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(duì)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(duì)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?dú)?、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(shí)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(shí)基本能滿足生產(chǎn)要求，對(duì)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(diǎn)時(shí)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(duì)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(huì)增雜、增氣。另外在高合金熔體中還 會(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)，含氫量也很低；即使人為通入氫氣，也會(huì)自動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)作用于整個(gè)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(dòng)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(shí)，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(duì)人體有害。后來改用惰性氣體（氮?dú)夂蜌鍤猓┚珶?，甚至?9.999%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(guó)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(shí)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(duì)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(shí)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(guó)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?。再加上目前我?guó)的壓鑄廠高質(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(guó)的熔體凈化裝備、檢測(cè)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(guó)外品牌的裝備，國(guó)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(guó)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(duì)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(guó)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(jiǎn)單的打渣處理就生產(chǎn)鋁合金壓鑄件。好一點(diǎn)的還用惰性氣體或無毒精煉劑做些簡(jiǎn)單的精煉處理或者用過濾板對(duì)鋁液進(jìn)行過濾，鋁液的處理效果也不做檢測(cè)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(duì)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(cè)）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(duì)較低；對(duì)大批量生產(chǎn)有好處。

4、總結(jié)

在我國(guó)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(guó)在改革開放的30多年時(shí)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(cè)手段也在不斷的提高，由最原始的經(jīng)驗(yàn)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(guó)都能生產(chǎn)，并與國(guó)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(guó)生產(chǎn)，對(duì)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(gè)必有途徑。