5
0.17～0.35
0.2～0.5
余量
表（4）用常铸造铝合金杂质允许含量（GB/1173）
合金牌号
合金代号
主要元素，不大于％
Fe
Cu
Mg
Zn
Mn
Ti
Zr
Ti＋Zr
Be
杂质总和
S
J
S
J
ZASi7Mg
ZL101
0.5
0.9
0.2
0.3
0.35
0.25
0.1
1.1
1.5
ZASi7MgA
ZL101A
0.2
0.2
0.1
0.1
0.10
0.20
0.7
0.7
ZASi12
ZL102
0.7
1.0
0.3
0.10
0.1
0.5
0.20
2.0
2.2
ZASi9Mg
ZL104
0.6
0.9
0.1
0.25
0.15
0.1
1.1
1.4
GB/T1173《铸造铝合金》标准是用符合GB/T8733《铸造铝合金锭》标准进行熔炼（熔化）后成铸件产品的化学成分，表
（2）与表（3）比较只允许Mg有所烧损。
表
（2）与表（4）比较允许铁（Fe）等杂质有所增加。
因为这是客观的要求。
但Mg的烧损量和Fe的增加量必须控制在GB/1173标准之内。
没有标准规定“钝铝铸件”中允许Fe、Si等杂质可以增加量多少，因为钝铝（重熔用铝锭）一般只是用来制作各种铝合金的原料或压力加工（热、冷挤压、拉伸）成管、板、丝、带等。
很少直接铸造成产品。
只能按《重熔用铝锭》（GB/T1196）标准规定的化学成分来检验钝铝铸件。
但“钝铝铸件”是由“重熔用铝锭”经过再熔炼而来，混入少量的Fe、Si等杂质也是必然的，用同一纯度等级的“重熔用铝锭”来熔炼出同一纯度的“钝铝铸件”是比较困难的，只有在熔炼过程对熔炼炉中杂质进行清理，对熔炼工具进行清理和涂刷涂料等才有可能。
一般可用高一纯度等级的“重熔用铝锭”来熔炼低一纯度等级的“钝铝铸件”，如用99.7纯度等级的“重熔用铝锭”来熔炼99.5纯度等级的“钝铝铸件”。
压力加工不会带入Fe、Si等杂质。
表（5）用常铸造铝合金力学性能（GB/1173）
合金牌号
合金代号
铸造方法
合金状态
力学性能。
不低于
抗拉强度σb（MPa）
伸长率δ5（％）
布氏硬度HBW
ZASi7Mg
ZL101
S、J
F
155
2
50
S、J
T2
135
2
45
JB
T4
185
4
50
S
T4
175
4
50
J、JB
T5
205
2
60
S
T5
195
2
60
SB
T5
195
2
60
SB
T6
225
1
70
ZASi7MgA
ZL101A
S
T4
195
5
60
J、JB
T4
225
5
60
S
T5
235
4
70
SB
T5
235
4
70
J、BJ
T5
265
4
70
SB
T6
275
2
80
JB、J
T6
295
3
80
ZASi12
ZL102
SB、JB
F
145
4
50
J
F
155
2
50
SB、JB
T2
135
4
50
J
T2
145
3
50
ZASi9Mg
ZL104
S、J
F
150
2
50
J
T1
200
1.5
65
SB
T6
230
2
70
J、JB
T6
240
2
70
注：
1）铸造方法：
S——砂型铸造；J——金属型铸造；B——变质处于。
2）热处理状态：
F——铸态；T1——人工时效；T2——退火；T4——固溶处理加自然时效；T5——固溶处理加不完全人工时效；T6——固溶处理加完全人工时效。
特别要关注有害元素铁（Fe）量是增加，如果增加要查明原因。
由于四种铝硅合金特性不同所以适合金具品种也不同，见表（6）：
表（6）四种铝硅合金特性比较及适合金具品种
合金代号
主要特点
适合金具品种
ZL101
化学成分简单，铸造性能较好（与ZL104相近），可以热处理，力学性能中等。
适用砂型和金属型，不适合用于压铸。
适合工作温度150℃以下。
在电力金具制造中较少采用。
因为ZL101A、ZL102、ZL104都可以取代。
ZL101A
化学成分基本与ZL101相同，只增加了钛（Ti）元素，含铁等杂质最低，可以热处理强化，力学性能高，适用砂型和金属型，不适合用于压铸。
耐热强度低，适合作温度150℃以下。
适合金属型铸造的各种大载荷的悬垂线夹。
ZL102
是铝硅二元合金，流动性、抗热裂性最好、有很好的气密性，不可热处理达到强化，力学性能和切削性能较低，有集中缩孔倾向。
适合各种铸造方法，主要用于压铸。
耐热强度较高，适合工作温度200℃以下。
适合压铸间隔棒的框架和金属型铸造的载荷较低的悬垂线夹、变电站设备线夹和管母线支座等。
ZL104
有好的抗热裂性、气密性和流动性，可热处理强化，力学性能仅处于ZL101A。
适合各种铸造方法，主要用于压铸。
耐热强度低，适合工作温度185℃以下
适合压力铸造的各种线夹、和重力铸造的各种线夹。
2）自己熔炼时各种原材料配置比例应进行正确计算，计算方法见附录
（1）；
3）加入的回炉料没有经过成分检测，加入量按下表执行：
表（7）回炉料用量
铝合金料
新铝合金锭
一级回炉料
二级回炉料
三级回炉料
加入比例（％）
标准铝合金锭
经过检测后化学成分符合标准的浇口、冒口、报废的产品。
一级回炉料可以直接投入熔炼。
化学成分不合格的浇口、冒口、报废的产品和砂型浇口、冒口。
铝件加工屑，熔炉底料
60～70
40～30
0
0
二级回炉料与三级回炉料不能直接投入使用。
应经过金化学成分检测后，进行重新配料熔炼（包括精炼除气、扒渣等静化处理），熔炼后的铝液再经过金化学成分检测合格后注锭，并对注锭进行化学成分标识。
也可送到专业铝合金熔炼进行处理。
4）一种牌号的铝合金最好是专用熔炼炉进行熔炼，以免成分“污染”。
没有条件时可用“洗炉”方法加以解决，即熔炼过甲种铝合金的熔炼炉，要用来熔炼乙种铝合金时，在清理完成熔炼炉内甲种铝合金液、炉底熔渣等杂质后，必须用乙种铝合金或纯铝在此炉内熔炼一次，让其吸收、清除掉甲种铝合金残留在炉内的合金元素，以免“污染”，确保乙种铝合金的化学成分。
一般多用纯铝进行“洗炉”，用量一般不少于炉子容量的40％。
对熔炼甲种铝合金熔炉进行“洗炉”后的铝液浇注成的铝锭，铝锭经成分检测后，可以用来熔炼甲种铝合金用。
5）在满足铸件充型的条件下，尽量降低熔炼温度和缩短熔炼时间，减小有害元素的吸入及有用元素的烧损。
6）对熔炼工具、模具进行喷涂涂料，以免铝液增铁。
2.铝铸造件出现的其他缺陷的解决对策：
铝铸造件出现的可见裂纹、冷隔、浇不足、气孔、疏松等其他缺陷都与不正确的铸造工艺有关，有些原因是交叉的，所以只能用阐明铝铸造正确的工艺来解决这些缺陷。
1）尽量避免用纯铝制作铸件，如果是必须的，应用低压铸造，以解决裂纹、冷隔、浇不足、气孔、疏松等缺陷。
2）所有的铸件应正确设计铸造模具，使铸件有良好的浇冒系统和补缩系统。
目前电力金具生产厂家的重力铸造金属模、低压铸造金属模、压铸模都是委外加工，模具制造厂的技术力量、加工能力有很大差别，因此必须委托技术力量和加工能力比较强度的厂家进行生产，最好能委托有铸造模具模拟软件（CAE）的制造厂家生产。
铸造模具模拟软件能模拟铸造模具各种工艺过程（充型、凝固、热传导等全过程，能准确预测浇不足、气孔、缩孔、疏松等缺陷，指导浇冒系统的设计，从而保证模具质量，减少试模时间。
3）对模具、工具进行正确地喷涂涂料和合理的模具工作温度。
对模具、工具进行预热180℃～250℃，再喷涂“氧化锌10～20％＋水玻璃4～6％＋60℃～80℃的热水（余量）”涂料。
金属模具的工作温度为：
一般件250℃～350℃；薄壁复杂件350℃～400℃。
4）采用合理的浇注温度、熔炼时间、保温时间。
表（8）铝硅合金的浇铸温度
合金牌号
铝合金液浇注温度（℃）
熔炼时间＜（t）
保温时间＜（t）
一般件
薄壁复杂件
ZL101A
690～730
730～780
4～6
2～3
ZL101
690～730
730～780
ZL102
680～720
720～750
ZL104
680～720
720～760
铝及铝合金熔炼温度过高、熔炼时间过长、保温时间过长等都会引起铝液中含气量增加、氧化严重、杂质增加、有效成分烧损大、铝及铝合金晶粒粗大，强度下降。
根据试验证明当铝及铝合金液熔炼温度从700℃升到800℃，铝及铝合金液中的含气量增加2～3倍左右。
所以在满足产品成型的前提下，应采用较低的温度熔炼和液浇。
熔炼时间与保温时越短越好。
5）采用合理的精炼工艺
精炼的目的是去除在熔炼过程中吸入铝液中的气体（主要是H2）和氧化物（Al2O3）及其他杂质，达到纯化铝液的目的。
因此“精炼”工艺也称“精炼净化”工艺。
纯铝可以用氯化锌进行精炼处理。
纯铝氯化锌精炼工艺参数见表（9）
表（9）纯铝氯化锌精炼工艺参数
熔剂预热
精炼铝液温度（℃）
熔剂加入比例％
精炼时间（min）
静止时间（min）
温度（℃）
时间（S）
300～400
10～20
720～740
0.2～0.3
10～12
10～12
注：
熔剂用刷有涂料并且进行预热的“钟罩”分2～3次压入铝液中（离锅底150～200mm），并进慢速前后、左右移动。
铝硅合金可以用六氯乙烷、氯化锌、四氯化碳等单一化学成分或多种化学成分组成的多元（二元、三元）精炼剂进行精炼处理。
有的生产厂家是多种功能的熔剂——覆盖、精炼、变质三种功能或精炼、变质两种功能混合。
我公司目前使用的是专业熔剂厂生产的“RJ10#双重复合变质熔剂”，是由钠盐、钾盐、钙盐、氟盐、锶盐等多种化合物组成，具有除气、除渣、变质、覆盖同步进行的功能。
按产品说明书说明，“RJ10#双重复合变质熔剂”对铝合金的精炼工艺参数见表（10）
表（10）铝硅合金“RJ10#双重复合变质熔剂”工艺参数
熔剂预热
精炼铝液温度（℃）
熔剂加入比例（％）
精炼时间（min）
静止时间（min）
温度（℃）
时间（S）
300～400
10～20
690～740
0.8～1.0
10～12
5～8
刷有涂料并且进行预热的“钟罩”把熔剂分2～3次压入铝液中（离锅底150～200mm），并进慢速前后、左右移动或把熔剂均匀地撒在铝液表面。
用有精炼、变质双重功能的的熔剂进行处理后的金属液可以不再进行变质处理，而用精炼专用熔剂进行精炼处理后必须进行变质处理。
我公司采用“RJ10#双重复合变质熔剂”处理后，又进行金属锶变质处理，我认为是多余的，可以进行铸件试样的强度试验，来验证是否可以省去金属锶变质处理，以减少成本。
6）采用合理的变质工艺
铝合金变质的目的是细化铝硅合金中晶粒，提高铝合金强度。
铝硅合金中的Al—Si共晶体未经变质处理时的共晶硅是板片状，严重割裂基体，降低了合金的强度和塑性，经变质处理后共晶硅变为细小纤维状或点状，提高了铝硅合金的强度和塑性。
因此以上四种铝硅合金在熔炼时都必须加入变质剂进行变质处理来细化Al—Si共晶体中的共晶硅来提高它们的强度。
未经变质处理的相经变质处理的相
图（）ZL102铝合金变质处理
常用的铝合金变质有“钠盐变质剂”和“金属锶变质”。
“钠盐变质剂”的加入温度、加入质量、变质时间、静上时间应按照厂家产品说明书规定进行。
目前用得最多是金属锶变质处理。
一般是把锶熔炼成熔点较低的“铝锶中间合金”。
因为采用金属锶变质效果好、没有污染、作用时间长（有效时间可达6h～8h）。
Sr的加入量为铝合金总质量的0.04％～0.05％，我公司是采用含锶（Sr）量为10％（9％～11％）的Al—Sr中间合金变质，因此Al—Sr10％中间合金加入量为铝合金总质量的0.4％～0.5％。
用“Al—Sr10％中间合金”变质工艺参数见表（11）
表（11）Al—Sr10％中间合金”变质工艺参数
变质铝液温度（℃）
Al—Sr10％中间合金加入比例（％）
变质时间（min）
静止时间（min）
760～780
0.4～0.5
10～12
20～30
“RJ10#双重复合变质熔剂”说明书说明变质有效时间可以达4～5h。
7）采用合理的浇注工艺
铝铸件金属模重力铸造合理的浇注工艺，能提高金属液的充型能力、减少气体的卷入。
浇注工艺原则是：
a）浇注要平稳、连续、不断流；
b）浇注过程速度要求慢、快、慢的原则。
如果浇注不平稳、不连续、断流就会造成金属液卷入气体，铸件产生冷隔、浇不足等缺陷。
浇注过程速度要求“慢、快、慢”的原则，前“慢”—就是开始浇注时金属液要求沿着浇口壁顺流而下，浇注速度要慢。
这样金属液不会堵住浇口，有利于型腔中的气体排出；中“快”—当浇道充满金属液后浇注速度要加快，提高金属液充能力，使金属液尽快充满型腔，减少浇不足、冷隔等缺陷的产生；后“慢”—当型腔、浇道充满后，要放慢浇注速度，使浇（冒）口充满的时间相对长些，有利于补缩。
8）控制好开模时间
开模过早，铝液还没有凝固，铸件会变形、开裂；开模过迟，铸件对模具、芯棒的包裹力过大。
导致脱模力过大和困难，也会导致铸件变形、开裂。
金属模重力铸造的开模时间应控制在当浇（冒）口金属液凝固后就应该开模取件。
二、铝型材制造金具质量问题及主要原因
1.铝型材制造金具常见的质量问题：
1）型材化学成分不合格（材料强度不合格）；
2）型材尺寸不合格；
3）加工、焊接过程出现的质量问题.
型材都是通过纯铝及其他铝合金通过挤压、轧制成型（变形铝合金），所以型材的内在质量合格率比较高，不会存在气孔、疏松等质量问题，所以带来的质量问题比较少。
因此在电力金具DL/T757《耐张
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