合金元素添加剂在铝合金行业的发展和应用
思瀚产业研究院 润际新材    2023-10-16

合金，是由两种或两种以上的金属、或金属与非金属融合而成的具有金属通性的物质，其性能一般均优于纯金属。常见的合金包括铝合金、钢铁、镁合金、钛合金等，即以铝、铁、镁、钛等金属作为基体金属，添加一种或多种金属或非金属元素而制成的，具有不同特殊性能的合金。

随着科学技术以及工业经济的飞速发展，合金产品以其优秀的性能被行业接受并迅速运用于各行各业，为工业经济发展做出巨大贡献。

现阶段铝合金制备中合金元素的主流添加方法是中间合金加入法和合金元素添加剂加入法。合金化是合金生产工艺流程中最重要的一环，合金添加元素在基体金属中的熔化、合金元素分布的均匀性以及熔体纯净度决定合金材料的最终性能指标。

由于铝的熔点约为 660℃，而铝合金制备需加入的锰、钛、硅、铁、铬等高熔点金属（均在 1,200℃以上）与铝的熔点差距较大，若将其以单质的形式（纯金属）加入到铝液中熔解，则熔炉的温度需超过拟加入合金元素的熔点，这样会造成铝液的汽化，且熔炉内的铝液易与周围的氧气、氢气、水等发生化学反应，形成难以去除的杂质，导致铝合金性能偏差，难以符合高端铝合金性能的要求，甚至导致铝合金的报废。另外，将熔炉大幅升温需耗费更多的能源，且升温时间长，从而导致制备过程的高成本、低效率。

为弥补上述不足，早期的合金工业中，利用“多数合金的熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点”这一特性，熔炼企业陆续采用加入中间合金（浓缩版的合金）熔化的方式来降低合金元素熔融过程时所需要的温度，铝基中间合金加入技术在 20 世纪 50-60 年代中后期开始在我国运用。

中间合金添加方案存在如下问题：需要采用多次少量的方式进行添加投放，精准控制难度大；熔化中间合金所需的时间仍然较长；铝熔体长时间与大气中的氮、氧、氢等其他物质发生反应生成的化合物增多，导致铝合金的品质降低；熔化时间长会增加能耗，且增加铝熔体的烧损；熔化温度降低有限，产生氧化物，造成资源浪费、对环境影响大，生产效率低。

中间合金的制备方法与最终合金材料的制造工艺高度重合，需要将热熔温度提升至高熔点金属熔化温度才能完成生产，在造成较高的能耗和原料消耗的同时，也相应导致对空气的污染及碳排放的增加。且铝基中间合金本身作为高温熔化的产物，制造过程中的低熔点金属易烧损产生杂质，导致合金材料纯净度下降，影响材料的最终性能。

合金元素添加剂加入技术由美国 AMG 公司发明，在 20 世纪 90 年代中期在我国铝合金行业中开始试验，2000 年前后开始陆续试用。合金元素添加剂加入技术无高温熔炼流程，合金元素占比普遍可达 75%以上，含杂质更低，且收得率更高，较铝基中间合金技术在提升制造效率、减少材料烧损、提高合金材料性能等各项指标方面具有明显优势。

但合金元素添加剂，通常会在产品中加入大量助熔剂来保证合金元素在热熔体的熔化性能，助熔剂含量过高会挤压合金元素占比（浓度降低），且易导致助熔剂中大量杂质被添加到合金中，降低了合金纯净度、影响合金性能。而提高合金元素浓度降低助熔剂含量则会影响

合金元素在热熔体中的熔化性能，造成合金元素无法充分熔化，合金元素收得率低，亦对合金质量造成影响。因此合金元素浓度高、收得率高、熔化时间短、熔化温度低，四者难以同时兼顾，这也是全球合金元素添加领域历久的技术性难题。由于上述原因，导致国内外主流的合金元素添加剂生产商提供的合金元素浓度水平普遍保持在 75%-85%的水平，且熔化时间仍较长。