Флюсы для плавления алюминия: химический состав

Какие бывают флюсы

Газообразные и твердые флюсы играют важную роль в дегазации, удалении магния и флюсовании алюминия и его сплавов.

(Флюсы также применяются при пайке алюминия мягкими припоями и при пайке алюминия твердыми припоями).

Газы, инертные и активные, или твердый флюс гексахлорэтан могут применяться для удаления растворенных водорода и натрия.

Магний можно удалять продувкой хлором или обработкой флюсом, содержащим фторид алюминия.

Флюсы на основе смеси KCl-NaCl применяются в качестве покрывных, то есть для защиты алюминиевого расплава от окисления.

Чтобы извлечь алюминий из шлака применяют более активные флюсы, содержащие криолит или некоторые другие фториды. См. также Плавление алюминия: образование шлака 

Хлористый натрий и хлористый калий во флюсах

Твердые флюсы являются в основном смесью хлористых или фтористых солей с добавками, которые дают им специальные свойства. Большинство флюсов основаны на смеси KCl и NaCl, которые образуют низкотемпературную эвтектику (665 °С). Другим частым ингредиентом флюсов является NaF, который образует тройную эвтектику с KCl и NaCl с точкой плавления 607 °С. При этом температура плавления алюминия (технически чистого) составляет около 655-660 °С.

Покровные флюсы для алюминиевого расплава

Обычный покровный флюс содержит около 47,5 % NaCl, 47,5 % KCl и 5 % фтористой соли. Низкая температура плавления повышает текучесть флюса.

Другие покровные флюсы основаны на смеси MgCl₂-KCl, которая образует низкоплавкую эвтектику при 424 °С, или на карналлите (MgCl₂∙KCl), который плавится при 485 °С. Эти покрывные флюсы имеют высокую текучесть и могут образовывать на поверхности расплава тонкий слой.

Однако MgCl₂ является довольно дорогим, поэтому его применяют в основном во флюсах без натрия для алюминиевых сплавов с содержанием магния более 2 %.

Флюсы – смеси солей

Во флюсах применяют много веществ – около 3 десятков – все они    являются солями. Большинство из них – это хлориды и фториды. Добавки этих солей во флюсы повышают их специфические свойства: текучесть, смачиваемость, химическую активность.

Самые известные из них – хлористый натрий (поваренная соль) и хлористый калий. Температура их плавления в чистом виде – 801 и 770 °С соответственно. Их плотность в твердом состоянии – 2,165 и 1,984 г/см³, а в жидком – 1,55 и 1,53 г/см³.

Роль фтористых солей во флюсах

Фтористые соли щелочных металлов действуют как поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение между флюсом и металлом, а также между флюсом и оксидами. Хлористые соли, также как и AlF₃ и MgF₂, проявляют это свойство в значительно меньшей степени.

Фтористые слои щелочных металлов способны растворять оксиды и проникать в оксидные пленки, которые содержат металлический алюминий в шлаке и скоплениях загрязнений. Это приводит к повышению смачиваемости, что способствует отделению оксидных включений от расплава и металлического алюминия от шлака.

К сожалению, фтористые соли щелочных металлов имеют высокую температуру плавления. Это приводит к утолщению пленки жидкого флюса, что ограничивает его применение. Кроме того, утилизация солей, содержащих фтор, имеет больше проблем, чем чисто хлористые соли.

Фтористые слои во флюсах

Флюсы могут содержать такие фтористые соли:

• криолит (Na₃AlF₆);
• фторид кальция (CaF₂);
• силикофторид натрия (Na₂SiF₆).

Их содержание во флюсах может достигать 20 %.

Роль кислорода в компонентах флюсов

Добавление во флюсы компонентов, содержащих кислород, таких как KNO₃ обеспечивает выделение тепла. Кислород, который освободился при разложении нитратов, реагирует с металлическим алюминием с образованием оксида Al₂O₃ и выделением значительного количества тепла. Это локально повышает текучесть, способствуя отделению металлического алюминия от оксидов. В чистящих флюсах эта реакция повышает проникновение флюса в наросты на футеровке.

Флюсы, образующие газы

Некоторые твердые флюсы разлагаются на хлор, углекислый газ CO₂ или такой газ, как AlF₃. Если эти флюсы помещают под поверхность алюминиевого расплава, они образуют пузырьки, которые удаляют водород. Наиболее известным таким флюсом, выделяющим газ, является гексахлорэтан C₂Cl₆. Он образует газы Cl₂ и AlCl₃.

Источник: T.A. Utigard at al, The Properties and Uses of Fluxes in Molten Aluminum Processing, JOM, November 1998