يُعد تنقية الألومنيوم المنصهر أحد الإجراءات التي تضمن جودة عالية لمنتجات سبائك الألومنيوم، كما أنه الوسيلة الرئيسية لتحسين الجودة الإجمالية لسبائك الألومنيوم. يؤثر تأثير تكرير الألومنيوم المنصهر تأثيرًا مهمًا على تكوين المسام وتجاويف الانكماش والشوائب، كما يؤثر بشكل مباشر على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لمسبوكات سبائك الألومنيوم. فبدون وجود ألومنيوم مصهور عالي الجودة، حتى لو كانت المعالجة اللاحقة متطورة، ستظل العيوب موجودة دائمًا في المنتج بمجرد حدوثها، وسيكون من الصعب الحصول على مصبوبات عالية الجودة. لذلك، يجب الانتباه إلى الغازات والشوائب الموجودة في الألومنيوم المصهور، واتخاذ التدابير اللازمة لإزالتها.
الغازات والشوائب في الألومنيوم المنصهر
يتكون الغاز الموجود في الألومنيوم المنصهر بشكل أساسي من الهيدروجين (حوالي 80% إلى 90%)، يليه النيتروجين والأكسجين وأول أكسيد الكربون. الهيدروجين غير قابل للذوبان تقريبًا في الألومنيوم الصلب، لكنه يتمتع بدرجة ذوبان عالية في الحالة السائلة. تبلغ قابلية ذوبان الهيدروجين في الطور الصلب 0.65 مل و0.034 مل لكل 100 غرام من الألومنيوم المنصهر، أي أن الفرق بين قابلية ذوبان الهيدروجين في الطور الصلب والطور السائل يبلغ 19.1 مرة، ويبلغ المحتوى الطبيعي للهيدروجين لكل 100 غرام من الألومنيوم المنصهر 0.1~0.4 مل. ونظرًا للاختلاف في القابلية للذوبان، يميل الهيدروجين إلى الهروب من المادة المنصهرة. وعندما يكون ضغط الهيدروجين أكبر من التوتر السطحي والضغط الهيدروستاتيكي، تتشكل فقاعات، مما يؤدي بدوره إلى ظهور ثقوب دقيقة في قطعة الصب. لذلك، فإن المشكلة الرئيسية في تنقية سائل سبائك الألومنيوم هي أن محتوى الهيدروجين في سبائك الألومنيوم مرتفع نسبيًا. عادةً، عندما يكون محتوى الهيدروجين لكل 100 غرام من الألومنيوم 0.1~0.2 مل، فإن ذلك يلبي متطلبات الإنتاج. أما بالنسبة للمسبوكات ذات المتطلبات الخاصة، فيجب أن يكون محتوى الهيدروجين لكل 100 غرام من الألومنيوم أقل من 0.06 مل.
الشوائب هي أي مواد صلبة أو مواد أخرى غير السوائل الموجودة فوق درجة الانصهار. وتشمل الشوائب غير المعدنية الشائعة في الألومنيوم المنصهر الأكاسيد، والنتريدات، والكربيدات، والبورييدات، وما إلى ذلك، والتي يوجد معظمها في شكل حبيبي، ويتراوح حجم الجسيمات النموذجي بين 1 و30m. باستثناء المواد المُضافَة، إذا كانت ناتجة عن تفاعل كيميائي في عملية الصهر. يتراوح سمك طبقة الأكسيد على سطح الألومنيوم بين 2 و10 ميكرومتر، ويزداد إلى 200 ميكرومتر عندما يقترب من نقطة الانصهار. ولا تكون طبقة الأكسيد على سطح السائل أكثر سمكًا فحسب، بل يتغير هيكلها أيضًا. الجانب المواجه للألومنيوم المنصهر كثيف وله تأثير وقائي على الألومنيوم المنصهر، في حين أن الجزء الخارجي من الألومنيوم المنصهر يكون رخواً، ويحتوي على ثقوب صغيرة يبلغ قطرها 5-10m في الداخل، ومملوءة بالهيدروجين والهواء وبخار الماء. وإذا تم تقليب الطبقة السائلة داخل الألومنيوم المنصهر، فسوف يؤدي ذلك إلى زيادة الشوائب والغازات.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر بعض المركبات الفلزية الأولية غير المرغوب فيها، مثل الألومنيوم-الزركونيوم والألومنيوم-التيتانيوم وغيرها، في ذوبان السبائك عالية التركيب. كما تشكل سبائك الألومنيوم المحتوية على الحديد طورًا غنيًّا بالحديد يُعرف بـ Al-Fe، وهو ما يعادل طور Al-Si-Fe. ويُعد طور Al-Si-Fe مركبًا شبيهًا بالإبر يلحق أضرارًا جسيمة بمصفوفة الألومنيوم ويؤثر على خصائصها الميكانيكية.
يوجد تفاعل قوي بين الشوائب الموجودة في سبائك الألومنيوم والغاز، ويتأثر محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر تأثراً كبيراً بهذه الشوائب. وعندما يبلغ محتوى الشوائب 0.002% و0.02%، يكون محتوى الهيدروجين المقابل 0.2 مل/100 غرام من الألومنيوم و0.35 مل/100 غرام من الألومنيوم.
في حالة تساوي محتوى الهيدروجين، كلما ارتفع محتوى الشوائب، ارتفع معدل ظهور الثقوب الدقيقة. وعلى العكس من ذلك، عندما يكون محتوى الشوائب في الألومنيوم المنصهر منخفضًا جدًّا، يكون محتوى الهيدروجين منخفضًا جدًّا أيضًا. وحتى إذا تم إدخال الهيدروجين صناعيًّا، فإنه سيرسب تلقائيًّا ويعود سريعًا إلى مستواه الأصلي. وحتى في حالة وجود كمية ضئيلة من الشوائب، فإنها يمكن أن تقلل بشكل كبير من التركيز الحرج للثقوب.
من ناحية أخرى، في حالة عدم وجود شوائب، يمكن أن يصل تركيز الهيدروجين الحرج اللازم لتكوين المسام إلى 0.3 مل/100 غرام من الألومنيوم. ولذلك، ينبغي إجراء عملية إزالة الشوائب والغازات في آن واحد، وهو أمر لا يقل أهمية.
الوضع الحالي لـ تنقية ذوبان سبائك الألومنيوم من الناحية التقنية، تُعد المعالجة الشاملة لتنقية الألومنيوم السائل وتحسين حبيباته المشكلة الأساسية للحصول على ألومنيوم عالي الجودة من سبائك الألومنيوم المنصهرة. ووفقًا لمراحل الإنتاج المختلفة، يمكن تقسيم معالجة تنقية الألومنيوم المنصهر إلى معالجة داخل الفرن ومعالجة خارج الفرن. يمكن تقسيم معالجة سبائك الألومنيوم في الفرن إلى تقنية تنقية بالامتصاص وتقنية تنقية بدون امتصاص وفقًا لآلية التنقية. تعتمد تنقية طريقة الامتصاص بشكل أساسي على تأثير امتصاص الشوائب المؤكسدة الناتجة عن عامل تكرير, ، وفي الوقت نفسه، يزيل الشوائب المؤكسدة والهيدروجين المرتبط بالسطح لتحقيق هدف تنقية الألومنيوم المنصهر. أما التنقية غير القائمة على الامتصاص فتعتمد على تأثيرات فيزيائية وكيميائية أخرى لتحقيق هدف تنقية الألومنيوم المنصهر. ويحدث تأثير التنقية في طريقة الامتصاص فقط على واجهة الامتصاص، بينما يؤثر تأثير التنقية في الطريقة غير القائمة على الامتصاص على سائل الألومنيوم بأكمله في الوقت نفسه.