يؤثر عملية تنقية الألومنيوم المنصهر تأثيرًا مهمًا على تكوين المسام وتجاويف الانكماش والشوائب، كما يؤثر بشكل مباشر على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لمسبوكات سبائك الألومنيوم. فبدون ألومنيوم مصهور عالي الجودة، حتى لو كانت المعالجة اللاحقة متطورة، ستظل العيوب موجودة في المنتج بمجرد حدوثها، وسيكون من الصعب الحصول على مصبوبات عالية الجودة. ولذلك، يجب الانتباه إلى الغازات والشوائب الموجودة في الألومنيوم المصهور، واتخاذ التدابير اللازمة لإزالتها.
الغاز والشوائب في الألومنيوم المنصهر
يتكون الغاز الموجود في الألومنيوم المنصهر بشكل أساسي من الهيدروجين (حوالي 80%-90%)، يليه النيتروجين والأكسجين وأول أكسيد الكربون. الهيدروجين غير قابل للذوبان تقريبًا في الألومنيوم الصلب، ولكنه يتمتع بقدرة ذوبان كبيرة في السائل. تبلغ قابلية ذوبان الهيدروجين على خط الطور الصلب 0.65 مل و0.034 مل لكل 100 غرام من سائل الألومنيوم (الهيدروجين في ظل ضغط يبلغ 0.1 ميجا باسكال)، أي أن الفرق في 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 قابلية الذوبان، 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 ذوبان سبائك الألومنيوم تكمن في ارتفاع نسبة الهيدروجين في سبائك الألومنيوم، وعدم قدرة الطرق الحالية على تلبية متطلبات إنتاج مصبوبات سبائك الألومنيوم عالية الجودة. وعادةً ما يكون محتوى الهيدروجين لكل 100 غرام من الألومنيوم كافيًا لتلبية متطلبات الإنتاج عندما يتراوح بين 0.1 و0.2 مل، أما بالنسبة للمتطلبات الخاصة (مثل مصبوبات الطيران)، 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 خط الانصهار. ومن الشوائب غير المعدنية الشائعة في الألومنيوم المنصهر الأكاسيد، والنتريدات، والكربيدات، والبورييدات، وما إلى ذلك، والتي تتواجد في الغالب على شكل جسيمات، ويتراوح حجم الجسيمات النموذجي بين 1 و30 ميكرومتر.
وباستثناء الشحنة الكهربائية، فإنها تنشأ أساسًا عن التفاعل الكيميائي الذي يحدث أثناء عملية الصهر. يتراوح سمك طبقة الأكسيد على سطح الألومنيوم بين 2 و10 ميكرومتر، ويزداد إلى 200 ميكرومتر عندما يقترب من نقطة الانصهار. فطبقة الأكسيد الموجودة على سطح السائل ليست أكثر سمكًا فحسب، بل إن تركيبها قد تغير أيضًا؛ فالجانب المواجه للألومنيوم المنصهر يكون كثيفًا وله تأثير وقائي على الألومنيوم المنصهر. أما الجزء الخارجي من الألومنيوم المنصهر فهو غير متماسك، ويحتوي على ثقوب صغيرة يبلغ قطرها 5-10 ميكرومتر مملوءة بالهيدروجين والهواء وبخار الماء. وإذا تم تقليب الطبقة السائلة في الألومنيوم المنصهر، فسوف يؤدي ذلك إلى زيادة الشوائب والغازات.
بالإضافة إلى ذلك، ستظهر بعض المركبات الفلزية الأولية غير المرغوب فيها في ذوبان السبائك عالية التركيب، مثل الألومنيوم والزركونيوم، والألومنيوم والتيتانيوم، وما إلى ذلك، كما أن سبائك الألومنيوم المحتوية على الحديد ستشكل أيضًا مراحل من الألومنيوم-الحديد الغنية بالحديد، والألومنيوم-السيليكون-الحديد، والألومنيوم-السيليكون. وتتميز مرحلة الحديد بأنها مركب شبيه بالإبر يلحق أضرارًا جسيمة بمصفوفة الألومنيوم ويؤثر على الخصائص الميكانيكية.
هناك تفاعل قوي بين الشوائب الموجودة في سبائك الألومنيوم والغاز. يتأثر محتوى الهيدروجين في الألومنيوم المنصهر بشكل كبير بالشوائب. عندما يكون محتوى الشوائب 0.002% و 0.02%، يكون محتوى الهيدروجين المقابل 0.2 مل/100 غرام من الألومنيوم و 0.35 مل/100 غرام من الألومنيوم. في حالة وجود نفس محتوى الهيدروجين، كلما زاد محتوى الشوائب، زادت نسبة الثقوب الدقيقة؛ وعلى العكس من ذلك، عندما يحتوي سائل الألومنيوم على شوائب قليلة جدًّا، يكون محتوى الهيدروجين منخفضًا جدًّا أيضًا؛ وحتى إذا تم حقن الهيدروجين صناعيًّا، فإنه سيرسب تلقائيًّا، ويعود بسرعة إلى المحتوى الأصلي.
حتى في حالة وجود كمية ضئيلة من الشوائب، يمكن أن تنخفض قيمة التركيز الحرجة لتكوين المسام بشكل ملحوظ. من ناحية أخرى، في حالة عدم وجود شوائب (أو عندما يكون محتوى الشوائب منخفضًا جدًّا)، يمكن أن يصل تركيز الهيدروجين الحرج اللازم لتكوين المسام إلى 0.3 مل/100 غرام من الألومنيوم. لذلك، من المهم بنفس القدر إزالة الشوائب والغازات في آن واحد. وبغض النظر عن طريقة التكرير المستخدمة، غالبًا ما تترافق آثار إزالة الغازات وإزالة الشوائب معًا، لكن لكل منهما مجال تركيز خاص به.
الوضع الحالي لتقنية تنقية ذوبان سبائك الألومنيوم
في الوقت الحالي، يُعدُّ العلاج الشامل لتنقية الألومنيوم السائل وتصفيته المشكلة الأساسية التي تواجه الحصول على سبائك ألومنيوم عالية الجودة. ووفقًا لمراحل الإنتاج المختلفة، فإن معالجة تنقية الألومنيوم المنصهر ويمكن تقسيمها إلى معالجة داخل الفرن ومعالجة خارج الفرن. ويمكن تقسيم معالجة سبائك الألومنيوم داخل الفرن إلى تقنية تنقية بالامتصاص وتقنية تنقية بدون امتصاص، وفقًا لآلية التنقية.
تعتمد طريقة التنقية بالامتصاص بشكل أساسي على تأثير امتصاص الشوائب المؤكسدة الناتجة عن عامل التكرير، مع إزالة الشوائب المؤكسدة والهيدروجين المرتبط بالسطح، وذلك لتحقيق هدف تنقية الألومنيوم المنصهر. أما التنقية غير القائمة على الامتصاص، فتعتمد على تأثيرات فيزيائية وكيميائية أخرى لتحقيق هدف تنقية الألومنيوم المنصهر.
لا يحدث تأثير التنقية والتكرير بالامتصاص للألمنيوم المنصهر إلا على واجهة الامتصاص، بينما يؤثر تأثير التنقية بالطريقة غير القائمة على الامتصاص على سائل الألمنيوم بأكمله في آن واحد. تشمل طريقة الامتصاص بشكل أساسي التنقية بالغاز الخامل، والتنقية بالغاز النشط، والتنقية بالغاز المختلط، والتنقية بملح الكلور (الهيكساكلوروإيثان)، والتنقية بعوامل تكرير غير سامة، والتنقية بالمذيبات، وما إلى ذلك؛ أما طريقة عدم الامتصاص، فتشمل بشكل أساسي طريقة المعالجة بالتنقية بالفراغ (المعالجة بالفراغ الثابت، والمعالجة بالفراغ الديناميكي)، وطريقة المعالجة بالتنقية بالموجات فوق الصوتية، وطريقة المعالجة بالتنقية الكهرومغناطيسية، وطريقة التبلور بالضغط، وطريقة تثبيت الهيدروجين بعناصر التربة النادرة، وما إلى ذلك.
عند التكرير باستخدام الكلور في معالجة التنقية بالامتصاص في هذه التقنية، يتفاعل الكلور والألومنيوم السائل لتكوين ثلاثي كلوريد الألومنيوم، ثم يتفاعل ثلاثي كلوريد الألومنيوم مع الهيدروجين لتكوين كلوريد الهيدروجين، الذي له تأثيرات فيزيائية وكيميائية على حد سواء. تأثير عملية التكرير واضح، لكنها تلوث البيئة وتضر بجسم الإنسان. في وقت لاحق، استُخدمت الغازات الخاملة (النيتروجين والأرجون) في عملية التكرير، بل واستُخدمت غازات خاملة بنسبة نقاء تصل إلى 99.999%، لكن النتيجة لم تكن مرضية وتسببت في ارتفاع التكلفة.
تُستخدم طرق متنوعة لتحسين عملية التكرير، لكن لا يتحقق دائمًا التأثير المطلوب من التكرير بالكلور. في السنوات الأخيرة، اعتمدت الدول الأجنبية عملية التكرير بالغاز المختلط، أي الغاز الخامل بالإضافة إلى الغاز النشط، مما يعزز تأثير إزالة الهيدروجين من المادة المنصهرة ويساعد على إزالة الشوائب الموجودة في سبائك الألومنيوم، وتشكيل خبث جاف على سطح سبائك الألومنيوم المنصهرة. تأثير التكرير. علاوة على ذلك، يمكن التحكم في كمية الكلور المخلوط بسهولة، كما أن تأثيره على البيئة ليس كبيرًا.
في تكنولوجيا معالجة التنقية بالامتصاص، تم تطوير العديد من الطرق العملية لمعالجة سائل الألومنيوم من خلال الابتكار والتحول في العمليات؛ مثل إزالة الغازات بالدوران باستخدام الغاز الخامل، والترشيح بالسيراميك الرغوي، والمعالجة برش المسحوق، والاستخدام المشترك لإزالة الغازات بالدوران والمعالجة برش المسحوق، وما إلى ذلك. ومن بين تقنيات المعالجة والتنقية غير القائمة على الامتصاص، تُعد طريقة تثبيت الهيدروجين باستخدام العناصر الأرضية النادرة أحد اتجاهات التطوير المستقبلية أيضًا.
