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