Tavení slitin hliníku, Formulace, a technologie lití

Výroba vysoce kvalitních surovin pro vytlačování hliníku a odlitků vyžaduje integrované řízení chemie slitin, tavenina čistota, tepelná historie a chování při tuhnutí.

Malé množství nečistot, nevhodný postup tavení nebo odplyňování, nebo nekontrolované tuhnutí může negovat jinak správné chemie.

Tento článek syntetizuje principy konstrukce slitin (s důrazem na Al-Mg-Si / 6063), doporučený postup tavení a rafinace, parametry zjemnění zrna a odlévání, homogenizační strategie,

a opatření pro odstraňování problémů k minimalizaci typických závad (pórovitost, zachycení oxidu, hrubé zrno, segregace).

1. Filozofie ovládání: složení a nečistotový rozpočet

• Primární pravidlo: pouze kvalifikované složení slitiny je nutné, ale ne dostatečné.
  Celkové množství stopových nečistot (NAPŘ., Fe, Cu, Zn, Mn, Z, ostatní) a nezamýšlené prvky musí být kontrolovány na limity, které zachovávají povrchovou úpravu, odezva vytlačování a konečné mechanické vlastnosti.
• Příklad (praktický): i když některé normy umožňují Zn až 0.10 % hmotn. v určitých tvářených slitinách,
  zkušenosti z výroby to ukazují Zn ≥ 0.05 WT% může vytvářet bílé skvrny na zoxidovaných vytlačovaných površích;
  mnoho výrobců se proto zaměřuje Zn < 0.05 WT% pro profily s lesklou povrchovou úpravou.
• Nečistoty interagují: kumulativní „rozpočet na nečistoty“ je často důležitější než soulad jakéhokoli jednotlivého prvku se specifikací.

2. Formulace slitiny: triáda Al–Mg–Si (6063 rodina)

• 6063 jmenovité rozsahy slitin hliníku (příklad, za GB/T a běžnou praxí): A ≈ 0.2–0,6 % hmotn.; Mg ≈ 0.45–0,9 % hmotn.; Fe ≤ 0.35 WT%; další prvky (Cu, Mn, Cr, Zr, Z) obvykle < 0.10 WT%. (Přesné tolerance naleznete ve specifikaci konečného produktu.)
• Posilovací fáze: Mg2Si je hlavní fáze vytvrzování. Jeho účinnost závisí na Mg:Atomový/hmotnostní poměr Si — Mg:Hmotnostní poměr Si pro Mg2Si je ≈ 1.73.
  Pro maximalizaci stárnutí, udržovat Mg:A ≤ 1.73 (tj. vyhnout se nadbytku Mg).
  Přebytek Si má omezený negativní vliv na rozpustnost Mg2Si; nadbytek Mg snižuje rozpustnost a odezvu na věk.
• Rozpustnost a chování za tepla/stárnutí (praktické údaje): Mg₂Si vykazuje silnou teplotní závislost; pseudobinární α(Al)–Mg₂Si eutektické formy blízko 595 ° C..
  Maximální rozpustnost Mg2Si uváděná v praxi je ≈ 1.85 WT%, a při 500 ° C. rozpustnost klesá na ≈ 1.05 WT%.
  V důsledku toho, vyšší teploty zpracování roztoku a adekvátní rychlost kalení zvyšují retenci rozpuštěné látky a zvyšují pevnost při stárnutí – existují však praktická omezení, aby se zabránilo počínajícímu tání a nadměrné oxidaci.

3. Technologie tavení 6063 Hliníková slitina

Tavení je nejkritičtější proces pro výrobu vysoké kvality Hliníková slitina Billets.

Nesprávné řízení procesu může vést k různým vadám odlitku, jako jsou struskové inkluze, pórovitost, hrubá zrna, a péřové krystaly.

Následující klíčové technické body musí být přísně implementovány:

Přesná regulace teploty tavení

Optimální teplota tavení pro 6063 hliníková slitina je 750–760 °C. Regulace teploty je kritická z následujících důvodů:

• Riziko nízké teploty: Teploty pod 750°C zvyšují viskozitu hliníkové taveniny, snížení účinnosti separace strusky a zvýšení pravděpodobnosti defektů vměstků strusky v sochorech.
• Riziko vysoké teploty: Teploty nad 760 °C způsobují prudké zvýšení rozpustnosti vodíku v tavenině hliníku.
  Metalurgický výzkum ukazuje, že rozpustnost vodíku v hliníku roste exponenciálně s teplotou nad 760 °C.
  Příliš vysoké teploty také urychlují oxidaci a nitridaci taveniny, což vede ke zvýšené ztrátě hořením legujících prvků, a přímo vyvolávají defekty, jako jsou hrubá zrna a péřovité krystaly.

Mezi další opatření ke snížení absorpce vodíku patří:

• Předehřev tavicích pecí a nástrojů na 200–300 °C pro odstranění povrchové vlhkosti.
• Použití pouze na sucho, neznehodnocené suroviny a tavidla, aby se zabránilo vnikání vlhkosti do taveniny.

Výběr vysoce kvalitních tavidel a optimalizace procesu rafinace

Tavidla (včetně odstraňovačů strusky, rafinerií, a krycí prostředky) jsou základními pomocnými materiály pro tavení hliníkových slitin.
Většina komerčních tavidel se skládá z chloridů a fluoridů, které jsou vysoce hygroskopické. Špatné řízení toku je hlavním zdrojem kontaminace vodíkem v tavenině.

Kontrola kvality tavidla

• Suroviny pro výrobu tavidla musí být důkladně vysušeny, aby se odstranila vlhkost, a hotové tavidlo musí být hermeticky zabaleno, aby se zabránilo hygroskopické absorpci během skladování a přepravy.
• Je třeba věnovat pozornost datu výroby tavidla; prošlé tavidla mají tendenci absorbovat vlhkost,
  který reaguje s hliníkovou taveninou za vzniku vodíku (2Al + 3H20 —> Al203 + 3H₂ ↑), což vede k poruchám pórovitosti sochorů.

Optimalizace procesu rafinace vstřikováním prášku

Rafinace vstřikováním prášku je nejrozšířenější metodou rafinace 6063 Hliníková slitina, protože umožňuje plný kontakt mezi rafinačním činidlem a taveninou.

Základní technické body tohoto procesu jsou:

1. Regulace tlaku dusíku: Tlak dusíku by měl být udržován na co nejnižší úrovni, právě tolik, aby přeneslo rafinační činidlo do taveniny.
   Vysoký tlak dusíku způsobuje prudké turbulence a rozstřikování taveniny, zvýšení tvorby nových oxidových filmů a riziko defektů oxidových inkluzí.
2. Požadavky na čistotu dusíku: Vysoce čistý dusík (≥ 99,99%) se musí použít k rafinaci.
   Nečistý dusík obsahující vlhkost vnese do taveniny další vodík, působí proti rafinačnímu efektu.
3. Dávkování rafinačního činidla: Princip většího toku, mělo by se následovat méně plynu.
   Zvýšení dávky rafinačního činidla může zvýšit účinek odplynění a odstranění strusky, snížení spotřeby dusíku může snížit výrobní náklady a minimalizovat turbulence taveniny.
   Hlavním cílem procesu je vstřikovat do taveniny maximální množství rafinačního činidla za použití minimálního množství dusíku.

Zušlechťování zrna

Zušlechťování zrn je jedním z nejúčinnějších opatření ke zlepšení kvality předvalků z hliníkové slitiny a řešení vad odlitků, jako je pórovitost, hrubá zrna, a péřové krystaly.

Mechanismus zjemnění zrna je následující:

Při nerovnovážném tuhnutí, prvky nečistot (včetně legujících prvků) mají tendenci segregovat na hranicích zrn.
Jemnější zrna zvětšují celkovou oblast hranic zrn, což snižuje koncentraci prvků nečistot na každé hranici zrn.
Pro prvky nečistot, tím se snižují jejich škodlivé účinky; pro legující prvky, to zlepšuje jejich rovnoměrnost rozložení a zvyšuje jejich posilující účinek.

Vliv zjemnění zrna lze ilustrovat jednoduchým výpočtem: předpokládejme dva kovové bloky stejného objemu V, složený z krychlových zrn.

Pokud je délka strany zrna bloku 1 je 2a a blok 2 je a, celková hraniční plocha zrna bloku 2 je dvakrát větší než blok 1.

To znamená, že zmenšením velikosti zrna na polovinu se zdvojnásobí hraniční oblast zrna, a snižuje koncentraci nečistot na jednotku plochy hranice zrn na polovinu.

Pro 6063 slitina používaná v matných profilech, zjemnění zrna je zvláště důležité.

Jemnější, rovnoměrnější zrnitost zajišťuje, že povrch profilu je rovnoměrně zkorodován během procesu polevy, výsledkem je konzistentní, vysoce kvalitní matné provedení.

Mezi běžné zjemňovače zrn pro hliníkové slitiny patří předslitiny Al-Ti-B, které se typicky přidávají do taveniny v dávce 0,1–0,3 % hm..

4. Technologie lití 6063 Hliníková slitina

Odlévání je proces přeměny rafinované hliníkové taveniny na pevné předvalky specifikovaných rozměrů. Rozumné parametry procesu odlévání jsou zásadní pro výrobu vysoce kvalitních sochorů.

Je třeba zdůraznit následující klíčové technické body:

Volba optimální licí teploty

Pro 6063 taveniny slitin ošetřené zjemňovači zrna, optimální teplota lití je 720–740 °C. Tento teplotní rozsah je určen následujícími faktory:

1. Tavenina rafinovaná zrnem má vyšší viskozitu a rychlejší rychlost tuhnutí; mírně zvýšená licí teplota zajišťuje dobrou tekutost taveniny a zabraňuje defektům za studena.
2. Během obsazení, na čele tuhnutí sochoru se vytvoří dvoufázová zóna kapalina-pevná látka.
   Středně vysoká licí teplota zužuje tuto dvoufázovou zónu, který usnadňuje únik plynů vznikajících při tuhnutí a snižuje poruchy pórovitosti.

Však, teplota lití by neměla být příliš vysoká, protože vysoké teploty zkrátí dobu účinnosti zjemňovače zrna a vedou k hrubozrnným strukturám v předvalku.

Předehřev licího systému

Všechny součásti odlévacího systému, včetně prádelny, distributorů, a formy, musí být před litím plně předehřátý a vysušen na 200–300 °C.

Tím se zabrání reakci mezi vlhkostí na povrchu těchto součástí a vysokoteplotní hliníkovou taveninou, který je hlavním zdrojem kontaminace vodíkem.

Prevence turbulence taveniny a inkluze oxidů

Během obsazení, turbulence a rozstřikování hliníkové taveniny musí být minimalizovány. Je třeba dodržovat následující provozní pokyny:

• Zabraňte míchání taveniny v prádelně nebo rozdělovači pomocí nástrojů, protože to poruší ochranný oxidový film na povrchu taveniny, což vede k tvorbě nových oxidů.
• Zajistěte, aby tavenina plynule proudila do formy pod ochranou oxidového filmu.
  Výzkum ukazuje, že filmy oxidu hlinitého mají silné hygroskopické vlastnosti, obsahující přibližně 2 % hmotn. vlhkosti.
  Pokud jsou tyto oxidové filmy vtaženy do taveniny, vlhkost, kterou obsahují, bude reagovat s hliníkem za vzniku vodíkových a oxidových inkluzí, výrazně zhoršující kvalitu polotovaru.

Ošetření filtrací taveniny

Filtrace je nejúčinnější metodou odstraňování nekovových vměstků z taveniny hliníku.

Pro 6063 lití slitiny, široce se používají dvě běžné filtrační metody: vícevrstvá filtrace ze skelného vlákna a filtrace keramických filtračních desek.

Mezi klíčové provozní body patří:

• Před filtrací, povrchová struska taveniny musí být odstraněna. Do žlabu by měla být instalována přepážka strusky, která odděluje povrchovou strusku od proudící taveniny, zabraňuje ucpání filtru a zajišťuje plynulou filtraci.
• Filtr by měl být předehřát na stejnou teplotu jako tavenina, aby se zabránilo tepelnému šoku na filtru a zabránilo se vzniku defektů za studena v tavenině..

5. Homogenizační úprava 6063 Předvalky z hliníkové slitiny

Nerovnovážné tuhnutí a jeho účinky

Během obsazení, hliníková tavenina rychle tuhne, což má za následek nerovnovážné tuhnutí.

V binárním fázovém diagramu složeném ze dvou prvků A a B, když slitina složení F tuhne,
rovnovážné složení pevné fáze při teplotě T1 by mělo být G, ale skutečné složení pevné fáze je G‘ kvůli rychlému ochlazení.

Je to proto, že rychlost difúze legujících prvků v pevné fázi je nižší než rychlost krystalizace, což vede k nehomogenitě chemického složení uvnitř zrn (TJ., segregace).

Nerovnovážné tuhnutí 6063 slitinové sochory mají za následek dva hlavní problémy:

1. Mezi zrny existuje zbytkové licí napětí;
2. Nehomogenita chemického složení v zrnech v důsledku segregace.

Tyto problémy zvyšují obtížnost následného extruzního zpracování a snižují mechanické vlastnosti a účinnost povrchové úpravy finálního profilu.

Proto, před extruzí je u sochorů nezbytná homogenizační úprava.

Proces homogenizace

Homogenizační úprava je proces tepelného zpracování, při kterém jsou sochory udržovány při vysoké teplotě (pod teplotou přepalování) k eliminaci licího napětí a vnitřní segregace zrna.

Klíčové technické parametry jsou následující:

• Homogenizační teplota: Teplota přepálení ideálního ternárního systému Al-Mg-Si je 595 °C,
  ale skutečný 6063 slitina obsahuje různé nečistoty, což z něj dělá vícesložkový systém.
  Proto, skutečná teplota přepálení je nižší než 595°C.
  Optimální teplota homogenizace pro 6063 slitina je 530–550 °C. Vyšší teploty v tomto rozmezí mohou zkrátit dobu výdrže, šetřit energii, a zlepšit produktivitu pece.
• Doba držení: Doba zdržení závisí na průměru ingotu a velikosti zrna.
  Jemnější zrna vyžadují kratší doby zdržení, protože difúzní vzdálenost legujících prvků od hranic zrn k vnitřkům zrn je kratší.

Energeticky úsporná opatření pro homogenizační úpravu

Homogenizační úprava vyžaduje vysoké teploty a dlouhé doby zdržení, což má za následek vysokou spotřebu energie a náklady na zpracování, proto mnoho výrobců profilů tento proces vynechává.

Mezi účinná opatření na úsporu energie patří:

1. Zdokonalení obilí: Jak již bylo zmíněno dříve, jemnější zrna výrazně zkracují potřebnou dobu výdrže homogenizace, Snížení spotřeby energie.
2. Integrovaný proces vytápění: Rozšiřte pec pro ohřev sochorů pro vytlačování, a implementovat segmentovanou regulaci teploty pro splnění požadavků na teplotu homogenizace i vytlačování.
   Tento proces má tři hlavní výhody:

• • Není nutná žádná další homogenizační pec;
  • Teplo homogenizovaného sochoru je plně využito, zamezení opakovaného zahřívání před vytlačováním;
  • Dlouhodobý ohřev zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty uvnitř i vně sochoru, což je výhodné pro vytlačování a následné tepelné zpracování.

6. Zajištění kvality: metriky a kontroly

Důležité přejímací kontroly před uvolněním vytlačování/odlévání:

• Chemický rozbor (úplný spektrochemický MTR): ověřit hlavní legující prvky a stopové nečistoty — zejména Zn, Cu a Fe.
• Analýza vodíku / vzorkování pórovitosti: obsah vodíku v tavenině (nebo index porozity na odlitcích vzorku) a radiografie/CT reprezentativních sochorů.
• Úroveň začlenění / účinnost filtrace: optická kontrola filtračních koláčů, mikroskopické počty inkluzí z laboratorních kuponů.
• Velikost zrna a fázové rozdělení: metalografické kontroly po ztuhnutí vzorku; ferit/velkost zrna α, sekundární fáze.
• Mechanické kontroly: pevnost v tahu a tvrdost na kupónech pro potvrzení reakce roztoku a slitiny.

7. Běžné vady odlitků — příčiny a odstranění

8. Pokročilé techniky a techniky zlepšování procesů

• Ultrazvukové odplynění: generuje kavitaci pro odstranění vodíku a může rozbít oxidové filmy – efektivní v některých dílenských implementacích pro malé sochory a vysoce hodnotné odlitky.
• Vakuové odplyňování / nízkotlaké lití: snižuje hladinu rozpuštěných plynů a může zlepšit krmení; používané v prémiové výrobě.
• Elektromagnetické míchání: při pečlivé aplikaci, zjemňuje zrno a teplotně homogenizuje; vyvarujte se nadměrné turbulence na čele formy.
• Automatické dávkování a záznamy tání: přesný přídavek master-slitiny, Řízení AR/IR spektra, a digitální protokoly taveniny snižují lidskou chybu a zajišťují sledovatelnost.
• Simulační nástroje: CFD pro návrh nízkoturbulentních vtoků, a modelování tuhnutí pro optimalizaci teplotních gradientů a minimalizaci horkých míst.

9. Životní prostředí, bezpečnostní a ekonomická hlediska

• Nebezpečí manipulace s tavidlem: chloridové/fluoridové soli jsou korozivní a hygroskopické; udržovat zapečetěné, suché skladování. Zajistěte OOP a kontrolu výparů pro použití toku.
• Energetický management: tavení a homogenizace jsou energeticky náročné; stupňovité pecní systémy,
  rekuperace odpadního tepla a integrace procesů (předehřívat sochory pomocí odpadního tepla) přináší výrazné úspory nákladů.
• Šrot a recyklace: oddělit šrot z vysoce hodnotných slitin a kontaminovaný materiál; zavést postupy pro tavení, aby se omezily prvky narážení a zachovala se kvalita slitiny.

10. Závěr

Vysoce kvalitní odlitky z hliníkové slitiny a suroviny pro vytlačování jsou produktem disciplinované kontroly slitin, přesné řízení taveniny a dobře navržená praxe tuhnutí.

Pro slitiny řady 6xxx jako např 6063, úspěch závisí na udržení správného Mg: Pokud rovnováha, zadržování prvků nečistot (zejména Zn) pod praktickými prahovými hodnotami pro kvalitu povrchu,

aby se zabránilo nadměrnému přehřátí taveniny, pomocí efektivní rafinace (prášek + řízené proplachování plynu), dosažení jemnozrnné struktury, a použití vhodné homogenizace.

Implementujte tato opatření společně – spíše než izolovaně – a výsledkem budou předvídatelné mechanické vlastnosti, robustní kvalita povrchu a méně nákladného odpadu nebo přepracování.

 

Časté časté

Proč je Zn <0.05 doporučeno, pokud to mnoho specifikací umožňuje 0.10?

Praktické zkušenosti z obchodu ukazují, že Zn je blízko 0.1 podporuje bílé tečkování po oxidaci/žíhání; snížení na <0.05 zmírňuje povrchové vady u světlých/extrudovaných profilů.

Jaký je jediný nejcitlivější parametr tání?

Teplota tání. Výše asi 760 ° C. rozpuštěný vodík prudce stoupá a způsobuje poréznost a další defekty; udržujte řízenou teplotu taveniny a minimální dobu zdržení.

Rafinace prášku versus vysoký průtok plynu – což je lepší?

Použití dostatek rafinačního prášku s minimem, řízený průtok plynu. Velké proudy plynu vytvářejí velké bubliny s krátkým pobytem: špatné odplyňování a zvýšená turbulence.

Zvyšuje zjemnění zrna toleranci k teplotě lití?

Ano – tavenina s účinnou zrnitostí snáší mírně vyšší teploty lití (typ. 720–740 °C) protože kašovitá zóna se zužuje a krmení se zlepšuje; ale přehřátí by mělo být stále omezeno.

Lze bezpečně znovu použít odlévací šrot?

Ano, ale sledujte trampské prvky a oddělujte je podle rodiny slitin. Recyklovaný materiál zvyšuje zatížení nečistotami a vyžaduje rafinovanější tavnou praxi a přísnější kontrolu MTR.