La purification de l'aluminium fondu est l'une des mesures permettant de garantir la haute qualité des produits en alliage d'aluminium ; c'est également le principal moyen d'améliorer la qualité globale des alliages d'aluminium. L'efficacité de l'affinage de l'aluminium fondu a une influence importante sur la formation de pores, de cavités de retrait et d'inclusions, et affecte directement les propriétés physiques et mécaniques des pièces moulées en alliage d'aluminium. Sans un aluminium fondu de haute qualité, même si les étapes de traitement ultérieures sont à la pointe de la technologie, des défauts persisteront inévitablement dans le produit une fois qu’ils se seront formés, et il sera difficile d’obtenir des pièces moulées de haute qualité. Il est donc essentiel de prêter attention aux gaz et aux inclusions présents dans l’aluminium fondu, et de prendre des mesures pour les éliminer.
Gaz et inclusions dans l'aluminium fondu
Le gaz présent dans l'aluminium fondu est principalement constitué d'hydrogène (environ 80% à 90%), suivi de l'azote, de l'oxygène et du monoxyde de carbone. L'hydrogène est pratiquement insoluble dans l'aluminium solide, mais présente une grande solubilité dans l'aluminium liquide. La solubilité de l’hydrogène sur la ligne de phase solide est de 0,65 mL et de 0,034 mL pour 100 g d’aluminium fondu ; autrement dit, la différence entre la solubilité de l’hydrogène en phase solide et en phase liquide est de 19,1 fois, et la teneur normale en hydrogène pour 100 g d’aluminium fondu est comprise entre 0,1 et 0,4 ml. En raison de cette différence de solubilité, l’hydrogène a tendance à s’échapper de la masse fondue. Lorsque la pression de l’hydrogène est supérieure à la tension superficielle et à la pression hydrostatique, des bulles se forment, ce qui entraîne l’apparition de piqûres dans la pièce moulée. Par conséquent, lors de la purification de la masse fondue d’alliage d’aluminium, le principal problème réside dans la teneur en hydrogène relativement élevée de l’alliage d’aluminium. En général, lorsque la teneur en hydrogène pour 100 g d’aluminium est comprise entre 0,1 et 0,2 ml, les exigences de production sont satisfaites. Pour les pièces moulées soumises à des exigences particulières, la teneur en hydrogène pour 100 g d’aluminium doit être inférieure à 0,06 ml.
Les inclusions désignent tous les solides et substances autres que les liquides se trouvant au-dessus de la ligne de liquidus. Parmi les impuretés non métalliques courantes présentes dans l’aluminium fondu, on trouve notamment des oxydes, des nitrures, des carbures, des borures, etc., dont la plupart se présentent sous forme granulaire, avec une taille de particules typique comprise entre 1 et 30 µm. À l’exception des charges d’alimentation, il s’agit du produit d’une réaction chimique survenant au cours du processus de fusion. L’épaisseur du film d’oxyde à la surface de l’aluminium est comprise entre 2 et 10 µm, et elle atteint 200 µm à proximité du point de fusion. Le film d’oxyde à la surface du bain de fusion est non seulement plus épais, mais sa structure a également changé. La face tournée vers l’aluminium fondu est dense et exerce un effet protecteur sur celui-ci, tandis que la face extérieure est poreuse, comportant de petits trous d’un diamètre de 5 à 10 µm, remplis d’hydrogène, d’air et de vapeur d’eau. Si le film liquide est mélangé à l’aluminium fondu, cela augmentera la quantité d’impuretés et de gaz.
De plus, certains composés intermétalliques primaires indésirables, tels que l'aluminium-zirconium, l'aluminium-titane, etc., apparaissent dans les masses fondues fortement alliées. L'alliage d'aluminium contenant du fer forme également une phase Al-Fe riche en fer, qui correspond à la phase Al-Si-Fe. La phase Al-Si-Fe est un composé aciculaire qui endommage gravement la matrice d'aluminium et altère ses propriétés mécaniques.
Il existe une forte interaction entre les inclusions présentes dans l'alliage d'aluminium et le gaz, et la teneur en hydrogène de l'aluminium fondu est fortement influencée par ces inclusions. Lorsque la teneur en inclusions est respectivement de 0,002% et 0,02%, la teneur en hydrogène correspondante est respectivement de 0,2 ml/100 g d'Al et 0,35 ml/100 g d'Al.
À teneur en hydrogène égale, plus la teneur en inclusions est élevée, plus le taux de trous d'épingle est important. À l'inverse, lorsque la teneur en impuretés de l'aluminium fondu est très faible, la teneur en hydrogène est également très faible. Même si de l'hydrogène est introduit artificiellement, il se précipite automatiquement et revient rapidement à sa teneur initiale. Même en présence d'une faible quantité d'inclusions, cela peut réduire considérablement la concentration critique de stomates.
En revanche, en l'absence d'inclusions, la concentration critique en hydrogène nécessaire à la formation de pores peut atteindre 0,3 ml/100 g d'Al. Par conséquent, l'élimination des impuretés et des gaz doit être effectuée simultanément, ce qui revêt une importance tout aussi grande.
État actuel de purification de la masse fondue d'alliage d'aluminium Sur le plan technologique, le traitement complet de la purification et de l'affinage du grain de l'aluminium liquide constitue le problème fondamental pour obtenir une purification de haute qualité des alliages d'aluminium fondus. En fonction des différentes étapes de production, le traitement de purification de l'aluminium fondu peut être divisé en traitement en four et traitement hors four. Le traitement en four des alliages d’aluminium peut être classé en deux catégories selon le mécanisme de purification : la technologie de purification par adsorption et la technologie de purification sans adsorption. La purification par adsorption repose principalement sur l’effet d’adsorption des inclusions oxydées produites par le agent de raffinage, tout en éliminant les inclusions oxydées et l'hydrogène fixé à la surface, ce qui permet de purifier l'aluminium fondu. La purification sans adsorption s’appuie sur d’autres effets physiques et chimiques pour purifier l’aluminium fondu. L’effet de purification de la méthode par adsorption ne se produit qu’au niveau de l’interface d’adsorption, tandis que celui de la méthode sans adsorption agit simultanément sur l’ensemble de l’aluminium fondu.