Щелочные и щелочноземельные металлы в расплаве алюминия в основном поступают из элементов щелочных и щелочноземельных металлов, образующихся в процессе электролиза алюминия (таких как Na, Li, Ca и др.), а также из флюсов для алюминиевых сплавов. Флюсы на основе алюминиевых сплавов как правило, состоят из щелочных и щелочноземельных металлов. Основными компонентами хлоридов и фторидов являются KCl, NaCl, NaF, CaF, Na₃AlF₆, Na₂SiF₆ и т. д. После использования флюса для рафинирования алюминия вышеупомянутые щелочные и щелочноземельные металлы остаются в расплаве.
Возьмём в качестве примера щелочной металл — натрий. Натрий практически нерастворим в алюминии, а максимальная растворимость в твердом состоянии составляет менее 0,0025%. В сплаве Al-Mg, когда содержание магния превышает 2%, магний вытесняет кремний и выделяет свободный натрий. Na затвердевает в процессе кристаллизации. Находясь на границах зерен, в процессе пластической деформации он, благодаря низкой температуре плавления, возвращается в свободное состояние и становится источником трещин. По мере увеличения степени деформации трещины сходятся, образуя сколы — это и есть так называемое явление “натриевой хрупкости”.
Кальций в алюминиевом сплаве образует с алюминием новые фазы CaAl₄ и CaAl₂. Образование этих новых фаз способствует уменьшению количества упрочняющих фаз в алюминиевом сплаве. Например, при наличии фазы CaAl₄ в алюминиевом сплаве количество упрочняющей фазы θ (CuAl₂) уменьшается, а также снижается твёрдость алюминиевого сплава после термообработки старением в растворе. С точки зрения микроструктуры фаза CaAl₄ представляет собой тетрагональную решётку с центром в теле. Благодаря близким значениям постоянной решетки и атомного радиуса Cu, атомы Cu в фазе θ могут замещать атомы Al в CaAl₄ с образованием новой фазы соединения, что приводит к уменьшению количества упрочняющих фаз. Когда содержание Ca достигает 1,21 TP3T, атомы Cu замещают два атома алюминия в CaAl₂ с образованием новой фазы соединения. Новое соединение не растворяется в алюминиевой матрице и не может подвергаться упрочнению выделением. Кальций в алюминиевом сплаве снижает твёрдость в литом состоянии, и при увеличении содержания кальция твёрдость алюминиевого сплава после термообработки также снижается. Кроме того, при высоком содержании вредного примесного элемента Ca в алюминиевом расплаве текучесть расплава алюминиевого сплава ухудшается, что приводит к попаданию воздуха и образованию микроскопических пор или пористости. В крайних случаях образуются сегрегированные твёрдые и хрупкие соединения, что приводит к значительному увеличению брака отливок и снижению эффекта упрочнения алюминиевых сплавов при термообработке.
Согласно имеющимся данным, одним из способов удаления щелочных металлов из расплава алюминия является использование в печи-удерживателе
Для рафинирования расплава используются хлор, хлорсодержащие рафинирующие агенты (такие как гексахлорэтан, четыреххлористый углерод и т. д.) или фторидсодержащие рафинирующие агенты. Однако в процессе использования хлора, хлоридов или фторидов из алюминиевого расплава будет выделяться газообразный хлор, а также газообразный хлор и фтористый водород, образующиеся в результате реакции с щелочными металлами, а также газообразный гексахлорэтан и тетрахлорид углерода, образующиеся при нагревании. Образование углеродного газа приведёт к серьёзному повреждению футеровки печи и сокращению срока её службы. Во-вторых, это создаст угрозу для здоровья производственного персонала.
Экологически безопасный и эффективный способ удаления щелочных и щелочноземельных металлов осуществляется посредством реакции замещения. Основной принцип заключается в использовании особенностей химических свойств щелочных и щелочноземельных металлов в соответствии с порядком их активности, а также в добавлении солей других металлов с относительно инертными катионами, после чего эти соли удаляются с помощью других физических методов. В качестве примера можно привести удаление Na из магниесодержащих сплавов, которое, как правило, осуществляется посредством реакции замещения между MgCl₂ и элементарным Na. Основная формула реакции выглядит следующим образом:
MgCl₂ + 2Na = 2NaCl + Mg
В настоящее время развитие высокопрочных сплавов идет в направлении увеличения габаритов, и требования к размерам литых слябов постепенно повышаются. Остаточный газ, примеси, шлак и щелочные/щелочноземельные металлы в расплаве алюминиевого сплава будут оказывать более пагубное воздействие в процессе обработки и деформации литого сляба.