為何使用Sialon超音波探頭進行超音波除氣優於鋁熔體中的石墨轉子

聲學空蝕可同時去除溶解的氫氣並細化晶粒結構 – 無需氬氣、無石墨污染，且Sialon陶瓷超音波變幅桿在鈦無法承受的環境中依然耐用。超音波除氣Sialon變幅桿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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重點摘要

溶解氫是鋁鑄件產生孔隙的主要成因；粗大的晶粒結構會加劇所有下游的機械弱點。使用石墨轉子的旋轉除氣能處理氫氣問題，但會引入污染、消耗氬氣、產生浮渣，並使晶粒細化成為另一個獨立製程。超音波除氣能同時完成兩者 – 透過聲空蝕將氫氣排出，並利用相同的衝擊波能量細化晶粒 – 無需載氣、無污染，且處理時間比葉輪驅動系統快 3×。限制因素始終在於變幅桿：鈦在 700°C 以上會失效，石墨則會污染熔體。 Sialon 陶瓷 同時解決了這兩個問題 – 對鋁具有化學惰性、熱穩定性佳，並專為超音波傳輸至熔融金屬而設計。此系統之所以特別有效，在於消除了駐波 — 這是一項關鍵的設計成就，能在整個熔體中實現一致的聲場分佈，如 ultrasonicdegassing.com 所述。

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每個鑄造廠都知道但很少量化的問題

750°C的液態鋁約含有 每100克金屬0.65立方公分的溶解氫。一旦凝固，平衡溶解度驟降至0.034立方公分/100克——下降94%。無法再溶於溶液中的氫必須另尋去處。若鑄件凝固速度夠快，便會形成孔隙：這是結構件和耐壓件的致命傷。

一公噸液態鋁中溶解的一公克氫，可在成品鑄件中產生2–3%的孔隙率——這個數字來自直接的熱力學計算，而非業界最壞情況的假設。對於航太和汽車結構件而言，這本身就足以使其不合格。對於任何疲勞壽命或壓力完整性至關重要的零件，孔隙率正是失效的起始點。.

氫氣從大氣中的水蒸氣、潮濕的爐料和潮濕的工具進入熔體。在750°C和30%相對濕度下，自然除氣 – 僅是保溫等待 – 需要長達一小時才能接近 工業標準殘留量0.1–0.2 cm³/100g。在生產型鑄造廠中，沒有人會這樣做。

晶粒結構是第二個變數。DC鑄造胚料中的粗大柱狀晶意味著機械性質不均勻、對變形的異向性反應，以及在凝固過程中更容易發生熱裂。晶粒細化傳統上是透過在熔體中添加鈦硼母合金（TiBAl）來處理——有效，但這增加了耗材、物流鏈，以及若添加劑量錯誤時的污染風險。.

值得探討的問題是，為何業界仍將這兩者視為兩個獨立問題，需要兩個獨立製程來處理。.

旋轉除氣的工作原理 – 及其局限性

標準方法：旋轉除氣

標準方法是使用旋轉除氣機：一個石墨轉子高速旋轉進入熔體，透過轉子軸注入氬氣（或氬氣-氯氣混合物），並將其分散成細小氣泡遍佈整個爐體。根據西沃特定律，氫從熔體分配進入氬氣氣泡中，氣泡將其帶至表面。.

它有效。它已經有效運作了數十年。但鑄造廠的經驗讓人非常熟悉其結構上的限制。.

石墨污染

轉子受到侵蝕。石墨顆粒進入熔體。在鋁合金中，這可能形成碳化鋁（Al₄C₃）相，其質地脆、對濕氣敏感，且難以透過過濾去除。此污染具有隱蔽性—小到足以通過上游品質檢查，僅在成品零件中表現為表面染色或機械異常。.

轉子磨損與失效

石墨是脆性的。轉子失效—開裂或斷裂—並不罕見，尤其是因冷料添加或預熱操作不當所導致的熱衝擊。轉子失效意味著非計劃性停機，且熔體在繼續進行前需要進行檢查。.

氬氣物流

所使用的每公斤氬氣都必須採購、運送、儲存和管理。氬氯混合氣體（部分作業仍用於熔劑除氣）增加了法規複雜性。氯會與鋁反應形成氯化鋁（AlCl₃），這是一種有效的熔劑，但需要小心處理和處置。.

浮渣產生

旋轉除氣機的強力攪拌作用會破壞熔湯表面的保護性氧化鋁皮膜。氧化物會被捲入熔湯中，表面浮渣量大幅增加。浮渣越多，表示金屬損失越多，且每次加熱之間的清理時間也越長。.

熔體接觸受限

旋轉除氣機位於爐或澆包中時，能有效處理轉子周圍的體積，但大型熔體存在區域—角落、偏遠區域—這些區域的循環受限，氫氣去除不完整。需要多個插入點或複雜的噴槍移動來補償。.

真正的問題

這些都不是立即放棄旋轉除氣的理由；它們是每個鑄造廠已學會吸收的營運成本。問題在於這些成本是否真的需要被吸收。.

聲學空化：超音波除氣背後的物理原理

將超音波換能器引入液體中，當超過臨界功率閾值時，液體會撕裂自身 – 短暫地、重複地，在數百萬個位置同時發生。這就是聲空化，也是使超音波除氣從根本上不同於任何依賴注入氣體的方法的原因。.

鋁熔體中超音波除氣的五個階段

鋁熔體中的過程分為五個階段：

1. 成核

當超音波壓力降至熔體飽和蒸氣壓以下時，空蝕氣泡會在現有的不均質處成核—氧化鋁夾雜物、微氣泡、晶界。這些就是空蝕核。.

2. 整流擴散

在每個聲學循環的低壓階段，氣泡膨脹，其內部氫氣的分壓降至低於局部熔體濃度。周圍金屬中的原子氫擴散進入氣泡。振盪的不對稱性意味著在膨脹期間進入的氫氣多於在壓縮期間離開的氫氣—淨累積。.

3. 再結合

在氣泡內部，原子氫（H）重新結合為分子氫（H₂），而分子氫無法以相同速率重新溶解回鋁基體中。此時氣泡內累積的H₂含量持續增加。.

4. 聚結

比耶克內斯力（聲輻射壓力）與白努利效應會使相鄰的氣泡相互吸引並合併成更大、更具浮力的結構。.

5. 浮選與釋放

聲學流動—由超音波場引起的整體流動—將合併的氣泡向上帶過熔體。在表面，它們破裂，氫氣逸出。.

關鍵參數：空蝕閾值

關鍵參數是空蝕閾值。在水中，空蝕現象容易達成。在700°C的液態鋁中，閾值顯著更高——熔體比水更稠密、黏度更高，且表面張力也更大。用於鋁熔體處理的產生器需要提供足夠的聲學強度，以在整個處理體積內超過此閾值，而不僅是在超音波探頭尖端。這是一個非平凡的工程問題，也是1960年代和1970年代早期超音波除氣系統——包括蘇聯的UZD-200系統（10 kW、19.5 kHz、250 kg容量）——證明了原理但難以經濟地擴大規模的原因。.

晶粒細化作為免費的附加效益

驅除氫氣的同一空蝕場域還做了另一件事：它細化了晶粒結構。當氣泡崩潰時，會釋放出超過 400 MPa 的衝擊波和超過 1000 K 的局部溫度尖峰。這些衝擊波使現有的樹枝晶碎裂，破壞柱狀晶前沿，並為等軸晶生長創造數千個新的成核位置。結果是更細緻、更均勻的晶粒結構 – 且無需添加任何 TiBAl。

在一項針對 Al–Mg–Sc 合金的記錄研究中，在降低的鑄造溫度（700°C 對比 800°C）下進行超音波處理，將平均晶粒尺寸從 487 ± 20 µm 降至 103 ± 2 µm – 減少了 78%。即使沒有降低溫度，逐步處理也顯示每 20 秒處理時間約可減少 5.5% 的晶粒尺寸，且超過 20 秒後仍有進一步的減少。這並非微小的改善；這是過去需要添加母合金並嚴格控制製程才能達到的微觀結構變化。

超音波振動頭的問題 – 以及賽隆陶瓷為何能解決它

超音波振動頭：持續存在的瓶頸

上述所有內容都依賴於一個關鍵組件：超音波探頭。此探頭將換能器的聲能耦合到熔體中。然而，數十年來，超音波探頭一直是瓶頸。.

鈦製超音波振動頭

鈦製超音波探頭是水、聚合物和食品應用中超音波液體處理的標準選擇。然而，在超過700°C的熔融鋁中，鈦會開始快速溶解。因此，所產生的鈦污染不僅僅是冶金學上的問題。在鋁合金中，過量的鈦會干擾您試圖促進的晶粒細化機制。因此，在大容量鋁爐中，鈦製超音波探頭的使用壽命是以小時計算，而非以月計算。.

鈮及難熔金屬

已測試過鈮和難熔金屬。它們使用壽命較長，但價格昂貴，難以加工成複雜的聲極幾何形狀，且在空化區域仍會受到侵蝕。.

石墨

石墨在鋁中化學性質相對穩定，但對於超音波傳輸沒有實用的聲學特性—其楊氏模數太低，無法在沒有過度耗散的情況下傳輸所需的聲能。.

Sialon陶瓷 – 矽鋁氧氮化物，材料類別 Sialon Ceramics ApS已投入40年開發 – 匯集了超音波探頭應用所需的特性：

化學惰性。 賽隆（Sialon）不與鋁熔體潤濕，也不會溶解於其中。賽隆超音波變幅桿尖端與熔體之間的介面在長時間處理循環中保持化學穩定。不會有鈦的混入、碳的污染，也不會形成二次相。

抗熱衝擊性。 音極棒會被插入700–800°C的熔融金屬中，取出後再重新插入。大多數陶瓷在這種熱循環下會開裂。Sialon結合Si₃N₄–Al₂O₃的結構，使其抗熱衝擊性遠高於氧化鋁或氧化鋯——這正是Sialon加熱管和熱電偶保護管在鑄造廠環境中經久耐用的原因，而在這種環境中，傳統陶瓷因熱循環而導致的元件失效是常見的失效模式。

用於聲學傳輸的楊氏模數。 要將聲能有效耦合至熔體中，音極材料需具備適合頻率範圍（工業鋁加工通常為15–25 kHz）的楊氏模數。賽隆陶瓷具備所需的彈性模數，可在不於音極本體中吸收能量的情況下傳輸超音波振幅——能量直接進入熔體，發揮其應有的作用。

幾何形狀的靈活性。 超音波探頭的設計對聲場分佈至關重要。Sialon 可以製造至 ±0.02 mm 的公差，從而能夠精確控制超音波探頭的幾何形狀以及熔體中產生的聲場輪廓。Sialon Ceramics 還在其 碳化矽系列中製造長達 3,000 mm 的組件，這反映了大型超音波探頭組件所需的製造能力。

數字實際顯示的結果

超音波除氣的性能表現已在同儕審查的文獻中有充分記載，並獲得 包括布魯內爾大學（BCAST）在內的機構獨立研究 以及 橡樹嶺國家實驗室 的證實。在 Al–Si–Mg 合金批次上的主要結果如下：

| 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（等級） | 1-2（等級） | 減少>50% | | 極限抗拉強度 | 200 MPa | 245 MPa | +22.5% | | 伸長率 | 3.8% | 5.1% | +34% |

延伸率的提升特別顯著。延伸率對氧化膜含量（雙膜指數）以及孔隙率都很敏感。延伸率提升了34% – 這超過了僅靠氫氣減量所能解釋的範圍 – 反映出空蝕衝擊波在分解和重新分布雙膜氧化物夾雜物方面的作用，這些夾雜物在傳統過濾下是無法察覺的。.

在工業流量為 70–100 公斤/分鐘 的連續 DC 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——只要將單一超音波探頭正確定位於流槽幾何結構中，即可獲得此結果。在批次模式下，達到工業標準殘留量 0.1–0.2 cm³/100g 的處理時間為 5–10 分鐘——與旋轉除氣機相當，但無需消耗氬氣，且同時完成晶粒細化。

旋轉式 vs. 超音波：誠實的比較

氫氣去除機制

旋轉系統依賴氬氣氣泡擴散。相比之下，超音波系統則利用聲學空蝕效應。.

載氣

旋轉除氣需要載氣。選項包括氬氣、氮氣或氬氣–氯氣混合物。相比之下，超音波除氣不需要載氣。.

污染風險

石墨轉子可能引入碳。因此，這可能形成碳化鋁（Al₄C₃）。同時，Sialon 超音波振動頭是惰性的，因此不會增加污染。.

浮渣產生

旋轉攪拌會擾動熔體表面，因此會產生大量的浮渣。另一方面，超音波處理所產生的浮渣量約為其五分之一。.

處理速度

旋轉除氣設定了基準速度。相比之下，超音波處理的速度大約快三倍。.

晶粒細化

旋轉系統不會細化晶粒結構。相反，需要單獨的工藝或添加劑。相比之下，超音波系統同時細化晶粒。此外，無需添加劑。.

移動部件

旋轉設備具有運動部件：轉子、軸和密封件。然而，超音波系統在熔湯中沒有運動部件。.

熔體品質（雙膜）

旋轉除氣對雙氧化膜含量的改善有限。同時，超音波空蝕作用能破壞雙氧化膜，因此提升熔湯品質。.

營運成本

旋轉除氣的成本包括氬氣供應和頻繁的轉子更換。相比之下，超音波除氣的成本主要僅限於變幅桿的維護。.

可擴展性

旋轉系統已在大容量熔體處理中獲得驗證。同樣地，超音波系統透過多音極設計也能良好擴展。.

旋轉除氣並未過時。對於擁有完善氬氣基礎設施的超大熔體量，更換設備的資本論證需要時間來建立。但對於新安裝、評估氬氣支出的鑄造廠，以及任何石墨污染已成為反覆出現的品質問題的作業，經濟計算結果都傾向於超音波系統——尤其是當晶粒細化被視為一個製程步驟，而該步驟否則需要TiBAl母合金時。.

“超音波除氣產生的浮渣比旋轉式氬氣除氣少5倍以上，同時氫氣去除動力學比葉輪驅動除氣快3倍。” – 布魯內爾大學BCAST，超音波除氣發展概述

鑄造車間內的整合

超音波除氣設備並非單一系統。其配置取決於製程：

Batch (furnace or ladle treatment).

操作員使用定位臂將超音波探頭插入熔體中。他們處理熔體5–10分鐘，然後退出探頭。這種方法所需的資本投資最低，且可與現有爐體基礎設施配合使用。操作員可透過程式化位置移動超音波探頭，以最大化大型熔體體積的聲波覆蓋範圍。現代安裝越來越常使用機器人定位來執行此任務。.

線上（流槽或集水槽處理）。.

操作員將超音波振動頭置於流動的熔融金屬流中—無論是爐與DC鑄造機之間的流槽，或直接置於鑄造集水槽中。在已記錄的工業安裝中，此系統以高達每分鐘100公斤的流量連續處理金屬。垂直式Wagstaff與Bruno Presezzi連續鑄造生產線採用此配置。它每噸能帶來最大的品質提升，且不增加循環時間的影響。.

混合式（氣體＋超音波）。.

某些超音波振動頭設計包含中央通道用於氣體注入。這將氬氣吹洗與超音波場結合。此組合讓工廠能保留現有的除氣基礎設施，同時增加由空蝕效應驅動的晶粒細化與更低的浮渣產生量。已將資本投入氣體供應系統的作業，會發現這是一條合理的轉型路徑。.

發電機的要求很直接。 Aktive Arc Sarl – 這家瑞士超音波工程公司是 NIMA 發電機系列的幕後推手 – 設計用於鋁熔體處理的工業超音波系統，通常以約 19.7 kHz 的頻率運作，具備自動調諧頻率追蹤功能，功率範圍從 100 W 到 4,000 W（可依需求訂製更高功率）。他們的 “無駐波” 設計方法，可以在不產生早期安裝所困擾的場域不均勻性的情況下，處理大體積的熔體。與 =”https://www.sialon.com”>Sialon Ceramics ApS 合作，Aktive Arc 在 ultrasonicdegassing.com 經營聯合技術入口網站 – 兩家公司在此展示結合 NIMA 發電機與 Sialon 陶瓷超音波振動頭的整合系統配置，作為完整的除氣解決方案。

Try the integrated system

有效的鋁熔體超音波除氣需要兩個要素相結合：一個能夠在液態金屬中提供超過空蝕閾值之足夠聲強度的發電機，以及一個能在熔體中存活且不污染熔體的聲極。這就是 Sialon Ceramics ApS 與 Aktive Arc Sarl 共同開發的組合。

Aktive Arc Sarl （瑞士紐沙特爾）供應NIMA超音波發電機系統，專為熔融金屬處理而設計，具備自動調諧頻率追蹤、可程式控制，以及配合批次或連續鑄造量的功率配置。該公司成立於2001年，由 Mario Plasencia領導，Aktive Arc在發電機端累積了25年的功率超音波工程經驗。

兩家公司共同在 ultrasonicdegassing.com 展示整合式系統配置。如果您的鑄造廠正在評估超音波除氣，或石墨污染、氬氣成本、TiBAl 母合金成本已是實際考量，那麼這就是根據您的熔體容量和製程配置來制定系統規格的起點。

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常見問題

超音波除氣如何從鋁熔體中去除氫氣？

超音波會產生聲學空蝕效應——在熔融金屬中形成數百萬個微觀氣泡，這些氣泡會成核、振盪並崩潰。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內，並重新結合為分子態H₂。氣泡隨後合併並浮至表面，釋放出氫氣。此製程可將Al–Si–Mg合金批次中的氫含量從0.35 cm³/100g降至0.17 cm³/100g（降低52%），僅需一次處理即可達成。.

什麼是Bifilm指數，超音波處理如何影響它？

雙薄膜指數衡量鑄件拋光截面上氧化膜（雙薄膜）的總長度。它是熔融金屬品質的直接指標，也可預測機械失效。當熔融金屬表面的氧化鋁皮向內摺疊時，便會形成雙薄膜，這通常發生在湍流澆注過程中。摺疊的薄膜會被困在金屬中。超音波空蝕作用可分解這些氧化膜，該過程使用超過400 MPa的衝擊波，從而降低雙薄膜指數，並減少裂紋萌生位置的數量。成品鑄件因而顯示出可量測的更高伸長率值。.

為什麼使用Sialon陶瓷超音波變幅桿而非鈦或石墨？

鈦製超音波變幅桿在超過700°C的鋁熔液中會快速侵蝕，導致鈦顆粒污染熔體。石墨則會溶解並引入碳，可能在鋁合金中形成碳化物相。 賽隆陶瓷 對鋁熔液具有化學惰性，熱穩定性可達1,100°C，並具備承受數千次熱循環的抗熱震性能，其楊氏模數亦適合高效超音波傳遞。因此，賽隆變幅桿使用壽命顯著延長，且完全不污染熔體——使其成為唯一在冶金安全性與工業規模機械可行性上同時兼顧的材料類別。

超音波除氣能否整合到連續DC鑄造生產線中？

是的。工程師已證實，在垂直DC（直接冷卻）鑄造中，以每分鐘70–100公斤的流量進行線上配置是可行的。這些配置可將流動熔體中的氫濃度降低1.5–2倍。操作員可將超音波振動頭放置在流槽或集水槽中。.

批量處理也適用於鑄造爐和澆包。關鍵的設計考量是聲功率的傳遞 – 超音波強度必須超過液態金屬的空化閾值，該閾值高於水的空化閾值。.

超音波除氣是否需要氬氣或其他載氣？

不 – 這是它相較於旋轉除氣的核心優勢之一。旋轉系統需要氬氣（或氮氣、氯-氬混合氣）來將氫氣帶出熔體。超音波空蝕完全是機械性的：聲場產生成核位置，並在無需任何載氣的情況下將氫氣排出。這消除了氣體採購、儲存、輸送基礎設施及相關的環境排放。它也消除了氬氣注入對保護性氧化鋁皮膜所造成的破壞。.