WS金瑞陽設計不只是重視工藝、設計和輪轂產品的實用性，對鋁合金輪轂的材質也是非常重視。
本文作者系原東南大學材料學院高級教授、博士生導師吳炳堯先生，現年 77歲。在材料行業耕耘了 50多年，學生桃李滿天下。一生致力于有色鑄造行業， 并親身實踐，集理論與實踐之大成。一生著述頗多，晚年仍為中國的鑄造材料 事業奔走呼號，希望材料基礎研究能夠早日實現國際接軌。吳教授也是金瑞陽 設計的常年技術顧問。
《對鋁合金稀土型熔劑的再認識》
吳炳堯 修毓平
輕量化是解決能源和環保等當今全球性問題的必然選擇。現代鋁合金材料正朝著高綜合性能、低密度、大規格、高均勻性和材料/結構一體化方向發展，同時，對鋁合金材料全生命周期的評價，對其熔煉過程中的節能環保、取代有毒材料，限制有害氣體等問題，都提出了嚴格的要求。
鑄造鋁合金因其優異的綜合性能，被廣泛應用于航空航天、汽車、電子、建筑等工業領域。多尺度的第二相，微結構的特征（微米結晶相，亞微米或納米彌散相，納米亞穩相等）以及復雜結構的基體，決定著鋁合金的性能。精煉凈化﹑ 合金化﹑微合金化和熱處理是調控鋁合金組織結構、提高力學性能最常用的措施。
隨著社會需求增加，對新型鑄造鋁合金性能的開發面臨巨大挑戰，如何在前期理論設計的基礎上，建立合金“成分-工藝-組織-性能”間的定量關系，實現高性能鑄造鋁合金的高效開發，對工業生產具有重大意義。高綜合性能鋁合金的研發及現有材料性能的提升與鋁合金成分的創新密切相關，當成分確定后，欲實現高綜合性能的特征微結構，還要經過復雜的制備工藝流程。其中與熔煉相關的冶金遺傳效應，既重要又很容易被生產制造企業所忽略。
進入 21世紀以來，依賴試錯的傳統材料研究方法已跟不上材料快速發展的步伐，甚至可能成為制約技術進步的瓶頸。在這場變革材料研發模式過程中，美國啟動了“材料基因組計劃”（MGI），歐盟推出了“加速冶金學”（ACCMET）計劃等。已研制出強度大于 800 MPa 的快速凝固噴射沉積鋁合金和新一代高強高韌高淬透性鋁合金，綜合性能達到國際先進水平；德國 Peak公司用此法生產的高硅鋁合金 Al-17Si-6Fe-Cu-Mg擠壓材， 用于 Mazda的 miller發動機上， 將AlSi17Cu4Mg沉積坯擠壓冷軋后制造 Benz新 V8V12發動機氣缸襯套。這其中， 熔煉工藝的核心地位和關鍵創新可想而知。
再如，關于鋁合金車身結構件，為了滿足“三位一體”的性能要求，奧迪 A8 在 20多年前已采用延展性很好的 SILAFONT-36鋁合金壓鑄材料，用于壓鑄結構件，其延伸率可高達 20%。該材料由德國鋁供應商 RHEINFELDON研發，國內叫低鐵 Al-Si-Mg系壓鑄合金，與特斯拉現用的 AlSi10MgMn相近，工藝要求十分嚴格， 必須采用先進的熔煉技術，高真空壓鑄技術和精確的熱處理工藝，才能完全發揮其特性。可見，先進的熔煉技術是決定性的因素。
眾所周知，為防止壓鑄粘模，一般要求鋁合金鐵含量要大于 0.3%，這導致壓鑄件的延伸率很難超過 3%，即使采用高真空超低速壓鑄，可滿足熱處理，延伸率也因鐵元素的破壞作用提升很有限。要想做到鋁合金低含鐵量條件下的高延伸率，就只能重力鑄造或低壓鑄造再熱處理。隨著汽車輕量化及新能源汽車的拓展，用具有高延伸率特性的壓鑄鋁合金取代重力澆注或低壓鑄造的車身結構件已是大勢所趨。SILAFONT-36鋁合金鐵含量低于 0.13%，避免了鐵元素在鋁液凝固時形成針狀鉄相中間合金， 將鎂含量控制在 0.1-0.5%范圍內， 硅控制在9.5-11.5%，并確保錳含量在 0.5-0.8%，通過鍶變質和熱處理，屈服強度可達280Mpa,延伸率在 20%以上。顯然，要獲得這樣一種可用于壓鑄具有高延伸率﹑ 可熱處理﹑可焊接的低鐵壓鑄鋁合金材料，保證化學成分穩定，金相組織合理 的先進熔煉技術是前提條件。
再如，Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金，因具有優異的綜合力學性能和可加工性， 使其在航空、航天等領域具有廣泛的應用前景。科研工作者不斷嘗試新工藝方法及強化措施的研究，目前雖然已成功制備出薄板、擠壓件等高溫結構件，但經過近 30年的發展，Al-Fe-V-Si合金目前仍存在一些問題，主要原因在于制備工藝方面。該合金對冷速極為敏感，用平面流鑄造法、氣霧化法及噴射沉積法制備該合金都受到一定限制。隨著航空航天及汽車工業的發展，對低密度、高性能的耐熱鋁合金的要求必將進一步提高，其制備工藝是核心競爭力。
目前，世界著名企業集團憑借其技術研發、資金和人才等優勢，不斷向新材 料領域拓展，在高附加值新材料產品中占據主導地位。例如美鋁、德鋁、法鋁等 世界先進企業在高強高韌鋁合金材料的研制生產領域現居世界主導地位，我們在 這方面的創新能力和競爭實力與國際先進水平還有較大差距。遠的不說，業內如 壓鑄鋁合金車身結構件，就存在著 “強度低+高真空+熱處理變形”的問題，為要拓寬壓鑄鋁合金在承力結構件上的應用，就要開發非熱處理高強韌壓鑄鋁合金， 并開發簡單可控的壓鑄工藝，這中間可能有顛覆性技術和替代性技術等創新與應 用出現，而熔煉工藝技術的進步一定不會缺席。
新型鋁合金材料從研發到成熟應用往往需要較長過程，所謂新材料十年一代， 可能還遠遠不止。如果自己沒有怎么辦？多數人可能認為，先用別人的，自己再 追趕。這種備受國內業界推崇的后發優勢其實并不存在，在很多材料領域恰恰是 后來者劣勢。因為材料技術具有長鏈條、跨尺度等特點，從研發到成熟應用往往 需要漫長過程，不在應用中不斷完善性能，工藝技術就無法迭代優化，一些關鍵 的數據也無法積累。
目前高強度鋁合金由于合金化程度高，結晶范圍寬，氧化、吸氣嚴重，易含氣夾雜，成分宏/微分布均勻性難以控制，其熔煉技術一直是關注的熱點。目前已發展了多種鋁合金熔體高潔凈化、晶粒細化、表面亮化的熔鑄技術，如氣渣雜在線級聯去除、電磁和/或超聲外場調控鑄造、油氣潤滑鑄造、微震鑄造、矮結晶器鑄造等技術。各個制備環節均會影響微結構的形成和演變，從而最終決定材料的綜合性能及其均勻性。高強鋁合金的冶金缺陷來源于熔體中的氣體與非金屬夾雜物。由于表層張力、物理和/或化學吸附作用，氣體與夾雜物更容易聚積， 工程實際中，開發出了多種鋁合金氣體噴射凈化裝置，如 SNIF、MINT、AlPUR、LARS等等，如 ALMEX推出的 LARS在線凈化系統，相對于其它氣體噴射原理的裝置，集成了多項配套技術，主要體現在氣體預加熱，熔池為下窄上寬敞開式、多邊形、雙熔池級聯，具有很好的除氣、除渣綜合效果。隨著對鋁合金中非金屬夾雜物含量的限制越來越苛刻，已研發出多種級聯的陶瓷過濾裝置，用于高潔度要求的鋁合金材料研制與生產。
然而，需要清醒地看到，在強化精煉技術，提倡智能熔煉的過程中，人們 更多地關心如何引進和使用先進的硬件設備，對傳統熔劑本身的優劣并不那么 在意，似乎熔劑的好壞對提高鋁合金品質的作用已不那么明顯。他們寧愿把大 量資金投在看得見的設備更新上，卻不舍得在熔煉每噸鋁時選用高品質熔劑， 多花上幾十元，顯然這是長期認識上的誤區形成的慣性。
筆者在 2019年撰寫的《含稀土熔劑對提升鋁合金熔煉品質的作用分析》長文（收錄在《壓鑄筆談二》）中，曾經圍繞三大主題即:
鋁合金熔煉凈化的一般分析，
含稀土精煉除渣劑在鋁合金熔煉凈化處理中的作用與機理，
含稀土熔劑除渣精煉特點和效果，
從理論和應用實踐兩方面做了系統詳實的分析論證，已經回答了有關熔劑方方面面的問題，在此不再贅述。
近兩年多的實踐，我們借助于科研院所和大型生產企業的試驗測試資源，使用測氫儀，直讀光譜，高溫表面張力儀，金相顯微鏡，材料力學性能試驗機，XRD， DSC，SEM/EDS等儀器設備，測定材料綜合力學性能，觀察分析微觀組織結構， 綜合評價熔體凈化效果，進行熱力學計算和冶金傳輸動力學分析，深入探討了不同熔劑組分除雜﹑除氣機理及其交互作用，進一步了解了含稀土熔劑對鋁合金精煉除渣的特點﹑效果和規律（研究論文另發），進一步驗證了熔劑對提升鋁合金各項性能指標的重要作用，并推出了適合不同熔煉處理工藝要求的系列稀土型熔劑產品，如高溫用，低溫用，無鈉，強力等計十余種。隨著含稀土熔劑應用范圍不斷擴大，在比較中逐漸彰顯了其除渣精煉的特殊效果。
實踐是檢驗的標準，根據客戶反饋的信息，讓我們得以重新認識和評估此發明專利的能量，現將客戶反饋的信息和測試結果簡要歸納如下:
與精煉設備配套使用，如采用惰性氣體—精煉熔劑噴吹方式在線凈化處理合金，該粉劑流動性好，噴吹反應平穩；煙塵少，滿足環保要求；用量少，渣鋁分離好，燒損減少，除渣去氣效果好；經財務核算，綜合成本不升反降。
具有高效造干渣能力，不粘滯鋁熔體，也不粘結于爐璧。
對改善鋁合金的流動性效果明顯。經測試分析，這與鋁液中非金屬夾雜尺寸減小，熔劑與氧化鋁渣的高溫潤濕角降低，除渣除氣的凈化效果提升以及稀土殘留密切相關。
含稀土熔劑正逐漸成為鋁合金精煉處理的首選，尤其是將其作為熔煉高牌號鋁合金、做出口產品以及開發高強韌鋁合金時除渣精煉處理之首選。
一些有遠見的企業家，不靠廉價或低層次競爭，為了爭取產業的跨越式發展， 將應用含稀土熔劑作為改善傳統鋁合金基因的戰略性布局和原始創新能力的舉措之一，將其列入工藝規范之中，就是希望在“中國制造”的壓鑄產品中融入更多的“中國創造”元素。
含稀土熔劑作為本公司發明專利并榮獲中國鑄協鑄造金鼎獎的優質產品，屬于我國鋁合金熔煉產業專有的共性技術。一些大型鋁錠及棒材生產企業，以及壓鑄界的新老朋友，除了自身應用外，還積極配合我們，協作開發研究，希望在技術源頭上支撐這一自主創新。在此，衷心感謝大家的支持與厚愛，您們的鼓與呼是我們爭取技術進步的巨大動力！期望以此為契機，推動產業各項自主知識產權的替代性創新，為營造鋁合金熔煉技術發展的新生態盡一份微薄的力量。
廣州市鑫煜鑄造設備材料制造有限公司2022 年 2 月 15 日
本文作者系原東南大學材料學院高級教授、博士生導師吳炳堯先生，現年77歲。在材料行業耕耘了 50多年，學生桃李滿天下。一生致力于有色鑄造行業， 并親身實踐，集理論與實踐之大成。一生著述頗多，晚年仍為中國的鑄造材料 事業奔走呼號，希望材料基礎研究能夠早日實現國際接軌。吳教授也是金瑞陽 設計的常年技術顧問。
《對鋁合金稀土型熔劑的再認識》
吳炳堯 修毓平
輕量化是解決能源和環保等當今全球性問題的必然選擇。現代鋁合金材料正朝著高綜合性能、低密度、大規格、高均勻性和材料/結構一體化方向發展，同時，對鋁合金材料全生命周期的評價，對其熔煉過程中的節能環保、取代有毒材料，限制有害氣體等問題，都提出了嚴格的要求。
鑄造鋁合金因其優異的綜合性能，被廣泛應用于航空航天、汽車、電子、建筑等工業領域。多尺度的第二相，微結構的特征（微米結晶相，亞微米或納米彌散相，納米亞穩相等）以及復雜結構的基體，決定著鋁合金的性能。精煉凈化﹑ 合金化﹑微合金化和熱處理是調控鋁合金組織結構、提高力學性能最常用的措 施。
隨著社會需求增加，對新型鑄造鋁合金性能的開發面臨巨大挑戰，如何在前期理論設計的基礎上，建立合金“成分-工藝-組織-性能”間的定量關系，實現高性能鑄造鋁合金的高效開發，對工業生產具有重大意義。高綜合性能鋁合金的研發及現有材料性能的提升與鋁合金成分的創新密切相關，當成分確定后，欲實現高綜合性能的特征微結構，還要經過復雜的制備工藝流程。其中與熔煉相關的冶金遺傳效應，既重要又很容易被生產制造企業所忽略。
進入 21世紀以來，依賴試錯的傳統材料研究方法已跟不上材料快速發展的步伐，甚至可能成為制約技術進步的瓶頸。在這場變革材料研發模式過程中，美國啟動了“材料基因組計劃”（MGI），歐盟推出了“加速冶金學”（ACCMET）計劃等。已研制出強度大于 800 MPa 的快速凝固噴射沉積鋁合金和新一代高強高韌高淬透性鋁合金，綜合性能達到國際先進水平；德國 Peak公司用此法生產的高硅鋁合金 Al-17Si-6Fe-Cu-Mg擠壓材， 用于 Mazda的 miller發動機上， 將AlSi17Cu4Mg沉積坯擠壓冷軋后制造 Benz新 V8V12發動機氣缸襯套。這其中， 熔煉工藝的核心地位和關鍵創新可想而知。
再如，關于鋁合金車身結構件，為了滿足“三位一體”的性能要求，奧迪 A8 在 20多年前已采用延展性很好的 SILAFONT-36鋁合金壓鑄材料，用于壓鑄結構件，其延伸率可高達 20%。該材料由德國鋁供應商 RHEINFELDON研發，國內叫低鐵 Al-Si-Mg系壓鑄合金，與特斯拉現用的 AlSi10MgMn相近，工藝要求十分嚴格， 必須采用先進的熔煉技術，高真空壓鑄技術和精確的熱處理工藝，才能完全發揮其特性。可見，先進的熔煉技術是決定性的因素。
眾所周知，為防止壓鑄粘模，一般要求鋁合金鐵含量要大于 0.3%，這導致壓鑄件的延伸率很難超過 3%，即使采用高真空超低速壓鑄，可滿足熱處理，延伸率也因鐵元素的破壞作用提升很有限。要想做到鋁合金低含鐵量條件下的高延伸率，就只能重力鑄造或低壓鑄造再熱處理。隨著汽車輕量化及新能源汽車的拓展，用具有高延伸率特性的壓鑄鋁合金取代重力澆注或低壓鑄造的車身結構件已是大勢所趨。SILAFONT-36鋁合金鐵含量低于 0.13%，避免了鐵元素在鋁液凝固時形成針狀鉄相中間合金， 將鎂含量控制在 0.1-0.5%范圍內， 硅控制在9.5-11.5%，并確保錳含量在 0.5-0.8%，通過鍶變質和熱處理，屈服強度可達280Mpa,延伸率在 20%以上。顯然，要獲得這樣一種可用于壓鑄具有高延伸率﹑ 可熱處理﹑可焊接的低鐵壓鑄鋁合金材料，保證化學成分穩定，金相組織合理 的先進熔煉技術是前提條件。
再如，Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金，因具有優異的綜合力學性能和可加工性， 使其在航空、航天等領域具有廣泛的應用前景。科研工作者不斷嘗試新工藝方法及強化措施的研究，目前雖然已成功制備出薄板、擠壓件等高溫結構件，但經過近 30年的發展，Al-Fe-V-Si合金目前仍存在一些問題，主要原因在于制備工藝方面。該合金對冷速極為敏感，用平面流鑄造法、氣霧化法及噴射沉積法制備該合金都受到一定限制。隨著航空航天及汽車工業的發展，對低密度、高性能的耐熱鋁合金的要求必將進一步提高，其制備工藝是核心競爭力。
目前，世界著名企業集團憑借其技術研發、資金和人才等優勢，不斷向新材 料領域拓展，在高附加值新材料產品中占據主導地位。例如美鋁、德鋁、法鋁等 世界先進企業在高強高韌鋁合金材料的研制生產領域現居世界主導地位，我們在 這方面的創新能力和競爭實力與國際先進水平還有較大差距。遠的不說，業內如 壓鑄鋁合金車身結構件，就存在著 “強度低+高真空+熱處理變形”的問題，為要拓寬壓鑄鋁合金在承力結構件上的應用，就要開發非熱處理高強韌壓鑄鋁合金， 并開發簡單可控的壓鑄工藝，這中間可能有顛覆性技術和替代性技術等創新與應 用出現，而熔煉工藝技術的進步一定不會缺席。
新型鋁合金材料從研發到成熟應用往往需要較長過程，所謂新材料十年一代， 可能還遠遠不止。如果自己沒有怎么辦？多數人可能認為，先用別人的，自己再 追趕。這種備受國內業界推崇的后發優勢其實并不存在，在很多材料領域恰恰是 后來者劣勢。因為材料技術具有長鏈條、跨尺度等特點，從研發到成熟應用往往 需要漫長過程，不在應用中不斷完善性能，工藝技術就無法迭代優化，一些關鍵 的數據也無法積累。
目前高強度鋁合金由于合金化程度高，結晶范圍寬，氧化、吸氣嚴重，易含氣夾雜，成分宏/微分布均勻性難以控制，其熔煉技術一直是關注的熱點。目前已發展了多種鋁合金熔體高潔凈化、晶粒細化、表面亮化的熔鑄技術，如氣渣雜在線級聯去除、電磁和/或超聲外場調控鑄造、油氣潤滑鑄造、微震鑄造、矮結晶器鑄造等技術。各個制備環節均會影響微結構的形成和演變，從而最終決定材料的綜合性能及其均勻性。高強鋁合金的冶金缺陷來源于熔體中的氣體與非金屬夾雜物。由于表層張力、物理和/或化學吸附作用，氣體與夾雜物更容易聚積， 工程實際中，開發出了多種鋁合金氣體噴射凈化裝置，如 SNIF、MINT、AlPUR、LARS等等，如 ALMEX推出的 LARS在線凈化系統，相對于其它氣體噴射原理的裝置，集成了多項配套技術，主要體現在氣體預加熱，熔池為下窄上寬敞開式、多邊形、雙熔池級聯，具有很好的除氣、除渣綜合效果。隨著對鋁合金中非金屬夾雜物含量的限制越來越苛刻，已研發出多種級聯的陶瓷過濾裝置，用于高潔度要求的鋁合金材料研制與生產。
然而，需要清醒地看到，在強化精煉技術，提倡智能熔煉的過程中，人們 更多地關心如何引進和使用先進的硬件設備，對傳統熔劑本身的優劣并不那么 在意，似乎熔劑的好壞對提高鋁合金品質的作用已不那么明顯。他們寧愿把大 量資金投在看得見的設備更新上，卻不舍得在熔煉每噸鋁時選用高品質熔劑， 多花上幾十元，顯然這是長期認識上的誤區形成的慣性。
筆者在 2019年撰寫的《含稀土熔劑對提升鋁合金熔煉品質的作用分析》長文（收錄在《壓鑄筆談二》）中，曾經圍繞三大主題即:
鋁合金熔煉凈化的一般分析，
含稀土精煉除渣劑在鋁合金熔煉凈化處理中的作用與機理，
含稀土熔劑除渣精煉特點和效果，
從理論和應用實踐兩方面做了系統詳實的分析論證，已經回答了有關熔劑方方面面的問題，在此不再贅述。
近兩年多的實踐，我們借助于科研院所和大型生產企業的試驗測試資源，使用測氫儀，直讀光譜，高溫表面張力儀，金相顯微鏡，材料力學性能試驗機，XRD， DSC，SEM/EDS等儀器設備，測定材料綜合力學性能，觀察分析微觀組織結構， 綜合評價熔體凈化效果，進行熱力學計算和冶金傳輸動力學分析，深入探討了不同熔劑組分除雜﹑除氣機理及其交互作用，進一步了解了含稀土熔劑對鋁合金精煉除渣的特點﹑效果和規律（研究論文另發），進一步驗證了熔劑對提升鋁合金各項性能指標的重要作用，并推出了適合不同熔煉處理工藝要求的系列稀土型熔劑產品，如高溫用，低溫用，無鈉，強力等計十余種。隨著含稀土熔劑應用范圍不斷擴大，在比較中逐漸彰顯了其除渣精煉的特殊效果。
實踐是檢驗的標準，根據客戶反饋的信息，讓我們得以重新認識和評估此發明專利的能量，現將客戶反饋的信息和測試結果簡要歸納如下:
與精煉設備配套使用，如采用惰性氣體—精煉熔劑噴吹方式在線凈化處理合金，該粉劑流動性好，噴吹反應平穩；煙塵少，滿足環保要求；用量少，渣鋁分離好，燒損減少，除渣去氣效果好；經財務核算，綜合成本不升反降。
具有高效造干渣能力，不粘滯鋁熔體，也不粘結于爐璧。
對改善鋁合金的流動性效果明顯。經測試分析，這與鋁液中非金屬夾雜尺寸減小，熔劑與氧化鋁渣的高溫潤濕角降低，除渣除氣的凈化效果提升以及稀土殘留密切相關。
含稀土熔劑正逐漸成為鋁合金精煉處理的首選，尤其是將其作為熔煉高牌號鋁合金、做出口產品以及開發高強韌鋁合金時除渣精煉處理之首選。
一些有遠見的企業家，不靠廉價或低層次競爭，為了爭取產業的跨越式發展， 將應用含稀土熔劑作為改善傳統鋁合金基因的戰略性布局和原始創新能力的舉措之一，將其列入工藝規范之中，就是希望在“中國制造”的壓鑄產品中融入更多的“中國創造”元素。
含稀土熔劑作為本公司發明專利并榮獲中國鑄協鑄造金鼎獎的優質產品，屬于我國鋁合金熔煉產業專有的共性技術。一些大型鋁錠及棒材生產企業，以及壓鑄界的新老朋友，除了自身應用外，還積極配合我們，協作開發研究，希望在技術源頭上支撐這一自主創新。在此，衷心感謝大家的支持與厚愛，您們的鼓與呼是我們爭取技術進步的巨大動力！期望以此為契機，推動產業各項自主知識產權的替代性創新，為營造鋁合金熔煉技術發展的新生態盡一份微薄的力量。
廣州市鑫煜鑄造設備材料制造有限公司2022 年 2 月 15 日