Smeltning af aluminiumslegering, Formulering, og støbeteknologi

At producere højkvalitets aluminiumsekstruderingsråmateriale og støbegods kræver integreret kontrol af legeringskemi, smelte renlighed, termisk historie og størkningsadfærd.

Små mængder urenheder, uhensigtsmæssig praksis for smeltning eller afgasning, eller ukontrolleret størkning kan ophæve ellers korrekte kemier.

Dette papir syntetiserer legeringsdesignprincipper (med vægt på Al-Mg-Si / 6063), anbefalet smelte- og raffineringspraksis, kornforfining og støbeparametre, homogeniseringsstrategi,

og fejlfindingsforanstaltninger for at minimere typiske defekter (porøsitet, oxidindfangning, groft korn, adskillelse).

1. Kontrol filosofi: sammensætning og urenhedsbudget

• Primær regel: en kvalificeret legeringssammensætning alene er nødvendigt, men ikke tilstrækkeligt.
  Summen af ​​spor urenheder (F.eks., Fe, Cu, Zn, Mn, Af, andre) og utilsigtede elementer skal kontrolleres til grænser, der bevarer overfladefinish, ekstruderingsrespons og endelige mekaniske egenskaber.
• Eksempel (praktisk): selvom nogle standarder tillader Zn op til 0.10 vægt% i visse smedelegeringer,
  Det viser produktionserfaringen Zn ≥ 0.05 WT% kan producere hvide pletter på oxiderede ekstruderingsoverflader;
  mange producenter sigter derfor Zn < 0.05 WT% til lyse profiler.
• Urenheder interagerer: det kumulative "urenhedsbudget" er ofte vigtigere end et enkelt elements overholdelse af en specifikation.

2. Legeringsformulering: Al-Mg-Si-triaden (6063 familie)

• 6063 nominelle områder af aluminiumslegering (eksempel, pr GB/T og almindelig praksis): Og ≈ 0.2–0,6 vægt%; Mg ≈ 0.45–0,9 vægt%; Fe ≤ 0.35 WT%; andre elementer (Cu, Mn, Cr, Zr, Af) typisk < 0.10 WT%. (Se den endelige produktspecifikation for nøjagtige tolerancer.)
• Styrkelsesfase: Mg2Si er den vigtigste hærdningsfase. Dens effektivitet afhænger af Mg:Si atom/vægt-forhold — Mg:Si-vægtforholdet mellem Mg2Si er ≈ 1.73.
  For at maksimere aldershærdning, opretholde Mg:Og ≤ 1.73 (dvs.. undgå Mg-overskud).
  Overskydende Si har begrænset negativ effekt på Mg2Si-opløselighed; overskydende Mg reducerer opløselighed og aldersreaktion.
• Opløselighed og varme/aldringsadfærd (praktiske data): Mg2Si viser stærk temperaturafhængighed; det pseudo-binære α(Al)–Mg₂Si eutektiske former nær 595 ° C..
  Maksimal Mg2Si-opløselighed nævnt i praksis er ≈ 1.85 WT%, og kl 500 ° C. opløseligheden falder til ≈ 1.05 WT%.
  Følgelig, højere opløsningsbehandlingstemperaturer og tilstrækkelig bratkølingshastighed øger retentionen af ​​opløste stoffer og øger ældningsstyrken - men der er praktiske grænser for at undgå begyndende smeltning og overdreven oxidation.

3. Smelteteknologi af 6063 Aluminiumslegering

Smeltning er den mest kritiske proces for at producere høj kvalitet Aluminiumslegering billetter.

Forkert processtyring kan føre til forskellige støbefejl, såsom slagge indeslutninger, porøsitet, grove korn, og fjeragtige krystaller.

Følgende vigtige tekniske punkter skal implementeres nøje:

Præcis kontrol af smeltetemperatur

Den optimale smeltetemperatur for 6063 aluminiumslegering er 750–760°C. Temperaturkontrol er kritisk af følgende årsager:

• Lav temperaturrisiko: Temperaturer under 750°C øger viskositeten af ​​aluminiumssmelten, reducere effektiviteten af ​​slaggeseparation og øge sandsynligheden for slaggeinklusionsdefekter i billets.
• Høj temperaturrisiko: Temperaturer over 760°C forårsager en kraftig stigning i brintopløseligheden i aluminiumsmelten.
  Metallurgisk forskning viser, at brintopløseligheden i aluminium stiger eksponentielt med temperaturer over 760°C.
  For høje temperaturer fremskynder også oxidationen og nitrideringen af ​​smelten, fører til øget forbrændingstab af legeringselementer, og inducerer direkte defekter såsom grove korn og fjeragtige krystaller.

Yderligere foranstaltninger til at reducere brintabsorption omfatter:

• Forvarmning af smelteovne og værktøj til 200-300°C for at eliminere overfladefugt.
• Bruges kun tørt, ikke-forringede råmaterialer og flusmidler for at undgå at indføre fugt i smelten.

Udvælgelse af højkvalitetsfluxer og optimering af raffineringsprocesser

Fluxer (herunder slaggefjernere, raffinaderier, og dækningsmidler) er væsentlige hjælpematerialer til smeltning af aluminiumslegeringer.
De fleste kommercielle flusmidler består af chlorider og fluorider, som er meget hygroskopiske. Dårlig fluxstyring er en væsentlig kilde til brintforurening i smelten.

Flux kvalitetskontrol

• Råvarer til flusproduktion skal tørres grundigt for at fjerne fugt, og det færdige flusmiddel skal emballeres hermetisk for at forhindre hygroskopisk absorption under opbevaring og transport.
• Man skal være opmærksom på produktionsdatoen for fluxen; udløbne fluxer har en tendens til at absorbere fugt,
  som reagerer med aluminiumssmelten og producerer brint (2Al + 3H20 → A1203 + 3H₂ ↑), fører til porøsitetsfejl i billets.

Optimering af pulverinjektionsraffineringsproces

Pulverinjektionsraffinering er den mest udbredte raffineringsmetode til 6063 Aluminiumslegering, da det muliggør fuld kontakt mellem raffineringsmidlet og smelten.

De centrale tekniske punkter i denne proces er:

1. Kontrol af nitrogentryk: Nitrogentrykket skal holdes så lavt som muligt, netop tilstrækkeligt til at transportere raffineringsmidlet ind i smelten.
   Højt nitrogentryk forårsager voldsom turbulens og sprøjt af smelten, øger dannelsen af ​​nye oxidfilm og risikoen for oxidinklusionsfejl.
2. Krav til nitrogenrenhed: Højrent nitrogen (≥99,99%) skal bruges til raffinering.
   Urent nitrogenholdig fugt vil indføre yderligere brint i smelten, modvirker raffineringseffekten.
3. Dosering af raffineringsmiddel: Princippet om mere flux, mindre gas skal følges.
   Forøgelse af doseringen af ​​raffineringsmidlet kan øge afgasnings- og slaggefjernelseseffekten, mens reduktion af nitrogenforbrug kan sænke produktionsomkostningerne og minimere smelteturbulens.
   Kerneprocesmålet er at injicere den maksimale mængde raffineringsmiddel i smelten ved at bruge den minimale mængde nitrogen.

Kornforfiningsbehandling

Kornforfining er en af ​​de mest effektive foranstaltninger til at forbedre kvaliteten af ​​aluminiumslegeringer og løse støbedefekter såsom porøsitet, grove korn, og fjeragtige krystaller.

Mekanismen for kornforfining er som følger:

Under ikke-ligevægt størkning, urenhedselementer (inklusive legeringselementer) tendens til at adskille ved korngrænser.
Finere korn øger det samlede korngrænseareal, hvilket reducerer koncentrationen af ​​urenhedselementer ved hver korngrænse.
Til urenheder, dette reducerer deres skadelige virkninger; til legeringselementer, dette forbedrer deres fordeling ensartethed og forbedrer deres styrkende virkning.

Effekten af ​​kornforfining kan illustreres ved en simpel beregning: antag to metalblokke med samme volumen V, sammensat af kubiske korn.

Hvis kornet side længden af ​​blok 1 er 2a og blokkens 2 er en, blokkens samlede korngrænseareal 2 er dobbelt så stor som blok 1.

Det betyder, at en halvering af kornstørrelsen fordobler korngrænsearealet, og halverer urenhedskoncentrationen pr. enhed korngrænseareal.

For 6063 legering brugt i frostede profiler, kornforfining er særlig vigtig.

Finere, mere ensartede korn sikrer, at profiloverfladen er ensartet korroderet under frostingsprocessen, resulterer i en konsekvent, frostet finish af høj kvalitet.

Almindelige kornraffinører til aluminiumslegeringer omfatter Al-Ti-B masterlegeringer, som typisk tilsættes til smelten i en dosis på 0,1-0,3 vægt%..

4. Støbeteknologi af 6063 Aluminiumslegering

Støbning er processen med at omdanne den raffinerede aluminiumssmelte til faste emner af specificerede dimensioner. Rimelige støbeprocesparametre er essentielle for fremstilling af emner af høj kvalitet.

Følgende tekniske nøglepunkter skal understreges:

Valg af optimal støbetemperatur

For 6063 legeringssmelter behandlet med kornraffinere, den optimale støbetemperatur er 720–740°C. Dette temperaturområde bestemmes af følgende faktorer:

1. Den kornraffinerede smelte har højere viskositet og hurtigere størkningshastigheder; en moderat forhøjet støbetemperatur sikrer god flydeevne af smelten og forhindrer kold lukkedefekter.
2. Under casting, en væske-fast tofaset zone dannes ved størkningsfronten af ​​barren.
   En moderat høj støbetemperatur indsnævrer denne tofasede zone, som letter udslip af gasser dannet under størkning og reducerer porøsitetsfejl.

Imidlertid, støbetemperaturen bør ikke være for høj, da høje temperaturer vil forkorte kornraffinørens effektive tid og føre til grove kornstrukturer i barren.

Forvarmning af støbesystem

Alle komponenter i støbesystemet, herunder hvidvaskerier, distributører, og forme, skal være helt forvarmet og tørret til 200–300°C før støbning.

Dette forhindrer reaktionen mellem fugt på overfladen af ​​disse komponenter og højtemperatur-aluminiumsmelten, som er en væsentlig kilde til brintforurening.

Forebyggelse af smelteturbulens og oxidinklusion

Under casting, turbulens og sprøjt af aluminiumssmelten skal minimeres. Følgende driftsretningslinjer skal følges:

• Undgå at omrøre smelten i vaskeriet eller fordeleren med værktøj, da dette vil bryde den beskyttende oxidfilm på smelteoverfladen, fører til dannelse af nye oxider.
• Sørg for, at smelten flyder jævnt ind i formen under beskyttelse af oxidfilmen.
  Forskning viser, at aluminiumoxidfilm har stærke hygroskopiske egenskaber, indeholdende cirka 2 vægt% fugt.
  Hvis disse oxidfilm trækkes ind i smelten, den fugt, de indeholder, vil reagere med aluminiumet og danne brint- og oxidindeslutninger, alvorligt forringet billetkvalitet.

Smeltefiltreringsbehandling

Filtrering er den mest effektive metode til at fjerne ikke-metalliske indeslutninger fra aluminiumssmelten.

For 6063 legeringsstøbning, to almindelige filtreringsmetoder er meget brugt: flerlags glasfiberkludfiltrering og keramisk filterpladefiltrering.

Nøgle operationelle punkter omfatter:

• Før filtrering, smeltens overfladeslagge skal fjernes. Der skal installeres en slaggeplade i vaskeriet for at adskille overfladeslaggen fra den strømmende smelte, forhindrer filteret i at tilstoppe og sikrer jævn filtrering.
• Filteret skal forvarmes til samme temperatur som smelten for at undgå termisk chok på filteret og forhindre dannelse af kold lukkede defekter i smelten.

5. Homogenisering Behandling af 6063 Billetter af aluminiumslegering

Ikke-ligevægtsstørkning og dens virkninger

Under casting, aluminiumsmelten størkner hurtigt, resulterer i ikke-ligevægtsstørkning.

I et binært fasediagram bestående af to elementer A og B, når en legering med sammensætning F størkner,
ligevægtsfastfasesammensætningen ved temperatur T1 bør være G, men den faktiske fastfasesammensætning er G' på grund af hurtig afkøling.

Dette skyldes, at diffusionshastigheden af ​​legeringselementer i den faste fase er langsommere end krystallisationshastigheden, fører til kemisk sammensætning inhomogenitet i kornene (Dvs., adskillelse).

Ikke-ligevægt størkning af 6063 legeringsblokke resulterer i to hovedproblemer:

1. Der er resterende støbespænding mellem korn;
2. Kemisk sammensætning inhomogenitet i korn på grund af segregation.

Disse problemer øger vanskeligheden ved efterfølgende ekstruderingsbehandling og reducerer den endelige profils mekaniske egenskaber og overfladebehandlingsydelse..

Derfor, homogeniseringsbehandling er nødvendig for emner før ekstrudering.

Homogeniseringsbehandlingsproces

Homogeniseringsbehandling er en varmebehandlingsproces, hvor billets holdes ved en høj temperatur (under overbrændingstemperaturen) for at eliminere støbespænding og korns indre adskillelse.

De vigtigste tekniske parametre er som følger:

• Homogeniseringstemperatur: Overbrændingstemperaturen for det ideelle Al-Mg-Si ternære system er 595°C,
  men det faktiske 6063 legering indeholder forskellige urenhedselementer, gør det til et multi-komponent system.
  Derfor, den faktiske overbrændingstemperatur er lavere end 595°C.
  Den optimale homogeniseringstemperatur for 6063 legering er 530–550°C. Højere temperaturer inden for dette område kan forkorte holdetiden, spare energi, og forbedre ovnens produktivitet.
• Holdetid: Holdetiden afhænger af emnets diameter og kornstørrelse.
  Finere korn kræver kortere holdetider, fordi diffusionsafstanden af ​​legeringselementer fra korngrænser til korninteriør er kortere.

Energibesparende foranstaltninger til homogeniseringsbehandling

Homogeniseringsbehandling kræver høje temperaturer og lange holdetider, resulterer i højt energiforbrug og forarbejdningsomkostninger, derfor springer mange profilproducenter denne proces over.

Effektive energibesparende tiltag omfatter:

1. Kornforfining: Som nævnt tidligere, finere korn forkorter den nødvendige homogeniseringsholdetid væsentligt, Reduktion af energiforbrug.
2. Integreret varmeproces: Forlæng billetvarmeovnen til ekstrudering, og implementere segmenteret temperaturkontrol for at opfylde kravene til både homogenisering og ekstruderingstemperatur.
   Denne proces har tre hovedfordele:

• • Der kræves ingen yderligere homogeniseringsovn;
  • Varmen fra det homogeniserede emne udnyttes fuldt ud, undgå gentagen opvarmning før ekstrudering;
  • Langtidsopvarmning sikrer ensartet temperaturfordeling i og uden for barren, hvilket er gavnligt til ekstrudering og efterfølgende varmebehandling.

6. Kvalitetssikring: målinger og inspektion

Vigtige acceptchecks før ekstrudering/støbning frigivelse:

• Kemisk analyse (fuld spektrokemisk MTR): verificere de vigtigste legeringselementer og spore urenheder - især Zn, Cu og Fe.
• Hydrogen analyse / porøsitetsprøvetagning: brintindhold i smelten (eller porøsitetsindeks på prøvestøbegods) og radiografi/CT af repræsentative emner.
• Inklusionsniveau / filtreringseffektivitet: optisk inspektion af filterkager, mikroskopiske inklusionstællinger fra laboratoriekuponer.
• Kornstørrelse og fasefordeling: metallografiske kontroller efter prøvestørkning; ferrit/α kornstørrelse, sekundære faser.
• Mekanisk kontrol: trækstyrke og hårdhed på kuponer for at bekræfte opløsning og legeringsrespons.

7. Almindelige støbefejl — årsager og afhjælpning

8. Avancerede og procesforbedrende teknikker

• Ultralydsafgasning: genererer kavitation til brintfjernelse og kan bryde oxidfilm - effektiv i nogle butiksimplementeringer til små billets og højværdistøbegods.
• Vakuumafgasning / Lavtryksstøbning: reducerer niveauet af opløst gas og kan forbedre fodring; bruges i premium produktion.
• Elektromagnetisk omrøring: når den påføres omhyggeligt, raffinerer korn og homogeniserer temperaturen; undgå overdreven turbulens ved formfladen.
• Automatiserede doserings- og smelteregistreringer: præcis master-legering tilføjelse, AR/IR spektrokontrol, og digitale smeltelogs reducerer menneskelige fejl og sikrer sporbarhed.
• Simuleringsværktøjer: CFD til at designe lav-turbulens gating, og størkningsmodellering for at optimere termiske gradienter og minimere hot spots.

9. Miljø, sikkerhedsmæssige og økonomiske hensyn

• Fluxhåndteringsfarer: klorid/fluoridsalte er ætsende og hygroskopiske; holde forseglet, tør opbevaring. Sørg for PPE og røgkontrol til fluxbrug.
• Energistyring: smeltning og homogenisering er energikrævende; iscenesatte ovnsystemer,
  spildvarmegenvinding og procesintegration (forvarm billet ved hjælp af udstødningsvarme) give betydelige omkostningsbesparelser.
• Skrot og genbrug: adskille højværdi legeringsskrot vs forurenet materiale; implementere smeltningspraksis for at begrænse trampelementer og opretholde legeringskvalitet.

10. Konklusion

Højkvalitets aluminiumslegeringsstøbegods og ekstruderingsråmateriale er produktet af disciplineret legeringskontrol, præcis smeltehåndtering og veltilrettelagt størkningspraksis.

Til 6xxx serie legeringer som f.eks 6063, succes afhænger af at opretholde den korrekte Mg: Hvis balance, holde urenhedselementer (især Zn) under praktiske tærskler for overfladekvalitet,

undgå overdreven smelteoverhedning, ved hjælp af effektiv raffinering (pulver + kontrolleret gasudblæsning), opnå en finkornet struktur, og anvendelse af passende homogenisering.

Implementer disse foranstaltninger sammen - snarere end isoleret - og resultatet vil være forudsigelige mekaniske egenskaber, robust overfladekvalitet og færre dyre skrot- eller omarbejdningsbegivenheder.

 

FAQS

Hvorfor er Zn <0.05 anbefales, når mange specifikationer tillader det 0.10?

Praktisk butikserfaring viser Zn tæt på 0.1 fremmer hvid pletter efter oxidation/udglødning; reducere til <0.05 afhjælper overfladefejl for lyse/ekstruderede profiler.

Hvad er den mest følsomme smelteparameter?

Smeltetemperatur. Ovenfor ca 760 ° C. opløst brint stiger kraftigt og forårsager porøsitet og andre defekter; holde smeltetemperaturen kontrolleret og opholdstiden minimal.

Pulverraffinering vs høj gasstrøm - hvilket er bedre?

Bruge rigeligt raffineringspulver med minimal, kontrolleret gasstrøm. Store gasstrømme laver store bobler med kort ophold: dårlig afgasning og øget turbulens.

Øger kornforfining støbetemperaturtolerancen?

Ja - en effektivt kornraffineret smelte tolererer lidt højere støbetemperaturer (typ. 720–740 ° C.) fordi den grødede zone indsnævres og fodring forbedres; men overhedning bør stadig være begrænset.

Kan støbeskrot genbruges sikkert?

Ja, men overvåg trampelementer og adskille efter legeringsfamilie. Genbrugsmateriale øger urenhedsbyrden og kræver mere raffineret smelteøvelse og strammere MTR-kontrol.