» » Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg
08.02.2017

При изучении природы флюсов и их физико-химических свойств установлено, что свойства солевых смесей (флюсов) в значительной степени зависят от свойств солей, образующих данный флюс.
Флюсы для плавки алюминиевых сплавов обычно представляют собой смеси галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов; присутствие фторидов (NaF, CaF2, Na3AlF6) придает флюсам рафинирующие свойства. Такие флюсы наряду с определенными химическими свойствами (пассивность по отношению к газам печной атмосферы, к футеровке печей и т. д.) должны обладать рядом физических свойств. К ним прежде всего следует отнести поверхностное натяжение, смачивание жидким флюсом расплавленного металла и твердых неметаллических включений, а также способность рафинировать расплав от неметаллических включений, минимальную гигроскопичность, меньшие температуру плавления и плотность, чем у алюминиевых сплавов. Многообразие нужных свойств обеспечивается применением многокомпонентных флюсов.
Вводя во флюс соли с различными значениями поверхностного натяжения, можно регулировать поверхностное натяжение флюса. Например, чем больше поверхностно активных солей находится во флюсе, тем меньше его поверхностное натяжение и лучше он защищает расплав. Смачивающая способность хлоридов и в особенности фторидов щелочноземельных металлов мала. Поэтому основой защитных флюсов при плавке алюминиевых сплавов являются хлориды калия и натрия.
Фтористые соли повышают поверхностное натяжение флюса на границе с расплавом и способствуют отделению его от расплава. Фториды, особенно криолит, оказывают на алюминиевые сплавы и рафинирующее действие.
Составы рекомендуемых покровно-рафинирующих флюсов, применяемых при плавке Al—Mg, Al—Mg—Si и Al—Zn—Mg сплавов, таковы; 80% карналлита (MgCl2*KCl)+20% плавикового шпата (СаF2) и 60% карналлита +40% плавикового шпата.
Следует учитывать, что соли, входящие в состав флюсов, содержат влагу и обладают повышенной гигроскопичностью. Исследованиями установлено, что даже при относительно небольшом содержании влаги во флюсе (0,02%) происходит сильное насыщение сплава водородом. Поэтому соли рекомендуется тщательно просушивать при 150—200°С в течение 10 ч для удаления гигроскопической влаги. После просушки соли размалывают и просеивают через сито с отверстиями диаметром 3—5 мм. Хранят готовый флюс в сушильных шкафах или в металлических ящиках в сухом помещении.
Покровно-рафинирующие флюсы защищают сплавы от взаимодействия с атмосферой печи, способствуют очищению от твердых и газообразных неметаллических включений. Рафинирующее действие флюсов заключается в том, что они способны адсорбировать до 10% (по массе) окиси алюминия и растворять до 1%, при этом удаляется и водород, образующий с окисью алюминия комплексы.
Покровно-рафинирующие флюсы должны быть более легкоплавкими и легкими, чем обрабатываемые ими сплавы, а также обладать хорошей жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением. Эти требования удовлетворяются правильным подбором компонентов, входящих в состав флюсовых смесей: KaCl и KCl в соотношении 1:1 образуют легкоплавкую эвтектику, NaF увеличивает поверхностное натяжение, криолит (NasAlFe) способствует адсорбции и растворению окиси алюминия.
В сплавах с повышенным содержанием магния окисная пленка состоит в основном из MgO, на которую криолит не оказывает адсорбирующего воздействия. Рафинирование этих сплавов производится флюсом, содержащим карналлит (MgCl2*KCl), так как хлористый магний хорошо адсорбирует окись магния.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Была сделана попытка использовать для защиты и рафинирования сплавов Al—Mg флюс, состоящий не из солей, а из окислов. Исследованы флюсы, составы которых приведены в табл. 67.
Ниже приведены плотности исследованных флюсов (см. табл. 67):
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Наибольшей эффективности удалось добиться при применении флюса 3, так как в условиях плавки этот флюс обладает малыми летучестью и теплопроводностью и высокой вязкостью, при этом исследование кинетики восстановления алюминиевомагниевым сплавом окислов кремния, натрия и калия, входящих в легкоплавкий силикатный флюс, показало, что в интервале температур 700—800° С при выдержках вплоть до 75—90 мин кремнезем, а также окислы натрия и калия из флюса практически не восстанавливаются.
Поведение водорода в сплавах АЛ23 и АЛ27 исследовалось при параллельном измерении содержания влаги в атмосфере плавильного агрегата в зависимости от технологии плавки (под карналлитом, под легкоплавким силикатным флюсом и после вакуумирования). Результаты исследования приведены в табл. 68.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Анализ содержания водорода в сплавах АЛ23 и АЛ27, выплавленных по различным технологиям, показывает, что применение вакуумной дегазации приводит к снижению содержания водорода в сплавах примерно в 1,5 раза по сравнению с металлом, выплавленным под карналлитом. Проведение плавки под легкоплавким силикатным флюсом обеспечивает содержание водорода в металле на уровне вакуумированного сплава.
Защитное легирование — это защита металла от коррозии прочными и плотными окисными пленками. Отношение молекулярного объема таких пленок к атомному объему металла, из которого пленка образовалась, больше единицы. Эти пленки мало проницаемы для многих газов, в частности для кислорода и азота — основных источников образования шлаковых включений в отливках.
П ленка па поверхности сплавов алюминия даже с 1 % Mg состоит только из окиси магния. Поэтому сплавы систем Al—Mg, Al—Zn—Mg, приготовленные без защиты, негодны к употреблению из-за содержания большого количества твердых неметаллических включений, которые обычно окрашены в темные тона, называются «чернотой» и чаще всего встречаются в массивных частях отливки. Данные структурного анализа показали, что вещество с темной окраской состоит из двух соединений — Mg (AlO2)2 и Аl2О3, присутствие которых возможно и в сплавах.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Применение защитного флюса (карналлит+плавиковый шпат) позволило в известной мере бороться с этим дефектом. Однако более эффективные защитные средства — это легирующие добавки, окислы которых устойчивее, чем окисел основного металла. Такой способ защиты тем более выгоден, что позволяет одновременно повышать механические свойства сплавов и измельчать (модифицировать) структуру.
На рис. 57 показано действие добавок бериллия, титана и циркония на окисляемость сплава АЛ8 и измельчение его структуры.
Ниже показан эффект модифицирования сплава АЛ8 титаном и цирконием, отлитого в песчаные формы:
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

В соответствии с теорией Эванса, окислы модифицирующих добавок повышают также механическую прочность основы окисной пленки.
В присутствии бериллия механизм окисления, по-видимому, принципиально изменяется. Бериллий в силу большого сродства к кислороду, примерно равного сродству к кислороду магния, будет окисляться одним из первых. Образующаяся окись бериллия из-за сравнительно малого молекулярного объема вряд ли сможет создать сплошной защитный слой, но, по-видимому, расположится в норах, трещинах окиси магния и шпинели (Mg2Al2О4) в виде вкраплений. Из-за малого размера ионного радиуса бериллия окись его способна растворяться в шпинели Alg2Al2О4. При этом следует учитывать, что окись бериллия характеризуется низкой электропроводностью, что, согласно теории Вагнера, может оказать влияние на скорость диффузии в окислах. В табл. 69 приведены свойства некоторых окислов.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Из приведенных выше данных следует, что окись бериллия обладает меньшей электропроводностью, чем окислы магния и алюминия. Поэтому окись бериллия, растворяясь в шпинельной пленке, будет уменьшать скорость диффузии ионов, и процесс окисления затормозится. Когда же образуется двойная окись BeAl2О4, для которой характерен большой молекулярный объем (34 см3), то создается, по-видимому, самостоятельный и надежный защитный слой. Совокупное действие названных факторов в присутствии бериллия обеспечивает снижение окисляемости алюминиевомагниевых сплавов в сотни раз.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

Исследование окисляемости алюминиевомагниевых сплавов было проведено с целью выявления возможности замены бериллия другими элементами. Окисляемость сплавов оценивали по привесу образцов. Установлено, что только добавка бериллия (0,1% и 0,005%) вместе с цирконием способствует значительному уменьшению окисляемости алюминиевомагниевого сплава в жидком состоянии (рис. 58).
Остальные добавки почти в 1,5 раза уменьшили окисляемость сплава; судя по величине относительного привеса образцов эффективность их действия практически одинакова.
Защита расплава сплавов Al-Mg и Al-Zn-Mg

В табл. 70 показано влияние некоторых микродобавок на механические свойства алюминиевомагниевого сплава, из данных которой следует, что сплав обладает наилучшими свойствами также при комплексном введении добавок бериллия, бора и циркония.