铸造铝合金精炼技术现状及发展

铸造铝合金精炼技术现状及发展

葛立晴 袁彬 程思雨

西北工业集团 陕西省西安市 710043

摘要：随着社会经济发展的越来越快，在很多领域里需要应用到铝合金，为了提高铝合金产品的性能和质量，本文将根据铸造铝合金精炼技术的动力学原理，来进行探讨、分析当今铸造铝合金精炼技术的现状及未来的发展状况，希望可以为铸造铝合金技术的研究方向起到一定的推动作用。

关键词：铝合金；精炼技术；铸造；发展；

随着社会经济的发展与科学技术的进步，越来越多的现代化工业需要应用到铝合金，铝合金较之钢铁等结构材料有以下优势：减轻产品的重量、比刚度和抗疲劳性能高，因此铝合金是航空、汽车、电子等行业的首选结构材料，这些行业的飞速发展加快了对铝合金的需求。为了确保产品的质量和性能，铸造铝合金精炼技术也需要得到进一步的发展。

1. 铸造铝合金的气孔问题及成因

（一）氢气的来源

铸造铝合金的过程中所产生的气孔问题，主要来源于氢气。在铸造铝合金融化时，空气中的水蒸气在周围聚集，使空气中的水蒸气含量越来越高，这些水蒸气里的水分子所含的氢分子会导致铝液中的含氢量加大，氢气一旦增多就会产生一种氧化膜，这种氧化膜有一定的紧密度，不会开裂，从而产生气孔增加的问题，同时也会在一定程度上阻止铝液的水蒸气反应。随着季节的变化，空气中的湿度也会有所改变，冬季气温干燥，空气中的含水量较低，夏天较为湿润，空气中的含水量较高，因此，在含水量较大的夏天铸造铝合金时，产生气孔的可能性更高。

2. 气孔的形成机制及影响因素

铝合金在进行溶造的过程中，溶液里含有三种形态的氢：氢原子、氢分子和氢化合物，这三种形态的氢在进行金属结晶时，会通过不同的形式被分解出。其中氢原子在金属表面进行扩散时，会逐渐脱离然后被吸附，最后蒸发消失掉，氢化合物则以非金属夹杂物的形式被排出金属液，而氢分子通过气泡的形式从金属液中排出，这些气泡在金属液的排出过程中，有一部分没有完全透出金属液界面，在金属液形成结晶以后，留在了金属液中，从而使铝合金产生气孔，这就是铝合金在铸造时气孔形成的过程及原因。

根据气孔的形成机制可以看出，铝合金铸造需要减少气孔的产生，而影响气孔产生的因素有很多：合金成分、金属液的凝固速度、氢在铝液中的溶解程度、非金属夹杂物和铝液原始的含氢量等。如果想解决铸造铝合金过程中产生的气泡问题，就要从上述的因素着手，如降低铝液原始的含氢量以及减少非金属夹杂物。

2. 精炼技术的动力学原理

从动力学原理以及气泡形成的机制来分析，为了解决铸造铝合金过程中的气泡问题，可以通过防、排、溶这三个方面来有效降低铝液原始的含氢量以及减少非金属夹杂物。为了防止铝合金吸收过量氢气，在水蒸气凝聚时就要最大程度的减少水分子进入铝液，从根源上解决铝液的原始含量问题，对于已经进入到铝合金溶液中的氢气和氧化物要将其排出^[1]。

针对动力学原理来分析，要提高铝合金的精炼技术可以加快铝合金溶液的速度，增大气泡数目的同时还要减小气泡的直径，这样可以使铝液与气泡之间增加接触表面积。不仅如此，还需要在不引起铝液表面飞溅的情况下增大搅动力度，强化气液表面的更新率，延长气泡在铝液中的析出过程，使气泡可以最大程度上浮到金属液界面，带走更多的氢气。另外，采用高纯度的惰性气体、真空精炼或不溶于铝液的活性气体也可以减少铝合金溶液含氢量过高的问题，从而达到解决铝合金铸造过程中气泡产生的问题。

3. 精炼技术的现状及发展

1. 精炼技术的现状

现代工业在铸造铝合金的过程中，常用的有吸附法和非吸附法这两种铝合金铸造精炼技术。吸附法包括浮游法、溶剂法和过滤法这三种吸附精炼法，通过吸附氢化物及夹杂物，清除溶液表面依附的氢气，以此来减少铝液中的含氢量，达到净化铝液的作用。

浮游法是在铝液含氢量过高产生气泡时，利用铝液和气泡之间的分压差达到氢气扩散的目的，氢气在气泡浮出铝合金溶液的表面时，被自动吸附排出，浮游法是铸造铝合金技术中常用的精炼技术。溶剂法是用碱金属和碱土金属混合物作为溶剂进行气泡的除杂效果，溶剂成本较低，但是除杂效果不明显，因此，工业铸造铝合金时不常用溶剂法这一精炼技术。过滤法则是使用过滤器进行夹杂物的排出，利用过滤器排出夹杂物后再吸附夹杂物上的氢气，这类方法排杂效果明显，但是吸附氢气的功能一般^[2]。

非吸附法包含真空处理技术、超声波处理技术、旋转电磁场处理技术等精炼技术，这些技术较为繁杂，工作量大、使用成本高，对于工业应用的推广有一定的局限，因此，在工业铸造过程中，不经常使用这些高科技技术。

2. 精炼技术的发展

在国内外专家对铸造铝合金精炼技术的研究开发中，先后取得了很大的技术进展，对铸造铝合金精炼技术的不足之处，也进行了一定的改进和完善。 例如气体浮游法这一精炼技术就是国外专家的重点研究对象，为了确保气泡在铝合金铸造的过程中可以均匀分布，国外的研究专家提出了旋转喷头吹气技术，这项技术可以自动控制运转速度，使喷嘴产生龙卷风效果，气泡在铝液中不会聚集在同一处，而是均匀的分布在铝液中，然后通过旋转上浮的作用将铝液中的氢气和氢化物进行吸附排杂，从而达到净化铝液的目的。

还有复合精炼技术也取得了很大的技术进展，通过反复测试复合精炼技术对铝液的净化效果，发现了单一的精炼技术是无法达到理想的除杂效果的，所以最好采用复合精练技术进行铝液的除杂工作，目前复合精炼技术已经成为铝合金精炼技术的主要发展方向。

当然，还有更多的精炼技术在进行改进与完善，溶剂法的除杂效果与溶剂本身的化学特性有直接联系，除杂效果受到很多因素的限制，国内外专家在针对这一问题上也展开了研究，例如改善溶剂用量、溶剂与溶体的接触等工艺条件，使溶剂可以发挥出更好的作用^[3]。

结语：随着现代工业的发展，铝合金在航天、航空、汽车、电子等行业中应用的越来越广泛，因此铝合金的需求量大大增加。为了确保产品的质量和性能，铸造铝合金材料时就要保证其质量，在铸造过程中产生的气孔问题应大力改善,目前,专家重点研究的方向就是铸造铝合金精炼技术的发展。对此，本文针对铝合金精炼技术的发展提出以下措施：扩大铝合金铸造生产厂的规模，大力加强铝合金精炼技术的研究与推广，针对精炼技术的特点及使用效果加以改善。这样，在推动铝合金精炼技术进一步发展的同时，对社会经济及工业技术的发展也会起到一定的积极作用。

参考文献：

[1]李精福.铸造铝合金精炼技术现状及发展[J].低碳世界,2018(06)

[2]张超,刘娜,朱国峰等.新型弥散强化铝及铝合金的技术现状和商业前景[J].金属世界,2015,(1)

[3]李鸿鹏.铝合金铸造技术及发动机铸造废品率控制研究[D].吉林大学,2016