صهر سبائك الألومنيوم, صياغة, وتكنولوجيا الصب

يتطلب إنتاج مواد خام وسبائك الألمنيوم عالية الجودة تحكمًا متكاملاً في كيمياء السبائك, تذوب النظافة, التاريخ الحراري وسلوك التصلب.

كميات صغيرة من الشوائب, ممارسة ذوبان أو تفريغ غير مناسبة, أو التصلب غير المنضبط يمكن أن ينفي الكيمياء الصحيحة.

تقوم هذه الورقة بتجميع مبادئ تصميم السبائك (مع التركيز على آل-مغ-سي / 6063), ممارسات الصهر والتكرير الموصى بها, صقل الحبوب ومعلمات الصب, استراتيجية التجانس,

وإجراءات استكشاف الأخطاء وإصلاحها لتقليل العيوب النموذجية (المسامية, انحباس الأكسيد, الحبوب الخشنة, الفصل).

1. فلسفة التحكم: تعبير و ميزانية النجاسة

• القاعدة الأساسية: تركيبة سبيكة مؤهلة وحدها ضرورية ولكنها غير كافية.
  مجموع الشوائب النزرة (على سبيل المثال, Fe, النحاس, Zn, MN, ل, آحرون) ويجب التحكم في العناصر غير المقصودة إلى الحدود التي تحافظ على تشطيب السطح, استجابة البثق والخواص الميكانيكية النهائية.
• مثال (عملي): على الرغم من أن بعض المعايير تسمح بالزنك بما يصل إلى 0.10 بالوزن٪ في بعض السبائك المطاوع,
  تجربة الإنتاج تظهر ذلك الزنك ≥ 0.05 بالوزن ٪ يمكن أن تنتج بقع بيضاء على أسطح البثق المؤكسدة;
  ولذلك يستهدف العديد من المنتجين Zn < 0.05 بالوزن ٪ لملامح مشرقة النهاية.
• تتفاعل الشوائب: غالبًا ما تكون "ميزانية الشوائب" التراكمية أكثر أهمية من امتثال أي عنصر منفرد للمواصفات.

2. صياغة سبائك: ثالوث آل-مغ-سي (6063 عائلة)

• 6063 النطاقات الاسمية لسبائك الألومنيوم (مثال, لكل GB/T والممارسات الشائعة): و ≈ 0.2–0.6% بالوزن; ملغ ≈ 0.45–0.9% بالوزن; fe ≤ 0.35 بالوزن ٪; عناصر أخرى (النحاس, MN, كر, Zr, ل) عادة < 0.10 بالوزن ٪. (راجع مواصفات المنتج النهائية لمعرفة التفاوتات الدقيقة.)
• مرحلة التعزيز: Mg₂Si هي مرحلة التصلب الرئيسية. فعاليته تعتمد على المغنيسيوم:نسبة Si الذرية إلى الوزن - Mg:نسبة وزن Si لـ Mg₂Si هي ≈ 1.73.
  لتعظيم تصلب السن, يحافظ على ملغ:و ≤ 1.73 (أي. تجنب المغنيسيوم الزائد).
  فائض Si له تأثير سلبي محدود على قابلية ذوبان Mg₂Si; المغنيسيوم الزائد يقلل من الذوبان والاستجابة للعمر.
• الذوبان وسلوك الحرارة/العمر (بيانات عملية): يظهر Mg₂Si اعتماداً قوياً على درجة الحرارة; الثنائي الزائف α(آل)–Mg₂Si أشكال سهلة الانصهار قريبة 595 درجة مئوية.
  الحد الأقصى للذوبان Mg₂Si المذكورة في الممارسة العملية هو ≈ 1.85 بالوزن ٪, وفي 500 درجة مئوية الذوبان ينخفض ​​إلى ≈ 1.05 بالوزن ٪.
  بالتالي, ارتفاع درجات حرارة معالجة المحلول وتزيد سرعة الإخماد الكافية من احتباس المذاب وتزيد من قوة التعتيق - ولكن توجد حدود عملية لتجنب الانصهار الأولي والأكسدة المفرطة.

3. تكنولوجيا الصهر 6063 سبيكة الألومنيوم

الصهر هو العملية الأكثر أهمية لإنتاج جودة عالية سبيكة الألومنيوم بليتس.

يمكن أن يؤدي التحكم غير السليم في العملية إلى عيوب الصب المختلفة, مثل الادراج الخبث, المسامية, الحبوب الخشنة, والبلورات الريشية.

يجب تنفيذ النقاط الفنية الرئيسية التالية بدقة:

التحكم الدقيق في درجة حرارة الصهر

درجة حرارة الصهر المثالية ل 6063 سبائك الألومنيوم هي 750-760 درجة مئوية. التحكم في درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية للأسباب التالية:

• مخاطر درجات الحرارة المنخفضة: درجات الحرارة أقل من 750 درجة مئوية تزيد من لزوجة ذوبان الألومنيوم, تقليل كفاءة فصل الخبث وزيادة احتمالية وجود عيوب في الخبث في الخامات.
• خطر ارتفاع درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة الأعلى من 760 درجة مئوية إلى زيادة حادة في قابلية ذوبان الهيدروجين في مصهور الألومنيوم.
  تظهر الأبحاث المعدنية أن قابلية ذوبان الهيدروجين في الألومنيوم تزداد بشكل كبير مع درجة حرارة أعلى من 760 درجة مئوية.
  تؤدي درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط أيضًا إلى تسريع عملية أكسدة ونترجة الذوبان, مما يؤدي إلى زيادة فقدان حرق عناصر صناعة السبائك, وتتسبب بشكل مباشر في حدوث عيوب مثل الحبوب الخشنة والبلورات الريشية.

وتشمل التدابير الإضافية للحد من امتصاص الهيدروجين:

• التسخين المسبق لأفران وأدوات الصهر إلى درجة حرارة 200-300 درجة مئوية للتخلص من الرطوبة السطحية.
• باستخدام الجافة فقط, المواد الخام والتدفقات غير المتدهورة لتجنب إدخال الرطوبة في الذوبان.

اختيار التدفقات عالية الجودة وتحسين عملية التكرير

التدفقات (بما في ذلك مزيلات الخبث, المصافي, ووكلاء التغطية) هي مواد مساعدة أساسية لصهر سبائك الألومنيوم.
تتكون معظم التدفقات التجارية من الكلوريدات والفلوريدات, والتي هي استرطابي للغاية. تعد إدارة التدفق السيئة مصدرًا رئيسيًا لتلوث الهيدروجين في الذوبان.

مراقبة جودة التدفق

• يجب تجفيف المواد الخام المستخدمة في إنتاج التدفق جيدًا لإزالة الرطوبة, ويجب تعبئة التدفق النهائي بإحكام لمنع الامتصاص الاسترطابي أثناء التخزين والنقل.
• يجب الانتباه إلى تاريخ إنتاج التدفق; تميل التدفقات منتهية الصلاحية إلى امتصاص الرطوبة,
  الذي يتفاعل مع ذوبان الألومنيوم لإنتاج الهيدروجين (2آل + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), مما يؤدي إلى عيوب المسامية في القضبان.

تحسين عملية تكرير حقن المسحوق

تعد عملية التكرير بالحقن من أكثر طرق التكرير استخدامًا على نطاق واسع 6063 سبيكة الألومنيوم, لأنه يتيح الاتصال الكامل بين عامل التكرير والذوبان.

النقاط الفنية الأساسية لهذه العملية هي:

1. التحكم في ضغط النيتروجين: وينبغي أن يبقى ضغط النيتروجين عند أدنى مستوى ممكن, يكفي فقط لحمل عامل التكرير إلى المصهور.
   يؤدي ارتفاع ضغط النيتروجين إلى حدوث اضطرابات عنيفة وتناثر الذوبان, زيادة تكوين أفلام أكسيد جديدة وخطر عيوب إدراج الأكسيد.
2. متطلبات نقاء النيتروجين: نيتروجين عالي النقاء (99.99 ٪) يجب أن تستخدم للتكرير.
   سيؤدي النيتروجين غير النقي الذي يحتوي على رطوبة إلى إدخال هيدروجين إضافي في الذوبان, مكافحة تأثير التكرير.
3. جرعة عامل التكرير: مبدأ المزيد من التدفق, وينبغي اتباع كميات أقل من الغاز.
   زيادة جرعة عامل التكرير يمكن أن تعزز تأثير إزالة الغازات والخبث, في حين أن تقليل استخدام النيتروجين يمكن أن يخفض تكاليف الإنتاج ويقلل من اضطراب الذوبان.
   الهدف الأساسي للعملية هو حقن أكبر قدر ممكن من عامل التكرير في المصهور باستخدام الحد الأدنى من النيتروجين.

معالجة صقل الحبوب

يعد صقل الحبوب أحد أكثر الإجراءات فعالية لتحسين جودة سبائك الألومنيوم وحل عيوب الصب مثل المسامية, الحبوب الخشنة, والبلورات الريشية.

آلية صقل الحبوب هي كما يلي:

أثناء التصلب غير المتوازن, عناصر النجاسة (بما في ذلك عناصر صناعة السبائك) تميل إلى الانفصال عند حدود الحبوب.
تزيد الحبوب الدقيقة من إجمالي مساحة حدود الحبوب, مما يقلل من تركيز عناصر الشوائب عند كل حدود الحبوب.
لعناصر النجاسة, فهذا يقلل من آثارها الضارة; لعناصر صناعة السبائك, وهذا يحسن توحيد توزيعها ويعزز تأثير تقويتها.

يمكن توضيح تأثير صقل الحبوب من خلال عملية حسابية بسيطة: افترض كتلتين معدنيتين من نفس الحجم V, مكونة من حبيبات مكعبة.

إذا كان طول جانب الحبوب من الكتلة 1 هو 2A وذلك للكتلة 2 هو, إجمالي مساحة حدود الحبوب للكتلة 2 هو ضعف الكتلة 1.

وهذا يعني أن تقليل حجم الحبوب بمقدار النصف يضاعف مساحة حدود الحبوب, ويخفض تركيز الشوائب إلى النصف لكل وحدة مساحة حدود الحبوب.

ل 6063 سبيكة تستخدم في التشكيلات بلوري, صقل الحبوب مهم بشكل خاص.

أدق, تضمن الحبوب الأكثر تجانسًا أن سطح المظهر الجانبي يتآكل بشكل موحد أثناء عملية التجميد, مما أدى إلى متسقة, تشطيب بلوري عالي الجودة.

تشمل مصافي الحبوب الشائعة لسبائك الألومنيوم سبائك Al-Ti-B الرئيسية, والتي تضاف عادةً إلى المصهور بجرعة تتراوح بين 0.1-0.3% بالوزن..

4. تكنولوجيا الصب 6063 سبيكة الألومنيوم

الصب هو عملية تحويل مصهور الألومنيوم المكرر إلى كتل صلبة ذات أبعاد محددة. تعد معلمات عملية الصب المعقولة ضرورية لإنتاج قضبان عالية الجودة.

ويجب التأكيد على النقاط الفنية الرئيسية التالية:

اختيار درجة حرارة الصب المثالية

ل 6063 تذوب السبائك المعالجة بمصافي الحبوب, درجة حرارة الصب المثالية هي 720-740 درجة مئوية. يتم تحديد نطاق درجة الحرارة هذا من خلال العوامل التالية:

1. يتميز ذوبان الحبوب المكرر بلزوجة أعلى ومعدلات تصلب أسرع; تضمن درجة حرارة الصب المرتفعة بشكل معتدل سيولة جيدة للمصهور وتمنع عيوب الإغلاق البارد.
2. أثناء الصب, تتشكل منطقة ثنائية الطور سائلة صلبة عند الجزء الأمامي المتصلب من البليت.
   تعمل درجة حرارة الصب المرتفعة إلى حد ما على تضييق هذه المنطقة ذات المرحلتين, مما يسهل هروب الغازات المتولدة أثناء التصلب ويقلل من عيوب المسامية.

لكن, لا ينبغي أن تكون درجة حرارة الصب مرتفعة بشكل مفرط, حيث أن درجات الحرارة المرتفعة ستؤدي إلى تقصير الوقت الفعال لمصفاة الحبوب وتؤدي إلى ظهور هياكل الحبوب الخشنة في مادة البليت.

التسخين المسبق لنظام الصب

جميع مكونات نظام الصب, بما في ذلك المغاسل, الموزعين, والقوالب, يجب تسخينها بالكامل وتجفيفها إلى 200-300 درجة مئوية قبل الصب.

وهذا يمنع التفاعل بين الرطوبة الموجودة على سطح هذه المكونات وذوبان الألومنيوم ذو درجة الحرارة العالية, وهو مصدر رئيسي للتلوث بالهيدروجين.

منع ذوبان الاضطراب واشتمال الأكسيد

أثناء الصب, ويجب التقليل من الاضطراب والتناثر في مصهور الألومنيوم. وينبغي اتباع المبادئ التوجيهية التشغيلية التالية:

• تجنب تحريك الذوبان في المغسلة أو الموزع بالأدوات, لأن هذا سوف يكسر طبقة الأكسيد الواقية على سطح الذوبان, مما يؤدي إلى تكوين أكاسيد جديدة.
• تأكد من أن الذوبان يتدفق بسلاسة إلى القالب تحت حماية طبقة الأكسيد.
  تظهر الأبحاث أن أفلام أكسيد الألومنيوم لها خصائص استرطابية قوية, تحتوي على تقريبا 2 بالوزن % رطوبة.
  إذا تم سحب أفلام الأكسيد هذه إلى المصهور, سوف تتفاعل الرطوبة الموجودة فيها مع الألومنيوم لإنتاج شوائب الهيدروجين والأكسيد, إضعاف جودة البليت بشدة.

معالجة الترشيح الذائب

الترشيح هو الطريقة الأكثر فعالية لإزالة الشوائب غير المعدنية من مصهور الألومنيوم.

ل 6063 صب السبائك, يتم استخدام طريقتين شائعتين للترشيح على نطاق واسع: ترشيح قماش من الألياف الزجاجية متعدد الطبقات وترشيح لوحة مرشح السيراميك.

تشمل النقاط التشغيلية الرئيسية:

• قبل الترشيح, يجب إزالة الخبث السطحي للصهر. يجب تركيب حاجز الخبث في المغسلة لفصل الخبث السطحي عن الذوبان المتدفق, منع الفلتر من الانسداد وضمان الترشيح السلس.
• يجب تسخين الفلتر مسبقًا إلى نفس درجة حرارة المصهور لتجنب الصدمة الحرارية للفلتر ومنع تكوين عيوب الإغلاق البارد في المصهور.

5. علاج التجانس 6063 سبائك الألومنيوم الخام

التصلب غير المتوازن وآثاره

أثناء الصب, يتجمد ذوبان الألومنيوم بسرعة, مما يؤدي إلى تصلب غير متوازن.

في مخطط الطور الثنائي المكون من عنصرين A وB, عندما تتصلب سبيكة تركيبها F,
يجب أن يكون تكوين الطور الصلب المتوازن عند درجة الحرارة T1 هو G, لكن تكوين الطور الصلب الفعلي هو G’ بسبب التبريد السريع.

وذلك لأن معدل انتشار عناصر السبائك في الطور الصلب أبطأ من معدل التبلور, مما يؤدي إلى عدم تجانس التركيب الكيميائي داخل الحبوب (أي., الفصل).

التصلب غير المتوازن 6063 تؤدي سبائك السبائك إلى مشكلتين رئيسيتين:

1. يوجد إجهاد الصب المتبقي بين الحبوب;
2. عدم تجانس التركيب الكيميائي داخل الحبوب بسبب الانفصال.

تزيد هذه المشكلات من صعوبة معالجة البثق اللاحقة وتقلل من الخواص الميكانيكية وأداء المعالجة السطحية للملف النهائي.

لذلك, معالجة التجانس ضرورية للقضبان قبل البثق.

عملية معالجة التجانس

معالجة التجانس هي عملية معالجة حرارية يتم فيها الاحتفاظ بالقضبان عند درجة حرارة عالية (تحت درجة الحرارة الزائدة) للقضاء على إجهاد الصب والفصل الداخلي للحبوب.

المعلمات التقنية الرئيسية هي كما يلي:

• درجة حرارة التجانس: تبلغ درجة الحرارة الزائدة لنظام Al-Mg-Si الثلاثي المثالي 595 درجة مئوية,
  ولكن الفعلي 6063 تحتوي السبائك على عناصر شوائب مختلفة, مما يجعلها نظام متعدد المكونات.
  لذلك, درجة حرارة الاحتراق الفعلية أقل من 595 درجة مئوية.
  درجة حرارة التجانس الأمثل ل 6063 سبيكة هي 530-550 درجة مئوية. درجات الحرارة المرتفعة ضمن هذا النطاق يمكن أن تقلل من وقت الانتظار, توفير الطاقة, وتحسين إنتاجية الفرن.
• عقد الوقت: يعتمد وقت الاحتفاظ على قطر المادة الخام وحجم الحبوب.
  تتطلب الحبوب الدقيقة أوقات احتجاز أقصر لأن مسافة انتشار عناصر السبائك من حدود الحبوب إلى الأجزاء الداخلية من الحبوب أقصر.

تدابير توفير الطاقة لمعالجة التجانس

يتطلب علاج التجانس درجات حرارة عالية وأوقات احتجاز طويلة, مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وتكاليف المعالجة, وهذا هو السبب وراء تخطي العديد من الشركات المصنعة للملفات الشخصية هذه العملية.

وتشمل التدابير الفعالة لتوفير الطاقة:

1. تحسين الحبوب: كما ذكر سابقا, تعمل الحبوب الدقيقة على تقصير وقت احتجاز التجانس المطلوب بشكل كبير, تقليل استهلاك الطاقة.
2. عملية تسخين متكاملة: تمديد فرن تسخين البليت للبثق, وتنفيذ التحكم في درجة الحرارة المجزأة لتلبية متطلبات درجة حرارة التجانس والبثق.
   هذه العملية لها ثلاث مزايا رئيسية:

• • لا يلزم وجود فرن تجانس إضافي;
  • يتم الاستفادة الكاملة من حرارة البليت المتجانس, تجنب التسخين المتكرر قبل البثق;
  • يضمن التسخين طويل الأمد توزيعًا موحدًا لدرجة الحرارة داخل وخارج القالب, وهو مفيد للبثق والمعالجة الحرارية اللاحقة.

6. ضمان الجودة: المقاييس والتفتيش

فحوصات قبول مهمة قبل إطلاق البثق/الصب:

• التحليل الكيميائي (MTR الطيفي الكامل): التحقق من عناصر السبائك الرئيسية والشوائب النزرة - وخاصة الزنك, النحاس والحديد.
• تحليل الهيدروجين / أخذ العينات المسامية: محتوى الهيدروجين من الذوبان (أو مؤشر المسامية على عينات المسبوكات) والتصوير الشعاعي/التصوير المقطعي للقضبان التمثيلية.
• مستوى الشمول / فعالية الترشيح: الفحص البصري لكعكات الترشيح, يعد التضمين المجهري من كوبونات المختبر.
• حجم الحبوب وتوزيع المرحلة: فحص المعادن بعد تصلب العينة; الفريت/حجم الحبوب α, المراحل الثانوية.
• الفحوصات الميكانيكية: الشد والصلابة على الكوبونات لتأكيد استجابة المحلول والسبائك.

7. عيوب الصب الشائعة - الأسباب والعلاجات

8. التقنيات المتقدمة وتحسين العمليات

• التفريغ بالموجات فوق الصوتية: يولد تجويفًا لإزالة الهيدروجين ويمكنه كسر أغشية الأكسيد - وهو فعال في بعض تطبيقات المتاجر الخاصة بالقضبان الصغيرة والمسبوكات عالية القيمة.
• تفريغ degassing / صب الضغط المنخفض: يقلل من مستويات الغاز المذاب ويمكن أن يحسن التغذية; المستخدمة في الإنتاج المتميز.
• التحريك الكهرومغناطيسي: عند تطبيقها بعناية, ينقي الحبوب ويجانس درجة الحرارة; تجنب الاضطراب المفرط في وجه القالب.
• الجرعات الآلية وسجلات الذوبان: إضافة دقيقة للسبائك الرئيسية, التحكم الطيفي AR/IR, وتعمل سجلات الذوبان الرقمية على تقليل الأخطاء البشرية وتضمن إمكانية التتبع.
• أدوات المحاكاة: CFD لتصميم بوابة منخفضة الاضطراب, ونمذجة التصلب لتحسين التدرجات الحرارية وتقليل النقاط الساخنة.

9. البيئة, الاعتبارات الأمنية والاقتصادية

• مخاطر التعامل مع التدفق: أملاح الكلوريد/الفلورايد قابلة للتآكل والرطوبة; الحفاظ على مختومة, التخزين الجاف. توفير معدات الوقاية الشخصية والتحكم في الدخان لاستخدام التدفق.
• إدارة الطاقة: الذوبان والتجانس يستهلكان الكثير من الطاقة; أنظمة الفرن المرحلي,
  استعادة الحرارة المهدرة وتكامل العمليات (التسخين المسبق للقضبان باستخدام حرارة العادم) تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف.
• الخردة وإعادة التدوير: فصل خردة السبائك عالية القيمة عن المواد الملوثة; تنفيذ ممارسات الصهر للحد من العناصر المتشردة والحفاظ على جودة السبائك.

10. خاتمة

إن مصبوبات سبائك الألومنيوم عالية الجودة والمواد الأولية البثق هي نتاج التحكم المنضبط في السبائك, إدارة دقيقة للذوبان وممارسة التصلب المصممة جيدًا.

لسبائك سلسلة 6xxx مثل 6063, يتوقف النجاح على الحفاظ على المغنيسيوم الصحيح: إذا التوازن, حفظ عناصر النجاسة (وخاصة الزنك) أقل من العتبات العملية لجودة السطح,

تجنب الحرارة المفرطة تذوب, باستخدام التكرير الفعال (مسحوق + تطهير الغاز الخاضع للرقابة), تحقيق بنية الحبوب الدقيقة, وتطبيق التجانس المناسب.

وبتنفيذ هذه التدابير معًا -وليس بشكل منفصل- ستكون النتيجة خواص ميكانيكية يمكن التنبؤ بها, جودة سطح قوية وأحداث خردة أو إعادة صياغة أقل تكلفة.

 

الأسئلة الشائعة

لماذا الزنك <0.05 يوصى به عندما تسمح العديد من المواصفات 0.10?

تجربة المتجر العملية تظهر الزنك القريب 0.1 يعزز البقع البيضاء بعد الأكسدة/الصلب; تقليل ل <0.05 يخفف من العيوب السطحية للمقاطع الساطعة/المبثوقة.

ما هي معلمة الانصهار الأكثر حساسية؟?

درجة حرارة الذوبان. فوق حول 760 درجة مئوية يرتفع الهيدروجين المذاب بشكل حاد ويسبب المسامية وعيوب أخرى; حافظ على التحكم في درجة حرارة الذوبان ووقت الإقامة في الحد الأدنى.

تكرير المسحوق مقابل تدفق الغاز العالي - أيهما أفضل?

يستخدم مسحوق تكرير وافر مع الحد الأدنى, تدفق الغاز الخاضع للرقابة. تشكل تدفقات الغاز الكبيرة فقاعات كبيرة ذات فترة إقامة قصيرة: ضعف التفريغ وزيادة الاضطراب.

هل يزيد صقل الحبوب من تحمل درجة حرارة الصب?

نعم - يتحمل ذوبان الحبوب المكرر بشكل فعال درجات حرارة صب أعلى قليلاً (طبعة. 720-740 درجة مئوية) لأن المنطقة الطرية تضيق وتتحسن التغذية; ولكن يجب أن يظل ارتفاع درجة الحرارة محدودًا.

هل يمكن إعادة استخدام خردة الصب بشكل آمن?

نعم, لكن قم بمراقبة العناصر المتشردة وفصلها حسب عائلة السبائك. تزيد المواد المعاد تدويرها من عبء الشوائب وتتطلب ممارسة أكثر دقة في الذوبان وتحكمًا أكثر صرامة في MTR.