壓鑄新技術——鋁液凈化 小型壓鑄廠的福音

隨著汽車工業的發展，鋁合金壓鑄件的使用越來越多，對鋁合金壓鑄件的要求也越來越高。除要求保證化學成分、力學性能和尺寸精度外，鋁合金壓鑄件還不允許有縮孔、縮松、氣孔、渣孔等鑄造缺陷。鋁液凈化處理是保證高質量鋁合金產品的措施之一，也是提高鋁合金綜合質量的主要手段。鋁液的精煉效果對氣孔、縮孔、夾雜的形成有重要的影響，且直接影響鋁合金壓鑄件的物理性能、力學性能。沒有高質量的鋁液，即使后續處理再先進，缺陷一旦產生它就始終存在產品之中，高質量的鋁合金壓鑄件就難以獲得。因此必須重視鋁液中的氣體和夾雜物，并采取措施來清除鋁液中的氣體和夾雜物。

1、鋁液中的氣體和夾雜物

鋁液中的氣體主要是氫氣(約占80%~90%)，其次是氮氣、氧氣、一氧化碳等。氫幾乎不溶于固態鋁，而在液態溶解度很大。氫在固相線上下的溶解度為每100 g鋁液的氫含量是0.65 mL和0.034 mL(氫在0.1MPa的條件下)， 即氫在固液兩相的溶解度相差19.1倍，而每 100g 熔融鋁中正常的氫含量為0.1~0.4 mL。 由于溶解度的不同氫就傾向于從熔體中逸出， 當氫氣壓力大于表面張力和液體靜壓力時就形成氣泡，進而在鋁合金壓鑄件中產生針孔。因此，在鋁合金熔體凈化方面， 主要存在的問題是鋁合金的含氫量較高， 而現有手段不能滿足高質量鋁合金壓鑄件的生產要求。通常每100 g鋁的含氫量在0.1~0.2 mL時基本能滿足生產要求，對特殊要求的鋁合金壓鑄件（像航空鑄件）每100 g鋁的含氫量要在0.06mL以下。

夾雜是指在液相線以上的任何固體及液體以外的物質。 鋁液中常見的非金屬雜質有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，大都以顆粒狀存在，典型的顆粒尺寸在1~30 μm范圍內。 除來自爐料外，主要是熔化過程中化學反應的產物。鋁表面的氧化膜厚度在2~10 μm，接近熔點時增至200 μm，液面上的氧化膜不僅更厚，而且結構發生了變化；面向鋁液一側是致密的對鋁液有保護作用，而鋁液外側是疏松的，內有直徑5~10 μm 的小孔并被氫、空氣、水汽充滿，如果將液膜攪入鋁液就會增雜、增氣。另外在高合金熔體中還 會出現一些不希望有的初生金屬間化合物，如鋁鋯、 鋁鈦等，含鐵的鋁合金還會形成富鐵的鋁鐵相、鋁硅鐵相等，鋁硅鐵相是一種針狀化合物嚴重破壞鋁的基體，影響力學性能。

鋁合金中的夾雜物與氣體存在很強的交互作用，鋁液中的含氫量受夾雜影響很大，當夾雜含量為0.002%和0.02%時，相應的氫含量為0.2 mL /100 g Al和0.35 mL /100 g Al。 在含氫量相同的情況下，夾雜物含量越高針孔率越高；相反，當鋁液中含雜量很低時，含氫量也很低；即使人為通入氫氣，也會自動析出，很快恢復到原來的含量。即使少量夾雜存在，也能顯著降低形成氣孔的臨界濃度值。 另一方面在無夾雜（或夾雜含量很低）的情況下，形成氣孔的臨界氫濃度可以達到0.3mL/100gAl。因此，除雜和除氣應同時進行，同樣重要。 不管用哪種精煉方式，除氣和除雜的效果往往是兼而有之，但各有側重。

2、鋁合金熔體凈化技術的現狀

目前鋁液的凈化和晶粒細化綜合處理，是獲得優質鋁合金的基礎問題。 鋁液凈化處理按生產環節的不同可分為爐內處理和爐外處理。鋁合金爐內處理按凈化的機理可分為吸附凈化技術和非吸附凈化技術。

吸附法凈化主要是依靠精煉劑產生的吸附氧化夾雜物的作用，同時清除氧化夾雜及表面依附的氫， 達到凈化鋁液的目的。非吸附法凈化依靠其它物理化學作用，達到鋁液凈化的目的。吸附法凈化作用只發生在吸附界面上，非吸附法凈化的作用同時作用于整個鋁液。 吸附法主要有惰性氣體吹洗、活性氣體吹洗、混合氣體吹洗、氯鹽(六氯乙烷)凈化、無毒精煉劑凈化、溶劑法凈化等；非吸附法，主要有真空凈化處理法（靜態真空處理、動態真空處理）、超聲波凈化處理法、電磁凈化處理法、壓力結晶法、稀土元素固氫法等。

在吸附凈化處理技術中用氯氣精煉時，氯氣與液態鋁生成三氯化鋁，三氯化鋁與氫氣生成氯化氫，兼有物理和化學的作用，精煉效果明顯，但污染環境、對人體有害。后來改用惰性氣體（氮氣和氬氣）精煉，甚至用99.999%的惰性氣體，但效果不好，且增加成本。 采用各種方法改善精煉工藝但總是達不到氯氣精煉的效果。近年來國外采用混合氣體精煉，即惰性氣體加活性氣體，在強化熔體除氫作用的同時有利于去除鋁合金內部的夾雜物，并在鋁合金熔體表面形成干渣， 可以達到很好地精煉效果。而且可以便捷控制氯氣的混入量，對環境的影響也不大。

在吸附法凈化處理技術中通過工藝創新、工藝改造也產生了許多實用的鋁液處理方法：像惰性氣體旋轉除氣、泡沫陶瓷過濾、噴粉處理，以及旋轉除氣與噴粉處理聯合使用等多種方法。在非吸附法凈化處理技術中，稀土元素固氫法也是未來的發展方向之一。

3、鋁液凈化技術在我國的應用狀態

鋁合金壓鑄廠規模都不是很大，年產能在5萬噸以上的企業也不過百家，在這些企業中鋁合金壓鑄產品占了相當的比例。再加上目前我國的壓鑄廠高質量的鋁合金壓鑄件的生產量還不是很大，因此鋁液的凈化處理技術的發展緩慢。 我國的熔體凈化裝備、檢測裝備生產企業不少，但企業的規模都不大。一些規模化生產的企業除選用用像摩根，Foseco這些國外品牌的裝備，國產裝備隨著技術的進步正在得到廣泛應用。

在航空航天領域的鋁合金壓鑄件要求高，但在我國目前還處于品種多批量小的一種生產模式，壓鑄廠規模不是很大；大多數企業鋁液的凈化還是采用惰性氣體旋轉除氣然后打渣的作業模式；對要求高的鋁液，通過六氯乙烷進行處理后都能達到產品的要求，這也是我國高端凈化設施發展緩慢的原因之一。

小型的鋁合金壓鑄廠，由于鋁合金壓鑄件要求低，設備技術落后，它們基本上是機邊爐熔化，做些簡單的打渣處理就生產鋁合金壓鑄件。好一點的還用惰性氣體或無毒精煉劑做些簡單的精煉處理或者用過濾板對鋁液進行過濾，鋁液的處理效果也不做檢測便開始生產；這種處理方式，鋁液質量差、生產檔次低、成本相對較高、壓鑄廠發展難度大。一些大中型鋁合金壓鑄廠，大多采用集中熔化，爐內打渣，轉包除氣打渣處理后轉機邊爐（轉入機邊爐的鋁液要經過檢測）組織生產。有些高要求的鋁合金壓鑄件，在這類企業一般選用連續熔化爐作為機邊爐，鋁液經過惰性氣體在線除氣、泡沫陶瓷過濾后生產鋁合金壓鑄件。選擇金屬型重力鑄造，大批量生產汽車、摩托車鋁合金壓鑄件的企業，基本上都采用連續熔化爐化鋁、惰性氣體T型除氣管在線除氣、陶瓷過濾板過濾的方式處理鋁液。 金屬型低壓鑄造，大批量生產汽車、摩托車鋁合金壓鑄件的企業大多也都采用連續熔化爐化鋁、周轉包內惰性氣體旋轉除氣（有些也選用旋轉除氣加噴粉精煉）、扒渣。這些方式處理的鋁液質量能保證、效率高、生產成本相對較低；對大批量生產有好處。

4、總結

在我國鑄造領域從技術、設備以及管理，世界上最先進的與最原始的2種模式并存，在這種模式下通過不斷的學習先進的技術、管理，特別是我國在改革開放的30多年時間里，鋁合金壓鑄發生了巨大的變化。不管是技術還是產能都在提高。鋁液質量的檢測手段也在不斷的提高，由最原始的經驗判斷到依靠設備定性分析、直到現在的定量分析。在定量分析上不同的企業都選用自己適合的方式（密度當量法、真空法以及氫含量直讀法）；并且這些裝備我國都能生產，并與國外的產品已沒多大的區別。越來越多的高品質鋁合金壓鑄件已經開始在我國生產，對鋁液的要求在不斷的提高，通過提高鋁液凈化裝備和工藝是一個必有途徑。