铸造铝合金熔炼过程的质控原理与实践
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摘 要：在铸造铝合金产品的生产实践中，根据数据对比及理论分析笔者得出了以下结论：即铝合金在进炉熔炼到进机压铸前这个阶段的工艺控制好坏将直接影响到产品合格率的高低。如果失控在产品上主要的失效模式是气孔和杂质含量会成倍增加，而这些缺陷在整个生产过程中属原始缺陷，就是说在其后的生产中再如何正确调整控制参数收效是不大的。气孔将造成产品渗漏及强度降低而报废，杂质将造成合金力学性能降低特别是延伸率、冲击韧性及疲劳强度。因此如何控制好这一阶段将关乎到降低生产成本、提高生产效率、增强企业竟争力的大问题，下面根据作者的实践就控制的原理及方法做简要论述。
1 质量控制的原理
1.1 铸造铝合金熔炼的目的
铝合金熔炼是一个炉科的重熔及化学成分调整的过程。熔炼的主要目的是获得高质量的铝液供铸造使用。主要要求是：第一所用铝合金的成分应符合国家标准或企业标准，合金液成分均匀；第二合金液纯净、氧化夹杂物、气体、熔剂夹杂物含量低。关于上述第一点可在工艺设计时规定来料及铝液熔炼过程中取样进行光谱分析从而达到控制的目的，本文不做详细分析。第二点是本文阐述的重点也是控制的关键。
1.2 关于杂物、气体的来源问题
铸造铝合金的杂质分两种：一种是混入的有害元素如Fe等，但如果严格按标准检验和生产，Fe与外来杂质混入的量是有限的，不会造成大的质量问题。另一种主要的、影响较大的杂质和气体是铝液在高温作用下吸气吸氧产生化学反应生成的，这是要重点分析和控制的。由于铝合金的熔炼通常是在大气中进行，因此当铝液和大气或炉气中的O2、N2、H2O、CO2、CO、H2等接触将不可避免会产生化合、化分、溶解、扩散过程。据资料及铝合金液中的气体成分分析表明：合金液中的杂质及气体大部分是由铝液与氧气及铝液与水气在高温下的自发反应生成的杂质Al2O3及原子氢组成，其中Al2O3一旦生成就很难溶解，因为它的熔点高达2050°C，而氢的质量分数占含气量的85%以上，因此可以近似地说除气就是除氢。通过上面的分析看出，除氢及去除Al2O3是制定工艺控制质量的关键，下面是化学反应方程式。
Al（铝液）+3/4O2（气体）=1/2Al2O3（固体）――1
ΔG°=-194426+38.80T
2Al（铝液）+3H2O（气体）= Al2O3（固体）+3H2（气体） ――2
H2（气体）=2H ――3
2式与3式合并得：
2Al（铝液）+3H2O（液体）= Al2O3（固体）+6H ――4
ΔG°=-67624-19.39T
ΔG°――标准状态吉布斯自由能（Gibbs）
上方程式自发反应方向取决于吉布斯自由能的数值正负
ΔG=0 平衡 ΔG0 逆过程自发
通过4式的方程关系再根据其相对原子质量可求的各成分的质量比为： 2×27Kg：3×18Kg ―― 1×102Kg：6×1Kg
假设所产生的氢为标准状态下的分子氢，则将氢换算成体积，上式可表示为： 18Kg：18Kg ―― 34Kg：22.4dm3
化简后得： 1g：1g ―― 1.9g：1.244cm3
上式表明，1gAl与1g水（或水蒸汽）发生反应，将生成1.9g Al2O3和1.244cm3的标准状态下的氢气。这说明，即使是极其微量的水或水汽，对铝合金铸造来说，也是不容忽视的产生气孔缺陷的根源。
1.3 除氢及去除Al2O3的原理
以上分析了铸造铝合金熔炼中影响产品质量的主要杂质和气体的来源，并对它们在自发进行化学反应方向上的产生物氢原子和Al2O3的比例进行了量化分析，但如何去除它们以达到熔炼要求的目的是下面要分析解决的问题：
1.3.1 除氢的原理
由于溶入铝液的氢含量与溶液表面上的氢分压服从以下著名的Sieverts公式：
由上式可以看出，熔液温度下降或减少炉气中的氢分压PH2都可以降低铝液中的氢含量。因此采用往铝液中吹入惰性气体如氮气，即可在铝液内部形成许多氢分压为零或氢分压较低的气泡，在浓度差的驱使下，铝液中的氢原子会向氮气泡迁移，最终在气泡表面形成氢分子直至气泡中的氢分压PH2上升到与铝液中的氢分压达到平衡时为止。在这个过程中，惰性氮气泡带着氢逸出铝液。
1.3.2 除Al2O3夹杂物的原理
惰性氮气泡还有另一个作用那就是可吸附铝液中的Al2O3夹杂物，它们之间的吸附是一物理吸附过程，其原理解析如下：
根据热力学第二定律，一个系统表面能降低的方向，即为过程自动进行的方向，故Al2O3夹杂物自动吸附在氮气泡上应满足下式：
S―铝液中Al2O3夹杂物被氮气泡吸附后，彼此相接触的面积S（m2）；
δG1―气泡与Al2O3夹杂物之间的表面张力（J/m2）；
δM1―铝液与Al2O3夹杂物之间的表面张力（J/m2）；
δMG―铝液与气泡之间的表面张力（J/m2）；
上关系式化简后为：δG1
经研究资料表明铝液与Al2O3夹杂物之间互不湿润，且接触角θ约等于134°，根据以上三种张力在铝液中的力学关系可列出下式：
从以上结果看出，三种张力δG1、δMG、δM1都是正值，故7式的关系成立，也就是说，铝液中的Al2O3夹杂物能自动地吸附在氮气泡上，随气泡上浮而被带出液面。如果不断向铝液中通入氮气，形成旋转气泡流，既能不断地从铝液中带走Al2O3夹杂物。因此通入氮气的方法不但可将氢带走还可以将Al2O3夹杂物带走，需要注意的是通氮气的温度应控制在710°-720°C间，因为温度太低，降低氢的扩散系数，温度过高，将生成大量AIN夹杂物，同样会污染铝液。另外为了保证除气质量还应规定氮气瓶中的w（O）含量应低于0.03%，水份含量应低于0.3g/m2。
2 质量控制的方法与效果
在以上论述里指出了铸造铝合金开放式熔炼过程中化学反应产生的主要有害物质及气体是Al2O3夹杂物和氢，并进一步就如何去除它们进行了原理分析。根据分析中给出的方法，我们选择了英国福士科铝液自动处理站作为去除Al2O3夹杂物和除氢设备，该设备是通过带特别设计的石墨转子进入铝液一定的深度后旋转释放高纯氮气泡并辅以一定量的精炼剂根据前节所说的原理将氢气及Al2O3夹杂物带到液面去除。该设备具有以下优点：可以大量地去除铝液中的氢和夹渣，除氢的比例大于65%，因此可大大降低铸件的针孔、气孔和渣孔报废；设备自动一键化操作，降低人为因素对铝液品质的影响，确保铝液品质的稳定性；整个除气除渣过程需要3-4分钟，效率高，同时可以减少铝液温度的损失；人工撇出的铝渣呈干燥灰色粉末状，渣中含铝量极低，大大降低铝液的损失，节省了成本。（设备见图1）
我在制定铝液处理工艺时，根据我公司所用铸造铝的特点配以合适的处理温度、时间、搅拌深度、速率等参数及选取合适的氮气、精炼剂配比。并在生产实践中不断总结经验，通过一段时间的努力，产品的合格率已由原来未使用该设备的60%左右提高到现在使用该设备后的95%以上，达到了理想的预期效果。
参考文献
[1]张士林，任松赞.简明铝合金手册[M].上海科技文献出版社，2001.
[2]刘静安，谢水生.铝合金材料的应用与技术开发[M].冶金工业出版社，2004.
[3]吴树森，万里，等.铝镁合金熔炼与成形加工技术[M].机械工业出版社，2012.