摘要：本文论述了铝熔体净化技术的应用与发展趋势，为铝熔体净化技术走可持续发展的道路提供了一定的见解。

　　关键词：铝熔体净化技术，应用，发展趋势

　　1、前言

　　我国在铝加工行业发展相当快，规模也相当大。但生产高性能铝合金还不能满足国内的需求。其70%以上需要进口。主要问题之一是铝合金熔体含氢量较高，通常为0.15 ml/100gAl-0.2ml/100gAl。而象飞机零件、高品质铝箔、电子工业用铝材等,要求含氢量不超过0.06ml/100gAl。在铝合金铸造和熔炼过程中，国内铝加工企业虽然采用了先进的除气设备，但由于诸多原因,产品性能仍不能满足要求[1]。

　　铝熔体净化的方法虽然很多。但熔剂净化具有价格低廉、设备及操作简单的优点。熔剂一般分为覆盖剂、精炼剂、清渣剂、清理剂以及细化变质剂等五类。但是目前这些熔剂对铝熔体净化的实际效果并不显著。

　　2、对铝熔体净化技术的应用分析

　　随着科学技术，尤其是高技术领域的不断发展,对铝及其合金制品的质量要求越来越高。由于气体(氢)和夹杂物(Al2O3等)等冶金缺陷的存在而直接或间接地影响到铝材的强度、塑性变形性能及最终使用性能等，因此要获得高质量的产品，就得在铸成铸件或加工材所用的坯锭前设法消除这些冶金缺陷，以提高熔体的纯净度水平。铝熔体净化处理技术是提高熔体纯净度的关键，其研究和开发已成为世界各国冶金、熔铸工作者十分关注的课题。现在人们已开始认识到铝熔体处理、尤其是净化处理在铝加工领域的地位和重要性[2]。

　　a)、铝熔体净化的理论基础

　　①、铝熔体被杂气污染的严重性及杂气关系

　　铝及其合金是受杂气污染最为严重的合金之一。这主要由其本身的特性所决定。铝熔体的纯净度主要由溶解的氢和非金属夹杂所决定。氢是唯一大量溶于铝熔体的气体。氢几乎不溶于固态铝。而在液态铝中的溶解度却很大，并随温度的升高而增大。氢在铝液相及固相中的溶解度分别为0.65cm3/100gAl和0.034cm3/100gAl，即氢在液固两相的溶解度相差约19.1倍。铝液中正常的氢含量约为0.10cm3/100gAl-0.40cm3/100gAl。多年的研究和实践已经确认：铝中的氢主要来源于铝液与水汽的反应。经推算分析得出铝液中气体的分压之比值为：PH2/PH2O=7.3×1014。可见即使PH2O很微小，平衡的PH2也可以达到很高值。当温度T=727℃时,极微小的PH2O=2.59×10-20Pa(干空气条件)也能与铝液发生反应。说明任何虽经烘干的工具、熔剂等均对铝液是潮湿的，而且还会使之吸氢。

　　铝液中的夹杂(Al2O3等)除来自炉料外,主要是由于熔化浇注过程中铝与氧反应所形成的。铝表面氧化膜厚约为2nm-10nm，接近熔点时增至200nm。液面上的氧化膜不仅更厚,而且结构也变了：面向铝液的一侧是致密的，对铝液有保护作用;但外侧则是疏松的，内有φ5nm-φ10nm的小孔，并被氢、空气、水汽所充满。据测含有1%-2%的水汽。如果将液膜搅入铝液内部，不仅使铝液增杂，并且也增气。由此看出，铝受杂气污染是严重的。杂气的存在是不可避免的。自60年代以来,人们就发现：铝液中的含氢量受夹杂含量的影响很大。当夹杂含量为0.002%和0.02%时，相应的氢含量分别为0.2cm3/100gAl和0.35cm3/100gAl。在含氢量相同的条件下，夹杂含量越高，针孔率也越高;同时，即使在低氢浓度时，针孔率仍很高。而且采用一般方法很难除净。相反，当铝液中夹杂含量很低时，含氢也低。即使人为地向铝液通入氢，也会自动脱出，即很快恢复到原来的含量。诸如在高纯铝中含氢量高达0.4cm3/100gAl时，才会出现气孔;而在工业纯铝中含氢仅有0.1cm3/100gAl时，就会出现气孔。有人测得：对含Mg<0.1%的铝合金，如果夹杂含量超过0.01%，那么铸锭不出现针孔的极限含氢量需降低到0.05cm3/100gAl-0.06cm3/100gAl。而这样低的除气极限，在工业生产条件下是极其困难的。当夹杂含量<0.001%,即使含氢量达到0.3cm3/100gAl，也不会出现针孔。由此可见，铝熔体中的氢与夹杂存在着某种共生存的相互作用关系。影响铝中气孔形成的主导因素是夹杂物。只有重视排杂净化，才可保证铝液质量。弄清铝熔体中杂气的行为及其相互关系的实质，对于铝液净化工艺的合理设计极为重要。其是改善和提高铝液净化效果的理论基础。

　　②、铝熔体中Al2O3夹杂物与气体(氢)的相互作用机制分析

　　实践表明，铝很易被夹杂物(Al2O3等,简称“杂”)和气体(氢)所污染。杂与气的含量是衡量铝材冶金质量的关键指标。它们在铝中很难除净。其关键的限制因素何在?许多学者经几十年的研究,把注意力集中在铝熔体的杂、气相互作用机制上，并提出了许多学说。诸如如机械作用、静电作用、化学作用、吸附作用、界面形核机制、复合物作用以及气窝机制等等。这些观点对于指导铝液净化工艺的设计起到了重要作用。但它们或是推理未被实验所证实，或还不能解释问题的全部。其尚需作进一步的分析研究。

　　1)、Al2O3的结构特性

　　我们认为探讨杂气关系应将铝—杂—气作为一个多元体系来分析，并要首先考察和认识夹杂物(Al2O3)的结构特性。因夹杂物是杂气行为的实际主体。

　　2)、Al2O3的分类

　　铝中一般含有0.002%-0.02%的Al2O3。按存在形态，传统上将其分为大块杂及弥散状杂两大类。这种分法不太符合实际。根据近年的研究,笔者认为应分三类：一是分布不均的大块杂(>20μm),此类杂虽危害大，但易除;二是分布均匀的、采用净化处理可除的细片状杂(10μm-20μm);三是分布均匀的、采用净化处理也难以除去的弥散于铝中的微片状杂(<10μm)。这类杂不仅是恶化合金性能的主角，也将成为遗传的主体而直接影响到后序合金的质量。这一点常被人所忽视。

　　3)、 Al2O3的结构

　　固态铝在室温下表面形成的氧化膜是非晶态的、致密的，其厚度为2nm-10nm;随着温度升高逐渐形成不均的、不连续的氧化膜,厚度增加，当接近熔点时,会增厚到200nm。弥散于铝液内部的Al2O3空间结构如图1。

　　图1(a)表示了在铝晶格上铺出一个单元氧化物晶胞，形成六角形棱柱体。其内部棱边的铝原子由于周围存在着很近的氧原子(是强烈的电子受体,具有剩余的负电荷)，因此其与基体中的铝原子相比将带有更多的正电荷;此时在Al-Al2O3界面上出现了附加的空心体积AA′A″，呈三角棱形，并分布在三个铝的面心立方之间(简称“窗”)。因棱柱顶上的铝原子比A-A多一个连结点，据化学键学说，将会发生电子云的浮散而增大了正电性。可见，铝晶格在Al2O3周围的重新组合和电子密度的重新分配，将在Al-Al2O3界面上形成双电子层， 使铝液中的Al2O3具有高的稳定性，从而阻碍了Al2O3上浮或下沉;同时，形成“窗”的铝原子带有正电荷，将是电子的受体，在其上面会出现氢电子密度的重新分配，成为吸附氢的活性中心。其可称为“吸附窗”，将为氢气泡的形核提供基底。当紧密结构的Al2O3尺寸增大时，棱柱体(Al2O3晶胞)将长大。但此时的“吸附窗”数目并不增加，见图1(b)。显然“窗”的数目与杂的大小无关。因此可以认为含杂量相同时，尺寸细小弥散的杂的数目较尺寸大的杂明显增多。因而“吸附窗”数目也就明显增多，吸氢倾向就越大。

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