Переработка алюминия и его сплавов

Одну из главных проблем при переработке алюминия и его сплавов составляет накопление примесей. Основными источниками примесей являются:

1) перемешивание сплавов из-за плохого разделения скрапа, загрязнение металла окалиной из печи, переплав изделий, состоящих не из одного сплава, например консервных банок из-под напитков и листов с различными покрытиями;

2) загрязнение скрапа посторонними материалами, такими как полосовое железо, используемое при сборе скрапа, песок, окрашенные листы и покрытия на консервных банках;

3) попадание в металл при плавке и литье неметаллических включений, таких как окисные плены и алюминиево-магниевая шпинель;

4) загрязнения, попадающие из печного оборудования, огнеупорной кладки, и водород из атмосферы печи.

Перемешивание сплавов в отходах и в скрапе представляет собой наиболее серьезный вопрос, поскольку это приводит к тому, что изготавливаемый материал может не соответствовать требованиям стандартов Алюминиевой Ассоциации. Ярким примером того является смешение материалов, из которых производятся консервные банки: цилиндрическая часть банки из сплава 3004, а донышки- из сплава 5182. Вторичный сплав, получаемый при переработке таких отходов, надо либо разбавлять чистым алюминием, либо изменять каким-либо другим способом, чтобы он соответствовал составу одного из исходных сплавов.

В большинстве стандартов Алюминиевой Ассоциации допускается присутствие в сплаве примесей в количестве до 0,05 % каждой, при этом суммарное их содержание не должно превышать 0,15 %. В некоторых сплавах указанные пределы более низкие, но для определенных элементов, в частности железа и кремния, они более высокие в большинстве случаев. Расплавленный алюминий может восстанавливать окислы и быстро растворяет большинство элементов, поэтому попадание примесей во вторичный алюминий — вполне обычное явление; при этом их содержание не обязательно превышает установленные пределы, но они могут заметно изменять механические и физические свойства.

Влияние различных элементов в широком интервале концентраций рассматривается далее в этой главе; физическое металловедение вторичных алюминиевых сплавов подробно исследовано в работе. Краткие выводы из этой работы относительно допустимости и влияния различных примесей и добавок приведены ниже, чтобы проиллюстрировать многообразие проблем, которые могут иметь место при переработке сплавов.

Плавка и литье вторичных сплавов

Взрывоопасность. Эта основная проблема возникает в случае, когда шихта, загруженная в печь, содержит влагу, ржавчину или определенные химические вещества.

Повышенное выгорание металла при плавке. Усиленное образование шлака происходит при наличии в скрапе органических и анодных покрытий, а также если в качестве легирующих элементов или примесей в сплаве присутствуют литий, натрий, кальций, магний, висмут и цинк.

Включения. Возможными включениями являются окись алюминия, шпинель MgAl2O4, дибориды титана и ванадия, карбид алюминия, а также крошки огнеупорной кладки печи, осколки инструмента, используемого при чистке печи, кусочки фильтров. В сплавах с относительно высоким содержанием магния или цинка первичные выделения интерметаллидов могут кристаллизоваться из расплава при большом содержании примесей переходных металлов.

Газовая пористость. Водород, который легко поглощается расплавленным алюминием из паров воды и из веществ, содержащих водород, например из покрытий, вызывает образование пористости в слитках и отливках, если расплав недостаточно хорошо обработан флюсом.



Горячеломкость и хрупкость. В сплавах Al-Mg(Mn), таких как 5182, присутствие натрия или кальция (нескольких частей на миллион) может вызвать образование трещин при горячей прокатке. Небольшие количества легкоплавких металлов, например индия, олова, висмута, кадмия и свинца, могут привести к горячим трещинам в некоторых сплавах.

Возврат и рекристаллизация. Небольшие добавки циркония и хрома и в меньшей степени ванадия и марганца снижают скорость возврата при отжиге, повышают температуру рекристаллизации и увеличивают конечный размер зерна.

Термическая обработка. Повышенное содержание хрома и марганца увеличивает чувствительность к скорости охлаждения при закалке у дисперсионно твердеющих сплавов. Небольшие добавки кадмия, индия или олова изменяют кинетику образования выделений в Al —Cu сплавах.



Пониженные пластичность, прочность и вязкость разрушения. При повышенном содержании железа и кремния увеличивается объемная доля нерастворимых интерметаллических фаз, которые снижают деформацию при разрушении. Другие элементы, которые могут образовывать интерметаллические соединения, такие как никель, кобальт или соединения железа с марганцем или медью, оказывают такое же вредное влияние.

Пониженная электропроводность. Все элементы, находящиеся в твердом растворе, снижают электропроводность, но особенно сильно сказывается присутствие ванадия, хрома, титана и марганца.

Нестабильность сварочной дуги. Присутствие даже 10 частей на миллион (10 млн.-1) лития или кальция в сварочной проволоке сплавов серии 5ХХХ вызывает нестабильность сварочной дуги. Ухудшение паяемости вакуумной пайкой. При наличии 10 млн. лития или кальция в плакирующем слое паяемого листа затрудняется процесс вакуумной пайки.



Износ режущего инструмента. Твердые включения (окислы, дибориды и некоторые интерметаллические фазы) вызывают повышенный износ резцов.

Кристаллографическая текстура. Содержание железа и кремния и их соотношение влияют на прокатку и текстуру рекристаллизации в листах. В малолегированных сплавах может отрицательно сказываться присутствие таких примесей, как медь, марганец и хром.



Токсичность. Сварочная проволока и сплавы, предназначенные для использования в сварных конструкциях, не должны содержать более чем несколько миллионных долей бериллия во избежание образования токсичных паров окиси бериллия. В сплавах, предназначенных для изготовления упаковок для пищевых продуктов, содержание токсичных металлов (олова, мышьяка, кадмия и таллия) должно быть строго ограниченно.

Коррозионные свойства. Если фольга сплава 1145 содержит более 3 млн.-1 лития, она приобретает склонность к коррозионным пятнам типа "голубой дымки", что ограничивает срок ее хранения. Небольшие количества никеля и большая часть элементов-примесей, образующих выделения вторых фаз, обычно снижают коррозионную стойкость. Малые примеси галлия и ртути влияют на скорость коррозии в морской атмосфере.

Плакировка. Небольшие содержания меди изменяют анодный потенциал сплава 7072, используемого для плакировки.

Отделочные операции поверхности. На поверхности прессованных полуфабрикатов из сплава 6063 в присутствии > 0,02 % Zn могут образовываться неровности в виде блесток при травлении в растворе NaOH.