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0.1MPa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0.1~0.4mL。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0.1~0.2mL时基本能满足生产要求，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1~30μm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2~10μm，接近熔点时增至200μm，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5~10μm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/100gAl和

0.35mL/100gAl。在含氢量相同的情况下，夹杂物含量越高针孔率越高；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以达到0.3mL/100gAl。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。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