3. Плавка алюминиевых сплавов

Отливки из алюминиевых сплавов занимают ведущее положение в цветном литье. Их доля в общем выпуске отливок из цветных сплавов достигает 75 %. В связи с этим при разработке технологии плавки алюминиевых сплавов необходимо добиваться максимальной экономичности процессов, снижения затрат металла, труда и энергии на тонну годных отливок.

Развитие технологии плавки и литья алюминиевых сплавов проводится с учетом физико-химических особенностей взаимодействия всех твердых, жидких и газообразных фаз, участвующих в процессе плавки.

3.1. Физико-химические особенности плавки

Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см³ )и невысокую температуру плавления (660 ^оС).

Из физических свойств алюминия следует отметить высокие теплоемкость, теплопроводность и скрытую теплоту плавления. В связи с этим плавление алюминия и его сплавов является довольно энергозатратной операцией. Количество теплоты, необходимой для нагрева и расплавления 1 кг алюминия (660 ^оС) сопоставимо с теплотой, затрачиваемой на расплавление такого же количества чугуна (1250 ^оС). Малое удельное электросопротивление алюминия уменьшает тепловой КПД индукционных печей.

Процесс плавления алюминиевых сплавов ускоряется при погружении щихты в расплав, когда одновременно с прогревом шихты идет ее растворение в расплаве. Трудность растворения в алюминии других более тугоплавких элементов вызывает необходимость использования лигатур.

Главные сложности при плавке вызывает повышенная химическая активность алюминия, особенно высокое сродство к кислороду. Алюминий и его сплавы склонны к взаимодействию с газами печной атмосферы, огнеупорными материалами и флюсами.

При плавке на воздухе алюминиевые сплавы окисляются, и на поверхности твердого и жидкого алюминия образуется плотная, прочная пленка А1₂0₃ толщиной от 0,1 до 10 мкм в зависимости от времени и температуры. Основными окислителями являются кислород воздуха и пары воды.

Кинетика дальнейшего взаимодействия будет зависеть от соотношения объемов оксида (V_мео) и металла (V_ме), израсходованного на его образование. Ниже приведены указанные соотношения для некоторых металлов:

Оксид	MgО	Al2О3	BeО	ZnО	Fe2O3	Fe3O4
Vмео/Vме	0,75	1,14	1,67	1,46	2,14	2,09

Если объем оксида меньше объема металла (V_мео/V_ме <1) то оксидный слой будет неплотным, рыхлым, способным свободно пропускать газ к поверхности металла. Взаимодействие кислорода с таким металлом (Mg) будет проходить с постоянной скоростью или даже усиливаться. Если объем оксида больше объема металла (V_мео/V_ме >1), то оксидная пленка становится плотной и при определенной толщине доступ кислорода в зону реакции прекращается. На поверхности алюминия и алюминиевых сплавов образуются именно такие защитные оксидные пленки.

Большинство легирующих элементов (Cu, Si, Mn) не оказывают существенного влияния на процесс окисления и защитные свойства окисной плены. При обычных концентрациях этих элементов в сплавах окисная плена состоит только из А1₂0₃ .Окисляемость увеличивается под влиянием щелочных и щелочноземельных металлов (K, Na, Li, Ca, Sr, Mg) и Zn. С их участием образуются рыхлые оксидные плены. Так при содержании Mg более 1 % окисная плена почти полностью состоит из MgО, которая не обладает защитными свойствами. Бериллий и лантан (до 0,01 %) снижают окисляемость таких сплавов. Снизить окисляемость алюминия можно и путем добавления в атмосферу (до 0,1 %) газообразных фтористых соединений SiF₄, BF₃, SiF₆ и др. Фториды адсорбируются на поверхности оксидной плены и уменьшают скорость проникновения кислорода к металлу.

Введение в расплав дополнительных порций шихты, перемешивание расплава в процессе плавки, забор сплава ковшом при разливке нарушают сплошность защитной оксидной пленки. Она неизбежно замешивается в расплав, и длительное время находится во взвешенном состоянии, а на ее месте появляется новая.

Алюминий является хорошим восстановителем для окислов большинства металлов, что затрудняет выбор огнеупорного материала для футеровки плавильных печей. Из-за восстанавливающего действия алюминия по отношению к материалам плавки и футеровки окислы образуются и в объеме сплава. Наиболее существенное влияние на степень загрязнения расплава оксидами оказывает поверхностная окисленность шихтовых материалов. Чем мельче шихта, тем больше удельная поверхность шихты и выше степень загрязнения сплава оксидами.

Кроме кислорода алюминий может вступать в химическое взаимодействие с азотом и углеродом с образованием нитридов и карбидов. Таким образом, кроме оксидов А1₂0₃ и MgО в расплаве могут находиться нитриды алюминия, магния и титана (AlN, TiN, Mg₃N₂) и карбид Al₄C₃. Эти соединения встречаются в расплаве в виде дисперсных частиц с размерами 0,03 – 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему. Несмотря на разность в плотностях они очень медленно отделяются от расплава. Окисные плены более крупные с толщиной 0,1 – 1,0 мкм, и протяженностью до нескольких мм. При выстаивании сплава крупные включения должны оседать на дно или всплывать на поверхность, но этот процесс протекает медленно. Таким образом, при заполнении форм алюминиевым расплавом всегда велика вероятность попадания в отливку плен и мелкодисперсных неметаллических включений. Это приводит к образованию несплошностей, снижению механических свойств и появлению очагов коррозии.

Расплавленный алюминий и алюминиевые сплавы растворяют водород, содержание которого может достигать до 1,0 – 1,5 см³/100 г.

Содержание газа в металле может быть выражено в процентах по массе, в атомных процентах, а также объемом водорода, растворенного в 100 г металла (см³/100 г). В последнем случае предполагается, что весь растворенный водород выделен из раствора и находится в молекулярном состоянии при нормальных условиях: Рн₂ = 10⁵ Па, Т = 273,15 К. Пересчет единиц измерения производится с учетом закона Авогадро, согласно которому в нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22 413 см³. Масса 1моля водорода 2 г. Таким образом, если содержание водорода составляет 0,0001 % по массе, то в 100 г металла будет 0,0001 г водорода. Его объем х можно найти из пропорции: 2 : 22 413 = 0,0001 : х . Отсюда находим х = 1,12 см³ , т.е. 1 см³/100 г @ 0,0001 %.

Основным источником водорода являются пары воды, парциальное давление которых в атмосфере печи может достигать 8 – 16 кПа. При контакте расплавленного алюминия с влагой протекает реакция:

2 Al + 3 Н₂О = Al₂О₃ + 6 [ H ] _Ме.

Водород в атомарном виде растворяется в металле, а кислород образует оксид, нерастворимый в расплаве.

Влага содержится в шихтовых материалах, подлежащих плавке, во флюсах, в свежей футеровке печей и ковшей, адсорбируется на плавильном инструменте. Оксидная плена на шихтовых материалах, хранившихся во влажных помещениях, содержит гидрооксид алюминия Аl(OH)₃. Химически связанная влага плохо удаляется с поверхности шихтовых материалов даже при 900 ^оС. В связи с этим необходимо хранить отходы и возвраты таким образом, чтобы исключить их окисление и коррозию. Мелкие отходы с развитой поверхностью желательно подвергать предварительному переплаву. Углеводороды жидкого и газообразного топлива, например, метан, также служат источником поступления водорода к расплаву.

Как известно, влияние растворенного водорода на качество отливки оценивается не по его количеству в жидком металле, а по так называемому коэффициенту потенциального перенасыщения металла водородом при кристаллизации n, который определяется из соотношения:

n = (H _Ме.ж–H_Ме.тв) / H_Ме.тв.

Чем больше численное значение этого коэффициента, тем больше склонность металла к образованию газовых дефектов из-за уменьшения растворимости газа при затвердевании. В алюминии растворимость водорода меньше, чем в других металлах Несмотря на это алюминий наиболее подвержен образованию газовой пористости, так как у него самое большое значение коэффициента потенциального перенасыщения (n = 13). В твердом алюминии растворимость водорода всего лишь 0,05 см³/100 г, поэтому он будет выделяться из жидкого раствора более интенсивно, чем из других металлов.

Взаимодействие водорода не с чистым алюминием, а со сплавами на его основе, определяется их составом. Если в сплав входят компоненты, обладающие большей растворимостью газа, чем у основы, то растворимость газа в сплаве будет возрастать и наоборот. Так, например, в алюминиевых сплавах, содержащих магний растворимость водорода больше, чем в алюминии или в сплавах алюминия с медью.

Перечисленные особенности алюминиевых сплавов указывают на необходимость защиты расплава от контакта с атмосферой и проведения тщательного рафинирования или дегазации расплава.