Загрязнения в алюминии: критерии качества

Уровень чистоты первичного и вторичного алюминия

Загрязнения в жидком алюминии

Алюминиевая шихта может поступать в литейный цех из двух совершенно разных источников:
• первичный алюминий
• алюминий, переплавленный из скрапа (лома) – вторичный алюминий.

Загрязнения, присутствующие в жидком металле из этих источников, значительно различаются и могут влиять на применяемые методы обработки расплавленного металла [1]:

• Для вторичного алюминия обычно характерен более высокий уровень включений, водорода, кальция и твердых оксидов, которые образуются во время высокотемпературных процессов плавки скрапа.
• С другой стороны, первичный  металл связан с более высокими уровнями включений натрия, карбида алюминия, а также неметаллических включений, образующихся в результате добавления больших количеств легирующих элементов.

В таблице 1 приведены уровни примесей, присутствующих в металле, для обоих категорий алюминия.

Table 1 – Typical impurity levels in metal from smelter and remelt sources [1]*

*PoDFA – Porus disk filtration apparatus.

Уровень загрязнений в готовой алюминевой продукции

Чтобы оценить общую производительность обработки расплавленного металла, которая в настоящее время требуется в литейном цехе, на рис. 1 показаны  уровни примесей, которые должны быть достигнуты для различной алюминиевой продукции. Сравнении этих уровней с уровнями примесей, поступающих с исходной шихтой  (табл. 1), дает возможность опеределить методы и оборудование для удаления примесей и загрязнений из жидкого металла при изготовлении конкретной алюминиевой продукции.

Fig. 1 – Typical impurity сoncentrations in some aluminium products [1]

• Из рисунка 1, в частности, можно сделать вывод, что на практике большинство экструдированной алюминиевой продукции не требует фильтрования алюминиевого расплава.

Вторичные литейные сплавы

Включения во вторичном алюминии

Включения представляют собой в основном твердые частицы, взвешенные в расплавленном алюминии. Количество и размер этих частиц зависит от множества факторов, в частности от исходного качества переплавляемого лома и примесей, содержащихся в этом ломе. Включения представляют собой неметаллические частицы, обычно размером менее 100 мкм. Они состоят в основном из оксидов, хотя представлены и несколько других типов соединений. Выделяют два основных класса включений: exogenous и indigenous.

Exogenous inclusions – это частицы, уже существующие в виде отдельной фазы до плавления. Наиболее известными примерами являются небольшие куски печного огнеупора, отколовшиеся в расплав; кусочки оксида или грязь, прикрепленные к лому, – это другое. Экзогенные включения почти полностью состоят из оксида и намного крупнее большинства indigenous включений. Из-за этого их присутствие в алюминии более вредно, чем indigenous включений. Вместе с тем, их больший размер облегчает их удаление.

Indigenous inclusions или включения in situ образуются в результате химических реакций, протекающих в расплаве. Примером может служить реакция растворенного кислорода с расплавленным алюминием с образованием оксида алюминия Al2O3.

Как видно из таблицы 1, включения в переплавленном алюминиевом ломе отличаются от включений в первичном металле. Лом по своей природе содержит больше грязи и оксидов, чем первичный металл, а оксидные пленки, образующиеся во время плавки, еще больше увеличивают количество включений. В результате удаление включений имеет гораздо большее значение при производстве вторичного алюминия.

На рисунке 2 показано значение различных типов включений в расплавленном алюминии (Altenpohl, 1998) [2]. Заштрихованная область является неофициальным пределом качества для концентрации включений различных размеров в литом алюминии. В деформируемом алюминии (экструдированной, кованой, катаной продукции) эти пределы ниже [2].  Кривая C предназначена для включений, образовавшихся во время литья, то есть оксидных пленок и шлаковых включений; экзогенные включения также ложатся на эту кривую. Кривая B предназначена для indigenous включений, образовавшихся во время плавления и обработки расплавf.

Figure 2 – Concentrations of different types of inclusions in molten aluminum by par­ticle size [2]

Железо

Железо является наиболее распространенным примесным элементом в алюминиевых сплавах, источником которого являются бокситы и стальные инструменты, используемые как при первичном, так и при вторичном производстве. Железо обычно образует в алюминиевых сплавах вторичные фазы, такие как Al3Fe, α-AlFeSi и β-AlFeSi. Это обусловлено низкой равновесной растворимостью железа в твердом алюминии (макс. 0,05%). Эти богатые железом фазы заметно ухудшают механические свойства сплава. Пластичность и прочность на растяжение прогрессивно снижаются с увеличением содержания Fe.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Производство большинства алюминиевых деформируемых сплавов требует жесткого контроля состава железа. Например [3]:

• Уровень содержания железа выше 0,15% по массе недопустим в аэрокосмических сплавах, таких как 7050, 7055 и 7475.
• Автомобильные сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками, такие как 5474 и 6111, также ограничивают содержание как железа, так и кремния до 0,40 мас.%.

Литейные алюминиевые сплавы

• Ухудшение вязких свойств литейных алюминиевых сплавов при чрезмерном содержании в них железа связано с образованием богатых железом иглообразных интерметаллических включений, таких какие показаны на рисунке 3.

Figure 3 – Иглы железосодержащих включений FeSiAl₅  в сплаве AlSi12 (силумине) для литья в многократные формы [4]

• Тем не менее, железо присутствует в большинстве традиционных сплавов для литья под давлением в качестве полезной примеси. Для сплавов для литья под высоким давлением (таких как, например, 380, A380, C380, A383, A384, 360, A360), желательно наличие не менее  0,8% Fe, чтобы предотвратить налипание сплава к стальной матрице [3].
• Стандарты обычно допускают присутствие значительно большего количества Fe в сплавах для литья под давлением по сравнению со сплавами, отлитыми в песчаные формы [3].
• Если для материала отливок для литья под высоким давленеим заданы требования по вязкости, то содержание железа в сплаве ограничивают интервалом от 1 до 1,3 % [4].

Источники:

1. A Technical Perspective on Molten Aluminum Processing / Peter Waite // Essential Readings in Light Metals – Vol. 3 – eds. J. F. Grandfield and D.G. Eskin – 1986
2. Aluminum Recycling / Mark E. Schlesinger – 2014
3. Iron: Removal from Aluminum / L. Zhang, J. Gao, L. N. W. Damoah and D. G. Robertson // Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys – Eds.  G.E. Totten, M. Tiryakioglu, O. Kessler – 2019
4. Cast alloys and products // Aluminium Automotive Manual – European Aluminium Association, 2002