Topljenje legura aluminijuma, Formulacija, i tehnologija livenja

Proizvodnja visokokvalitetnih sirovina i odlivaka za ekstruziju aluminijuma zahteva integrisanu kontrolu hemije legura, topiti čistoću, termička istorija i ponašanje učvršćivanja.

Male količine nečistoća, neprikladna praksa topljenja ili otplinjavanja, ili nekontrolisano skrućivanje može poništiti inače ispravne hemije.

Ovaj rad sintetizira principe dizajna legura (sa naglaskom na Al-Mg-Si / 6063), preporučena praksa topljenja i rafiniranja, parametri rafiniranja zrna i livenja, strategija homogenizacije,

i mjere za rješavanje problema za minimiziranje tipičnih kvarova (poroznost, zarobljavanje oksida, grubo zrno, segregacija).

1. Filozofija kontrole: sastav i budžet za nečistoću

• Primarno pravilo: samo kvalifikovani sastav legure je neophodno ali ne i dovoljno.
  Ukupan broj nečistoća u tragovima (npr., FE, Cu, ZN, MN, Od, drugi) a neželjeni elementi moraju se kontrolisati do granica koje čuvaju završnu obradu površine, odziv na ekstruziju i konačna mehanička svojstva.
• Primer (praktično): iako neki standardi dozvoljavaju Zn do 0.10 tež.% u određenim kovanim legurama,
  proizvodno iskustvo to pokazuje Zn ≥ 0.05 wt% može proizvesti bijele mrlje na oksidiranim ekstruzijskim površinama;
  mnogi proizvođači stoga ciljaju ZN < 0.05 wt% za svijetle završne profile.
• Nečistoće su u interakciji: kumulativni "budžet nečistoće" često je važniji od usklađenosti bilo kojeg elementa sa specifikacijom.

2. Formulacija legure: trijada Al–Mg–Si (6063 porodica)

• 6063 nominalni rasponi legure aluminijuma (primjer, po GB/T i uobičajena praksa): I ≈ 0.2–0,6 tež.%; Mg ≈ 0.45–0,9 tež.%; Fe ≤ 0.35 wt%; ostali elementi (Cu, MN, CR, Zr, Od) obično < 0.10 wt%. (Za tačne tolerancije pogledajte specifikaciju finalnog proizvoda.)
• Faza jačanja: Mg₂Si je glavna faza stvrdnjavanja. Njegova efikasnost zavisi od Mg:Si atomski/težinski odnos — Mg:Omjer težine Si Mg₂Si je ≈ 1.73.
  Za maksimiziranje starenja, održavati Mg:I ≤ 1.73 (i.e. izbegavajte višak Mg).
  Višak Si ima ograničen negativan uticaj na rastvorljivost Mg₂Si; višak Mg smanjuje rastvorljivost i starenje.
• Rastvorljivost i ponašanje topline/starosti (praktični podaci): Mg₂Si pokazuje jaku temperaturnu zavisnost; pseudobinarni α(Al)–Mg₂Si eutektika se formira u blizini 595 ° C.
  Maksimalna rastvorljivost Mg₂Si navedena u praksi je ≈ 1.85 wt%, i na 500 ° C rastvorljivost pada na ≈ 1.05 wt%.
  Samim tim, više temperature obrade rastvora i odgovarajuća brzina gašenja povećavaju zadržavanje otopljene tvari i povećavaju snagu starenja - ali postoje praktična ograničenja kako bi se izbjeglo početno topljenje i pretjerana oksidacija.

3. Tehnologija topljenja of 6063 Aluminijumska legura

Topljenje je najkritičniji proces za proizvodnju visokog kvaliteta aluminijumska legura Billets.

Nepravilna kontrola procesa može dovesti do raznih grešaka u livenju, kao što su inkluzije šljake, poroznost, krupna zrna, i pernati kristali.

Sljedeće ključne tehničke tačke moraju se striktno provoditi:

Precizna kontrola temperature topljenja

Optimalna temperatura topljenja za 6063 legura aluminijuma je 750–760°C. Kontrola temperature je kritična iz sljedećih razloga:

• Rizik od niske temperature: Temperature ispod 750°C povećavaju viskozitet taline aluminijuma, smanjenje efikasnosti odvajanja šljake i povećanje vjerovatnoće defekta inkluzije šljake u gredicama.
• Rizik od visoke temperature: Temperature iznad 760°C uzrokuju naglo povećanje rastvorljivosti vodonika u talini aluminijuma.
  Metalurška istraživanja pokazuju da se rastvorljivost vodonika u aluminijumu eksponencijalno povećava sa temperaturom iznad 760°C.
  Previše visoke temperature također ubrzavaju oksidaciju i nitridaciju taline, što dovodi do povećanog gubitka legirajućih elemenata izgaranjem, i direktno izazivaju defekte kao što su gruba zrna i pernati kristali.

Dodatne mjere za smanjenje apsorpcije vodonika uključuju:

• Predgrijavanje peći i alata za topljenje na 200–300°C kako bi se eliminirala površinska vlaga.
• Koristeći samo suvo, neiskvarene sirovine i fluksovi kako bi se izbjeglo unošenje vlage u talinu.

Odabir visokokvalitetnih fluksa i optimizacija procesa rafiniranja

Fluxes (uključujući sredstva za uklanjanje šljake, rafinerije, i agenti za pokrivanje) su neophodni pomoćni materijali za topljenje aluminijskih legura.
Većina komercijalnih fluksa sastoji se od hlorida i fluorida, koji su visoko higroskopni. Loše upravljanje fluksom glavni je izvor kontaminacije vodonikom u talini.

Kontrola kvaliteta fluksa

• Sirovine za proizvodnju fluksa moraju se temeljito osušiti kako bi se uklonila vlaga, a gotov fluks mora biti hermetički zapakiran kako bi se spriječila higroskopska apsorpcija tokom skladištenja i transporta.
• Treba obratiti pažnju na datum proizvodnje fluksa; fluksovi koji su istekli imaju tendenciju da upijaju vlagu,
  koji reaguje sa talinom aluminijuma i proizvodi vodonik (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂↑), što dovodi do oštećenja poroznosti u gredicama.

Optimizacija procesa rafiniranja ubrizgavanjem praha

Rafiniranje ubrizgavanjem praha je najrasprostranjenija metoda rafiniranja 6063 aluminijumska legura, jer omogućava pun kontakt između agensa za rafinaciju i taline.

Osnovne tehničke tačke ovog procesa su:

1. Kontrola pritiska dušika: Pritisak azota treba da bude što je moguće niži, dovoljno da se agens za rafinaciju prenese u talinu.
   Visok pritisak dušika uzrokuje burne turbulencije i prskanje taline, povećavajući stvaranje novih oksidnih filmova i rizik od defekta inkluzije oksida.
2. Zahtjevi za čistoću dušika: Azot visoke čistoće (≥99,99%) mora se koristiti za rafiniranje.
   Vlaga koja sadrži nečisti dušik će uvesti dodatni vodonik u talinu, suprotstavljanje efektu rafiniranja.
3. Doziranje agensa za rafiniranje: Princip većeg protoka, manje gasa treba pratiti.
   Povećanje doze agensa za rafinaciju može poboljšati efekat otplinjavanja i uklanjanja šljake, dok smanjenje upotrebe dušika može smanjiti troškove proizvodnje i minimizirati turbulenciju taljenja.
   Osnovni cilj procesa je ubrizgavanje maksimalne količine agensa za rafinaciju u talinu koristeći minimalnu količinu dušika.

Tretman rafiniranja zrna

Rafiniranje zrna je jedna od najefikasnijih mjera za poboljšanje kvaliteta gredica od aluminijske legure i rješavanje nedostataka livenja kao što je poroznost, krupna zrna, i pernati kristali.

Mehanizam prečišćavanja zrna je sljedeći:

Tokom neravnotežnog očvršćavanja, nečistoće (uključujući legirne elemente) imaju tendenciju da se segregiraju na granicama zrna.
Finija zrna povećavaju ukupnu graničnu površinu zrna, što smanjuje koncentraciju elemenata nečistoća na svakoj granici zrna.
Za nečistoće, to smanjuje njihovo štetno djelovanje; za legirne elemente, ovo poboljšava njihovu uniformnost distribucije i pojačava njihov efekat jačanja.

Efekat prečišćavanja zrna može se ilustrovati jednostavnim proračunom: pretpostavimo dva metalna bloka iste zapremine V, sastavljena od kubnih zrna.

Ako je dužina zrnaste strane bloka 1 je 2a i blok 2 je a, ukupna površina granice zrna bloka 2 je dvostruko veći od bloka 1.

To znači da smanjenje veličine zrna za polovicu udvostručuje površinu granice zrna, i prepolovi koncentraciju nečistoća po jedinici granične površine zrna.

Za 6063 legura koja se koristi u mat profilima, prečišćavanje zrna je posebno važno.

Finije, ujednačenija zrna osiguravaju da je površina profila ravnomjerno korodirana tokom procesa gnječenja, što rezultira dosljednim, visokokvalitetna matirana završna obrada.

Uobičajeni rafineri za aluminijske legure uključuju Al-Ti-B glavne legure, koji se obično dodaju u talinu u dozi od 0,1-0,3 mas.%.

4. Tehnologija livenja 6063 Aluminijumska legura

Lijevanje je proces pretvaranja rafinirane aluminijske taline u čvrste gredice određenih dimenzija. Razumni parametri procesa livenja su neophodni za proizvodnju visokokvalitetnih gredica.

Sljedeće ključne tehničke tačke moraju biti naglašene:

Izbor optimalne temperature livenja

Za 6063 taline legura tretirane rafinerima zrna, optimalna temperatura livenja je 720–740°C. Ovaj temperaturni raspon je određen sljedećim faktorima:

1. Rafinirana talina ima veći viskozitet i brže očvršćavanje; umjereno povišena temperatura livenja osigurava dobru fluidnost taline i sprječava defekte hladnog zatvaranja.
2. Tokom livenja, tečno-čvrsta dvofazna zona formira se na prednjem dijelu gredice.
   Umjereno visoka temperatura livenja sužava ovu dvofaznu zonu, što olakšava izlazak gasova nastalih tokom skrućivanja i smanjuje poroznost.

Međutim, temperatura livenja ne bi trebalo da bude previsoka, jer će visoke temperature skratiti efektivno vrijeme rafinera zrna i dovesti do grubih struktura zrna u gredici.

Predgrijavanje sistema za livenje

Sve komponente sistema livenja, uključujući i pranje, distributeri, i kalupi, mora biti potpuno zagrijan i osušen na 200-300°C prije livenja.

Ovo sprečava reakciju između vlage na površini ovih komponenti i taline aluminijuma na visokoj temperaturi, koji je glavni izvor kontaminacije vodonikom.

Prevencija turbulencije taline i uključivanja oksida

Tokom livenja, turbulencija i prskanje taline aluminijuma moraju biti svedeni na minimum. Treba se pridržavati sljedećih operativnih smjernica:

• Izbjegavajte miješanje taline u perilici ili razdjelniku alatima, jer će to razbiti zaštitni oksidni film na površini taline, što dovodi do stvaranja novih oksida.
• Pobrinite se da talina glatko teče u kalup pod zaštitom oksidnog filma.
  Istraživanja pokazuju da aluminijski oksidni filmovi imaju jaka higroskopna svojstva, koji sadrže približno 2 tež.% vlage.
  Ako se ovi oksidni filmovi uvuku u talinu, vlaga koju oni sadrže će reagovati sa aluminijumom i proizvesti inkluzije vodika i oksida, ozbiljno narušava kvalitet gredice.

Tretman filtracijom taline

Filtracija je najefikasnija metoda za uklanjanje nemetalnih inkluzija iz taline aluminija.

Za 6063 livenje legure, dvije uobičajene metode filtracije se široko koriste: višeslojna filtracija od fiberglas tkanine i filtracija keramičke filter ploče.

Ključne operativne tačke uključuju:

• Prije filtracije, površinska šljaka taline mora biti uklonjena. U perionici treba postaviti pregradu za šljaku kako bi se površinska šljaka odvojila od taline koja teče, sprečava začepljenje filtera i osigurava glatku filtraciju.
• Filter treba prethodno zagrijati na istu temperaturu kao i talina kako bi se izbjegao termički udar na filter i spriječilo stvaranje hladno zatvorenih defekata u talini.

5. Homogenizacija Tretman of 6063 Aluminijske legure gredice

Neravnotežno skrućivanje i njegovi efekti

Tokom livenja, aluminij se brzo stvrdnjava, što dovodi do neravnotežnog očvršćavanja.

U binarnom faznom dijagramu sastavljenom od dva elementa A i B, kada se legura sastava F očvrsne,
ravnotežni sastav čvrste faze na temperaturi T1 bi trebao biti G, ali stvarni sastav čvrste faze je G’ zbog brzog hlađenja.

To je zato što je brzina difuzije legirajućih elemenata u čvrstoj fazi sporija od brzine kristalizacije, što dovodi do nehomogenosti hemijskog sastava unutar zrna (I.E., segregacija).

Neravnotežno očvršćavanje 6063 legure gredice rezultiraju dva glavna problema:

1. Preostalo naprezanje prilikom livenja postoji između zrna;
2. Nehomogenost hemijskog sastava unutar zrna zbog segregacije.

Ovi problemi povećavaju poteškoće naknadne obrade ekstruzijom i smanjuju mehanička svojstva i učinak površinske obrade završnog profila.

Stoga, homogenizacijski tretman je neophodan za gredice prije ekstruzije.

Proces tretmana homogenizacije

Homogenizacijski tretman je proces toplinske obrade u kojem se gredice drže na visokoj temperaturi (ispod temperature pregorevanja) kako bi se eliminisalo naprezanje prilikom livenja i unutrašnja segregacija zrna.

Ključni tehnički parametri su sljedeći:

• Temperatura homogenizacije: Temperatura pregorevanja idealnog Al-Mg-Si ternarnog sistema je 595°C,
  ali stvarni 6063 legura sadrži razne nečistoće, što ga čini višekomponentnim sistemom.
  Stoga, stvarna temperatura pregorevanja je niža od 595°C.
  Optimalna temperatura homogenizacije za 6063 legura je 530–550°C. Više temperature unutar ovog raspona mogu skratiti vrijeme zadržavanja, uštedite energiju, i poboljšati produktivnost peći.
• Holding Time: Vrijeme držanja ovisi o prečniku gredice i veličini zrna.
  Finija zrna zahtijevaju kraće vrijeme držanja jer je difuzijska udaljenost legirajućih elemenata od granica zrna do unutrašnjosti zrna kraća.

Mere uštede energije za tretman homogenizacije

Homogenizacijski tretman zahtijeva visoke temperature i dugo vrijeme držanja, što rezultira velikom potrošnjom energije i troškovima obrade, zbog čega mnogi proizvođači profila preskaču ovaj proces.

Učinkovite mjere uštede energije uključuju:

1. Grbino usavršavanje: Kao što je spomenuto ranije, sitnija zrna značajno skraćuju potrebno vreme zadržavanja homogenizacije, Smanjenje potrošnje energije.
2. Integrirani proces grijanja: Produžite peć za grijanje gredica za ekstruziju, i implementirati segmentiranu kontrolu temperature kako bi se zadovoljili zahtjevi za temperaturom homogenizacije i ekstruzije.
   Ovaj proces ima tri glavne prednosti:

• • Nije potrebna dodatna peć za homogenizaciju;
  • Toplina homogenizirane gredice je u potpunosti iskorištena, izbjegavanje ponovnog zagrijavanja prije ekstruzije;
  • Dugotrajno zagrijavanje osigurava ravnomjernu raspodjelu temperature unutar i izvan gredice, što je korisno za ekstruziju i naknadnu termičku obradu.

6. Osiguranje kvaliteta: metrika i inspekcija

Važne provjere prihvatljivosti prije puštanja u ekstruziju/lijevanje:

• Hemijska analiza (puni spektrohemijski MTR): provjeriti glavne legirajuće elemente i nečistoće u tragovima — posebno Zn, Cu i Fe.
• Analiza vodonika / uzorkovanje poroznosti: sadržaj vodonika u talici (ili indeks poroznosti na uzorku odljevaka) i radiografija/CT reprezentativnih gredica.
• Nivo inkluzije / efikasnost filtracije: optički pregled filter kolača, mikroskopski broj inkluzija iz laboratorijskih kupona.
• Veličina zrna i fazna distribucija: metalografske provjere nakon skrućivanja uzorka; ferit/α veličina zrna, sekundarne faze.
• Mehaničke provere: zatezanje i tvrdoća na kuponima za potvrdu odgovora otopine i legure.

7. Uobičajeni defekti odljevka — uzroci i lijekovi

8. Napredne tehnike i tehnike za poboljšanje procesa

• Ultrazvučno otplinjavanje: stvara kavitaciju za uklanjanje vodonika i može razbiti oksidne filmove — djelotvorno u nekim radnjama za male gredice i odljevke visoke vrijednosti.
• Vakuum degasiranje / Lepljenje niskog pritiska: smanjuje nivoe rastvorenih gasova i može poboljšati hranjenje; koristi se u premium proizvodnji.
• Elektromagnetno mešanje: kada se nanosi pažljivo, rafinira zrno i homogenizira temperaturu; izbjegavajte pretjeranu turbulenciju na licu kalupa.
• Automatsko doziranje i evidencija taljenja: precizno dodavanje master legure, Kontrola AR/IR spektra, i digitalni dnevnici taline smanjuju ljudsku grešku i osiguravaju sljedivost.
• Alati za simulaciju: CFD za dizajn gejta niske turbulencije, i modeliranje očvršćavanja radi optimizacije termičkih gradijenta i minimiziranja vrućih tačaka.

9. Ekološki, sigurnost i ekonomska razmatranja

• Opasnosti pri rukovanju fluksom: hloridne/fluoridne soli su korozivne i higroskopne; održavati zapečaćeno, suvo skladištenje. Obezbedite LZO i kontrolu dima za upotrebu fluksa.
• Upravljanje energijom: topljenje i homogenizacija su energetski intenzivni; stepenasti sistemi peći,
  povrat otpadne topline i integracija procesa (prethodno zagrijati gredice korištenjem izduvne topline) donose značajne uštede troškova.
• Otpad i reciklaža: odvojite otpad od legure visoke vrijednosti od kontaminiranog materijala; implementirati prakse topljenja kako bi se ograničili elementi koji se kreću i održao kvalitet legure.

10. Zaključak

Visokokvalitetni odljevci od aluminijskih legura i sirovina za ekstruziju su proizvod disciplinirane kontrole legure, precizno upravljanje topljenjem i dobro osmišljena praksa očvršćavanja.

Za legure serije 6xxx kao npr 6063, uspjeh zavisi od održavanja ispravnog Mg: Ako balans, zadržavanje elemenata nečistoće (posebno Zn) ispod praktičnih pragova za kvalitet površine,

izbjegavanje prekomjernog pregrijavanja topljenja, koristeći efektivnu rafinaciju (u prahu + kontrolisano ispuštanje gasa), postizanje finozrnaste strukture, i primjenom odgovarajuće homogenizacije.

Provedite ove mjere zajedno — umjesto izolovano — i rezultat će biti predvidljiva mehanička svojstva, robustan kvalitet površine i manje skupih otpadaka ili prerade.

 

FAQs

Zašto je Zn <0.05 preporučuje se kada mnoge specifikacije dozvoljavaju 0.10?

Praktično iskustvo trgovine pokazuje Zn u blizini 0.1 potiče bijele mrlje nakon oksidacije/žarenja; svodeći na <0.05 ublažava površinske nedostatke za svijetle/ekstrudirane profile.

Koji je jedini najosetljiviji parametar topljenja?

Temperatura topljenja. Iznad o 760 ° C otopljeni vodik naglo raste i uzrokuje poroznost i druge nedostatke; održavati kontroliranu temperaturu taline i minimalno vrijeme zadržavanja.

Rafiniranje praha naspram visokog protoka gasa — što je bolje?

Koristiti dovoljno rafinirajućeg praha sa minimalnim, kontrolisanog protoka gasa. Veliki tokovi gasa stvaraju velike mehuriće sa kratkim zadržavanjem: slabo otplinjavanje i povećana turbulencija.

Da li rafiniranje zrna povećava toleranciju temperature livenja?

Da — efektivno rafinisana talina toleriše nešto više temperature livenja (tip. 720–740 °C) jer se kašasta zona sužava i hranjenje se poboljšava; ali pregrijavanje bi ipak trebalo biti ograničeno.

Može li se otpad od livenja bezbedno ponovo koristiti?

Da, ali nadgledajte tramp elemente i odvojite ih prema porodici legura. Reciklirani materijal povećava opterećenje nečistoćama i zahtijeva rafiniraniju praksu topljenja i strožu MTR kontrolu.