鑄造鋁合金熔煉過程的質控原理與實踐

皮遠岸

摘 要：在鑄造鋁合金產品的生產實踐中，根據數據對比及理論分析筆者得出了以下結論：即鋁合金在進爐熔煉到進機壓鑄前這個階段的工藝控制好壞將直接影響到產品合格率的高低。如果失控在產品上主要的失效模式是氣孔和雜質含量會成倍增加，而這些缺陷在整個生產過程中屬原始缺陷，就是說在其后的生產中再如何正確調整控制參數收效是不大的。氣孔將造成產品滲漏及強度降低而報廢，雜質將造成合金力學性能降低特別是延伸率、沖擊韌性及疲勞強度。因此如何控制好這一階段將關乎到降低生產成本、提高生產效率、增強企業竟爭力的大問題，下面根據作者的實踐就控制的原理及方法做簡要論述。

關鍵詞：鋁合金；熔煉；質控原理

1 質量控制的原理

1.1 鑄造鋁合金熔煉的目的

鋁合金熔煉是一個爐科的重熔及化學成分調整的過程。熔煉的主要目的是獲得高質量的鋁液供鑄造使用。主要要求是：第一所用鋁合金的成分應符合國家標準或企業標準，合金液成分均勻；第二合金液純凈、氧化夾雜物、氣體、熔劑夾雜物含量低。關于上述第一點可在工藝設計時規定來料及鋁液熔煉過程中取樣進行光譜分析從而達到控制的目的，本文不做詳細分析。第二點是本文闡述的重點也是控制的關鍵。

1.2 關于雜物、氣體的來源問題

鑄造鋁合金的雜質分兩種：一種是混入的有害元素如Fe等，但如果嚴格按標準檢驗和生產，Fe與外來雜質混入的量是有限的，不會造成大的質量問題。另一種主要的、影響較大的雜質和氣體是鋁液在高溫作用下吸氣吸氧產生化學反應生成的，這是要重點分析和控制的。由于鋁合金的熔煉通常是在大氣中進行，因此當鋁液和大氣或爐氣中的O2、N2、H2O、CO2、CO、H2等接觸將不可避免會產生化合、化分、溶解、擴散過程。據資料及鋁合金液中的氣體成分分析表明：合金液中的雜質及氣體大部分是由鋁液與氧氣及鋁液與水氣在高溫下的自發反應生成的雜質Al2O3及原子氫組成，其中Al2O3一旦生成就很難溶解，因為它的熔點高達2050°C，而氫的質量分數占含氣量的85%以上，因此可以近似地說除氣就是除氫。通過上面的分析看出，除氫及去除Al2O3是制定工藝控制質量的關鍵，下面是化學反應方程式。

Al（鋁液）+3/4O2（氣體）=1/2Al2O3（固體）——1

ΔG°=-194426+38.80T

2Al（鋁液）+3H2O（氣體）= Al2O3（固體）+3H2（氣體） ——2

H2（氣體）=2H ——3

2式與3式合并得：

2Al（鋁液）+3H2O（液體）= Al2O3（固體）+6H ——4

ΔG°=-67624-19.39T

ΔG°——標準狀態吉布斯自由能（Gibbs）

上方程式自發反應方向取決于吉布斯自由能的數值正負

ΔG=0 平衡 ΔG<0 過程自發 ΔG>0 逆過程自發

通過4式的方程關系再根據其相對原子質量可求的各成分的質量比為： 2×27Kg：3×18Kg ——→ 1×102Kg：6×1Kg

假設所產生的氫為標準狀態下的分子氫，則將氫換算成體積，上式可表示為： 18Kg：18Kg ——→ 34Kg：22.4dm3

化簡后得： 1g：1g ——→ 1.9g：1.244cm3

上式表明，1gAl與1g水（或水蒸汽）發生反應，將生成1.9g Al2O3和1.244cm3的標準狀態下的氫氣。這說明，即使是極其微量的水或水汽，對鋁合金鑄造來說，也是不容忽視的產生氣孔缺陷的根源。

1.3 除氫及去除Al2O3的原理

以上分析了鑄造鋁合金熔煉中影響產品質量的主要雜質和氣體的來源，并對它們在自發進行化學反應方向上的產生物氫原子和Al2O3的比例進行了量化分析，但如何去除它們以達到熔煉要求的目的是下面要分析解決的問題：

1.3.1 除氫的原理

由于溶入鋁液的氫含量與溶液表面上的氫分壓服從以下著名的Sieverts公式：

由上式可以看出，熔液溫度下降或減少爐氣中的氫分壓PH2都可以降低鋁液中的氫含量。因此采用往鋁液中吹入惰性氣體如氮氣，即可在鋁液內部形成許多氫分壓為零或氫分壓較低的氣泡，在濃度差的驅使下，鋁液中的氫原子會向氮氣泡遷移，最終在氣泡表面形成氫分子直至氣泡中的氫分壓PH2上升到與鋁液中的氫分壓達到平衡時為止。在這個過程中，惰性氮氣泡帶著氫逸出鋁液。

1.3.2 除Al2O3夾雜物的原理

惰性氮氣泡還有另一個作用那就是可吸附鋁液中的Al2O3夾雜物，它們之間的吸附是一物理吸附過程，其原理解析如下：

根據熱力學第二定律，一個系統表面能降低的方向，即為過程自動進行的方向，故Al2O3夾雜物自動吸附在氮氣泡上應滿足下式：

S—鋁液中Al2O3夾雜物被氮氣泡吸附后，彼此相接觸的面積S（m2）；

δG1—氣泡與Al2O3夾雜物之間的表面張力（J/m2）；

δM1—鋁液與Al2O3夾雜物之間的表面張力（J/m2）；

δMG—鋁液與氣泡之間的表面張力（J/m2）；

上關系式化簡后為：δG1<δM1+δMG ——7

經研究資料表明鋁液與Al2O3夾雜物之間互不濕潤，且接觸角θ約等于134°，根據以上三種張力在鋁液中的力學關系可列出下式：

從以上結果看出，三種張力δG1、δMG、δM1都是正值，故7式的關系成立，也就是說，鋁液中的Al2O3夾雜物能自動地吸附在氮氣泡上，隨氣泡上浮而被帶出液面。如果不斷向鋁液中通入氮氣，形成旋轉氣泡流，既能不斷地從鋁液中帶走Al2O3夾雜物。因此通入氮氣的方法不但可將氫帶走還可以將Al2O3夾雜物帶走，需要注意的是通氮氣的溫度應控制在710°-720°C間，因為溫度太低，降低氫的擴散系數，溫度過高，將生成大量AIN夾雜物，同樣會污染鋁液。另外為了保證除氣質量還應規定氮氣瓶中的w（O）含量應低于0.03%，水份含量應低于0.3g/m2。

2 質量控制的方法與效果

在以上論述里指出了鑄造鋁合金開放式熔煉過程中化學反應產生的主要有害物質及氣體是Al2O3夾雜物和氫，并進一步就如何去除它們進行了原理分析。根據分析中給出的方法，我們選擇了英國福士科鋁液自動處理站作為去除Al2O3夾雜物和除氫設備，該設備是通過帶特別設計的石墨轉子進入鋁液一定的深度后旋轉釋放高純氮氣泡并輔以一定量的精煉劑根據前節所說的原理將氫氣及Al2O3夾雜物帶到液面去除。該設備具有以下優點：可以大量地去除鋁液中的氫和夾渣，除氫的比例大于65%，因此可大大降低鑄件的針孔、氣孔和渣孔報廢；設備自動一鍵化操作，降低人為因素對鋁液品質的影響，確保鋁液品質的穩定性；整個除氣除渣過程需要3-4分鐘，效率高，同時可以減少鋁液溫度的損失；人工撇出的鋁渣呈干燥灰色粉末狀，渣中含鋁量極低，大大降低鋁液的損失，節省了成本。（設備見圖1）

我在制定鋁液處理工藝時，根據我公司所用鑄造鋁的特點配以合適的處理溫度、時間、攪拌深度、速率等參數及選取合適的氮氣、精煉劑配比。并在生產實踐中不斷總結經驗，通過一段時間的努力，產品的合格率已由原來未使用該設備的60%左右提高到現在使用該設備后的95%以上，達到了理想的預期效果。

參考文獻

[1]張士林，任松贊.簡明鋁合金手冊[M].上海科技文獻出版社，2001.

[2]劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應用與技術開發[M].冶金工業出版社，2004.

[3]吳樹森，萬里，等.鋁鎂合金熔煉與成形加工技術[M].機械工業出版社，2012.