Очистка расплавленного алюминия является одной из мер, обеспечивающих высокое качество изделий из алюминиевых сплавов, а также основным способом повышения общего качества алюминиевых сплавов. Эффективность рафинирования расплавленного алюминия оказывает значительное влияние на образование пор, усадочных пустот и включений, а также напрямую влияет на физические и механические свойства отливок из алюминиевых сплавов. Без высококачественного расплавленного алюминия, даже при самой современной последующей обработке, дефекты, однажды возникнув, всегда будут присутствовать в изделии, и получить высококачественные отливки будет сложно. Поэтому необходимо уделять внимание содержанию газа и включений в расплавленном алюминии и принимать меры по их удалению.
Газ и включения в расплавленном алюминии
Газ в расплавленном алюминии представлен в основном водородом (примерно от 80% до 90%), за которым следуют азот, кислород и окись углерода. Водород практически нерастворим в твёрдом алюминии, но обладает высокой растворимостью в жидком. Растворимость водорода на линии твердой фазы составляет 0,65 мл и 0,034 мл на 100 г расплавленного алюминия, то есть разница между растворимостью водорода в твердой и жидкой фазах составляет 19,1 раза, а нормальное содержание водорода на 100 г расплавленного алюминия составляет 0,1–0,4 мл. Из-за разницы в растворимости водород стремится выходить из расплава. Когда давление водорода превышает поверхностное натяжение и гидростатическое давление, образуются пузырьки, которые, в свою очередь, приводят к появлению микропоры в отливке. Поэтому при очистке расплава алюминиевого сплава основной проблемой является относительно высокое содержание водорода в алюминиевом сплаве. Обычно содержание водорода на 100 г алюминия в пределах 0,1–0,2 мл соответствует производственным требованиям. Для отливок с особыми требованиями содержание водорода на 100 г алюминия должно быть менее 0,06 мл.
Включениями называются любые твердые вещества и вещества, отличные от жидкостей, находящихся выше температуры ликвидуса. К распространенным неметаллическим примесям в расплавленном алюминии относятся оксиды, нитриды, карбиды, бориды и т. д., большинство из которых существует в зернистой форме, а типичный размер частиц находится в диапазоне 1–30 м. За исключением шихты, если речь идет о продукте химической реакции, происходящей в процессе плавления. Толщина оксидной пленки на поверхности алюминия составляет 2–10 мкм, а вблизи температуры плавления она увеличивается до 200 мкм. Оксидная пленка на поверхности расплава не только толще, но и имеет измененную структуру. Сторона, обращенная к расплавленному алюминию, плотная и оказывает защитное действие на расплавленный алюминий, в то время как внешняя сторона пленки рыхлая, с небольшими отверстиями диаметром 5–10 м внутри, заполненными водородом, воздухом и парами воды. Если жидкую пленку перемешать с расплавленным алюминием, это приведёт к увеличению содержания примесей и газов.
Кроме того, в расплавах высоколегированных сплавов появляются некоторые нежелательные первичные интерметаллические соединения, такие как алюминий-цирконий, алюминий-титан и т. д. В алюминиевом сплаве, содержащем железо, также образуется обогащённая железом фаза Al-Fe, которая эквивалентна фазе Al-Si-Fe. Фаза Al-Si-Fe представляет собой игольчатое соединение, которое серьёзно повреждает алюминиевую матрицу и ухудшает её механические свойства.
Между включениями в алюминиевом сплаве и газом происходит сильное взаимодействие, и содержание водорода в расплавленном алюминии в значительной степени зависит от этих включений. При содержании включений 0,002% и 0,02% соответствующее содержание водорода составляет 0,2 мл/100 г Al и 0,35 мл/100 г Al.
При одинаковом содержании водорода чем выше содержание включений, тем выше частота образования микроотверстий. Напротив, когда содержание примесей в расплавленном алюминии очень низкое, содержание водорода также очень низкое. Даже если водород будет введен искусственно, он автоматически выпадет в осадок и быстро вернётся к исходному содержанию. Даже наличие небольшого количества включений может значительно снизить критическую концентрацию углеродных пор.
С другой стороны, при отсутствии включений критическая концентрация водорода, при которой начинают образовываться поры, может достигать 0,3 мл/100 г Al. Поэтому удаление примесей и газа следует проводить одновременно, что имеет не меньшее значение.
Текущее состояние очистка расплава алюминиевого сплава С точки зрения технологии комплексная очистка жидкого алюминия и утончение кристаллитов являются основными задачами для получения высококачественного очищенного расплава алюминиевых сплавов. В зависимости от этапов производства очистку расплава алюминия можно разделить на печную и внепечную. Очистку алюминиевых сплавов в печи можно разделить на технологии адсорбционной очистки и технологии неадсорбционной очистки в зависимости от механизма очистки. Очистка адсорбционным методом в основном основана на эффекте адсорбции окисленных включений, образующихся в результате очищающий агент, и в то же время удаляет окисленные включения и водород, присоединившийся к поверхности, что позволяет достичь цели очистки расплавленного алюминия. Неадсорбционная очистка опирается на другие физические и химические эффекты для достижения цели очистки расплавленного алюминия. Очищающий эффект адсорбционного метода проявляется только на границе адсорбции, тогда как очищающий эффект неадсорбционного метода воздействует одновременно на весь расплав алюминия.