Aluminum melt: quality criteria

An overview Quality aluminum melts, which are used for the manufacture of various types of aluminum products.

Figure 1 – Типы загрязнения в алюминиевом расплаве [7]

Quality indicators of aluminum melt

Aluminum melt is the starting material for the manufacture of any aluminum products. Different types of aluminum products require different levels of purity of aluminum melt. The quality of aluminum melt is one of the most important conditions for ensuring a given level of quality of the final aluminum products. Уровень качества расплава определяют три вида загрязнений [1, 2]:

  • dissolved hydrogen;
  • solid inclusions;
  • dissolved impurity metals.

Figure 2 – Виды загрязнений в алюминиевых расплавах [3]

Contamination measurement in aluminum

Для оценки качества алюминиевых расплавов применяют следующие единицы измерения:

  • ppm = частей на миллион (106) = мг/кг = мкг/г
  • ppb = частей на миллиард (109) = мкг/кг
  • ppt = частей на триллион (1012)= нг/кг

Представление об этих единицах дают такие их аналоги:

  • 1 ppm = 1 a minute in two years = 1 second in 11,5 day
  • 1 ppb = 1 second in 32 years
  • 1 ppt = 1 second in 32000 years.

Для оценки содержания водорода применяют единицы:

  • 1 ppm = 1 mg / kg = 1 μg / g
  • миллилитр (мл или см3) водорода на 100 g of metal
  • cоотношение между этими единицами: 1 ppm = 1 mg / kg = 1,12 ml / 100 g.

Для оценки содержания включений применяют единицы:

  • ppm units, ppb и ppt;
  • шкалу PoDFA: мм2/kg.


Figure 3 – Метод подсчета включений в алюминиевом расплаве [7]

Quality levels of primary and secondary aluminum

The quality of aluminum melt is one of the critical issues, especially for recycled aluminum, which is obtained by remelting aluminum scrap. Typical quality levels of primary aluminum and secondary aluminum are presented in the table 1.

Table 1 – Типичные загрязнения в первичном и вторичном алюминиевом расплаве [4]

 

Vodorod Aluminum

The only gas in aluminum

Hydrogen gas is the only, which can dissolve in aluminum melt, так как он не образует соединений с алюминием в отличие от других газов [5] (рисунок 2):

  • at 660 ºС in liquid aluminum the content of dissolved hydrogen is 0,69 ppm;
  • in solid aluminum - the content of dissolved hydrogen is only 0,039 ppm.

Figure 4 – Растворимость водорода в алюминии [5]


Figure 5 -Измерение содержания водорода [7]

The reaction of aluminum with water

Hydrogen enters molten aluminum as a result of the reaction between the melt and water, which is in the form of moisture in the lining, on instruments, in alloying additives, fluxes and charge, as well as in the atmosphere of the furnace.

Реакция между водой и алюминием имеет вид:

3H2O + 2Al Al2O3 + 6H

As a result of this reaction, the melt is oxidized and hydrogen H2, which can disperse in the environment or enter metal. The oxidation reaction is exothermic., that is, with heat. This reaction is so chemically favorable., that almost all traces of water, which is in contact with aluminum, превращаются в водород и оксид [2].

Окисление поверхности расплава происходит с образованием на нем оксидной пленки (рисунок 3). Hydrogen is a “by-product” of aluminum oxidation. He or goes into the surrounding atmosphere in the form of molecular hydrogen H2, или поглощается расплавом в виде атомарного водорода H [2].

Figure 6 – Реакция алюминия с водяным паром [2]

In gas flame melting furnaces, directed to the surface of the melt, favorable conditions are created for increasing the hydrogen content in liquid aluminum, поскольку при сжигании газа образуется водяной пар:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Therefore, aluminum melt at temperature 700 ºС at the exit from the gas melting furnace usually has a hydrogen content 0,3-0,4 мл/100 г [2].

The influence of alloying elements

Alloying elements affect the solubility of hydrogen in aluminum, since they change the average size of the melt atoms and affect the size of the interatomic "cavities", where are the hydrogen atoms. Легирующие элементы могут увеличивать или снижать растворимость водорода в расплаве алюминия в зависимости от конкретного элемента и его количества [1]:

  • silicon, железо и медь снижают;
  • magnesium, и литий увеличивают;
  • zinc and titanium have little effect.

Traps for hydrogen in aluminum

В расплавленном алюминии водород находится в двух формах [2]:

  • atomic hydrogen, растворенный в алюминии;
  • molecular hydrogen in the form of bubbles.

В твердом алюминии водород находится [2]:

  • атомарный водород в твердом растворе;
  • молекулярный водород в виде пористости (вместо пузырей);
  • molecular hydrogen in lattice defects, such as vacancies, dislocations and grain boundaries.

Places, where does hydrogen accumulate, when it comes out of a solid solution, called traps. These are vacancies., dislocation, pore, cavity, grain boundaries. When heated during heat treatment, molecular hydrogen in such traps expands and can deform the surrounding metal with the formation of surface defects, таких как «пузыри» (рисунок 4) [2].

Figure 7 – Диффузия и скопление водорода в водородных ловушках [2]:
а) границы зерен и внутренние полости (например, поры);
б) полости вблизи поверхности, causing the formation of "bubbles"

Inclusions in aluminum

The influence of inclusions on the properties of aluminum products

Inclusions are unwanted solid phases., которые:

  • остаются в готовой отливке или слитке;
  • reduce the level for the desired properties of the finished product.

Inclusions reduce the mechanical properties of castings and ingots, especially fatigue strength and ductility, since solid particles break down during metal forming processes or act as stress concentrators or crack nuclei during casting.


Figure 8 – Оксиды в жидком алюминии [7]

solid particles, for example, lining particles, can lead to microscopic holes in rolled foil, wire breaks, надрывам при производстве банок для напитков («пивных» банок). They can also cause point defects in thick sheets or surface defects in sheets and pressed products..

The level of inclusions in aluminum melts for various purposes is shown in the figure. 5

Figure 5 - Requirements for the content of inclusions
для различной алюминиевой продукции [3]

Sources of inclusions in aluminum melts

Источниками включений являются практически все технологические операции алюминиевых производств (рисунок 6).

Figure 6 - Production sources of inclusions
в алюминиевых расплавах [3]

Inclusion classification

Включения могут различаться [1-3]:

  • по химическому составу (оксиды – «неоксиды»; неметаллические – металлические и интерметаллические);
  • по форме (частицы – пленки)
  • по размерам (макроскопические – микроскопические)
  • по происхождению (эндогенные – эгзогенные).

Включения могут представлять собой объекты от макро-частиц (таких, как крупные частицы огнеупорной футеровки), which measure several millimeters, to microscopic particles and phases, such as intermetallic particles, the sizes of which range from a few micrometers to 100 m.

General purpose aluminum products can contain a significant number of inclusions without any problems. Однако изделия с критическими требованиями по безопасности или повышенным уровнем качества требуют выполнения более жестких требований по содержанию включений (см. Figure 5).

Основной проблемой алюминиевых расплавов являются именно неметаллические включения [3]. К ним относятся:

  • оксиды (Al2O3, MgO and spinel MgAl2O4)
  • refractory lining particles
  • TiB particle clusters2 (от измельчения зерна)
  • соли (хлориды металлов)
  • carbides

Примерами металлических и интерметаллических включений являются:

  • Cr, CrMn и Zr(Ti)Al3
  • Fe-Si
  • incompletely dissolved alloying elements

Endogenous inclusions are formed directly in the melt during production as a result of chemical reactions, for example, в результате реакции алюминия с кислородом с образованием оксида алюминия:

3O2 + 4Al → 2Al2O3

Metallic and intermetallic inclusions, such as Al3Fe, Al6(Fe,Mn) могут попадать в расплав из-за его загрязнения железом. Moreover, that they reduce corrosion resistance, fatigue strength and toughness, они также вызывают разрывы при прокатке и «портят» внешний вид анодированных профилей [1].

Egzogenic inclusions are inclusions, that already existed in the mixture before loading into the melting furnace or entered the melt from the outside, for example, in the form of particles from the destroyed refractory lining of furnaces, gutters and t. P. К ним относятся [1-3]:

  • simple oxides, such as Al2O3 и MgO
  • potassium, calcium and aluminum silicates
  • sodium, calcium and magnesium aluminates
  • spinel, such as Al2O3 · MgO
  • TiB clusters2 from additives for grinding grain.

Impurities in aluminum melt

Primary and secondary aluminum

Impurity elements are called chemical elements., which unintentionally enter aluminum melt. Despite, that their melt content is usually small, some impurity elements can significantly affect the properties of aluminum and technological processes, to which he is exposed. In some cases, the diffusion of these elements can cause segregation. This may produce a local higher concentration of these elements..

Основными источниками примесных металлов в алюминии являются [1, 2]:

  • raw materials for primary aluminum, такие как глинозем и кокс;
  • scrap aluminum products, загрязненный различными «неалюминиевыми» компонентами;
  • технологические процессы;
  • production technological equipment.

В расплаве первичного алюминия:

  • Sodium is present, lithium and calcium, that get there from the electrolyte
  • The impurity metals with the highest concentration are iron and silicon from alumina
  • In small concentrations, primary titanium is also usually present in primary aluminum., vanadium, manganese, copper, magnesium,, brown.

В расплаве вторичного алюминия:

  • Iron, медь и цинк являются основными загрязнителями-металлами;
  • Lead, chromium, lead, nickel may be contained in small quantities. For most wrought alloys, the limit for them is 0,05 %.
  • Melt from mixed aluminum scrap may only be suitable for the production of secondary casting alloys. The production of secondary deformable aluminum alloys requires careful sorting of aluminum scrap and removal of foreign metals.

The effect of impurity elements on product quality

Impurity elements in aluminum melt render, usually, negative impact on the quality of the final product, например [6]:

  • Lithium. Примесное содержание лития составляет несколько ppm (мкг/г), but already at a level less 5 ppm литй может способствовать обесцвечиванию («голубой коррозии») алюминиевой фольги под воздействием влажных условий. Trace lithium concentrations greatly increase the oxidation rate of aluminum melt and have a negative effect on the surface condition of rolled products.
  • Sodium and lithium can cause edge cracking during aluminum rolling. For most products, sodium levels are kept lower. 10 ppm, and for Al-Mg alloys, up to 5 ppm.
  • Iron is a common admixture in aluminum. Iron has a high solubility in molten aluminum and is therefore readily soluble at all stages of processing liquid aluminum. Растворимость железа в твердом алюминии очень низкая (около 0,05 %). Therefore, most of the iron is present in aluminum in the form of intermetallic secondary phases in combination with aluminum and other elements.
  • Lead. In industrial aluminum, only present in trace concentrations. Lead compounds are toxic.
  • Gallium is contaminated in aluminum and is usually present at a level of 0,001 by 0,02 %. At such concentrations, the effect on mechanical properties is negligible. At level 0,2 % gallium reduces the corrosion resistance of aluminum products.

Sources:

1. Direct-Chill Casting of Light Alloys: Science and Technology /J.F. Grandfield, D.G. Eskin, I.F. Bainbridge – TMS-Wiley – 2013

2. Inclusions and Hydrogen and Their Effects on the Quality of Direct Chill Cast and Flat Rolled Aluminium Alloys for Aerospace Applications /A. J. Gerrard – PhD thesis – The University of Birmingham – 2014

3. Understanding of Inclusions – Characterization, Interactions and Boundaries of Removability with Special Focus on Aluminium melts / Bernd Friedrich - Aachen University - 2015

4. V. Kevorkijan – Materials and technology 47 (2013) 1, 13-23

5. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis - ASM International - 1993

6. Aluminum and Aluminum Alloys /J.R. Davis // Alloying: Understanding the Basic – ASM International – 2001