2.4.3. Флюсование алюминиевых сплавов
Поверхность расплава алюминия быстро окисляется. Образующиеся оксиды имеют близкую к расплавленному алюминию плотность и могут оставаться в расплаве. Они являются нежелательными включениями и загрязняют металл. Для замедления окисления, ускорения удаления включений, очистки стенок печи от оксидов и восстановления металла используют флюсы.
Покровные флюсы используют обычно при высокотемпературной плавке, при плавке мелкокусковых материалов, а также при производстве сплавов с высоким содержанием магния. Покровные флюсы обеспечивают извлечение оксидов в процессе плавки и прекращают окисление. Эти флюсы обычно вводят вручную на поверхность расплава.
Очищающие флюсы используют для удаления оксидов, накапливающихся на огнеупорах печи и на тигле, что может уменьшить плавильную мощность печи, а также привести к попаданию включений в готовый металл. Эти флюсы применяют при высокотемпературной плавке, поскольку при реакции с алюминием выделяется большое количество теплоты, способствующей размягчению оксидов. Для исключения попадания в готовый расплав флюсы постоянно удаляют.
Флюсы для дегазации используют для удаления из расплава алюминия водорода и включений, однако они не так эффективны, как дегазация с помощью аргона, азота или хлора. Эти флюсы наиболее эффективны при вводе трубки в глубь расплава, при этом формируются небольшие капли газообразного фтора и хлора, которые, поднимаясь на поверхность, удаляют из расплава водород.
2.4.4. Фильтрация алюминиевых сплавов
При фильтрации включения улавливаются на фильтре, установленном на пути потока металла. Простые фильтры представляют собой сетки из стекловолокна или стали. Они улавливают оксидные пленки, но не мелкие включения. Более эффективная фильтрация обеспечивается при использовании пенокерамических фильтров (ПКФ), представляющих собой губчатую керамическую структуру (рис. 2.5), в которой расплавленный металл движется по извилистому пути.
Рис. 2.5. Пенокерамические фильтры
Фильтры целесообразно размещать в таких местах разливочной оснастки, где требуется большая пропускная способность, например в каналах разливочных стаканов.
Основные достоинства ПКФ: минимальное сопротивление обрабатываемому расплаву металла; высокая термостойкость и механическая прочность; качественно новый уровень переработки жидких металлов и сплавов.
Применение пенокерамических фильтров позволяет получить металлургически чистый металл высокого качества. Эффективное улавливание включений, рассеянных в расплавленном металле, повышает качество отливки не только с точки зрения внутренней чистоты, но и качества поверхности и механической прочности. Кроме того, применение фильтра способствует дегазации расплава. Однако существенным недостатком этого метода является всё ещё высокая стоимость ПКФ, а также необходимость в некотором перегреве расплава для облегчения запуска и работы фильтра; кроме того, фильтры требуют использования специального устройства для их фиксации во время работы.
В направлении устранения этих недостатков также ведётся работа; так, на кафедре «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ГТУ, Н. Новгород, разработана оригинальная технология изготовления ПКФ из дешёвых, недефицитных материалов – отходов металлургических и химических производств. Оценку эффективности очистки алюминиевых расплавов в литейной форме при использовании изготовленных по новой технологии ПКФ проводили в производственных и лабораторных условиях на сплаве АК5М2. Исследовали технологические режимы и параметры фильтрации: продолжительность заливки, гидродинамику потока расплава в литниковой системе, тепловой режим фильтрации, химическое взаимодействие фильтров с расплавом, механическую прочность ПКФ при действии высоких температур, размер пористых ячеек фильтров и другое. При этом ПКФ можно установить в любом месте литниковой системы, в разливочных ковшах как внутреннюю перегородку и так далее.
На первых этапах исследований ПКФ устанавливали в литниковую чашу на входе в стояк. Применяли ПКФ толщиной 15 мм, пористостью 85 %, со средним размером ячеек от 2,5 до 3 мм. Алюминиевый расплав заливали при температуре 730 °С в кокиль, нагретый до температуры 250 °С. Отливка имеет массивную центральную цилиндрическую часть с верхними и нижними фланцами и массу 6 кг.
Исследования показали, что продолжительность заливки формы при использовании указанных фильтров практически не изменилась, хотя ПКФ обладает гидросопротивлением движению расплава. При производстве отливок ответственного назначения для определения оптимального расположения ПКФ в литниковой системе и размеров литниковых систем применяли компьютерное моделирование гидродинамических особенностей фильтрации через пористый фильтр по программе LVM – Flow.
Необходимо отметить, что нагревать ПКФ перед его установкой не нужно, так как он почти мгновенно прогревается расплавом, находящимся в контакте с ним. Материалы, применяемые для изготовления ПКФ (ваграночный шлак, маршаллит и другие), химически инертны к расплаву, и, как показали эксперименты, при взаимодействии с расплавом в течение 30 мин. состав и качественные показатели расплава не изменялись. Прочность ПКФ при гидростатическом воздействии расплава в процессе заливки достаточна. Фильтры можно использовать многократно после выплавления расплава, находящегося в порах.
Эффективность очистки алюминиевых расплавов при внутриформенном использовании ПКФ оценивали по механическим показателям отливок, загрязнённости неметаллическими включениями, а также по изломам контрольной и экспериментальных проб. Исследования показали, что прочностные и пластические свойства алюминиевых отливок при внутриформенной фильтрации возросли на 25 и 30 % соответственно вследствие уменьшения количества неметаллических включений. Анализ изломов контрольной и экспериментальной отливок показал, что структура контрольной отливки крупнокристаллическая, после фильтрации – структура мелкозернистая, плотная, следовательно фильтрация через ПКФ подавляет негативную структурную наследственность в системе «шихта-расплав-отливка». В прил. 1 (табл.п. 1.1) приведены данные о возможности использования ПКФ для рафинирования стали и чугуна.