為何在熔融鋁中，採用鋁硅酸鹽超聲波換能器的超聲波脫氣技術，其表現優於石墨轉子？

聲學空化技術能同時去除溶解氫並精製晶粒結構——無需氬氣、無石墨污染，且採用 Sialon 陶瓷聲波探頭，其耐用性甚至超越鈦金屬。超音波脫氣用 Sialon 聲波探頭是此先進製程的關鍵。

2026年7月26日 · 閱讀時間 9 分鐘

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簡而言之

溶解氫是鋁鑄件產生氣孔的主要原因；粗大晶粒結構會加劇後續所有機械性能上的弱點。採用石墨轉子的旋轉脫氣法雖能解決氫氣問題，卻會引入污染物、消耗氬氣、產生渣，且仍需將晶粒細化作為獨立工序處理。 超音波脫氣技術則能同時達成這兩項目標——透過聲學空化驅除氫氣，並利用相同的衝擊波能量進行晶粒精製——無需載氣、無污染，且處理速度比葉輪驅動系統快 3 倍。 限制因素向來在於聲波換能器：鈦在 700°C 以上會失效，石墨則會污染熔體。Sialon 陶瓷解決了這兩大問題——對鋁化學惰性、熱穩定性佳，且專為將超音波傳導至熔融金屬而設計。使該系統獨具成效的關鍵在於消除了駐波——這是一項關鍵的設計成就，能使聲場在整個熔體中均勻分布，詳情請參閱ultrasonicdegassing.com。

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這是每家鑄造廠都深知卻鮮少量化分析的問題

在 750°C 時，液態鋁每 100 公克金屬約可溶解 0.65 立方公分氫氣。一旦凝固，平衡溶解度便驟降至 0.034 立方公分／100 公克——降幅達 94%。 無法繼續溶解在金屬中的氫氣必須轉移到某處。若鑄件凝固速度足夠快，這些氫氣便會形成氣孔：這正是結構件與耐壓部件的頭號大敵。

一公噸液態鋁中若含有 1 公克溶解氫，便可能使成品鑄件產生 2% 至 3% 的氣孔率——這個數值源自簡單的熱力學計算，並非業界最壞情況的假設。對於航太與汽車結構零件而言，光是這一點就足以使其不合格。對於任何重視疲勞壽命或壓力完整性的零件來說，氣孔正是失效的起點。

氫氣會從大氣中的水蒸氣、潮濕的原料以及潮濕的模具中滲入熔體。在 750°C 及 30% 相對濕度的條件下，僅靠自然脫氣——也就是單純保持熔體狀態並靜待——需耗時長達一小時，才能使殘留氫量接近0.1–0.2 cm³/100g 的工業標準值。在生產鑄造廠中，根本沒有人會這麼做。

晶粒結構是第二個變因。直流鑄造坯料中的粗大柱狀晶粒，會導致機械性能不均勻、對變形產生各向異性反應，且在凝固過程中更容易發生熱裂。傳統上，精煉晶粒的方法是在熔體中添加鈦硼母合金（TiBAl）——雖然有效，但這意味著需增加一種消耗品、額外的物流鏈，且若計量失誤，還會帶來額外的污染風險。

值得探討的問題是，為何業界至今仍將這兩者視為兩個獨立的問題，並需要分別透過兩種不同的流程來處理。

旋轉脫氣的運作原理——以及其局限何在

標準方法：旋轉脫氣法

標準做法是採用旋轉脫氣機：將石墨轉子高速旋轉投入熔體中，透過轉子軸注入氬氣（或氬氯混合氣），並使其以細微氣泡的形式分散至整個爐內。氫氣會依照西弗特定律從熔體中分佈至氬氣氣泡中，而氣泡則將其帶至表面。

這方法行得通。幾十年來一直行得通。但其中存在著一些結構上的限制，在鑄造廠工作的人對此再熟悉不過了。

石墨污染

轉子會發生侵蝕，導致石墨顆粒進入熔體。在鋁合金中，這可能形成碳化鋁（Al₄C₃）相，此相質地脆性、易受濕氣影響，且難以透過過濾去除。這種污染極其隱蔽——顆粒細小到足以通過上游品質檢查，僅會在成品零件上表現為表面變色或機械異常。

轉子磨損與失效

石墨材質易碎。轉子故障——例如龜裂或斷裂——並不少見，特別是在因添加冷料而產生熱衝擊，或預熱操作不當的情況下。轉子一旦發生故障，不僅會導致非計劃性停機，還必須對該熔爐進行檢查後才能繼續作業。

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每公斤使用的氬氣都必須經過採購、運送、儲存及管理。氬氯混合氣（目前仍有些製程用於助熔劑脫氣）則增加了法規遵循的複雜性。氯會與鋁反應生成氯化鋁（AlCl₃），雖然這是一種有效的助熔劑，但屬於必須謹慎處理與處置的物質。

雜質生成

旋轉除氣機的劇烈攪拌作用會破壞熔體表面那層保護性的氧化鋁皮膜。氧化物隨之被捲入熔體中，導致表面渣體積大幅增加。渣體積增加意味著金屬損失更多，且每批熔煉之間的清理時間也會更長。

熔體可及性受限

設置於爐內或鋼包中的旋轉脫氣機，能有效處理轉子周圍的空間；然而，大型熔體中存在某些區域——例如角落或偏遠區域——那裡的循環受限，導致氫氣去除不完全。為此，需要設置多個插入點或進行複雜的噴槍移動來加以補償。

真正的問題

這些都不是立即放棄旋轉脫氣法的理由；它們是每間鑄造廠都已學會承擔的營運成本。問題在於，這些成本究竟是否有必要承擔。

聲學空化：超音波脫氣背後的物理原理

將超音波換能器置入液體中，當功率超過臨界閾值時，液體便會自行瓦解——這種現象會短暫且反覆地發生，並在數百萬個位置同時出現。這就是聲學空化現象，也正是超音波脫氣技術與任何依賴注入氣體的方法在根本上有所不同的原因。

鋁熔體超聲波脫氣的五個階段

熔融鋁中的此過程分為五個階段：

1. 成核

當超音波壓力低於熔體的飽和蒸氣壓時，空化氣泡便會在現有的不均勻處——例如氧化鋁夾雜物、微氣泡及晶界——上成核。這些便是空化成核點。

2. 校正擴散

在每個聲學週期的低壓階段，氣泡會膨脹，其內部氫的分壓會降至低於局部熔體濃度。此時，周圍金屬中的原子氫會擴散進入氣泡。由於振盪具有非對稱性，因此在膨脹階段進入的氫比壓縮階段逸出的氫更多——從而形成淨累積。

3. 重組

在氣泡內部，原子態氫（H）重新結合成分子態氫（H₂），而後者無法以相同的速率重新溶解回鋁基體中。因此，氣泡中積聚的 H₂ 量正不斷增加。

4. 凝聚

比耶克內斯力（聲輻射壓力）與伯努利效應會導致相鄰氣泡相互吸引並融合，形成更大、浮力更強的結構。

5. 浮選與釋放

聲學流——即由超聲波場誘導的大規模流動——將聚合氣泡向上輸送至熔體中。當氣泡抵達表面時，便會破裂，氫氣隨之逸出。

關鍵參數：空化閾值

關鍵參數在於空化閾值。在水中，空化現象很容易發生。但在 700°C 的液態鋁中，該閾值則高出許多——熔融鋁的密度更高、黏度更大，且表面張力也比水更高。用於熔融鋁處理的超聲波發生器，必須在整個處理體積內（而不僅僅是聲導頭尖端）提供足夠的聲強，以超越此閾值。 這是一個非同小可的工程難題，也是為何 1960 年代和 1970 年代早期的超音波脫氣系統——包括蘇聯的 UZD-200 系統（10 kW、19.5 kHz、250 kg 處理容量）——雖然驗證了原理，卻難以實現經濟規模化的原因。

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那個驅除氫氣的空化場還具有另一種作用：它能精煉晶粒結構。當氣泡坍塌時，會釋放出超過400 MPa 的衝擊波，並造成局部溫度驟升至 1000 K 以上。這些衝擊波會將現有的樹枝晶碎裂、破壞柱狀晶粒前緣，並為等軸晶粒的生長創造數以千計的新成核位點。 其結果是形成更細緻、更均勻的晶粒結構——且無需添加任何 TiBAl。

在一項針對鋁–鎂–鈦合金的文獻記載研究中，於較低的鑄造溫度（700°C 對比 800°C）下進行超音波處理，使平均晶粒尺寸從487 ± 20 µm 減少至 103 ± 2 µm，減幅達 78%。 即使不降低溫度，漸進式處理每進行 20 秒，晶粒尺寸約可減少 5.5%，且在 20 秒後仍會持續縮小。這並非微不足道的改善；這類微觀結構的變化，以往必須透過添加母合金及嚴格的製程控制才能達成。

聲波電極的問題——以及為何 Sialon 陶瓷能解決此問題

聲波壓頭：始終存在的瓶頸

上述所有內容都取決於一個關鍵組件：聲波探頭。此探頭負責將換能器產生的聲能傳導至熔體中。然而，數十年來，聲波探頭始終是製程中的瓶頸。

鈦合金聲波電極

在水、聚合物及食品應用的超音波液體處理中，鈦製聲波頭是標準選擇。然而，在溫度超過 700°C 的熔融鋁中，鈦會開始迅速溶解。因此，由此產生的鈦污染不僅僅是個冶金問題。 在鋁合金中，過量的鈦會干擾您正試圖促進的晶粒細化機制。因此，在大型鋁熔爐中使用的鈦製超聲波換能器，其使用壽命僅以小時計，而非數月。

鈮與耐火金屬

已對鈮及耐火金屬進行了測試。這些材料的使用壽命較長，但價格昂貴，難以加工成複雜的聲波換能器幾何形狀，且在空化區仍會受到侵蝕。

石墨

石墨在鋁中化學性質相對穩定，但對於超音波傳輸而言並無實用的聲學特性——其楊氏模量過低，無法在不造成過多耗散的情況下傳輸所需的聲能。

Sialon 陶瓷——即氧化氮化矽鋁，這是Sialon Ceramics ApS 耗時 40 年研發的材料類別——兼具了聲波壓頭應用所需的各項特性：

化學惰性。Sialon 不會被熔融鋁潤濕，也不會溶解於其中。在長時間的處理週期中，Sialon 聲波頭尖端與熔體之間的界面在化學上保持穩定。不會產生鈦吸附、碳污染，也不會形成次級相。

耐熱衝擊性。將聲波壓頭插入 700–800°C 的熔體中，隨後抽出，再重新插入。 大多數陶瓷在這種熱循環下都會產生裂紋。Sialon 結合了 Si₃N₄ 與 Al₂O₃ 的結構，使其耐熱衝擊性遠高於氧化鋁或氧化鋯——正是這項特性，使 Sialon 加熱管和熱電偶保護管能在鑄造廠環境中持久耐用；在該環境中，熱循環導致的元件失效，正是傳統陶瓷的常見失效模式。

聲學傳輸的楊氏模量。要將聲能高效耦合至熔體中，聲導頭的材質必須具備適合該頻率範圍（工業鋁加工通常為 15–25 kHz）的楊氏模量。Sialon 陶瓷具備所需的彈性模量，能夠傳輸超聲波振幅，同時避免聲導頭本體吸收能量——能量將直接傳遞至熔體中，即所需之處。

幾何形狀的靈活性。聲導頭的設計對聲場分布至關重要。Sialon 陶瓷可實現±0.02 毫米的公差，從而能精確控制聲導頭的幾何形狀，以及由此在熔體中形成的聲場分布。Sialon Ceramics 還生產長度達 3,000 毫米的碳化矽系列元件，這體現了製造大型聲導頭組件所需的生產能力。

這些數字實際上顯示了什麼

超音波脫氣技術的效能優勢已在經同儕審查的文獻中獲得充分記載，並經由布魯內爾大學（BCAST）及橡樹嶺國家實驗室 等機構的獨立研究證實。針對一組 Al–Si–Mg 合金的主要研究結果如下：

| 指標 | 處理前 | 超音波處理後 | 變化 | | — | — | — | — | | 氫含量 | 0.35 cm³/100g | 0.17 cm³/100g | -52% | | 密度 | 2.660 g/cm³ | 2.706 g/cm³ | +1.7% | | 孔隙率等級 | 4（量表） | 1-2 (分級) | 降低 >50% | | 極限抗拉強度 | 200 MPa | 245 MPa | +22.5% | | 伸長率 | 3.8% | 5.1% | +34% |

延伸率的提升尤為顯著。延伸率不僅受氧化膜含量（雙膜指數）影響，也受孔隙率影響。延伸率提升了 34%——這項提升幅度已超出單靠氫氣還原所能解釋的範圍——這反映出空化衝擊波在破碎並重新分配雙膜氧化物夾雜物方面所扮演的角色；若非如此，這些夾雜物在傳統過濾過程中是無法被偵測到的。

在工業級流量為70–100 公斤/分鐘的連續直流鑄造應用中，超音波處理使流動熔體中的氫濃度降低了 1.5–2 倍——只要將單一超音波換能器正確定位於鑄道幾何結構中，即可獲得此結果。 在批次處理模式下，要將殘留氫濃度降至工業標準的 0.1–0.2 cm³/100g，所需處理時間為 5–10 分鐘——此效率可與旋轉脫氣機相媲美，但無需消耗氬氣，且能同時實現晶粒細化。

旋轉式與超音波式：一場客觀的比較

氫氣去除機制

旋轉式系統仰賴氬氣氣泡擴散。相較之下，超音波系統則利用聲學空化現象。

載氣

旋轉脫氣需要使用載氣。可選的載氣包括氬氣、氮氣或氬氯混合氣。相較之下，超音波脫氣則無需使用載氣。

污染風險

石墨轉子可能會引入碳元素。因此，這可能會形成碳化鋁（Al₄C₃）。與此同時，Sialon 聲波電極具有惰性，因此不會造成任何污染。

雜質生成

旋轉攪拌會擾動熔體表面，因此會產生大量渣。另一方面，超音波處理所產生的渣量則約為其五分之一。

處理速度

旋轉脫氣法設定了基準速度。相較之下，超音波處理的速度大約快三倍。

晶粒細化

旋轉系統無法細化晶粒結構，必須透過獨立的製程或添加劑來達成。相較之下，超音波系統則能在處理過程中同步細化晶粒，且無需添加任何添加劑。

活動部件

旋轉設備具有活動部件：轉子、軸和密封件。然而，超音波系統在熔體中則沒有任何活動部件。

熔體品質（雙層薄膜）

旋轉脫氣對雙膜含量的改善效果有限。與此同時，超音波空化作用能破壞雙膜，從而提升熔體品質。

營運成本

旋轉式設備的成本包括氬氣供應及頻繁更換轉子。相較之下，超音波設備的成本主要僅限於超音波換能器的維護。

可擴展性

旋轉式系統在處理大量熔體方面已證實行之有效。同樣地，超音波系統透過採用多聲波頭設計，也能實現良好的可擴展性。

旋轉脫氣技術並未過時。對於熔體體積龐大且已建有氬氣基礎設施的場合，更換設備所需的資本投資效益需要時間才能顯現。但對於新設廠房、正在評估氬氣開支的鑄造廠，以及任何長期受石墨污染困擾的生產作業而言，經濟效益分析顯示超音波系統更具優勢——特別是當將晶粒細化納入製程步驟時，此步驟若採用傳統方式則需使用 TiBAl 母合金。

「超音波脫氣產生的渣量比氬氣旋轉脫氣法少逾 5 倍，同時其氫氣去除速率比葉輪驅動脫氣法快 3 倍。」——布魯內爾大學 BCAST，超音波脫氣技術發展概述

鑄造廠內的整合

超音波脫氣設備並非單一的整體系統。其配置取決於製程：

批次處理（爐內或鋼包處理）。

操作人員會利用定位臂將聲波探頭插入熔體中。他們對熔體進行 5 至 10 分鐘的處理，隨後將探頭抽出。此方法所需的資本投資最低，且可與現有的熔爐基礎設施配合使用。操作人員可讓聲波探頭移動至預設位置，以最大化大體積熔體的聲波覆蓋範圍。現代化生產線越來越多地採用機器人定位來執行此任務。

內置式（洗滌槽或集水坑處理）。

操作人員將聲波棒置於流動的熔體流中——無論是位於熔爐與直流連鑄機之間的導流槽，還是直接置於澆鑄槽內。根據已記錄的工業安裝案例，該系統可持續處理金屬，最高流量可達每分鐘 100 公斤。垂直式 Wagstaff 及 Bruno Presezzi 連鑄線均採用此配置。此配置能帶來每噸最高品質提升，且不會影響循環時間。

混合式（瓦斯＋超音波）。

某些超聲波換能器設計包含一個用於氣體注入的中央通道。此設計將氬氣噴射與超聲波場結合起來。這種結合使廠方得以保留現有的脫氣基礎設施，同時透過空化作用實現晶粒細化並減少渣的產生。對於已將資金投入氣體供應系統的企業而言，這是一條合乎邏輯的轉型路徑。

發電機的規格要求相當明確。Aktive Arc Sarl——這家開發 NIMA 發電機系列的瑞士超音波工程公司——專門設計用於鋁熔體處理的工業級超音波系統，這些系統通常在 19.7 kHz 左右運作，並具備自動調諧頻率追蹤功能，功率範圍從 100 W 至 4,000 W（可依需求客製化更高功率）。 其「無駐波」設計理念，使得處理大量熔融鋁時，能避免早期設備常見的超聲波場不均勻問題。 Aktive Arc 與=”https://www.sialon.com”>Sialon Ceramics ApS 共同營運技術平台ultrasonicdegassing.com——兩家公司於此展示將 NIMA 發生器與 Sialon 陶瓷聲波探頭整合的系統配置，作為完整的脫氣解決方案。

試試這個整合系統

要有效對熔融鋁進行超聲波脫氣，必須同時具備兩項條件：一台能產生足以在液態金屬中超過空化閾值的聲學強度的發生器，以及一個能在熔融環境中維持完整且不污染熔體的聲波探頭。這正是Sialon Ceramics ApS與Aktive Arc Sarl共同開發出的解決方案。

Sialon Ceramics ApS生產陶瓷超聲波換能器——這是一種氧化氮化矽鋁陶瓷元件，其楊氏模量達 345 GPa，在熔融鋁中具有不潤濕特性，並能在數千次插入循環中保持耐熱震性能。 憑藉40 年為極端溫度金屬加工開發先進陶瓷的經驗，Sialon 的超聲波探頭製造公差控制在±0.02 毫米，並可在直接接觸熔體的狀態下，以 1,400°C 的溫度進行連續運作。

Aktive Arc Sarl（瑞士納沙泰爾）供應 NIMA 超音波發生器系統——該系統專為熔融金屬處理而設計，具備自動調諧頻率追蹤功能、可程式化控制，以及可配合批量或連續澆鑄產量的功率配置。Aktive Arc 成立於 2001 年，由Mario Plasencia 領導，將 25 年的大功率超音波工程技術應用於超音波發生器領域。

兩家公司共同於ultrasonicdegassing.com 網站上展示整合式系統配置方案。若貴公司的澆鑄車間正在評估超音波脫氣技術——或者若石墨污染、氬氣消耗量，或是 TiBAl 母合金成本已是當前亟待解決的問題——該網站正是根據貴公司的熔體體積與製程配置，量身打造系統規格的起點。

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常見問題

超音波脫氣是如何從熔融鋁中去除氫氣的？

超音波會產生聲學空化現象——即數百萬個微觀氣泡在熔體中形成、振盪並坍縮。在每個振盪週期的低壓階段，溶解的原子態氫會擴散進入氣泡中，並重新結合成分子態的 H₂。氣泡隨後融合並浮至表面，釋放出氫氣。 針對一批鋁-矽-鎂合金，此過程僅需單次處理，即可將氫含量從 0.35 cm³/100g 降低至 0.17 cm³/100g（降低 52%）。

何謂 Bifilm 指數？超音波治療會對其產生何種影響？

雙膜指數用以測量鑄件拋光截面上的氧化膜（雙膜）總長度。它是熔體品質的直接指標，亦可預測機械失效。當熔體表面的氧化鋁皮層向內摺疊時，便會形成雙膜。這種現象通常發生於湍流澆注過程中，摺疊的膜層會被困在金屬內部。 超音波空化作用可瓦解這些氧化膜。此過程利用超過 400 MPa 的衝擊波，不僅能降低雙層膜指數，還能減少裂紋起始點的數量。經此處理後的成品鑄件，其伸長率數值將顯著提升。

為何要使用鋁硼矽酸鹽陶瓷超聲波換能器，而不是鈦或石墨？

鈦製超聲波換能器在 700°C 以上的熔融鋁中會迅速侵蝕，導致鈦微粒混入熔體中造成污染。石墨則會溶解並引入碳元素，進而在鋁合金中形成碳化物相。Sialon 陶瓷對熔融鋁具有化學惰性，在高達 1,100°C 的溫度下仍保持熱穩定性，並能承受數千次熱循環的熱衝擊，其楊氏模量亦適合高效傳導超聲波。 其結果是，這種超聲波換能器不僅使用壽命顯著延長，且完全不會造成熔體污染——使其成為工業規模下唯一兼具冶金安全性與機械可行性的材料類別。

超音波脫氣技術能否整合至連續直流澆鑄線中？

是的。工程師們已成功在流速為 70–100 公斤/分鐘的垂直直流（直接冷卻）澆鑄過程中，展示出串聯配置的應用。此類配置可將流動熔體中的氫濃度降低 1.5–2 倍。操作人員可將超聲波換能器置於澆道或澆口槽中。

批量處理對於鑄造爐和澆包同樣可行。關鍵的設計考量在於聲學功率傳遞——超音波強度必須超過液態金屬的空化閾值，而該閾值高於水。

超音波脫氣是否需要氬氣或其他載氣？

不——這正是它相較於旋轉脫氣法的核心優勢之一。旋轉系統需要氬氣（或氮氣，或氯氬混合氣）來將氫氣從熔體中帶出。 超聲波空化作用完全是機械性的：聲場會形成成核位點，並在無需任何載氣的情況下將氫氣驅出。這不僅省去了氣體採購、儲存及輸送基礎設施，也消除了相關的環境排放。此外，它還能避免氬氣注入所造成的氧化鋁保護層破壞。