Очищающий эффект расплавленного алюминия оказывает значительное влияние на образование пор, усадочных пустот и включений, а также напрямую определяет физические и механические свойства отливок из алюминиевых сплавов. Без высококачественного расплавленного алюминия, даже при использовании самых современных методов последующей обработки, 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 (около 80%–90%), за которым следуют азот, кислород и окись углерода. Водород практически нерастворим в твёрдом алюминии, но обладает высокой растворимостью в жидком. Растворимость водорода на границе твёрдой и жидкой фаз составляет 0,65 мл и 0,034 мл на 100 г жидкого алюминия (при давлении 0,1 МПа), то есть разница в растворимости водорода в твёрдой и жидкой фазах составляет 19,1 раза, а на 100 г расплавленного алюминия нормальное содержание водорода 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.
Таким образом, при очистке расплава алюминиевого сплава основной проблемой является высокое содержание водорода в алюминиевом сплаве, а существующие методы не позволяют удовлетворить производственные требования к высококачественным отливкам из алюминиевых сплавов. Как правило, содержание водорода на 100 г алюминия в пределах 0,1–0,2 мл в основном соответствует производственным требованиям, а для изделий со специальными требованиями (например, авиационных отливок) содержание водорода на 100 г алюминия должно быть менее 0,06 мл.
К включениям относятся 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., преимущественно в виде частиц, типичный размер которых составляет 1–30 мкм.
Помимо добавки, она в основном образуется в результате химической реакции, происходящей в процессе плавления. Толщина оксидной пленки на поверхности алюминия составляет 2–10 мкм, а при приближении к температуре 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. Внешняя часть пленки над расплавленным алюминием имеет рыхлую структуру, содержащую мелкие отверстия диаметром 5–10 мкм, заполненные водородом, воздухом и парами воды. Если эту жидкую пленку перемешать с расплавленным алюминием, это приведет к увеличению содержания примесей и газов.
Кроме того, в расплавах высоколегированных сплавов будут образовываться некоторые нежелательные первичные интерметаллические соединения, такие как алюминий-цирконий, алюминий-титан и т. д., в алюминиевых сплавах, содержащих железо, также образуются обогащённые железом алюминиево-железные фазы, алюминиево-кремниево-железные и алюминиево-кремниево-железные фазы. Железная фаза представляет собой игольчатое соединение, которое серьёзно повреждает алюминиевую матрицу и ухудшает механические свойства.
Между включениями в алюминиевом сплаве и газом наблюдается сильное взаимодействие. На содержание водорода в расплавленном алюминии в значительной степени влияют включения. 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 расплав алюминия содержит очень мало примесей, содержание водорода также очень низкое; даже если водород вводится искусственно, он автоматически выделяется и быстро восстанавливает исходное содержание.
Даже при наличии небольшого количества включений критическое значение концентрации, при котором начинается образование пор, может значительно снизиться. С другой стороны, при отсутствии включений (или при очень низком их содержании) критическая концентрация водорода, при которой начинается образование пор, может достигать 0,3 мл/100 г Al. Поэтому одинаково важно одновременно удалять примеси и газ. Независимо от того, какой метод рафинирования используется, дегазация и удаление примесей часто осуществляются одновременно, но каждый из этих процессов имеет свою собственную цель.
Современное состояние технологий очистки расплава алюминиевых сплавов
В настоящее время комплексная обработка, включающая очистку и измельчение кристаллов жидкого алюминия, является основной задачей при получении высококачественного алюминиевого сплава. В зависимости от различных этапов производства, очистка расплавленного алюминия можно разделить на обработку в печи и обработку вне печи. В зависимости от механизма очистки обработку алюминиевых сплавов в печи можно разделить на технологии адсорбционной очистки и технологии неадсорбционной очистки.
Очистка методом адсорбции в основном основана на эффекте адсорбции окисленных включений, образующихся под действием рафинирующего агента, при этом удаляются окисленные включения и водород, присоединившийся к поверхности, что позволяет добиться очистки расплавленного алюминия. Очистка без использования адсорбции основана на других физико-химических эффектах, позволяющих добиться очистки расплавленного алюминия.
Эффект очистки расплавленного алюминия методом адсорбционного рафинирования проявляется только на адсорбционной границе раздела, тогда как эффект очистки неадсорбционным методом воздействует одновременно на всю алюминиевую жидкость. К адсорбционным методам относятся, в основном, продувка инертным газом, продувка активным газом, продувка смесью газов, очистка хлорсолями (гексахлорэтаном), очистка с использованием нетоксичных рафинирующих агентов, очистка растворителями и т. д.; неадсорбционные методы в основном включают вакуумную очистку (статическую и динамическую), ультразвуковую очистку, электромагнитную очистку, кристаллизацию под давлением, метод фиксации водорода с помощью редкоземельных элементов и т. д.
При очистке с помощью хлора в очистка методом адсорбции В ходе этого технологического процесса при взаимодействии хлора и жидкого алюминия образуется трихлорид алюминия, а при взаимодействии трихлорида алюминия с водородом — хлористый водород, который оказывает как физическое, так и химическое воздействие. Эффект очистки очевиден, однако этот процесс загрязняет окружающую среду и наносит вред организму человека. Позже для очистки стали использовать инертные газы (азот и аргон), в том числе инертный газ чистотой 99,999%, однако результат оказался неудовлетворительным, а затраты возросли.
Для улучшения процесса рафинирования используются различные методы, однако эффект, достигаемый при рафинировании хлором, не всегда удается повторить. В последние годы в зарубежных странах применяется рафинирование смешанным газом, то есть инертным газом в сочетании с активным газом, что позволяет усилить эффект удаления водорода из расплава, способствует удалению включений из алюминиевого сплава и образованию сухого шлака на поверхности расплава алюминиевого сплава. Эффект рафинирования. Кроме того, количество добавляемого хлора можно легко регулировать, а воздействие на окружающую среду не является значительным.
В рамках технологии адсорбционной очистки благодаря инновациям и модернизации технологических процессов было разработано множество практичных методов очистки жидкого алюминия: например, ротационная дегазация в инертном газе, фильтрация через пенокерамику, очистка с помощью распыления порошка, а также комбинированное использование ротационной дегазации и очистки с помощью распыления порошка и т. д. Среди технологий очистки без использования адсорбции одним из перспективных направлений развития является также метод фиксации водорода с помощью редкоземельных элементов.
