Переплавка алюминия в домашних условиях. Литье в песчаные формы. Покровные флюсы для алюминиевого расплава

Как известно, температура плавления алюминия составляет свыше 660°С. Используя домашние бытовые нагревательные приборы, такие как утюг, духовка или газовая плита, добиться такой температуры вряд ли получится. Поэтому плавка алюминия в домашних условиях становится возможной при наличие соответствующего оборудования и, конечно же, самого сырья для плавки — алюминия.

Для плавки алюминия обычно используют тигельную . Я подробно описал процесс изготовления в своем ТехноБлоге Dimanjy. Особенность данной печи заключается в верхней загрузке в рабочую камеру так называемого тигля — специального ковша для плавки алюминия, в который помещается сырье. Компактные размеры муфельной печи с вертикальной загрузкой позволяют легко хранить и использовать ее дома на балконе, в гараже или на даче.

Теперь поговорим непосредственно о процессе плавки алюминия в домашних условиях.

Как уже говорилось, для плавки алюминия в муфельной печи нужен . Он обычно изготавливается из огнеупорного материала или из металла с гораздо большей температурой плавления, чем у алюминия. Для изготовления тиглей применяют корунд, графит, фарфор, кварц, чугун или сталь. Мне самостоятельно удалось изготовить тигель из стали. Тигель из других материалов можно купить и готовый, но из стали оказалось куда проще и практичнее, особенно если у вас есть сварочный аппарат и начальные навыки сварки и орудования болгаркой.

Размер тигля следует подбирать исходя из количества алюминия, которое вы хотите расплавить. Тепло должно равномерно передаваться от раскаленного тигля к сырью. В свою очередь тигель также должен равномерно прогреваться. Для муфельной печи своей конструкции я планирую изготовить несколько тиглей различного объема для работа с одним или двумя ТЭНами одновременно.

Алюминий заправляется в тигель как можно плотнее. Для этого исходное сырье желательно измельчить и немного спрессовать. Я использовал для плавки обычную алюминиевую проволоку, поэтому я просто нарезал ее кусачками и плотно спрессовал пасатижами.

При плавлении алюминий значительно уменьшается в объеме по сравнению с исходным материалом (ведь, в принципе, мы затем его и плавим), поэтому в процессе плавки алюминия в домашних условиях нам потребуется периодически добавлять сырье в тигель.

Следует отметить, что это может быть крайне опасно! Все дело в том, что в добавляемом нами сырье где-то может задержаться влага, а при попадании воды в расплавленный алюминий происходит резкий всплеск, и металл может выплеснуться из муфельной печи, повредив вас серьезными ожогами. И уж совсем плачевные последствия будут при попадании расплавленного металла в глаза. Поэтому всегда следите за своей безопасностью — работайте исключительно в защитных очках или маске, а еще лучше — в специальном огнеупорном костюме металлурга.

В процессе плавки алюминия в домашних условиях на поверхности расплавленного металла будет образовываться оксидная пленка и всплывать на поверхность всякий шлак. Количество шлака зависит от качества используемого для переплавки алюминия сырья. Где-то был подкрашен, где-то испачкан — все это уйдет из металла в виде шлака. Непосредственно перед самым литьем расплавленного алюминия по формам шлак рекомендуют снять при помощи специального приспособления.

Также после того, как алюминий расплавился и образовал однородную блестящую каплю, как это делал жидкий терминатор в фильме «Терминатор 2″, тигель рекомендуют еще немного подержать в печи для придания расплавленному алюминию большей текучести. Это сильно упростит дальнейшее его литье.

Что дальше? Очевидно, нужно залить расплавленный алюминий в специально подготовленную литейную форму. Об этом я написал в своем ТехноБлоге Dimanjy отдельную статью, которая так и называется « ». Изучаем, тренируемся, набираемся опыта!

Плавление алюминия, как и других веществ, происходит при подводе к нему тепловой энергии, снаружи или непосредственно в его объём, как это происходит, например, при индукционном нагреве.

Температура плавления алюминия зависит от его чистоты:

• Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 %: 660,37 °С.
• При содержании алюминия 99,5 % плавление начинается при 657 °С.
• При содержании алюминия 99,0 % плавление начинается при 643 °С.

Температура плавления алюминия повышается с увеличением давления. Зависимость температуры плавления алюминия от давления представлена на графике ниже.

Температура плавления алюминиевых сплавов

Добавление в алюминий других элементов, в том числе легирующих, снижает температуру его плавления. Так, у некоторых литейных алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния и магния температура начала плавления снижается почти до 500 °С. Вообще, понятие «температура плавления» распространяется только на чистые металлы и другие кристаллические вещества. У сплавов же нет определённой температуры плавления: процесс их плавления (и затвердевания) происходит в некотором интервале температур.

Температуры солидус и ликвидус алюминиевых сплавов

При плавлении сплава температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой слоидус), а температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус). «Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» — жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый , а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий . При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та температурой ликвидус, а конца кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Эвтектическая температура алюминиевых сплавов

Не все сплавы имеют интервал между температурами солидус и ликвидус. Такие сплавы называют эвтектическим. Например, у алюминиевого сплава с содержанием 12,5 % кремния точки ликвидуса и солидуса сводятся в точку: этот сплав как и чистые металлы имеет не интервал, а точку плавления. Эта точка и температура называются эвтектическими. Этот сплав относится к знаменитым литейным алюминиево-кремниевым сплавам – силуминам с узким интервалом солидус-ликвидус, что и дает их лучшие литейные свойства.

В двойном сплаве Al-Si температура солидус постоянна и составляет 577 °С. При увеличении содержания кремния температура ликвидус снижается от максимального значения для чистого алюминия 660 °С и до совпадения с температурой солидуса 577 °С при содержании кремния 12,6 %.

Среди других легирующих элементов алюминия сильнее всего понижает температуру плавления магний: эвтектическая температура 450 °С достигается при содержании магния 18,9 %. Медь дает эвтектическую температуру 548 °С, а марганец – всего лишь 658 °С! Большинство сплавов являются не двойными, а тройными и даже четверными. Поэтому при совместном влиянии нескольких легирующих элементов температура солидуса – начала плавления или конца затвердевания может быть еще ниже.

Интервал температуры плавления алюминиевых сплавов

В таблице ниже представлены температуры ликвидуса и солидуса некоторых промышленных деформируемых сплавов. Необходимо иметь в виду, что понятия температур солидус и ликвидус определены для равновесных превращений жидкой фазы в твердую и обратно, то есть при бесконечной длительности процессов. На практике надо делать поправки с учетом скорости нагрева или охлаждения.

Источники:
Aluminum and Aluminum Alloys, AMS International, 1993.
Handbook of Aluminum: Vol. 1, ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie

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

(Флюсы также применяются при и при ).

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.

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 (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 MgCl 2 -KCl, которая образует низкоплавкую эвтектику при 424 °С, или на карналлите (MgCl 2 ∙KCl), который плавится при 485 °С. Эти покрывные флюсы имеют высокую текучесть и могут образовывать на поверхности расплава тонкий слой.

Однако MgCl 2 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/см 3 , а в жидком – 1,55 и 1,53 г/см 3 .

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 AlF 3 и MgF 2 , 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 (Na 3 AlF 6);
• фторид кальция (CaF 2);
• силикофторид натрия (Na 2 SiF 6).

Роль кислорода в компонентах флюсов

Добавление во флюсы компонентов, содержащих кислород, таких как KNO 3 обеспечивает выделение тепла. Кислород, который освободился при разложении нитратов, реагирует с металлическим алюминием с образованием оксида Al 2 O 3 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 CO 2 или такой газ, как AlF 3 . Если эти флюсы помещают под поверхность алюминиевого расплава, они образуют пузырьки, которые удаляют водород. Наиболее известным таким флюсом, выделяющим газ, является гексахлорэтан C 2 Cl 6 . Он образует газы Cl 2 и AlCl 3 .

Алюминий – металл, который широко используется в промышленности и быту.

Из него производят не только детали самолетов и кораблей, но и посуду, и другие предметы утвари. Поэтому нередко возникает потребность в самостоятельном изготовлении алюминиевых деталей, вышедших из строя.

Производить из него литые изделия в кустарных условиях позволяет свойство при относительно невысоких температурах. Для того чтобы самостоятельно изготавливать литые изделия из алюминия, нужно знать поведение этого металла при высоких температурах и его физико-химические свойства.

Температура плавления алюминия зависит от степени чистоты металла и составляет приблизительно 660 °C. Его точка кипения – 2500 °C.

Алюминий отличается своей легкостью и пластичностью, поэтому хорошо гнется и поддается обработке .

Этот металл является отличным проводником тепла и активно вступает в химическую реакцию при высоких температурах с кислородом воздуха, образуя на поверхности окисную пленку. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления, однако при расплавлении лома существенно отражается на составе сплава. В процессе плавки металла структура алюминия меняется.

При его резком охлаждении могут возникнуть внутренние напряжения и усадка полученного сплава. Это надо учитывать при работе с алюминием в домашних условиях.

Технологии домашнего литья алюминия и необходимое оборудование

Принцип литья алюминия в домашних условиях должен исходить из технологии его получения на производстве с поправкой на условия, которые можно использовать дома.

Алюминиевые изделия путем литья получают несколькими способами. В бытовых условиях наиболее распространенным и удобным способом является технология литья алюминиевого расплава в специально изготовленные формы.

Поэтому для проведения процесса необходимо обеспечить две вещи:

• соорудить печь для расплавления алюминиевого лома;
• создать нужную форму для получения литого сплава или отдельной детали.

Процесс литья должен включать несколько этапов:

1. Подготовка алюминиевого лома, включающая очистку от грязи, примесей и разных наполнителей, а также его измельчение до небольшого размера.
2. Проведение процесса плавки запланированным способом. При полном расплавлении металла с его поверхности нужно удалить шлаковые образования.
3. Заполнение приготовленной формы жидким алюминиевым расплавом. После отвердевания слиток освобождается от формовочной массы.

Рассмотрим, как плавить алюминий в домашних условиях, какие конструкции печей для расплавления металла можно использовать, а также варианты самостоятельного изготовления формы.

Самодельные печи и способы расплавления алюминия

Для того чтобы расплавить алюминий, нужно разогреть его до температуры, близкой к 660 °C. На открытом пламени костра такой температуры невозможно достичь. Поэтому необходимо закрытое пространство, которое может обеспечить самодельная печь. Нагревать ее можно с помощью сжигания угля и дров или использования природного газа.

Можно также использовать электрическую муфельную печь, если она есть в хозяйстве.

При самостоятельно изготовленной печи нужно обеспечить принудительную вентиляцию для поддержания процесса горения.

1. Самый простой вариант самодельного очага можно изготовить из старых кастрюль.

Его конструкция выполняется следующим образом:

• В качестве каркаса используют стальную емкость, например, старую кастрюлю, сбоку которой нужно проделать отверстие для подачи воздуха через подведенный металлический патрубок.
• Воздух через шланг принудительно может подаваться с помощью пылесоса.
• Внутрь устройства проводится закладка каменного угля.
• Затем уголь поджигают и подают воздух, чтобы огонь не погас.
• Емкость для расплавления алюминия предварительно ставят внутри импровизированной печной конструкции и обкладывают ее с боков углем. При его сгорании обеспечивается равномерное распределение тепла.
• Чтобы тепло не расходовалось на окружающий воздух, сверху «кастрюльную» печь следует неплотно накрыть крышкой, оставив небольшую щель для выхода дыма.

Идеальной конструкцией может служить топливник, имеющий овальный свод, выполненный из кладочной смеси, применяемой для жаропрочного кирпича. В качестве каркаса для создания овального свода можно использовать цветочный горшок нужного размера.

После высыхания смеси получается добротный топливник, который может выдержать несколько плавок.

2. Второй вариант печи подразумевает использование для нагрева алюминия пламени бытовой газовой горелки.

Его можно применять только для штучных изделий из алюминия весом не более 150 грамм. Имитация печи создается с помощью использования двух емкостей, вставленных друг в друга с небольшим зазором. Это могут быть обыкновенные жестяные банки из-под консервов.

Внешняя банка должна иметь больший размер. В ней проделывается отверстие, диаметром около 4 см, чтобы обеспечить подвод пламени к внутренней банке.

Струя пламени должна поступать направленно в отверстие банки. Греется непосредственно только внутренняя емкость, а наружная служит оболочкой, удерживающей тепло. Сверху конструкцию нужно прикрыть имитированной крышкой, оставив зазор для отвода продуктов сгорания.

Такая конструкция является одноразовой и можно использовать только для одной плавки, т. к. жесть тонкая и может быстро прогореть.

Способы создания формы для литья алюминия

Одной из основных задач домашнего плавления алюминия является подготовка формы, в которую сливается расплавленный металл. Существуют разные варианты заливки алюминиевого расплава. Основными являются открытый и закрытый способ литья.

Открытый способ литья

Самый простой – это слив жидкого металла в подручную форму, например металлическую кружку или банку из-под консервов.

После застывания сплава болванку из емкости достают. Чтобы облегчить этот процесс, производят простукивание по неостывшей до конца форме.

Если не требуется придавать литью четкой формы, можно просто слить жидкий расплав на приготовленную устойчивую к горению поверхность.

Закрытая форма

При необходимости получения сложной отливки сначала изготавливают для нее форму, соответствующую всем параметрам детали. Чтобы обеспечить четкое соответствие изделия заданным параметрам, ее изготавливают из составных формовочных частей.

Материалы для литых форм

При открытом способе заливки часто используется самый простой материал, который всегда под рукой, это – кремнезем. Сначала земля укладывается с послойной трамбовкой. Между слоями закладывают макет отливки, который после тщательной трамбовки оставляет отпечаток в кремнеземе. Эту форму осторожно вынимают и заливают вместо нее алюминий.

Некоторые мастера используют при приготовлении основы формы речной песок с добавлением жидкого стекла. Также иногда применяется смесь цемента с тормозной жидкостью.

Гипсовые формы

При изготовлении макета сложной формы часто используют гипс, который в основном может служить для разового процесса литья. При литье алюминия в гипсовую форму в качестве макетов используют парафин или пенопласт.

Восковой макет изделия заливается гипсом и после его сушки при высокой температуре расплавляется и сливается через специальное отверстие.

В случае изготовления макета из пенопласта его заливают гипсовой смесью и оставляют в ней до полного отвердевания формы. Горячий алюминиевый расплав заливают прямо на пенопласт. Благодаря высокой температуре металла происходит расплавление и испарение пенопласта, а его место занимает алюминиевый расплав, принимая заданную пенопластом форму.

При использовании пенопласта в качестве макета работы необходимо проводить в открытом пространстве или обеспечить хорошее проветривание помещения, т. к. продукты горения пенопласта вредны для человека.

Типичные ошибки и советы для правильного проведения литья

1. При работе с гипсом следует избегать типичных ошибок. Несмотря на то, что гипсовые формы являются удобным способом отливки нужных конфигураций деталей, этот материал очень чувствителен к влаге. При обычной сушке на воздухе она остается в составе гипса. Это вредит качеству алюминиевой отливки, т. к. может спровоцировать образование мелких раковин и пузырьков. Поэтому сушить гипсовые формы нужно несколько суток.
2. Металл перед заливкой должен быть достаточно горячим, чтобы успеть заполнить всю форму, прежде чем начать отвердевать. Поэтому после достижения температуры расплавления с учетом быстрого остывания алюминия не надо затягивать с его разливкой в форму.
3. Не рекомендуется окунать полученную отливку в холодную воду для ускорения процесса отвердевания. Это может нарушить внутреннюю структуру металла и приведет к трещинам.

1 раз, оценка: 5,00 из 5)

Плавка большинства алюминиевых сплавов не составляет затруднений Легирующие компоненты, за исключением магния, цинка, а иногда и меди, вводят в виде лигатур При выплавке небольших порций литейных сплавов в тигельных печах защитные флюсы, как правило, не применяют. Обязательной операцией является рафинирование от неметаллических включений и растворенного водорода. Наиболее сложными в плавке являются алюминиевомагниевые и многокомпонентные жаропрочные сплавы.
При плавке деформируемых сплавов особое внимание уделяется очистке печи от шлака и плен предшествующей плавки. При переходе на другую марку сплава, кроме переходных плавок, печь и миксеры промывают с целью удаления остатков старого сплава. Количество металла для промывки должно составлять не меньше четверти емкости печи. Температуру металла во время промывки поддерживают на 40-50 °C выше температуры разливки сплава до промывки. Для ускорения очистки металл в печи интенсивно перемешивают в течение 8-10 мин. Для промывки используют алюминий или переплав Б тех случаях, когда металл из печи сливается полностью, можно ограничиться промывкой флюсами. Плавку сплавов ведут под флюсом
Шихтовые материалы загружают в такой последовательности: чушковый алюминий, крупногабаритные отходы, переплав, лигатуры (чистые металлы). В жидкий металл при температуре не выше 730 °C разрешается загружать сухую стружку и малогабаритный лом. Медь вводят в расплав при температуре 740-750 °С, кремний – при 700-740 °С с помощью колокольчика. Цинк загружают перед магнием, который обычно вводят перед сливом металла. Максимально допустимый перегрев для литейных сплавов 800- -830 “С, а для деформируемых 750-760 °С.
При плавке на воздухе алюминий окисляется. Основными окислителями являются кислород и пары воды. В зависимости от температуры и давления этих газов, а также кинетических условий взаимодействия в результате окисления алюминия образуются оксид алюминия Al2O3, а также Al2O и AlO. Вероятность образования возрастает с увеличением температуры и уменьшением парциального давления кислорода в системе. В обычных условиях плавки термодинамически устойчивой фазой является твердый оксид алюминия γ-Al2O3, которая не растворяется в алюминии и не образует с ним легкоплавких соединений. При нагреве до 1200 °C γ-Al2O3, перекристаллизовывается в α-Al2O3. По мере окисления на поверхности твердого и жидкого алюминия образуется плотная, прочная пленка оксида толщиной 0,1-10 мкм в зависимости от температуры и длительности выдержки. При достижении такой толщины окисление практически приостанавливается, так как диффузия кислорода через пленку резко замедляется.
Процесс окисления жидких сплавов алюминия очень сложен и недостаточно изучен. Имеющиеся литературные данные показывают, что интенсивность окисления составляющих сплава является функцией давления кислорода, давления диссоциации их оксидов, концентрации составляющих в сплаве, скорости диффузии атомов навстречу атомам кислорода, взаимодействия оксидов между собой и т. д. Кинетика окисления определяется сплошностью, плотностью и прочностью окисной пленки. При одинаковой концентрации прежде всего окисляются наиболее активные элементы, у которых образование окисла связано с наибольшим уменьшением изобарно-изотермического потенциала.
Большинство легирующих элементов (медь, кремний, марганец) не оказывают существенного влияния на процесс окисления алюминия и защитные свойства окисной пленки, так как обладают отношением VMem0/mVMe≥1. Окисная пленка на двойных сплавах алюминия с этими элементами при низкой их концентрации состоит из чистой γ-Al2O3. При значительных содержаниях этих элементов образуются твердые растворы оксидов легирующих элементов в γ-Al2O3 и соответствующие шпинели.
Щелочные и щелочноземельные металлы (калий, натрий, барий, литий, кальций, стронций, магний), а также цинк (0,05-0,1 %) сильно увеличивают окисляемость алюминия. Причина этого – рыхлое и пористое строение оксидов этих элементов. Окисная пленка на двойных расплавах в этом случае обогащена оксидами щелочных и щелочноземельных металлов. Для нейтрализации вредного влияния цинка в алюминиевые расплавы вводят 0,1- 0,15 % Mg.
Сплавы алюминия с магнием образуют окисную пленку переменного состава. При малом содержании магния 0,005 % (по массе) – окисная пленка имеет структуру γ-Al2O3 и представляет собой твердый раствор MgO в γ-Al2O3; при содержании 0,01-1,0 % Mg окисная пленка состоит из шпинели (MgO*Al2O3) переменного состава и кристаллов оксида магния; при содержании свыше 1,5 % Mg окисная пленка почти полностью состоит из оксида магния.
Бериллий и лантан замедляют окисление алюминиевых сплавов. Добавка 0,01 % бериллия или лантана снижает скорость окисления сплавов Al-Mg до уровня окисления алюминия. Защитное действие этих элементов объясняется уплотнением окисной пленки посредством заполнения образующихся пор окислами бериллия и лантана.
Сильно снижают окисляемость алюминиевых расплавов фтор и газообразные фториды (SiF4, BF3, SF6 и др.), присутствующие в печной атмосфере в количестве до 0,1 % (по массе). Адсорбируясь на поверхности окисной пленки, они уменьшают скорость проникновения кислорода к поверхности металла.
Перемешивание расплава в процессе плавки сопровождается нарушением целостности окисной пленки и замешиванием обрывков ее в расплав, Обогащение расплавов окисными включениями происходит и в результате обменных реакций с футеровкой плавильных устройств. Наиболее существенное влияние на степень загрязнения расплавов пленками оказывает поверхностная окисленность исходных первичных и вторичных шихтовых материалов. Отрицательная роль этого фактора возрастает по мере уменьшения компактности и увеличения удельной поверхности материала.
Окисная пленка шихты является также источником насыщения расплава водородом, так как на 30-60 % состоит из Al(OH)3. Химически связанная влага с трудом удаляется с поверхности шихтовых материалов даже при температуре 900 С. Гидроксид, попадая в расплав, сильно насыщает его водородом. По этой причине нежелательно вводить в шихту стружку, опилки, обрезь, сплесы и другие некомпактные отходы. Особое значение имеет организация хранения и своевременная переработка отходов и возврата собственного производства, предотвращающие окисление и коррозию с образованием гидроксидов. Введение в шихту собственных возвратов связано также с неизбежным накоплением в сплавах вредной примеси железа, образующего с компонентами сплавов сложные твердые интерметаллические соединения, снижающие пластические свойства и ухудшающие обработку отливок резанием.
Наряду с оксидами и интерметаллидами в расплаве могут присутствовать и другие неметаллические включения – карбиды, нитриды, сульфиды. Однако количество их по сравнению с содержанием оксидов мало. Фазовый состав неметаллических включений в алюминиевых сплавах разнообразен. Кроме оксидов алюминия, в них может содержаться оксид магния (MgO), магнезиальная шпинель (MgAl2O4), нитриды алюминия, магния, титана (AlN, Mg3N2, TiN), карбид алюминия (Al4C3), бориды алюминия и титана (AlB2, TiB2) и др. Основную массу включений составляют оксиды.
В зависимости от происхождения неметаллические включения, встречающиеся в сплавах, можно подразделить на две группы: дисперсные включения и пленки Основная масса дисперсных включений имеет размер 0,03-0,5 мкм. Они сравнительно равномерно распределены в объеме расплава. Наиболее вероятная толщина окисных пленок 0,1-1,0 мкм, а протяженность – от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Концентрация таких включений сравнительно мала (0,1-1,0 мм2/см2), а распределение крайне неравномерно. При выстаивании расплавов крупные включения могут всплывать или осаждаться. Однако ввиду большой удельной поверхности пленок и малого отличия их плотности от плотности расплавов всплывание (осаждение) идет медленно, большая часть пленок остается в расплаве и при заполнении формы увлекается в отливку. Еще более медленно отделяются тонкодисперсные взвеси. Практически все количество их переходит в отливку.
Во время плавки алюминий насыщается водородом, содержание которого может достигать 1,0-1,5 см3 на 100 г металла. Основным источником водорода являются пары воды, парциальное давление которых в атмосфере газовых плавильных печей может достигать 8-16 кПа.
Влияние легирующих элементов и примесей на равновесную растворимость водорода в алюминии мало изучено. Известно, что медь и кремний уменьшают растворимость водорода, а магний – увеличивает. Растворимость водорода увеличивают также все гидрообразующие элементы (титан, цирконий, литий, натрий, кальций, барий, стронций и др), Так, сплав алюминия с 2,64 % Ti может выделить до 25 см3 водорода на 100 г, а сплав алюминия с 5 % Zr – 44,5 см3 на 100 г. Наиболее активно увеличивают растворимость водорода и алюминия щелочные и щелочноземельные металлы (натрий, литий, кальций, барий), образующие гидриды.
Существенную долю растворенного в сплавах водорода составляет газ, вносимый лигатурами и электролитической медью Так, например, лигатура алюминий-титан в зависимости от технологии выплавки может содержать до 10 см3 водорода на 100 г, а электролитическая медь с наростами – до 20 см3 на 100 г. Литейные сплавы содержат большее количество примесей и неметаллических включений, чем деформируемые. Поэтому они в большей степени предрасположены к поглощению газов
Кинетика процесса наводороживания алюминиевых расплавов лимитируется массопереносом водорода в жидком металле, через поверхностную окисную пленку и в газовой среде. Наиболее существенное влияние на массоперенос оказывают состав сплава и содержание неметаллических включений, определяющих проницаемость окисной пленки, диффузионную подвижность водорода и возможность выделения его из расплава в виде пузырьков. На проницаемость пленки существенное влияние оказывает также состав газовой среды. Диффузионную подвижность водорода в алюминии уменьшают медь, кремний и особенно магний, марганец и титан. Тонко дисперсные неметаллические включения, обладая высокой адсорбционной способностью по отношению к водороду, сильно замедляют его диффузионную подвижность в алюминиевых расплавах.
Пленка оксида алюминия обладает малой проницаемостью для атомов водорода, она замедляет реакции взаимодействия расплава с влагой атмосферы. При толщине пленки 1-10 мкм газообмен между металлом и атмосферой практически прекращается. На проницаемость пленки большое влияние оказывает состав сплава. Все элементы, увеличивающие окисляемость алюминия (магний, литий, натрий, стронций, кальций), увеличивают проницаемость окисной пленки для водорода. Легирующие элементы (медь, цинк, кремний) мало влияют на газообмен. Они несколько разрыхляют окисную пленку и поэтому способствуют более быстрому насыщению сплавов водородом.
На водородопроницаемость окисной пленки существенно влияет состав атмосферы над расплавом. Проницаемость пленки значительно увеличивается, если в газовой среде присутствуют Cl2, C2Cl6, BF4, SiF4, фреоны и другие галоиды. Хлориды, обладая высоким сродством к алюминию, адсорбируются, проникают под окисную пленку и разрушают ее в результате образования газообразного хлорида алюминия. Фториды менее активно взаимодействуют с алюминием. Взаимодействуя с окисной пленкой, они способствуют дегидратации ее поверхности и десорбции молекул и атомов кислорода. Обладая высокой адсорбционной способностью, фториды занимают освобождающиеся активные центры на пленке и создают оксифторидные комплексы типа Al2O2F2, которые прекращают доступ кислорода и паров воды к расплаву, делают пленку тонкой и проницаемой для водорода. Жидкие флюсы, содержащие фториды, также разрушают окисную пленку и облегчают дегазацию расплавов.
Растворенный водород, выделяясь при кристаллизации расплавов, вызывает образование газовой и газоусадочной пористости в отливках. С увеличением концентрации водорода газовая пористость отливок возрастает. Предрасположенность алюминиевых сплавов к газовой пористости определяется степенью пересыщенности твердого раствора водородом, которая выражается отношением η – (Сж-Ств)/Ств, где Cж и Cтв – концентрации водорода в жидком и твердом сплаве, см3/100 г. Газовая пористость не образуется, когда Стп=Сж. Степень пересыщения твердого раствора увеличивается с увеличением скорости охлаждения.
Для каждого сплава имеются предельные концентрации водорода, ниже которых не происходит образование газовых пор в отливках при заданных скоростях охлаждения. Так, например, для того чтобы предотвратить образование газовых пор при затвердевании толстостенных отливок из сплава Al – 7 % Si, содержание водорода в расплаве не должно превышать 0,15 см3 на 100 г. Предельным содержанием водорода в дуралюминах считается 0,12-0,18 см3 на 100 г в зависимости от интенсивности охлаждения при кристаллизации.
Предохранение алюминиевых расплавов от окисления и поглощения водорода достигается плавкой под флюсами в слабоокислительной атмосфере. В качестве покровного флюса при плавке большинства сплавов, содержащих не более 2 % Mg, используют смесь хлоридов натрия и калия (45 % NaCl и 55 % KCl) в количестве 1-2 % от массы шихты. Состав флюса соответствует твердому раствору с минимальной температурой плавления 660 °С. Для этой цели рекомендуют также и более сложный по составу флюс (табл. 12).

Для алюминиевомагниевых сплавов в качестве покровного флюса используют карналлит (MgCl2*KCl) и смеси карналлита с 40-50 % хлористого бария или 10-15 % фтористого кальция. Если применение флюса невозможно, защиту от окисления осуществляют введением бериллия (0,03-0,05 %). Защитные флюсы широко используют при плавке сплавов в отражательных печах.
Для предотвращения взаимодействия с влагой принимают меры к удалению ее из футеровки плавильных печей и разливочных устройств, из рафинирующих и модифицирующих флюсов; подвергают прокалке и окраске плавильно-разливочный инструмент, производят подогрев, очистку и сушку шихтовых материалов.
Однако как бы тщательно не защищали расплав, при плавке на воздухе он всегда оказывается загрязненным оксидами, нитридами, карбидами, включениями шлака и флюса, водородом, поэтому перед заливкой в формы его необходимо очищать.

Рафинирование расплавов

Для очистки алюминиевых сплавов от взвешенных неметаллических включений и растворенного водорода применяют отстаивание, продувку инертным и активным газами, обработку хлористыми солями и флюсами, вакуумирование, фильтрование через сетчатые и зернистые фильтры, электрофлюсовое рафинирование.
Как самостоятельный процесс отстаивание может быть применимо в тех случаях, когда разность плотностей достаточно велика и размер частиц не слишком мал. Ho и в этих случаях процесс идет медленно, требуется повышенный расход топлива и он оказывается малоэффективным.
Очистка расплавов продувкой инертными или активными газами основана на протекании двух процессов диффузии растворенного газа в пузырьки, продуваемого и флотирующего действия пузырьков по отношению к включениям и мельчайшим газовым пузырькам. Рафинирование осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение их по объему расплава. В этой связи заслуживает особого внимания способ обработки расплавов инертными газами с использованием пористых керамических вставок. Ho сравнению с другими способами введения инертных газов в расплавы продувка через пористые вставки наиболее эффективна.
Продувку расплавов газами широко используют в литейных цехах по производству слитков. Ее осуществляют в специальных футерованных коробах, установленных на пути перелива металла из миксера в кристаллизатор. Для рафинирования алюминиевых расплавов используют азот, аргон, гелий, хлор и смесь его с азотом (90 %), очищенные от влаги и кислорода.
Продувку азотом или аргоном ведут при 720-730 °С. Длительность продувки в зависимости от объема расплава колеблется в пределах 5-20 мин; расход газа составляет 0,3-1 % от массы расплава. Такая обработка позволяет снизить содержание неметаллических включений до 1.0-0,5 мм2/см2 по технологической пробе В.И. Добаткина и BK. Зиновьева, а содержание водорода – до 0,2-0,15 см3 на 100 г металла.
Обработку расплавов хлором осуществляют в герметичных камерах или ковшах, имеющих крышку с отводом газов в вентиляционную систему. Хлор вводят в расплав через трубки с насадками при 710-720 °C. Длительность рафинирования при давлении хлора 108-118 кПа составляет 10-12 мин; расход хлора – 0,2-0,8 % от массы расплава. Применение хлора обеспечивает более высокий уровень очистки по сравнению с техническим азотом и аргоном. Однако токсичность хлора, необходимость обработки расплавов в специальных камерах и трудности, связанные с его осушкой, существенно ограничивают применение хлорирования расплавов в промышленных условиях. Замена хлора смесью его с азотом (90 %) обеспечивает достаточно высокий уровень очистки, но не позволяет решить проблемы, связанные с токсичностью и осушкой.
Дегазация продувкой сопровождается потерями магния: при обработке азотом теряется 0,01 % магния; при обработке хлором эти потери увеличиваются до 0,2 %.
Рафинирование хлоридами широко используют в фасонно-литейном производстве. Для этой цели применяют хлористый цинк, хлористый марганец, гексахлорэтан, четыреххлористый титан и ряд других хлоридов. Ввиду гигроскопичности хлоридов их подвергают сушке (MnCl2, C3Cl6) или переплавке (ZnCl2). Технология рафинирования хлоридами состоит во введении их в расплав при непрерывном помешивании колокольчиком до прекращения выделения газообразных продуктов реакции Хлористые цинк и марганец вводят в количестве 0,05-0,2 % при температуре расплава 700-730 °С; гексахлорэтан – в количестве 0,3-0,7 % при 740-750 °C в несколько приемов. С понижением температуры эффективность рафинирования снижается в связи с повышением вязкости расплавов; рафинирование при более высоких температурах нецелесообразно, так как оно сопряжено с интенсивным окислением расплава.
В настоящее время в цехах фасонного литья для рафинирования широко используют таблетки препарата «Дегазер», состоящие из гексахлорэтана и 10 % (по массе) хлористого бария, которые вводят в расплав без применения «колокольчиков». Обладая большей, чем расплав, плотностью, таблетки опускаются на дно емкости, обеспечивая проработку всего объема расплава.
Хлористые соли взаимодействуют с алюминием по реакции: 3МnСl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Мn.
Пузырьки хлористого алюминия, поднимаясь на поверхность расплава, увлекают взвешенные неметаллические включения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в металле водород, происходит очистка расплава. По окончании перемешивания расплаву дают отстояться в течение 10-45 мин при 720-730 °C для удаления мелких пузырьков газа.
Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой удельной поверхностью расплава. В печах с небольшим по высоте слоем расплава рафинирование хлоридами малоэффективно. По уровню очистки от неметаллических включений и газа обработка хлоридами уступает продувке хлором.
Очистка алюминиевых расплавов флюсами применяется при плавке литейных и деформируемых сплавов. Для рафинирования используют флюсы на основе хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавками фтористых солей – криолита, плавикового шпата, фтористых натрия и калия (табл. 13).

В практике плавки большинства алюминиевых деформируемых сплавов для рафинирования используют флюс № 1.
Для очистки сплавов алюминия с магнием применяют флюсы на основе карналлита – 80-90 % MgCl2*KCl, 10-20% CaF2, MgF2 или K3AlF6. Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5-1 % от массы металла засыпают на поверхность расплава при 700-750 °С. Затем в течение 3-5 мин флюс энергично замешивают в расплав, удаляют шлак и дают расплаву отстояться 30-45 мин. После повторного удаления шлака расплав используют для заполнения литейных форм. При обработке больших объемов металла флюс вводят на дно расплаве с помощью «колокольчика».
Для рафинирования литейных алюминиевых сплавов (силуминов) широко применяют флюсы № 2 и 13. Их вводят в расплавы в жидком виде в количестве 0,5-1,5 % (по массе) и энергично замешивают. Они способствуют разрушению пены, образующейся при наполнении раздаточных ковшей, и обогащают расплавы натрием.
Высокий уровень дегазации получают при вакуумировании Этот способ очистки применяют преимущественно в фасоннолитейных цехах. Сущность его состоит в том, что выплавленный по стандартной технологии в обычных печах металл переливают в ковш, который затем помещают в вакуумную камеру. Металл в камере выдерживают при остаточном давлении 1330 Па в течение 10-30 мин; температуру расплава при этом поддерживают в пределах 720-740 °С. В тех случаях, когда вакуумирование ведут без подогрева, расплав перед обработкой перегревают до 760-780 °С. Схема установки для вакуумной дегазации приведена на рис. 93.

В последние годы для очистки алюминиевых расплавов от неметаллических включений все в больших масштабах применяют фильтрование через сетчатые, зернистые и пористые керамические фильтры. Сетчатые фильтры широко используют для очистки расплавов от крупных включений и пленок Они отделяют те включения, размер которых больше ячейки сетки. Для изготовления сетчатых фильтров используют стеклоткань различных марок с размерами ячейки от 0,5х0,5 до 1,5х1,5 мм и металлические сетки (из титана). Фильтры из стеклоткани устанавливают в распределительных коробках и кристаллизаторах, в литниковых каналах и раздаточных тиглях (рис. 94), применение их позволяет в 1,5-2 раза снизить содержание крупных неметаллических включений и пленок; они не оказывают влияния на содержание дисперсных включений и водорода.

Значительно больший эффект очистки дают зернистые фильтры. Отличительная особенность их состоит в большой поверхности соприкосновения с металлом и наличии длинных тонких каналов переменного сечения. Очистка металлических расплавов от взвешенных включений при фильтровании через зернистые фильтры обусловлена механическими и адгезионными процессами. Первым из них принадлежит решающая роль при отделении крупных включений и пленок, вторым – при отделении тонкодисперсных включений. За счет сеточного эффекта зернистые фильтры задерживают лишь те включения, размер которых превышает эффективный диаметр межзеренных каналов. Чем меньше диаметр зерен фильтра и плотнее укладка их, тем выше достигаемый уровень очистки расплавов от крупных включений и пленок (рис. 95).
С увеличением толщины слоя фильтра эффективность очистки увеличивается. Фильтры, смачивающиеся расплавами, более эффективны, чем несмачивающиеся.
Фильтры из сплава фторидов кальция и магния позволяют получать отливки из сплавов АЛ4, АК6 и АМг6 в 1,5-3 раза менее загрязненными крупными включениями, чем фильтры из магнезита.

Существенное влияние на полноту отделения крупных включений и пленок оказывают скорость и режим течения расплава по межзеренным каналам фильтра. С увеличением скорости уменьшается возможность осаждения включении из движущегося потока под действием силы тяжести и увеличивается вероятность смыва уже осевших включений в результате гидродинамического воздействия, степень которого пропорциональна квадрату скорости фильтрования.
Эффективность очистки алюминиевых расплавов от тонкодисперсных включений зернистыми фильтрами возрастает по мере ухудшения смачивания фильтра и включений расплавом.
Для изготовления фильтров используют шамот, магнезит, алунд, кремнезем, сплавы хлористых и фтористых солей и другие материалы. Полнота удаления взвешенных неметаллических включений зависит от природы материала фильтра. Наиболее эффективны фильтры, изготовленные из фторидов (активных материалов) (рис. 95 и 96).
Активные материалы наряду с крупными включениями и пленками позволяют отделить до 30 40 % тонкодисперсных взвесей и на 10-20 % снизить содержание водорода в сплавах, прошедших рафинирование флюсом или хлоридами. По мере удаления тонкодисперсных взвесей увеличивается размер зерна в отливках» снижается газосодержание, растут пластические свойства сплавов (рис. 97), Высокий уровень очистки сплавов АК6 и АЛ4 от включений и водорода наблюдается при использовании фильтров из сплава фторидов кальция и магния с размером зерен 4-6 мм в поперечнике и высотой фильтрующего слоя 100-120 мм.

Зернистые фильтры, так же как и сетчатые, устанавливают на пути перемещения металла из миксера в форму. При непрерывном литье слитков оптимальным местом установки является кристаллизатор; при фасонном литье фильтр располагают в стояке, раздаточном тигле или литниковой чаше.
Типовые схемы расположения зернистых фильтров при литье фасонных отливок и слитков приведены на рис. 98.
Перед использованием фильтр нагревают до 700-720 °C для удаления адсорбированной влаги и предотвращения замораживания металла в каналах.

Заливку ведут таким образом, чтобы верхний уровень фильтра был покрыт слоем металла в 10-15 мм, а истечение металла после фильтра происходило под затопленный уровень. При соблюдении этих условий остаточное содержание неметаллических включений и пленок в отливке может быть доведено до 0,02-0,08 мм2/см2 по технологической пробе В.И. Добаткина и В.К. Зиновьева, т. е. в 2-4 раза снижено по сравнению с фильтрованием через сетчатые фильтры.
Самый эффективный способ очистки алюминиевых расплавов от пленок и крупных неметаллических включений – электрофлюсовое рафинирование. Сущность этого процесса состоит в пропускании тонких струй расплава через слой жидкого флюса с одновременным наложением на металл и флюс поля постоянного или переменного тока, создающего более благоприятные условия для адсорбции включений флюсом в результате снижения межфазного натяжения на границе с металлом. С увеличением удельной поверхности и длительности контакта металла с флюсом эффективность очистки возрастает. Поэтому конструкции устройств для флюсового и электрофлюсового рафинирования предусматривают дробление струи (рис. 99).

Оптимальный режим электрофлюсового рафинирования предусматривает пропускание струи металла диаметром 5-7 мм, нагретого до 700-720 °С, через слой расплавленного флюса толщиной 20-150 мм с наложением поля постоянного тока силой 600–800 А и напряжением 6-12 В с катодной поляризацией металла. При расходе флюса (карналлитового с 10-15 % CaF2, MgF2 или K3AlF6 для сплавов Al – Mg и Al – Mg – Si и криолитового для других алюминиевых сплавов) 4-8 кг на 1 т расплава и тщательном удалении влаги из флюса и разливочных устройств, содержание крупных неметаллических включений в сплавах АК6, АМг6, В95 может быть снижено до 0,003-0,005 мм2/см2 по технологической пробе.
В отличие от зернистых фильтров электрофлюсовое рафинирование не оказывает влияния на макроструктуру сплавов, что указывает на меньшую эффективность его по очистке от дисперсных неметаллических включений.
Деформируемые и литейные сплавы подвергают рафинированию и от металлических примесей: натрия, магния, цинка и железа.
Удаление натрия из алюминия и алюминиевомагниевых деформируемых сплавов АМг2, АМг6 осуществляют продувкой расплавов хлором или парами хлоридов (C2Cl6, CCl4, TiCl4), фреона (CCl2F2) и фильтрованием через зернистые фильтры из AlF3 с размером зерна 4-6 мм. Использование этих методов позволяет довести остаточное содержание натрия в расплаве до 2/3*10в4 %. Вредное влияние натрия на технологические свойства сплава может быть подавлено введением в расплав присадок висмута, сурьмы, теллура или селена , образующих с натрием тугоплавкие интерметаллиды.
Вторичные алюминиевые сплавы в ряде случаев подвергают очистке от примесей магния, цинка и железа методами флюсования, вакуумной дистилляции и отстаивания с последующим фильтрованием. Удаление магния флюсом основано на реакции 2Na3AlF6 + 3Mg → 6NaF + 3MgF2 + 2A1. Поверхность расплава покрывают флюсом, состоящим из 50 % криолита и 50 % хлористого натрия. Затем сплав нагревают до 780-800 °C и интенсивно перемешивают вместе с флюсом в течение 10-15 мин. Продукты реакции, всплывшие на поверхность расплава, удаляют; при высоком содержании магния (1-2,5 %) процесс рафинирования повторяют несколько раз. При помощи криолита содержание магния в расплаве может быть снижено до 0,1 %. Рафинирование вторичных алюминиевых сплавов от магния можно успешно осуществлять флюсом, состоящим из 50 % Na2SiF6, 25 % NaCl и 25 % KCl. Для этих целей можно использовать кислородсодержащие флюсы, например хлорат калия (KClO3).
Очистку расплавов от магния и цинка производят в вакуум-дистилляционных печах при 950-1000°C. В результате такой обработки получают сплавы, содержащие 0,1-0,2 % Mr и 0,02-0,05 % Zn. Очистку расплавов от магния способом дистилляции производят в тех случаях, когда содержание его в сплаве велико и применение очистки флюсованием становится невыгодным.
Отстаиванием можно снизить содержание железа в алюминиевом сплаве до 1,7 %, т. е. почти до эвтектического содержания, согласно равновесной диаграмме состояния алюминий – железо. Дальнейшее снижение достигается совмещением процесса отстаивания с введением в сплав хрома, марганца или магния Присадка этих элементов сдвигает эвтектическую точку в сторону алюминия и способствует отделению избытка железа. При введении в расплав 1-1,5 % Mn содержание железа в нем может быть снижено до 0,7 %. Присадка магния в количестве 25-30 % позволяет довести содержание железа до 0,1-0,2 %. Процесс отделения интерметаллидов железа ускоряется при совмещении отстаивания с фильтрованием. Фильтрование осуществляют через нагретый до 700 °C базальтовый фильтр с применением вакуума. Рафинирование от железа при помощи магния применимо для сплавов, содержащих не более 1,0 % Si, При более высоком содержании кремния образуются силициды, сильно затрудняющие фильтрацию и выводящие из цикла значительное количество магния. Кроме того, сплав обедняется кремнием.