Плавление алюминия и обработка расплава 

Включения в алюминиевых слитках для экструзии

 

Неметаллические включения в алюминии

Присутствие неметаллических включений в алюминиевых слитках-столбах для прессования является обычным делом. Неметаллические включения можно найти в любом слитке независимо от применяемых технологических методов плавления и разливки.

Обычно любые нерастворенные посторонние частицы, которые присутствуют в литом металле, называют включениями. Неметаллические включения в литых слитках-столбах отрицательно влияют на их технологичность при прессовании, конечные механические свойства  и внешний вид. Поэтому снижение количества включений в слитках  – заготовках для прессования – является важной частью контроля качества при их производстве.

Откуда берутся неметаллические включения

Известные несколько типов неметаллических включений в алюминиевых столбах, такие как оксиды алюминия, оксиды магния, частицы футеровки печей, шпинели и карбиды. Основное влияние на качество литого металла, в том числе, слитков-столбов для прессования, оказывают его микроструктура, однородность, химический состав и степень загрязненности или, если угодно, степень чистоты.

Факторами, которые определяют чистоту и, следовательно, качество расплавленного алюминия являются:

  • содержание примесей щелочных металлов;
  • твердые загрязнения (включения);
  • растворенный водород.

Форма и размеры включений

Включения в алюминиевом расплаве включают различные формы, такие как пленки, отдельные частицы и агломерирующих включений оксидов, нитридов, боридов, карбидов и других комбинаций элементов, например, хлоридов и CaS.

Размер этих включений может изменяться от нескольких микронов до полмиллиметра. Количество включений, которое может быть в одном килограмме алюминиевого расплава может быть от сотни до нескольких тысяч. Эти включения могут быть причиной различных дефектов, снижать механические свойства изделий и качество их поверхности.

Вред включений в алюминии

Если эти включения не удалить из расплава, они появятся после затвердевания и дадут многие дефекты в конечной продукции, такие как:

  • “проколы” в фольге,
  • поверхностные дефекты катаных изделий,
  • трещины в слитках,
  • плохую обрабатываемость резанием,
  • дефекты прессования,
  • повышенный износ экструзионных матриц и др.

Типы неметаллических включений в алюминии

В расплаве алюминия присутствуют различные типы включений – металлические и неметаллические. Обычно их видно в оптический микроскоп. Типичными неметаллическим включениями являются (таблицы 1 и 2) [1, 2]:

  • оксиды (Al2O3, MgO;
  • карбиды (SiC, Al3C4, TiC);
  • шпинели (Al2MgO4, MgO);
  • бориды (TiB2);
  • интерметаллиды (MnAl3, FeAl3);
  • нитриды (AlN);
  • exogenous refractory inclusions (oxides and/or carbides of iron, silicon, aluminium, etc.).

Таблица 1 – Characteristics of inclusions commonly found in aluminium alloys [2]

Таблица 2 – Typical inclusions in aluminum alloys [1]
(d – diameter, t – thickness and l – length of inclusions)

 Источники неметаллических включений в алюминии

Источниками включения в расплавленном алюминии на различных этапах производства являются:

  • бокситы в электролизной ячейке;
  • алюминиевый лом при его переплавке;
  • огнеупорные материалы печи и другого плавильного оборудования;
  • воздух атмосферы при легировании и течении расплава к литейной машине;
  • введение прутка для измельчения зерна;
  • перемешивание расплава.

Оксиды алюминия

Этот тип включения является наиболее распространенным во всех алюминиевых сплавах. Существует два вида структуры оксида алюминия – альфа и гамма, а также аморфная его форма. Их можно различать под рентгеновским микроскопом.

Оксид алюминия чаще всего встречается в виде пленки или группы пленок толщиной менее 1 мкм и диаметром от 10 до 1000 мкм. В этих пленках под электронным микроскопом часто находят другие элементы, такие как магний, цинк, марганец и железо.

Известны три основных источника оксида алюминия в алюминиевом расплаве:

  • из алюминиевых руд при электролизе алюминия – в виде тонких пленок или толстых агломератов;
  • от контакта расплава алюминия с атмосферой;
  • от реакции расплава с футеровкой печи и другого плавильного оборудования – красноватые или коричневые оксиды.


Рисунок 1 – Aluminum oxide film [1]

Шпинели

К шпинелям относятся включения Al2MgO4 и MgO. Их особенной много в сплавах алюминий-магний серии 5ххх. Они имеют вид черных или коричневых толстых пленок толщиной от 10 до 500 мкм, а также – удлиненных крупных частиц. Эти включения увеличиваются в размере, когда расплав окисляется при высокой температуре. Кроме того, шпинели известны как вредные включения из-за своей высокой твердости и больших размеров – они повреждают экструзионную матрицу.


Рисунок 2 – Aluminium oxide claster [1]

Бориды

Бориды являются мелкими включениями, которые обычно находят в виде кластеров прямоугольной или шестиугольной формы размером от 1 до 50 мкм. Количество боридов увеличивается при вводе модифицирующего прутка в расплав алюминия перед разливкой столбов. Необходимо учитывать, что в расплаве из алюминиевого лома, например, алюминиевых профилей, уже присутствуют некоторое количество боридов, которое возрастает с каждым новым переплавом лома (рисунок 3).  Существуют несколько видов боридов – твердых включений – таких  как TiB2, VB2 и ZrB2, которые трудно отличить друг от друга.


Рисунок 3 – Ti𝐵2 [1]

Источник:

  1. Ghadir Razaz – Casting practice influencing inclusion distribution in Al-billets – Karlstads University, 2012.
  2. Aluminum and Aluminum Alloys /ed. J.R. Davis – ASM Speciality Handbook – 1996