壓鑄新技術(shù)——鋁液凈化 小型壓鑄廠的福音

隨著汽車工業(yè)的發(fā)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(xué)成分、力學(xué)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(zhì)量鋁合金產(chǎn)品的措施之一，也是提高鋁合金綜合質(zhì)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(xué)性能。沒有高質(zhì)量的鋁液，即使后續(xù)處理再先進(jìn)，缺陷一旦產(chǎn)生它就始終存在產(chǎn)品之中，高質(zhì)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(tài)鋁，而在液態(tài)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(dāng)氫氣壓力大于表面張力和液體靜壓力時就形成氣泡，進(jìn)而在鋁合金壓鑄件中產(chǎn)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(xiàn)有手段不能滿足高質(zhì)量鋁合金壓鑄件的生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)。 鋁液中常見的非金屬雜質(zhì)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(nèi)。 除來自爐料外，主要是熔化過程中化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)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(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；面向鋁液一側(cè)是致密的對鋁液有保護(hù)作用，而鋁液外側(cè)是疏松的，內(nèi)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(xiàn)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(yán)重破壞鋁的基體，影響力學(xué)性能。

鋁合金中的夾雜物與氣體存在很強(qiáng)的交互作用，鋁液中的含氫量受夾雜影響很大，當(dāng)夾雜含量為0.002%和0.02%時，相應(yīng)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(dāng)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(fù)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(dá)到0.3mL/100gAl。因此，除雜和除氣應(yīng)同時進(jìn)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(cè)重。

2、鋁合金熔體凈化技術(shù)的現(xiàn)狀

目前鋁液的凈化和晶粒細(xì)化綜合處理，是獲得優(yōu)質(zhì)鋁合金的基礎(chǔ)問題。 鋁液凈化處理按生產(chǎn)環(huán)節(jié)的不同可分為爐內(nèi)處理和爐外處理。鋁合金爐內(nèi)處理按凈化的機(jī)理可分為吸附凈化技術(shù)和非吸附凈化技術(shù)。

吸附法凈化主要是依靠精煉劑產(chǎn)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(dá)到凈化鋁液的目的。非吸附法凈化依靠其它物理化學(xué)作用，達(dá)到鋁液凈化的目的。吸附法凈化作用只發(fā)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(tài)真空處理、動態(tài)真空處理）、超聲波凈化處理法、電磁凈化處理法、壓力結(jié)晶法、稀土元素固氫法等。

在吸附凈化處理技術(shù)中用氯氣精煉時，氯氣與液態(tài)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(xué)的作用，精煉效果明顯，但污染環(huán)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(dá)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(qiáng)化熔體除氫作用的同時有利于去除鋁合金內(nèi)部的夾雜物，并在鋁合金熔體表面形成干渣， 可以達(dá)到很好地精煉效果。而且可以便捷控制氯氣的混入量，對環(huán)境的影響也不大。

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

3、鋁液凈化技術(shù)在我國的應(yīng)用狀態(tài)

鋁合金壓鑄廠規(guī)模都不是很大，年產(chǎn)能在5萬噸以上的企業(yè)也不過百家，在這些企業(yè)中鋁合金壓鑄產(chǎn)品占了相當(dāng)?shù)谋壤Ｔ偌由夏壳拔覈膲鸿T廠高質(zhì)量的鋁合金壓鑄件的生產(chǎn)量還不是很大，因此鋁液的凈化處理技術(shù)的發(fā)展緩慢。 我國的熔體凈化裝備、檢測裝備生產(chǎn)企業(yè)不少，但企業(yè)的規(guī)模都不大。一些規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)除選用用像摩根，F(xiàn)oseco這些國外品牌的裝備，國產(chǎn)裝備隨著技術(shù)的進(jìn)步正在得到廣泛應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)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(chǎn)模式，壓鑄廠規(guī)模不是很大；大多數(shù)企業(yè)鋁液的凈化還是采用惰性氣體旋轉(zhuǎn)除氣然后打渣的作業(yè)模式；對要求高的鋁液，通過六氯乙烷進(jìn)行處理后都能達(dá)到產(chǎn)品的要求，這也是我國高端凈化設(shè)施發(fā)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(shè)備技術(shù)落后，它們基本上是機(jī)邊爐熔化，做些簡單的打渣處理就生產(chǎn)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(jìn)行過濾，鋁液的處理效果也不做檢測便開始生產(chǎn)；這種處理方式，鋁液質(zhì)量差、生產(chǎn)檔次低、成本相對較高、壓鑄廠發(fā)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(nèi)打渣，轉(zhuǎn)包除氣打渣處理后轉(zhuǎn)機(jī)邊爐（轉(zhuǎn)入機(jī)邊爐的鋁液要經(jīng)過檢測）組織生產(chǎn)。有些高要求的鋁合金壓鑄件，在這類企業(yè)一般選用連續(xù)熔化爐作為機(jī)邊爐，鋁液經(jīng)過惰性氣體在線除氣、泡沫陶瓷過濾后生產(chǎn)鋁合金壓鑄件。選擇金屬型重力鑄造，大批量生產(chǎn)汽車、摩托車鋁合金壓鑄件的企業(yè)，基本上都采用連續(xù)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(chǎn)汽車、摩托車鋁合金壓鑄件的企業(yè)大多也都采用連續(xù)熔化爐化鋁、周轉(zhuǎn)包內(nèi)惰性氣體旋轉(zhuǎn)除氣（有些也選用旋轉(zhuǎn)除氣加噴粉精煉）、扒渣。這些方式處理的鋁液質(zhì)量能保證、效率高、生產(chǎn)成本相對較低；對大批量生產(chǎn)有好處。

4、總結(jié)

在我國鑄造領(lǐng)域從技術(shù)、設(shè)備以及管理，世界上最先進(jìn)的與最原始的2種模式并存，在這種模式下通過不斷的學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)、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(fā)生了巨大的變化。不管是技術(shù)還是產(chǎn)能都在提高。鋁液質(zhì)量的檢測手段也在不斷的提高，由最原始的經(jīng)驗判斷到依靠設(shè)備定性分析、直到現(xiàn)在的定量分析。在定量分析上不同的企業(yè)都選用自己適合的方式（密度當(dāng)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(chǎn)，并與國外的產(chǎn)品已沒多大的區(qū)別。越來越多的高品質(zhì)鋁合金壓鑄件已經(jīng)開始在我國生產(chǎn)，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。