回收工藝對再生鋁合金性能影響述評

　　摘 要：鋁合金因其密度小、強度高、耐腐蝕、加工性能好的優點，已經成為工業應用第二大金屬材料。 隨著原鋁產量下降和現役鋁合金材料使用年限逐漸到期，具有節約礦產與能源、經濟社會效益高、可持續發展等特點的再生鋁產業逐漸受到關注。 然而，經過回收再生的鋁材由于成分混雜等原因，性能往往有所下降。因此提升再生鋁合金性能的方法成為相關領域研究的重點。文中介紹了近年來國內外有關提升再生鋁合金性能方法的研究進展，對廢鋁預處理、合金成分調配、熔體精煉、熱加工工藝的發展進行了總結，概述了提升固態回收再生鋁合金性能的最新研究進展，并對再生鋁技術的發展提出展望。

　　關鍵詞：再生鋁;回收工藝;組織和性能;熔體處理;熱加工

　　袁蔚景; 凃杰松; 李銀華; 徐宛星; 段海濤， 有色金屬科學與工程 發表時間：2021-09-15

　　1 再生鋁合金產業背景

　　鋁合金因其具有密度小、 比強度及比剛度大、加工成型性能好、抗腐蝕性強等優點，廣泛應用于汽車、船舶、航空航天領域，成為使用量僅次于鋼鐵的第二大工業用量金屬。 作為鋁合金生產與消費大國，我國鋁合金生產水平和應用規模飛速發展，2019 年我國鋁材總產量 5 200 萬噸，居世界首位，自主研發諸如 LC4、LC9、LY12、7A04、7B04、7A50、7B50 等 鋁 合 金系列， 并建立起完善的鋁合金材料加工技術體系[1]。與此同時，原鋁品質低，儲量有限的現狀也迫使中國鋁工業尋求產業轉型升級。每年由于工業產品使用年限到期報廢的鋁合金數量巨大， 且與初級生產相比，廢鋁回收再生產消耗的能源可節約 90%[2]。 因此，廢鋁的回收利用逐漸成為鋁合金產業相關研究的核心問題之一。

　　鋁材在服役過程中腐蝕部分很少，報廢鋁合金回收率較高，可節約大量能源。與原鋁相比，再生鋁合金僅需除雜提純熔鑄，省去了勘探、采礦、一次精煉的經濟成本和能源成本[3]，再生鋁生產理論能耗僅為原生鋁生產的 4.86%[4]， 因此再生鋁工業具有很大的發展潛力。鋁合金產品平均壽命約為 15~18 年，本世紀初我國高速增長的鋁材用量正轉化為廢鋁存量。 2019 年，我國再生鋁原料回收量 607 萬噸， 占再生鋁原料供應量 83.7%[5]，已經成為廢鋁回收大國，從事再生鋁工作的企業發展迅速，如新格、怡球、中鋁青島等[6]。 但由于我國廢鋁回收產業體系的不健全，再生鋁生產技術不成熟，國家相關政策不完善等問題，再生鋁產業整體情況仍與發達國家水平相距甚遠，再生鋁合金消費降級嚴重，終端流向過于集中在汽車行業。 世界上部分發達國家，再生鋁合金的占比均已超過新產的鋁合金，比如美國再生鋁合金已達到了年產總鋁合金的 66%，英國也已超過 75%，日本已經達到了 99%[7]，而我國僅占約 20%。 近年來，鋁棒由于其廢鋁使用比率更高，已經成為新的熱門再生鋁產品[8]，然而，該產品技術含量與利潤率仍較低。因此，提升再生鋁性能，使其具有更好的加工性能， 實現優質合金平級回收一直是國內外研究人員研究的重點。 目前，國際上主要回收鋁還是通過重熔鑄造的方法， 此外還有一些將加工廢屑直接擠壓成型的固態回收工藝。 近年來，研究人員進行了一系列研究以期提高獲得的再生鋁合金性能。

　　本文對熔鑄再生鋁回收工藝和固態回收技術研究進展進行了總結和展望， 以期對提升再生鋁性能，實現鋁資源高效回收提供幫助。

　　2 回收工藝對鑄造再生鋁合金性能影響

　　鑄造再生鋁合金的生產需要經過廢料回收、預處理、重熔、澆鑄和熱加工等步驟，隨后經機加工制得成品零件。 工藝路線如圖 1 所示。在工業生產中，再生鋁重熔爐型和加熱保溫工藝已基本穩定。如今上游廠商生產再生鋁錠時會進行成分控制，并且鋁合金熱處理工藝較成熟，因此下游廠商在再生鋁合金深加工中采用的熱處理方案基本和同牌號原生鋁一致。目前再生鋁合金性能提升相關的研究主要集中在廢料預處理、合金調配、熔體精煉和后續熱處理對鐵相影響等方面。

　　2.1 廢鋁夾雜物的來源與危害

　　在鋁的重熔再生中，原材料的種類和純凈度與再生鋁的回收過程和成品性能直接相關。鋁廢料根據來源不同可分為兩類：新廢料和舊廢料[9]。 其中新廢料是指鋁合金加工過程中切削等工藝生成的廢屑邊角料，以及未出廠的模制零件等。 這種廢料合金成分已知，組織結構較清晰統一，是優質的重熔原料，也是鋁合金固態回收的主要原料來源，采用重熔再生時不必對其進行除表面潔凈外的預處理。舊廢料是指經由鋁消費產業使用后回收的， 服役過一段時間的鋁材，如航空用鋁、電力系統用鋁、車輛用鋁等，此類廢料由于服役環境不同，受到的腐蝕條件不同，受污染程度顯著大于新廢料，鑄造或變形鋁的不同及污染成分的復雜性導致重熔前需要對其進行雜質篩去和合金成分調控。

　　鑄造再生鋁原料中的非金屬成分難以在熔煉過程中除去， 因此需嚴格按照相關標準控制雜質含量。雜質會導致再生鋁鑄錠中產生氣泡， 造成成品疏松;雜質處也會產生應力集中，成為裂紋發源處，降低再生鋁的加工性能和服役壽命[10]。 據報道，含有非金屬雜質的鋁合金斷口特征為黑色條狀或片狀，顯微組織呈黑色線狀、塊狀、絮狀的紊亂組織。 因此，我國對再生鋁合金原料潔凈度要求發布了相關規定，《再生鑄造鋁合金原料》國家標準中規定：原料中的夾雜物比例必須小于 0.5%，與國家標準 GB 16487 規定的 1% 相比要求更高，對消費后回收的鋁廢料需要進行一系列篩選處理才能達到標準。

　　2.2 國內外回收廢鋁預處理方式研究進展

　　鋁合金重熔前的預處理包含粉碎、除漆、洗凈、分選等步驟。

　　粉碎的目的包括控制廢鋁尺寸以滿足后續工藝要求、提高廢料密度、將可物理分離的鐵或其他有色金屬從鋁件剝離，便于后續分選。 粉碎方式的合理選擇有利于降低廢料后續處理的難度。由于回收的廢鋁大多具有延展性高、尺寸形狀差異大的特點，剪切、撕裂、彎曲應力比較適合粉碎回收鋁件[11]。 由于能夠有效拆分金屬結合件，避免合金成分污染，保證適中的碎片尺寸，擺錘粉碎機被認為是最合適進行廢鋁粉碎處理的設備[12]。

　　除漆步驟是為了除去鋁廢料表面有機或無機的表面涂層。 由于鋁材服役環境不同，表面涂層也種類繁多，包括加工過程中的切屑液、鍍層、油漆、蠟質、油墨等用于提升材料抗腐蝕性能和提升外觀的涂層。國際上常采用熱脫法除漆，這種方法能夠除去廢料中可能存在的水分，避免爆炸的風險;減少雜質的數量與鹽熔劑的使用，提高工藝效率;除去油和涂層的有機部分，使熔融過程中金屬氧化現象減少;降低有害氣體排放量，易于收集和無害化處理;此外，有機材料還可用作熱脫涂層工藝的“自發熱”燃料，在一定程度上滿足其自身的能源需求[13]。 熱脫涂層的方法能夠有效除去鋁廢料表面的有機物， 但無法除去無機涂料殘留[14]，因此還有化學方法、超聲法等脫漆方式。段瑞斌研究了超聲脫漆除去 3104 易拉罐表面涂層的最佳工藝參數，實驗證明在 20.5 kHz 條件下使用粒徑 180 μm 的氧化鋁顆粒作為磨料效果最好[15]。

　　分選是為了區分鋁廢料中不同的成分并將其分離，達到盡可能提高入爐時鋁料純度的目的。目前，國內外預處理分選方法主要包括人工分選、磁選、拋選、重介質分選、空氣分選、渦流分選、色選等。其中，由于技術門檻與生產成本限制，國內再生鋁工業仍然采用人工分選作為主要的鋁廢料分選方式。人工分選可以區分鋁與銅、鋅等其他有色金屬，同時也可以根據外觀的明顯不同區分出鑄造鋁合金與變形鋁合金。但人工分揀無法區別不同牌號鋁合金，導致不同等級的鋁廢料被一同熔煉。 由于合金成分無法控制，只能添加更多原鋁進行稀釋，浪費大量能源，并由于性能不穩定，成品被降級使用。因此，改進預處理分選方法是我國再生鋁工業的當務之急。

　　此外， 還有一些新的分選技術正在研發應用中，包括 X 射線熒光法、激光誘導擊穿光譜、中子活化瞬發 γ 分析、 激光束照射熔化鋁合金表面觀察熔融形貌的方法、X 射線透射法等， 這些技術有些已經在國外某些企業投入使用。

　　X 射線熒光(XRF)分揀是礦石分選的新型方法，近年來逐步應用于廢鋁回收產業。其原理是當單個原子被外部能量源激發時，會發射出具有特定能量或波長的 X 射線光子。產生 X 射線光束到材料表面。產生的熒光光子由固態光電陰極探測器進一步檢測，該探測器產生的電流脈沖大小與入射 X 射線光子的能量成正比。 產生的元素特征 X 射線波長和強度通過合適的校準程序得到合金元素濃度。 在工業規模上，由于廢料表面未進行處理，和探測器距離不等，通過這一技術只能獲得合金元素濃度的半定量結果。 然而，一些企業已經應用該系統來檢測用于變形合金制備的鋁屑中的過渡金屬元素。

　　激光誘導擊穿光譜(LIBS)利用高能激光束燒蝕鋁廢料表面，在燒蝕處產生熱等離子體，可以確定材料化學成分，特別是低原子序數元素，方便進行快速分析。 一些企業將 LIBS 和 XRF 結合，能夠較好的實現鋁廢料中各種元素的在線監測。脈沖激光只能穿透金屬表面很短的距離， 因此廢料必須沒有潤滑劑、油漆和其他涂層。 但即使廢料表面沒有這些干擾物，其表面的氧化層也可能導致分析結果的偏差。 如今，新一代 LIBS 傳感器基本克服了這一問題，并已在金屬回收中應用[16]。 然而初始成本和運行成本高的問題仍然存在，廢料中存在的偏析也可能導致分析結果不準確。 三維掃描 LIBS 光學部件結構如圖 2 所示。

　　瞬發伽馬射線中子活化分析技術(PGNAA)利用 252Cf 等放射性同位素源的熱中子流擴散到廢料中，待測物原子核釋放出特征 γ 射線， 再由探測器分析得出元素組成[17]。 由于中子具有穿透力強、元素反應靈敏的特點，該技術能夠對較大體積物料進行無損檢測，實時測量分析時具有較好的穩定性，基本不受基質效應影響，廣泛應用于環境、工業方面。

　　傳統的色選法無法分辨同種合金。 因此，研究人員發明了一種將密度測量與三維形貌觀察結合的新分選方式，根據表觀密度和三維形狀參數的差異將鑄造合金與變形合金鋁屑區分開來。該方法利用三維成像攝像機，配備激光和電荷耦合器件，通過激光線測量每個鋁片段的高度，并在三維成像攝像機中，通過光反射重建整個碎片的三維圖像，能夠有效將鑄造鋁合金、變形鋁合金和鎂合金區分開。 這種分選技術目前處于研究階段，可以處理長寬 2～250 mm，高度 2～ 60 mm 范圍內的碎片，分辨率為 0.04 mm[18]。

　　鋁廢料分選技術的進步一方面意味著更高的材料利用率與成品質量， 提高再生鋁企業的經濟效率;另一方面，也意味著更少的雜質進入鋁循環，從長遠來看有利于整體鋁合金回收行業的發展。

　　2.3 再生鋁精煉調控合金元素對再生鑄造鋁合金性能影響研究進展

　　在鋁合金中，不同的元素根據其存在量及與鋁結合方式的不同，對鋁材的微觀結構具有各種各樣的影響，進而影響到鋁材的機械性能。 鋁合金中有許多強化元素，如銅、錳、鎂、鋅等，適量添加能夠起到提升鋁合金性能的作用，但過量添加會產生對性能有害的中間相，造成新的夾雜。 因此，我國《再生鑄造鋁合金原料》 規定了原料中各種合金元素化學成分含量要求(表 1)。 在實際生產中，既要對原料合金成分進行檢測與分選， 又要在熔煉過程中進行合理的調控處理。其中鐵、鎳、鉛、錫等合金元素含量需要謹慎控制。

　　2.3.1 鐵元素對再生鋁性能的有害影響與處理方式

　　鐵元素是再生鋁熔煉中最常出現含量超標的元素，也是對產品性能危害最大的雜質元素，除去難度較大。 再生鋁中含鐵相主要有 3 種來源：鋁材服役過程中接觸的鐵質;回收時由于分選方式落后，成分分析不清導致的混入;以及重熔過程中生產工具引入的增鐵[19]。 由于鐵元素在鋁中溶解度很低(0.5%)，大多數鐵元素都以金屬間化合物存在， 其中以針狀 βAl5FeSi 對鋁合金性能影響最大，β-Fe 相嚴重割裂鋁基體的整體性和連續性，由于其具有高的脆性和硬度，在鋁合金承受應力的時候成為斷裂發源處, 圖 3 所示為鋁硅合金中漢字狀 α-Fe 和針狀 β-Fe 圖像[20]。

　　目前， 應用于再生鋁合金鐵相的處理思路主要有：調控鐵相和除去鐵元素。其中，降低鐵含量或富鐵相對鋁性能影響的主要方式包括加鋁稀釋、 重力沉降、離心除去、電磁分離、提高冷卻速度、熔體過熱、變質處理與固溶處理等[21]。 但減少鐵含量的處理方法由于能源消耗過大、生產效率低、引入新夾雜物、實現精確控制難度大、設備運行維護成本高、除去后鐵含量仍較高等原因，在工業上的應用較為落后，仍有相當大的發展空間。通過控制富鐵相形態降低鐵元素對再生鋁性能影響的方法會導致鐵元素在鋁循環中累積，降低再生鋁回收業的可持續性。 同時，富鐵相變質時使用的添加劑會引入新的雜質元素，導致鐵相的存在形式更加多樣， 為后續檢測與再循環分選造成困難，降低鋁資源回收利用效率[22]。

　　再生鋁除鐵常用的方法是重力沉降、 離心除去、電磁分離、變質過濾等。此外，硼元素與鋁液中的鐵反應會生成 Fe2B 沉于爐底， 通過在熔煉過程中添加硼化物等熔劑，也有除去鋁熔體中鐵元素的效果。 譚喜平等研究了 B2O3-KCl-NaCl 和 Al-3B 熔劑對再生 A356 鋁 合 金 中 鐵 相 除 去 的 影 響 ， 除 鐵 率 分 別 為 26.5%和 29.1%， 與 Mn 組成復合熔劑并結合機械振動后除鐵率達 55.2%，能夠提升再生鋁硅合金的抗拉強度和伸長率[23-25]。 楊承志等向再生鋁硅合金中加入KBF4 驗證其鐵相變質效果，研究表明 KBF4 不具備除鐵效果， 但能夠促進 β-Fe 相向初生 α-Fe 相轉變， 當硼元素含量達 0.75%后， 初生 α-Fe 相周圍會析出漢字狀 α-Fe 相，降低了鐵元素對鋁合金性能的影響[26]。 但硼化除鐵也存在許多問題，Fe2B 在 750～800 ℃的鋁液中會反應生成 AlB2 和 Fe， 且硼砂熔劑在鋁液中黏度較高， 導致無法通過硼化除鐵將含鐵量降至一定水平，同時也會影響鋁熔體質量，因此硼化除鐵的可行性與工業生產實際效果仍有待商榷[27]。

　　通過加入中間合金熔劑調控鐵相的變質， 減少 β-Fe 相生成，能夠有效提升鑄造再生鋁性能。吳桃泉等研究了 Mg2Si/富鐵相 A356 鋁基復合材料的摩擦學性能， 發現鐵相含量 5.5%，Mg2Si 含量 15%時，復合材料的磨損量最小，磨損表面較為光滑，磨損形式以磨粒磨損為主;當鐵相含量為 2.2%時，觀察到明顯的黏著磨損現象;而 Mg2Si 含量過高時，磨損處存在明顯的脆性剝落，磨損表面粗糙[28]。 關玉芹等向 20%Mg2Si/A356-1.3%Fe 再生鋁復合材料中添加 BCr， 發現 B-Cr 能夠同步細化硬質初生 Mg2Si 相和變質 β-Fe 相，在保持 Mg2Si 相對再生鋁耐磨性能強化的前提下，有效提高了再生鋁的抗拉強度和斷裂應變[29]。何健松等通過 Mg、Sr 和含 C 細化劑對 6000 系再生鋁合金熔體進行復合處理， 使得針狀 β-Fe 相變質，改善其共晶組織分布，細化晶粒。實驗表明，再生變形鋁合金的鑄錠熱裂敏感性降低率達 32%， 抗拉強度最高提升 35%，硬度最高提升 45%[30]。 萬兵兵研究了不同含量 Y 元素對含鐵量 1%的再生鋁硅合金中 βFe 相的細化作用，實驗過程中未出現相轉變，并得出 T6 態 Al-7Si-0.3Mg-1.0Fe-0.3Y 合金能夠獲得較優性能，抗拉強度 384 MPa，伸長率 4.9%，比 Al-7Si0.3Mg 合金提升 30.17%和 63.33%[31]。 張樹玲等通過實驗證明 Y 元素的添加能夠優化 ADC12 再生鋁合金中 β-Fe 相的偏析，含鐵相在 Y 元素含量 0.5%(質量分數)時轉變為顆粒狀并細化，再生鋁的硬度和抗壓強度達到較優[32]。 范超等研究發現，富鈰混合稀土能夠細化再生鋁硅合金晶粒及 α-Fe 相，提高再生鋁的延展性[33]。 這些研究一定程度上揭示了再生鋁中鐵元素與不同元素在熔體中反應的機理，從結果上提高了富鐵再生鋁的某些性能。

　　研究者們還研究了熱加工工藝對鋁硅合金富鐵相的調控作用。 陳勝遷等對含鐵量 1.23%的再生鋁硅合金進行熱擠壓和 T6 熱處理，探究了擠壓比對富鐵相形態特征及力學性能的影響。 實驗表明，隨著擠壓比增大，富鐵相平均長度略有降低，圓整度提高較為明顯，提高了拉伸性能，斷裂模式由韌脆混合斷裂轉變為韌性斷裂[34]。 陳立等研究了不同 Fe 含量對熱擠壓再生鋁硅合金組織和性能的影響， 探討了富鐵相形態演變機制，發現 Fe 元素能夠有效抑制鋁的晶粒生長，熱擠壓能夠破碎折斷富鐵相，破碎相沿擠壓方向呈帶狀分布，富鐵相平均長度和面積隨 Fe 含量提高而增長，在 0.10%～1.24%時增長較快。 Fe 含量的增加使再生鋁延展性顯著降低，而硬度有所提升，斷裂模式由韌性斷裂轉變為混合模式斷裂[35]。 相關研究表明熱處理和熱擠壓能夠在一定程度上影響再生鋁中鐵相的形態。

　　將添加中間合金熔劑與熱處理工藝結合控制再生鋁合金富鐵相變質，已經成為再生鋁合金性能提升的研究熱點。 黃正陽研究了 Mn，Gr，Co，Sr 和 RE(La 和 Ce) 元素對 6061 再生鋁合金鐵相的復合變質影響，發現 0.8%Mn0.2%RE1.2%Mg 復合變質體系能有效縮短合金凝固區間，降低熱裂傾向。 同時找出了較佳的熱處理工藝：540 ℃固溶 4 h，180 ℃時效 12 h。該方法在提高了硬度和抗拉強度的同時大幅提高了耐磨性能[36]。 杜軍等對 6 000 系廢鋁回收重熔的熔體中 Mg、Mn、Fe、Cu、Sr 和 RE 含量進行調控，并實施均勻化、固溶、時效熱處理，制備出熱裂傾向低、耐磨性能強的 6000 系再生鋁合金[37]。宋東福等按照錳鐵質量比 1.2∶1 向 A356 再生鋁合金 850 ℃熔體內加入 Al-10Mn 中間合金， 經 720 ℃精煉， 爐冷至 615～ 680 ℃保溫 1 h。 實驗表明，隨著保溫溫度降低，再生鋁合金中鐵含量逐漸降低，615 ℃時初生鐵相基本消失[38]。 賈建磊研究了 A356 再生鋁合金中錳鐵元素的最佳比例和熱處理工藝，結果表明錳鐵比 0.34，進行 T6 熱處理，固溶溫度 540 ℃時，具有最優的力學性能[39]。 熱處理與添加劑共同作用能夠較好地改善鐵相形態，有效提升材料性能，是具有潛力的研究方向。

　　國際上一些研究者還研究了噴射成型對再生鋁中鐵相形態的影響，2004 年 Ferrarin 等的研究表明噴射沉積亞共晶鋁硅合金的金屬間化合物相得到細化，能夠改善材料性能[40]。 Pereira 等設計了通過噴射成型法回收高鐵含量的再生 6061 鋁合金并進行熱擠壓的方案。對沉積后再生鋁的微觀組成結構分析證明， 噴射成形工藝改變了 Fe 改性 6061 再生鋁合金的凝固路徑，有效防止了 β-Fe 相的出現，并形成了與漢 字形 貌 不 同 的 多 面 體 初 生 α-Al15(Fe,Mn)3Si2 相，在等軸晶鋁基體中分布均勻，提高了材料的韌性，使沉積后的鋁合金材料能夠進行熱擠壓加工，并得到了與經過同種熱處理含鐵量 0.4%的原生材料相似的機械性能[41]。 Otani 等研究熔體溫度和坩堝溫度對噴射成型富鐵 319 再生鋁中鐵相影響，研究表明，較高的熔體溫度和坩堝溫度會導致 β-Fe 相的出現，無 β-Fe 相的樣品具有較高的伸長率[42]。 SALVO 通過噴射成型后經過熱擠壓、旋鍛和熱處理制造出符合標準的 7050 再生鋁合金線材[43]。 噴射成形在回收鋁合金方面表現出了相當大的前景，它對鐵含量有著更大的容許范圍，能夠使富鐵再生鋁合金參與進一步的機械加工，而不是將再生鋁限制在鑄造行業。

　　再生鋁合金中鐵的變質、熱加工以及其他方法能夠降低鐵相對合金性能的危害，但也會在鋁循環中積累數量更多、存在相種類更復雜的鐵。 在實際生產中需要與沉降等除鐵的技術結合，才能盡可能實現降低鐵含量，優化鐵相形態的目標。同時，需要繼續尋找新的除鐵方式，以求解決現有的生產難題。

　　2.3.2 其他合金元素對再生鋁性能影響與調控

　　與鐵元素相比，其他合金元素對再生鋁合金性能影響大多以強化為主，盡管需要控制含量不超出容許范圍，但鋁廢料中所含其他合金元素經過分選后大多較低，僅鋅、鎂等主要強化元素由于原料與再生合金用途不同，較易出現超量需要除去的情況。

　　鋁合金中的鎂元素能夠顯著提升合金性能，與硅元素生成的 Mg2Si 作為強化相，能夠提升鋁合金的抗拉強度[44]。 Nasir 等研究發現，干摩擦條件下再生鋁磨損率隨著 0.7%含量的 Mg 元素加入減少， 顯微觀察證明滑動過程中生成富鐵氧化層， 起到減摩作用，增強了鋁合金的摩擦學性能[45]。 但廢鋁中可能含有超過容許范圍的鎂元素，多余的鎂元素會提高再生鋁的脆性，產生應力腐蝕和焊接裂紋[46]。 因此，我國研究者對鎂在再生鋁合金中的最佳強化配比和除去廢鋁熔體中鎂元素的方法進行了一些研究。 史明波等分析了 Mg 元素對 6061 再生鋁合金凝固特性和熱裂行為的影響，合金熱裂是共晶反應收縮與脆性區補償收縮疊加，研究表明 Mg 的添加量為 1.2%時，易脆溫度區間和 Mg2Si 含量較低，獲得最小的熱裂敏感性[47]。

　　目前廢鋁熔體除鎂的主要方法包括自然氧化、氯化法和添加熔劑法等[48]。 自然氧化法是利用鎂比鋁更易氧化的特點，攪拌熔體后除去氧化鎂熔渣，該方法易于操作，成本低廉，但會導致鋁的額外燒損。氯氣能夠和鎂反應生成氯化鎂并從鋁液除去，同時也能夠達到除氫、除鈉的目的，但該方法會導致更多的有害氣體排放，提高生產中無害化處理的難度。 熔劑法是通過添加除鎂劑、 冰晶石或 SiO2 等來實現除鎂效果的方法，是目前研究的重點。 孫德勤等將含量 1.5%的氟化鋁和氯化錳按 1∶2 的比例加入鋁熔體，靜置 30 min 除鎂[46]。 袁名萬將 Na、K、Al 的氯化物和氟化物與冰晶石按比例制備成復合再生鋁合金除鎂劑[49]。 現在國內使用的除鎂劑基本為 Na、K、Al 的含氟化合物，可降低鎂元素含量至 0.3%左右， 這一比例已經低于常見再生鑄造鋁合金要求，因此研究者們著眼于復合除雜劑的發明。 馬濤等發明了一種自沉式除鎂鈣熔劑，解決了采用低密度鹽和有機物的除雜劑會浮在鋁液表面的問題。 但該發明會向熔體中引入鐵和銅元素，因此實際生產中效果仍有待驗證[50]。

　　鋁合金中的鋅元素能夠顯著提升合金的力學性能，但也會降低合金的焊接性能。 一些高含鋅量的廢鋁重熔時需要除去其中多余的鋅，主要方法包括氧化法、沉淀法和真空蒸餾法[48]。 氧化法和除鎂一樣，都會導致鋁的額外燒損和氣體吸入。沉淀法是利用鋅的密度較大，通過長時間保溫靜置沉淀達到除鋅效果。 但長時間保溫消耗大量能源，同時會導致銅等強化元素一同除去。 真空蒸餾法是利用鋁和鋅不同的蒸氣壓，在真空條件下控制溫度， 使各組分選擇性蒸發或冷凝，是一種污染較低的新型真空冶金方式。 昆明理工大學對此進行了相關研究，研究人員通過真空蒸餾法對含鋅量 10%的鋁鋅合金和 12.25%的廢雜鋁硅合金進行除鋅實驗，結果證明真空除鋅效果與理論計算較吻合，但廢鋁中鋅與鎂元素會形成固溶體影響蒸餾效果，因此廢鋁需要進一步提高溫度才能較好吻合理論計算結果[51-52]。

　　再生鋁中雜質金屬元素的除去由于鋁容易氧化，限制了某些工藝的使用，目前在實際生產中依然是難點之一， 不同企業根據自身生產規模和技術能力，選擇不同的合金調控方法。但研究者們仍需要繼續尋找更加安全、環保、經濟的除去多余金屬的方法，并運用到實際生產中。

　　2.4 再生鋁精煉熔體凈化與晶粒細化工藝對鑄造再生鋁合金性能影響研究進展

　　再生鋁精煉的目的是除去鋁熔體內存在的夾雜物、氣體，同時達到晶粒細化的效果。預處理較難徹底除去廢鋁中存在的氧化鋁、冰晶石等夾雜物和氫氣等氣體，這些氣體和夾雜物會導致再生鋁合金鑄錠中存在氣孔、氫脆或夾渣缺陷，通過后續熱處理等加工形式也難以除去，進而影響材料性能[53]，因此需要通過精煉步驟除去。 再生鋁合金熔體凈化技術按原理分類，可分為吸附法和非吸附凈化法[54]。 其中吸附法主要包含熔劑吸附、氣體吸附和過濾法。 熔劑法通過向鋁液中噴入或覆蓋固體熔劑，讓其與夾雜物接觸發生物理作用或化學反應并作為夾渣分離出來。熔劑法可以同時起到合金相變質和晶粒細化效果，因此也是研究人員關注的重點。氣體吸附是向鋁熔體中通入氯氣或惰性氣體，并在上浮過程中吸附熔體中的氫氣等氣體和微小夾雜物。過濾法使用玻璃布或剛玉球等中性或活性物質吸附熔體中的夾雜物。由于不同吸附方法能夠吸附的夾雜物狀態不同，而廢料中存在夾雜物形態多種多樣， 實際生產中往往多種凈化方法復合使用。 非吸附凈化法往往不加入添加物，通過物理方法分離固體夾雜物或氣體，如利用氫在熔體和氣氛中的分壓差脫氣的真空除氫法，利用密度差自然沉降大顆粒固體夾雜物，以及超聲波除氣等。

　　近些年國內對精煉劑除去夾雜物進行了一系列研究。 萬兵兵對精煉熔劑的覆蓋性、分離性和除渣能力進行了研究， 并研發了一種新型復合精煉熔劑，并通過數值模擬優化了攪拌工藝參數[31]。 研究表明，熔劑-鋁液界面張力降低能夠增強熔劑覆蓋和潤濕夾雜物的能力，但過低時渣鋁難以分離。 提高鋁液-夾雜物界面張力，降低熔劑-夾雜物界面張力也有利于熔劑夾雜物的潤濕。 賈建磊研究了覆蓋法和噴吹法作為添加精煉劑的方式對再生鋁夾雜物的影響，實驗結果顯示，噴吹法精煉的熔體純凈度較高，精煉后保溫靜置時間在 60 min 時效果較好，繼續靜置夾渣含量變化不明顯，影響生產效率[39]。 上官晶晶等制備了 Al-Ti-B-Er 復合粉末預制塊作為再生 3104 鋁合金熔體細化劑，比 Al-Ti-B 細化最優值提高 45%，并驗證了其優異的抗細化衰退性[55]。 宋莉莉等向 NaClKCl 基 熔 劑 中 添 加 鈉 的 氟 化 物 并 研 究 其 對 重 熔 A356 鋁熔體凈化效果， 研究表明以 2%冰晶石取代部分 NaF 作為添加劑時效果較好，再生鋁晶粒尺寸、二次枝晶間距與共晶硅相尺寸均減小， 抗拉強度和伸長率有所提升[56]。

　　鋁熔體超聲除氣是近些年逐步投入工業生產的新型除氣方式，其原理是超聲波在鋁液中產生空化作用，空化氣泡由溶液中微小的氣核產生，在聲波的稀疏相內由于張應力的作用，產生空泡，并匯聚氫氣等溶解氣體，成為球狀氣泡脫離液體表面，達到脫氣、消泡的目的。 Puga 等設計了一種切屑回收方案，在不使用傳統鹽類助熔劑的情況下，在 850 ℃下熔化鋁屑并在 730 ℃下超聲脫氣，成功地獲得了與商業鋁硅銅第二熔體原料相似的微觀結構、 純度和化學成分的鑄錠，該方法浮渣形成少，金屬回收率達 90%左右[57]。之后，Puga 等研究了超聲振動引起的聲空化和金屬攪拌間的關系，通過高速攝像機和多普勒測速儀表征熔體的流動，選擇最優的超聲頻率和攪拌速率，對鋁硅銅合金進行脫氣實驗。 研究結果表明，攪拌與超聲結合能夠提升除氣效率，提升合金的拉伸性能[58]。 美國南方線材公司推出超聲除氣機[59]，能夠有效除去再生鋁熔體中的氣體，近兩年國內廠商也投入生產。

　　由于鋁熔體精煉研究結果較易在大規模生產中復制， 其工藝的改進能夠快速運用到實際生產中，對再生鋁工業具有重要意義。 國內相關研究目前還主要集中在鹽熔劑種類和覆蓋方面，相比國外一些新的精煉方法還有差距，需要進一步推進相關研究進展。

　　2.5 攪拌摩擦加工工藝對再生鋁性能的影響

　　攪拌摩擦加工 (Friction Stir Processing，FSP)是一種新型的固相改性技術，該方法通過攪拌頭高速攪拌摩擦，使合金劇烈變形，在密閉空間中流動、破碎、再結晶，達到組織細化、均勻化的目的，被研究者們用于多個金屬材料相關領域。攪拌摩擦加工可用于固態回收再生鋁切屑， 也可以用于鑄造再生鋁錠的改性。龔航等研究了攪拌摩擦加工速度、主軸轉向和加工道次對含鐵再生鋁硅合金組織和性能的影響。圖 4 所示為再生鋁硅合金攪拌摩擦前后鐵相的變化情況[60]。

　　如圖 4 所示，攪拌摩擦加工能夠細化再生鋁合金中的富鐵相，提高其圓整度，實驗表明攪拌摩擦加工后再生鋁合金屈服強度降低，伸長率大幅提升，隨著加工速度的提高， 富鐵相平均長度和圓整度緩慢提高、共晶硅圓整度緩慢降低，再生鋁合金抗拉強度、屈服強度、伸長率都呈現先升高后降低的趨勢。 隨著加工道次的增加，第二相的平均長度降低，圓整度提高，伸長率也有所提升。改變主軸轉向能夠改善加工核心區的不對稱性，但會減小加工面積，略微減弱第二相細化程度和圓整度[60-62]。

　　國外有研究者通過攪拌摩擦工藝直接制備再生鋁基復合材料。Christy 等通過攪拌摩擦工藝，向報廢鋁合金輪轂重熔再生鑄造鋁合金中加入氧化鋁作為增強體，制備出鋁基復合材料，并分組研究了擠壓壓力、擠壓時間、模具溫度、攪拌轉速 4 個工藝參數對生成的鋁基復合材料晶粒尺寸、孔隙率、強化相、分布模式、硬度、抗拉強度、抗壓強度和摩擦磨損性能的影響，并通過田口法得出優化后的工藝參數：擠壓壓力 100 MPa，擠壓時間 45 s，模具溫度 250 ℃，攪拌器轉速 525 r/min。 在這種條件下樣品具有最低的孔隙率、極限抗壓強度和磨料磨損條件下最低的磨損率[63]。該實驗以再生鋁為基體材料，XRD 顯示沒有新相形成， 且在較優工藝參數條件下獲得了較好的力學性能，從而證明了使用再生鋁材能夠以相對較低的成本生產鋁基復合材料的可行性，有很好的研究前景。

　　攪拌摩擦加工能夠得到組織細化，各相圓整，結合緊密的合金，且不會生成新相，具有很大的研究潛力。

　　3 增強固態回收再生鋁合金性能的研究進展

　　國際上的鑄造鋁合金工業已經比較成熟，出于進一步節能的考慮，國際上尤其是鋁工業屬于能源敏感型的歐洲，研究者們將視線轉向固態回收這一更加縮短產品回收鏈以及節能的方式。 固態回收是通過擠壓、攪拌摩擦等塑性變形方式，破壞鋁屑表面氧化膜并在新的界面實現冶金結合的方法。 1945 年 Stern 發明熱擠壓直接回收鋁合金切屑以來[64]，固態回收這種相比熔鑄更加節能減排， 更節約成本的回收方式就成為了鋁合金回收研究的重點方向[65]。 常見的固態回收的方式以先冷壓預處理， 再熱擠壓生成再生鋁為主，此外還有螺桿擠壓[66]、攪拌摩擦擠壓[67-68] 和放電等離子體燒結[69]等方式。 固態回收以鋁屑等小尺寸原材料，相比使用鑄造鋁作為擠壓成型材料，面臨的問題主要是鋁的氧化層阻礙了金屬的接觸，導致鋁屑間難以結合緊密，因此，無論是從原材料的選擇和預制，又或是從加工參數入手的研究，其目的都是為了提高鋁屑間的接合效果， 以此提升再生鋁合金的性能。 研究人員得出結論，影響鋁屑結合的重要因素有：強化相的種類含量和尺寸、鋁屑形狀尺寸，預壓制參數，擠壓模具類型、擠壓比、潤滑條件、溫度和擠出速度， 不同工藝參數得到的再生鋁合金性能也會隨之改變[70-71]。

　　3.1 原料選擇和預制對再生鋁性能的影響

　　在塑性加工中，加工原料對生成的變形再生鋁組織結構和性能具有決定性的影響[72]，因此，研究者們通過實驗研究了用于固態回收的鋁廢料尺寸與添加的增強體合金成分對熱擠壓再生鋁合金性能的影響，并 分 析 其 中 機 理 。 Guley 等 將 銷 形 AA1050 與 AA6060 鋁屑混合擠壓生成鋁合金，所得合金力學結構性能介于 AA1050 與 AA6060 之間[73]。 Tekkaya 等研究了用不同尺寸和形狀的銑削和車削操作產生的 AA-6060 鋁合金切屑熱擠壓再生鋁的組織與性能。研究表明：切屑結合緊密，無明顯缺陷、疏松。 當擠壓壓力，溫度，應變值超過臨界條件時，不同類型的切屑都能實現均勻擠出[74]。

　　鋁屑擠壓再生時可以通過添加強化相直接制備鋁基復合材料，不同材料組成可以強化復合材料的力學性能。 比如 Chmura 等將粉碎至 2～4 mm 的鋁和銅廢料通過冷壓預制和熱擠壓制備鋁銅復合材料，獲得了摩擦學性能良好的復合材料[75]。 但是不同材料也會導致碎屑結合不緊密， 影響表面性能。 研究人員向 6082 鋁屑中混入粉煤灰， 制備的復合材料雖然具有較高的硬度，但耐磨性能有所下降[72]。

　　鋁屑熱擠壓生成鋁合金結合不緊密， 孔隙率較大，研究人員們發現通過添加鋁粉，冷壓后進行熱擠壓將鋁合金切屑直接轉化為高密度產品。鋁粉既可以用作軟質基質， 也可以為碎屑提供更好的黏結性，從而可以更有效地封閉孔隙。 Sherafat 等在 AA7075 鋁屑中加入鋁粉， 采用粉末冶金熱擠壓法進行再生，實驗證明在 500 ℃以上的溫度下可以形成良好的機械性能，并得出硬度隨粉末含量增加而降低，延展率隨粉末含量增加升高的結論[76]。Muhammad 等采用 9 t 單軸冷壓鋁屑和鋁粉混合樣品 20 min 和 552 ℃ 溫度燒結，制備了 AA6061 鋁合金成品，并得出硬度和抗壓強度隨 Al 粉含量變化而降低的結論[77]。

　　研究人員發現，鋁屑預壓制時提高壓力和保壓時間，能夠提高鋁屑固結程度，提高擠壓出的成品致密度，從而提升性能[78]。 Shahrom 等設計了一種循環背壓壓縮技術作為鋁固態回收前的預壓實方案，該方案能夠提高 12.11%坯料密度， 有效提高了熱加工前坯料致密度，優化了熱鍛后的切屑界面[79]。

　　不同的種類、尺寸的原材料進行熱擠壓能夠獲得組織結構不同的再生鋁合金，結合界面狀況也有所區別，得到的性能有所不同，可以通過進一步的研究找出更合適的復合用材料。

　　3.2 固態加工參數對再生鋁性能的影響

　　熱擠壓時由于再生鋁發生塑性應變，不同的擠壓比和模具設計下，產生塑性應變大小也不同，晶粒的細化程度和鋁屑間的孔隙密度也有所不同[80]，進而對力學性能產生影響。 Guley 等分別比較了不同擠壓比對 6060 鋁屑和鑄態合金熱擠壓的影響，得出鑄態合金熱擠壓不受擠壓比影響，鋁屑熱擠壓成型強度和延展性低于鑄態合金且隨著擠壓比降低下降，并指出多孔拉拔模能夠有效提升低擠壓比生產出再生鋁合金的強度和延展性[81]。 Chiba 等比較了不同擠壓比與鋁屑形狀尺寸對鑄造鋁硅合金加工屑熱擠壓制造 C 型鋁材性能的影響，研究結果表明：擠壓比 18 的銑削屑再生鋁材不包含較大的孔隙，密度大致與原始鑄錠相同，相比原鑄錠，延展性更好，抗拉強度有所降低;從車削屑中回收的材料有許多空隙和裂紋，也有切屑邊界，導致機械強度和延性低下。 C 型材強度和延展性與擠壓塑形應變大小正相關，側面由于受擠壓變形較大，細化晶粒效果較好，性能優于背面[82]。 Koch 從 6060 鑄造再生鋁合金和切屑固態回收 6060 再生鋁合金的擠出樣品上分別按擠壓方向的0°，30°，90°切割下拉伸實驗樣品，采用交流電位降(ACPD)的方法測試樣品在循環加載條件下的應力響應行為，研究了鑄造再生鋁合金和固態回收再生鋁合金由熱擠壓導致的各向異性，準靜態試驗結果表明，鑄造擠壓樣品存在由晶粒伸長導致的取向間的細微差異，鋁屑擠壓樣品各向異性表現不明顯，這是因為由于鋁屑尺寸形狀不同，在合金中不同方向結合界面數量不同，影響了晶粒伸長方向對材料整體性能的影響。而循環加載試驗得出了較明顯的各向異性，材料的疲勞行為與疲勞斷裂和循環蠕變都有關系，其中材料晶粒取向與蠕變性能相關[83]。 該研究揭示了再生鋁合金擠壓取向對疲勞行為的影響機理，對再生鋁加工性能和服役壽命的研究具有一定意義。

　　固態回收具有材料回收率高，能源效率高，生成合金性能良好等優勢，能夠直接回收機加工生產過程中產生的鋁廢料，具有良好的應用前景。 為實現固態回收技術進一步的應用，熱擠壓參數對再生鋁性能影響的規律至關重要。

　　4 結束語與展望

　　再生鋁產業的發展對解決我國鋁土資源短缺，推動有色金屬產業結構升級具有重要意義。再生鋁生產流程短、能耗低、可持續的特點符合行業發展規律，是我國基礎工業中充滿活力、前景廣闊的朝陽產業。 但現階段我國再生鋁行業還面臨許多問題，如回收仍以個體為主，無法滿足生產需求，產品結構單一，技術含量與利潤率較低等。 為了解決這些問題，一方面需要國家積極制定相關行業標準， 政策扶持再生金屬產業;一方面需要再生鋁企業積極拓展回收渠道，調整產品結構，提高經濟效益;此外還需要研究者們共同努力，在技術層面上為再生鋁產業的發展提供核心競爭力和推動力。筆者基于我國再生鋁產業發展中存在的困難，對未來再生鋁技術研究重點提出展望：

　　1) 不同熱加工和成型工藝對再生鋁合金性能的影響機理尚未被充分研究，這部分內容對工業生產具有重要的指導意義。

　　2)利用計算機進行圖像處理、密度計算和光譜分析，能夠大大提高廢鋁分選的準確性、時效性和生產規模。 計算機控制的、通過流水線形式、多種檢測方法并用的鋁成分在線監測是廢鋁分選工藝的發展方向。 而如何提高檢測的速度和準確性，是未來的研究重點。

　　3)再生鋁重熔過程中，如何安全高效地除去鐵等有害金屬元素的難題仍未解決，需要繼續尋找能夠保證鋁循環可持續性的工藝方法。

　　4)我國再生鋁的精煉工藝與國際上相比仍較為落后，更加安全環保、經濟高效的精煉方法還有待開發。

　　5)目前我國缺少對再生鋁合金性能評估的標準，研究者們需要制定符合工藝生產要求的再生鋁行業標準和規范，提高再生鋁產品質量，拓寬可用范圍。

　　6)縮短高質量“新廢料”的回收流程，優化熱擠壓工藝，開發新的固態回收技術，是未來鋁回收研究的重點之一。