铝合金铸件中夹杂和氢含量关系

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1、铝合金铸件中夹杂和氢含量关系铝合金铸件中夹杂和氢含量关系 随着汽车工业的发展铝合金铸件的使用越来越多，对铸件的要求 也越来越高。除要求保证化学成分、力学性能和尺寸精度外，铝合金 铸件还不允许有缩孔、缩松、气孔、渣孔等铸造缺陷。铝液净化处理 是保证高质量铝合金产品的措施之一，也是提高铝合金综合质量的主 要手段。铝液的精炼效果对气孔、缩孔、夹杂的形成有重要的影响， 且直接影响铝合金铸件的物理性能、力学性能。没有高质量的铝液， 即使后续处理再先进，缺陷一旦产生它就始终存在产品之中，高质量 的铸件就难以获得。因此必须重视铝液中的气体和夹杂物，并采取措 施来清除铝液中的气体和夹杂物。1、铝液中的气体和夹

2、杂物 铝液中的气体主要是氢气（约占80%90%），其次是氮气、氧气、 一氧化碳等。氢几乎不溶于固态铝，而在液态溶解度很大。氢在固相 线上下的溶解度为每100g铝液的氢含量是0.65mL和0.034mL（氢在 O.IMPa的条件下），即氢在固液两相的溶解度相差19.1倍，而每100g 熔融铝中正常的氢含量为0.10.4mL。由于溶解度的不同氢就倾向于 从熔体中逸出，当氢气压力大于表面张力和液体静压力时就形成气泡， 进而在铸件中产生针孔。因此，在铝合金熔体净化方面，主要存在的 问题是铝合金的含氢量较高，而现有手段不能满足高质量铝合金铸件 的生产要求。通常每100g铝的含氢量在0.10.2mL时基本

3、能满足生 产要求，对特殊要求的铸件（像航空铸件）每 100g 铝的含氢量要在 0.06mL 以下。夹杂是指在液相线以上的任何固体及液体以外的物质。铝液中常 见的非金属杂质有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，大都以颗粒 状存在，典型的颗粒尺寸在130pm范围内。除来自炉料外，主要是 熔化过程中化学反应的产物。铝表面的氧化膜厚度在210pm,接近 熔点时增至200pm,液面上的氧化膜不仅更厚，而且结构发生了变化; 面向铝液一侧是致密的对铝液有保护作用，而铝液外侧是疏松的，内 有直径510pm的小孔并被氢、空气、水汽充满，如果将液膜搅入铝 液就会增杂、增气。另外在高合金熔体中还会出现一些不希望有的初

4、 生金属间化合物，如铝锆、铝钛等，含铁的铝合金还会形成富铁的铝 铁相、铝硅铁相等，铝硅铁相是一种针状化合物严重破坏铝的基体， 影响力学性能。铝合金中的夹杂物与气体存在很强的交互作用，铝液中的含氢量 受夹杂影响很大，当夹杂含量为0.002%和 0.02%时，相应的氢含量为 0.2mL/100gAI 和0.35mL/100gAI。在含氢量相同的情况下，夹杂物含量越高针孑L 率越高；相反，当铝液中含杂量很低时，含氢量也很低；即使人为通 入氢气，也会自动析出，很快恢复到原来的含量。即使少量夹杂存在， 也能显着降低形成气孔的临界浓度值。另一方面在无夹杂（或夹杂含 量很低）的情况下，形成气孔的临界氢浓度可

5、以达到 0.3mL/100gAI 因此，除杂和除气应同时进行，同样重要。不管用哪种精炼方式，除气和除杂的效果往往是兼而有之，但各有侧重。2、铝合金熔体净化技术的现状目前铝液的净化和晶粒细化综合处理，是获得优质铝合金的基础 问题。铝液净化处理按生产环节的不同可分为炉内处理和炉外处理。 铝合金炉内处理按净化的机理可分为吸附净化技术和非吸附净化技术。吸附法净化主要是依靠精炼剂产生的吸附氧化夹杂物的作用，同 时清除氧化夹杂及表面依附的氢，达到净化铝液的目的。非吸附法净 化依靠其它物理化学作用，达到铝液净化的目的。吸附法净化作用只 发生在吸附界面上，非吸附法净化的作用同时作用于整个铝液。吸附 法主要有惰

6、性气体吹洗、活性气体吹洗、混合气体吹洗、氯盐 （六氯乙 烷）净化、无毒精炼剂净化、溶剂法净化等；非吸附法，主要有真空净 化处理法（静态真空处理、动态真空处理）、超声波净化处理法、电 磁净化处理法、压力结晶法、稀土元素固氢法等。在吸附净化处理技术中用氯气精炼时，氯气与液态铝生成三氯化 铝，三氯化铝与氢气生成氯化氢，兼有物理和化学的作用，精炼效果 明显，但污染环境、对人体有害。后来改用惰性气体（氮气和氩气） 精炼，甚至用 99.999%的惰性气体，但效果不好，且增加成本。采用 各种方法改善精炼工艺但总是达不到氯气精炼的效果。近年来国外采 用混合气体精炼，即惰性气体加活性气体，在强化熔体除氢作用的同

7、 时有利于去除铝合金内部的夹杂物，并在铝合金熔体表面形成干渣， 可以达到很好地精炼效果。而且可以便捷控制氯气的混入量，对环境 的影响也不大。在吸附法净化处理技术中通过工艺创新、工艺改造也产生了许多 实用的铝液处理方法：像惰性气体旋转除气、泡沫陶瓷过滤、喷粉处 理，以及旋转除气与喷粉处理联合使用等多种方法。在非吸附法净化 处理技术中，稀土元素固氢法也是未来的发展方向之一。3、铝液净化技术在我国的应用状态铝合金铸造企业规模都不是很大，年产能在 5 万吨以上的企业也 不过百家，在这些企业中压铸产品占了相当的比例。再加上目前我国 的企业高质量的铸件的生产量还不是很大，因此铝液的净化处理技术 的发展缓慢

8、。我国的熔体净化装备、检测装备生产企业不少，但企业 的规模都不大。一些规模化生产的企业除选用用像摩根，Foseco这些 国外品牌的装备，国产装备随着技术的进步正在得到广泛应用。在航空航天领域的铸造铝合金铸件要求高，但在我国目前还处于 品种多批量小的一种生产模式，企业规模不是很大；大多数企业铝液 的净化还是采用惰性气体旋转除气然后打渣的作业模式；对要求高的 铝液，通过六氯乙烷进行处理后都能达到产品的要求，这也是我国高 端净化设施发展缓慢的原因之一。小型的铝合金压铸企业，由于铸件要求低，设备技术落后，它们 基本上是机边炉熔化，做些简单的打渣处理就生产铸件。好一点的还 用惰性气体或无毒精炼剂做些简单

9、的精炼处理或者用过滤板对铝液进 行过滤，铝液的处理效果也不做检测便开始生产；这种处理方式，铝 液质量差、生产档次低、成本相对较高、企业发展难度大。一些大中 型铝合金压铸企业，大多采用集中熔化，炉内打渣，转包除气打渣处 理后转机边炉（转入机边炉的铝液要经过检测）组织生产。有些高要 求的铸件，在这类企业一般选用连续熔化炉作为机边炉，铝液经过惰 性气体在线 除气、泡沫陶瓷过滤后生产铸件。先进的铝液净化处理技术在我 国也有不少企业在使用，像陕西某铸造公司铝合金消失模生产线的熔 化及净化处理设施，该生产线上使用的合金材料：ZL101A、Sr变质； 熔化炉：杰克西公司 1.5t/h 的连续熔化炉；净化处理

10、选用 Pyrotek 公 司的在线连续处理设备，净化处理选用Ar气旋转除气加2道过滤板过 滤，处理后的铝液当量密度小于1,处理能力1.5t/h ；像这样先进的处 理设备在新上的规模生产企业使用的较多。选择金属型重力铸造，大 批量生产汽车、摩托车铸件的企业，基本上都采用连续熔化炉化铝、 惰性气体 T 型除气管在线除气、陶瓷过滤板过滤的方式处理铝液。金 属型低压铸造，大批量生产汽车、摩托车铸件的企业大多也都采用连 续熔化炉化铝、周转包内惰性气体旋转除气（有些也选用旋转除气加 喷粉精炼）、扒渣。这些方式处理的铝液质量能保证、效率高、生产 成本相对较低；对大批量生产有好处。4、总结 在我国铸造领域从技术、设备以及管理，世界上最先进的与最原 始的 2 种模式并存，在这种模式下通过不断的学习先进的技术、管理， 特别是我国在改革开放的 30 多年时间里，铝合金铸造发生了巨大的变 化。不管是技术还是产能都在提高。铝液质量的检测手段也在不断的 提高，由最原始的经验判断到依靠设备定性分析、直到现在的定量分 析。在定量分析上不同的企业都选用自己适合的方式（密度当量法、 真空法以及氢含量直读法）；并且这些装备我国都能生产，并与国外 的产品已没多大的区别。越来越多的高品质铝合金铸件已经开始在我 国生产，对铝液的要求在不断的提高，通过提高铝液净化装备和工艺 是一个必有途径。