文：四川跃镁镁业科技有限公司童帮华、张磊、李俊杰
摘要：阐述了铝熔体气体、夹杂的来源，在此基础上综述了压铸铝熔体净化技术的工作原理和工艺技术，包括常见的气泡浮游法、过滤法等工艺，最后展望了压铸铝熔体净化技术的发展趋势。
关键词：压铸 铝熔体 净化
1、引言
铝及其合金具有比强度高、耐蚀性优良、导电导热好、易铸造和加工等性能，被广泛应用于汽车、3C产品和航空航天等领域中。随着汽车、3C产品等行业的发展，铝合金压铸件产量年增长近13%，占有色合金压铸件产量的75%以上。铝及其合金在熔炼、浇注的过程中易氧化、吸收气体，在压铸过程中易形成夹杂、气孔等缺陷，对合金组织不利，从而降低合金的力学性能和耐蚀性，降低成品率。因此，合理控制熔炼工艺过程，改善铝熔体质量，是提高铝压铸件质量的关键。
2、铝熔体气体、夹杂的来源
2.1气体的来源
铝熔体中的气体绝大部分是氢，约占总气体含量的80%-90%。熔炼过程中，氢主要通过下列反应进入铝熔体中：
分解出的水蒸气按式（2）与铝熔体反应生成[H]，以[H]的形式存在于熔体中。
部分研究学者认为铝熔体中的氢有两种存在方式：①溶解型，约90%的氢以间隙原子状态存在于铝熔体中；②吸附型，少部分氢以气泡的形式吸附于夹杂物的表面或缝隙中。另有研究学者认为，在合金中加入变质元素及稀土时，氢原子和铝液中的某些合金元素发生反应，最后形成氢化物存在于铝熔体中。
2.2夹杂物的来源
铝的化学性质非常活泼，能与许多化学元素发生反应，导致夹杂物产生。铝熔体中的主要夹杂物有三个来源：①熔炼过程中，氧气和水蒸气反应生成；②熔体与炉衬中的氧化物发生置换反应形成；③炉料、工具等带入。铝熔体中的氧化夹杂物，绝大部分来自合金熔炼浇注过程中铝的氧化所致，主要是Al2O3。
研究表明，Al2O3有三种存在形式：①分布不均匀的大块氧化夹杂（＞20μm），能显著降低材料的力学性能，但通过熔体净化处理较易去除；②分布均匀的细片状氧化夹杂（10-20μm），可通过熔体净化处理去除；③分布均匀、弥散状的氧化夹杂（＜10μm），该类夹杂的存在将增加铝熔体粘度，降低铝熔体凝固时的补缩能力。同时，这类氧化夹杂也是恶化合金性能的主要夹杂物，其直接影响合金的冶金质量以及材料的组织和性能。
3、铝熔体净化技术现状
铝熔体中存在的气体、夹杂物将极大影响铝压铸件的质量。为获得高质量的产品，必须提高铝熔体纯净度。熔体净化技术是以物理化学原理为基础，采取一系列的工艺措施减轻、消除熔融金属中的气体和夹杂物，以便获得纯净熔体的工艺方法。根据铝合金成分和用途的不同，对铝熔体纯净度的要求不同。铝熔体净化的分类方法如图1所示。结合实际生产，本文主要阐述按工作原理分类下的工艺方法。
3.1吸附净化技术
吸附净化技术是使铝熔体直接与吸附剂（如气体、液体、固体精炼和过滤介质）接触，并与铝熔体中的气体和夹杂物发生物理、物理化学或机械作用，从而达到除气去杂的目的。
3.1.1气泡浮游法
气泡浮游法是铝铸造业常见的净化技术，主要用于出去铝熔体中的氢。按其气体熔剂导入方式，可分为单管吹气法、多孔吹气法、喷嘴吹气法、旋转喷头吹气法。其中，旋转喷吹除气工艺是目前生产中最常用的铝熔体净化方法。旋转喷头吹气法采用旋转喷头在铝熔体底部喷入气体熔剂，通过旋转的喷头快速转动使气泡均匀分布，熔体中的氢原子扩散进这些气泡内，并随着旋转的喷头沿螺旋状路径上浮至表面，从而达到改善铝熔体含气量的目的。除氢的效率主要取决于通入熔体的净化气泡数量和大小，气泡数量越多，尺寸越小，与氢接触的机会越多，溶解的氢原子扩散的距离也越短。旋转喷头吹气工艺中，旋转喷吹转子的偏置分布是关键技术之一。#p#分页标题#e#
近年来，为提高净化效果，各地学者做了大量的研究。范超等运用Fluent软件对不同旋转喷吹参数对铝熔体净化过程流场的影响进行了分析，得出了最佳工艺参数。马玉娇等采用水模拟实验，对自行研制的除气板与旋转喷吹复合净化过程进行了数值模拟，研究了气源压力、气流量、转子转速对气泡数量及分布状态的影响规律，并对工艺过程进行优化得到最佳工艺参数。李杰华等通过对旋转喷吹组件的转杆内部安装一条进气管道，有效降低了管道内部温度，达到了有效防止喷射熔剂因高温变软堵塞喷头的目的，并在此基础上对硬件和软件进行优化设计，研制出了新的铝合金熔体旋转喷吹除气净化设备。
3.1.2过滤法
过滤法是让铝熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，达到分离悬浮在熔体中的固态夹杂物目的的净化方法，常见的过滤器主要包括玻璃丝布、刚玉微孔陶瓷管、陶瓷泡沫等。玻璃丝布过滤属于网状过滤，具有成本低，结构简单，安装方便，对铸锭晶粒组织无影响的优点，但其除渣效果较差，只对尺寸较大的夹杂物有效。刚玉微孔陶瓷管过滤的除渣效果优良，能将微米级大小的夹杂除掉，适用于生产质量要求高的铝材。陶瓷泡沫净化效果优良，操作方便。
为了降低生产成本，邱文庭针对生产实践过程中遇到的陶瓷过滤板微孔堵塞清洗困难的问题，采取了将陶瓷板碱、酸浸泡清洗解决措施，研究表明通过碱、酸浸泡清洗的陶瓷板的过滤能力可以恢复到95%，大大提高了陶瓷过滤板的寿命。为提高过滤精度，刘世安在泡沫陶瓷过滤中引入离心过滤，增加熔体进入泡沫陶瓷过滤器时的压力，使金属熔体能通过小孔径的泡沫陶瓷过滤器，从而提高了过滤精度，并对过滤工艺过程进行了数值模拟。
3.1.3溶剂法
溶剂法，即在铝熔体中加入溶剂，通过物理化学作用达到除气去杂的目的。20世纪90年代，有研究学者提出了溶剂喷射法和旋转喷射法，但管路易堵塞。之后，韩建德等采用特定结构的均匀送料器，解决了管路堵塞的问题。曾建明等提出借助压力差将熔剂喷射进铝熔体中，使熔剂与熔体充分均匀混合，从而实现高效净化铝熔体的目的，其原理如图2所示，生产试验证明其净化效果优良。
熔剂法成本较低，但其功能单一，通常通过添加复合溶剂而达到不同的净化效果，而效果一般，或者对熔体纯净度或者环境有污染。新型熔剂应具有隔热、隔气的覆盖保护主要作用，同时还应具有高效的精炼、除气、除渣和细化变质的功能，并且操作方便，价格低廉。段佑锋等对SDJ-1型熔剂与氮气联合净化铝熔体的效果进行了研究，联合净化法提高了吸附能力并加入了具有固氢作用的降渣剂，其除气效果明显高于氮气吹气法和溶剂法。
3.2非吸附净化技术
非吸附净化是指不向熔体中加任何吸附剂，直接通过某些物理作用，改变金属-气体和金属-夹杂物两种系统的平衡状态，使气体和夹杂物从熔体中分离的净化方法。
静置法，主要是利用夹杂物与铝熔体的密度差而实现熔体净化的方法，该方法操作简单，成本低廉，主要用于去除熔体中颗粒度较大的固体夹杂物。但随着对铝熔体净化技术的深入研究，静置净化应用逐渐减少。
真空法，基于西华特定律，即：温度一定时，密闭空间内的氢分压越低，熔体中对应的气体溶解度就越小，含气量越低。在真空条件下，铝熔体吸气的趋势趋于零，而溶解在铝熔体中的氢非常容易析出，生成的气泡在上浮过程中能将非金属夹杂带出铝熔体，从而达到净化铝熔体的目的。真空法净化技术效果好，得到较好的发展，但其设备专用性高，应用有限。
近年来，超声波净化法和电磁净化法成为铝熔体净化的热点。超声波净化法，即向铝熔体中通入超声波，利用超声空化作用达到净化目的。在超声波净化过程中，若超声波的功率足够大，能有效作用于全部铝熔体，即能有效消除气孔，包括宏观气孔和微观气孔。电磁净化法是基于电磁分离现象而达到净化熔体的目的，该方法能有效除去颗粒细小夹杂物及密度和金属熔体相近夹杂物。电磁净化技术由于具有良好的熔体净化效果、可控性和无污染性，近年来受到越来越多研究学者和生产厂家的关注。#p#分页标题#e#
4、结语
为了满足铝合金压铸越来越高的质量要求和环境保护要求，必须提高铝熔体质量，改善相关设备。目前，部分传统的铝熔体净化技术无法满足上述要求，为此，必须加强铝熔体净化理论研究和适合实际生产的铝熔体净化技术的研发，并考虑成本、环境保护和生产效率等因素，探索新的铝熔体净化技术及装备。
