Schmelzen von Aluminiumlegierungen, Formulierung, und Gießtechnik

Die Herstellung hochwertiger Aluminium-Strangpressrohstoffe und Gussteile erfordert eine integrierte Kontrolle der Legierungschemie, Sauberkeit schmelzen, thermische Geschichte und Erstarrungsverhalten.

Geringe Mengen an Verunreinigungen, unangemessene Schmelz- oder Entgasungspraxis, oder unkontrollierte Erstarrung können ansonsten korrekte chemische Eigenschaften zunichte machen.

In diesem Artikel werden die Prinzipien des Legierungsdesigns zusammengefasst (mit Schwerpunkt auf Al-Mg-Si / 6063), Empfohlene Schmelz- und Raffinierungspraxis, Kornfeinung und Gießparameter, Homogenisierungsstrategie,

und Fehlerbehebungsmaßnahmen zur Minimierung typischer Fehler (Porosität, Oxideinschluss, grobes Korn, Abgrenzung).

1. Steuerungsphilosophie: Zusammensetzung Und Verunreinigungsbudget

• Primäre Regel: allein eine qualifizierte Legierungszusammensetzung ist es notwendig, aber nicht ausreichend.
  Die Summe der Spurenverunreinigungen (Z.B., Fe, Cu, Zn, Mn, Von, andere) und unbeabsichtigte Elemente müssen so weit kontrolliert werden, dass die Oberflächengüte erhalten bleibt, Extrusionsreaktion und endgültige mechanische Eigenschaften.
• Beispiel (praktisch): obwohl einige Standards Zn bis zu zulassen 0.10 Gew.-% in bestimmten Knetlegierungen,
  Produktionserfahrungen zeigen das Zn ≥ 0.05 wt% kann auf oxidierten Extrusionsoberflächen weiße Flecken erzeugen;
  Viele Hersteller zielen daher darauf ab Zn < 0.05 wt% für blanke Profile.
• Verunreinigungen interagieren: Das kumulative „Verunreinigungsbudget“ ist oft wichtiger als die Übereinstimmung eines einzelnen Elements mit einer Spezifikation.

2. Legierungsformulierung: die Al-Mg-Si-Triade (6063 Familie)

• 6063 Nennbereiche von Aluminiumlegierungen (Beispiel, pro GB/T und gängiger Praxis): Und ≈ 0.2–0,6 Gew.-%; Mg ≈ 0.45–0,9 Gew.-%; Fe ≤ 0.35 wt%; andere Elemente (Cu, Mn, Cr, Zr, Von) Typischerweise < 0.10 wt%. (Genaue Toleranzen finden Sie in den endgültigen Produktspezifikationen.)
• Kräftigungsphase: Mg₂Si ist die Haupthärtungsphase. Seine Wirksamkeit hängt vom Mg ab:Si-Atom-/Gewichtsverhältnis – das Mg:Das Si-Gewichtsverhältnis von Mg₂Si beträgt ≈ 1.73.
  Um die Aushärtung zu maximieren, pflegen Mg:Und ≤ 1.73 (d.h.. Vermeiden Sie einen Mg-Überschuss).
  Überschüssiges Si hat begrenzte negative Auswirkungen auf die Löslichkeit von Mg₂Si; Überschüssiges Mg verringert die Löslichkeit und die Alterungsreaktion.
• Löslichkeit und Hitze-/Alterungsverhalten (praktische Daten): Mg₂Si zeigt eine starke Temperaturabhängigkeit; das pseudobinäre α(Al)–Mg₂Si-Eutektikum bildet sich in der Nähe 595 ° C.
  Die in der Praxis angegebene maximale Mg₂Si-Löslichkeit beträgt ≈ 1.85 wt%, und bei 500 ° C Die Löslichkeit fällt auf ≈ 1.05 wt%.
  Folglich, höhere Lösungstemperaturen und eine angemessene Abschreckgeschwindigkeit erhöhen die Retention gelöster Stoffe und erhöhen die Alterungsfestigkeit – es gibt jedoch praktische Grenzen, um beginnendes Schmelzen und übermäßige Oxidation zu vermeiden.

3. Schmelztechnologie von 6063 Aluminiumlegierung

Das Schmelzen ist der kritischste Prozess zur Herstellung hochwertiger Produkte Aluminiumlegierung Billets.

Eine unsachgemäße Prozesskontrolle kann zu verschiedenen Gussfehlern führen, wie Schlackeneinschlüsse, Porosität, grobe Körner, und federleichte Kristalle.

Die folgenden technischen Eckpunkte müssen strikt umgesetzt werden:

Präzise Kontrolle der Schmelztemperatur

Die optimale Schmelztemperatur für 6063 Aluminiumlegierung ist 750–760°C. Die Temperaturkontrolle ist aus folgenden Gründen von entscheidender Bedeutung:

• Risiko bei niedrigen Temperaturen: Temperaturen unter 750 °C erhöhen die Viskosität der Aluminiumschmelze, Dadurch wird die Effizienz der Schlackentrennung verringert und die Wahrscheinlichkeit von Schlackeneinschlussdefekten in Knüppeln erhöht.
• Hohes Temperaturrisiko: Temperaturen über 760 °C führen zu einem starken Anstieg der Wasserstofflöslichkeit in der Aluminiumschmelze.
  Metallurgische Untersuchungen zeigen, dass die Wasserstofflöslichkeit in Aluminium bei Temperaturen über 760 °C exponentiell zunimmt.
  Zu hohe Temperaturen beschleunigen zudem die Oxidation und Nitridierung der Schmelze, Dies führt zu einem erhöhten Verbrennungsverlust von Legierungselementen, und führen direkt zu Defekten wie groben Körnern und federartigen Kristallen.

Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Wasserstoffaufnahme sind::

• Vorwärmen von Schmelzöfen und Werkzeugen auf 200–300 °C, um Oberflächenfeuchtigkeit zu entfernen.
• Nur trocken verwenden, unverdorbene Rohstoffe und Flussmittel, um den Eintrag von Feuchtigkeit in die Schmelze zu vermeiden.

Auswahl hochwertiger Flussmittel und Optimierung des Veredelungsprozesses

Flussmittel (einschließlich Schlackenentferner, Raffinerien, und Abdeckmittel) sind wesentliche Hilfsstoffe für das Schmelzen von Aluminiumlegierungen.
Die meisten kommerziellen Flussmittel bestehen aus Chloriden und Fluoriden, die stark hygroskopisch sind. Ein schlechtes Flussmittelmanagement ist eine Hauptquelle für Wasserstoffverunreinigungen in der Schmelze.

Kontrolle der Flussmittelqualität

• Rohstoffe für die Flussmittelherstellung müssen gründlich getrocknet werden, um Feuchtigkeit zu entfernen, und das fertige Flussmittel muss hermetisch verpackt sein, um eine hygroskopische Absorption während der Lagerung und des Transports zu verhindern.
• Dabei ist auf das Herstellungsdatum des Flussmittels zu achten; Abgelaufene Flussmittel neigen dazu, Feuchtigkeit aufzunehmen,
  welches mit der Aluminiumschmelze zu Wasserstoff reagiert (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), Dies führt zu Porositätsfehlern in den Knüppeln.

Optimierung des Pulverinjektionsraffinierungsprozesses

Die Pulverinjektionsraffinierung ist die am weitesten verbreitete Raffinationsmethode 6063 Aluminiumlegierung, da es einen vollständigen Kontakt zwischen dem Läutermittel und der Schmelze ermöglicht.

Die technischen Kernpunkte dieses Prozesses sind:

1. Stickstoffdruckkontrolle: Der Stickstoffdruck sollte so niedrig wie möglich gehalten werden, gerade ausreichend, um das Läutermittel in die Schmelze zu transportieren.
   Hoher Stickstoffdruck führt zu heftigen Turbulenzen und Spritzern der Schmelze, Dadurch erhöht sich die Bildung neuer Oxidfilme und das Risiko von Oxideinschlussdefekten.
2. Anforderungen an die Stickstoffreinheit: Hochreiner Stickstoff (≥ 99,99%) zur Veredelung verwendet werden.
   Unreiner Stickstoff, der Feuchtigkeit enthält, führt zusätzlichen Wasserstoff in die Schmelze ein, dem Veredelungseffekt entgegenwirken.
3. Dosierung des Raffinationsmittels: Das Prinzip von mehr Fluss, Es sollte weniger Gas zugeführt werden.
   Durch eine Erhöhung der Dosierung des Läutermittels kann der Entgasungs- und Schlackenentfernungseffekt verstärkt werden, Durch die Reduzierung des Stickstoffverbrauchs können gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt und Schmelzturbulenzen minimiert werden.
   Das Kernziel des Prozesses besteht darin, mit möglichst wenig Stickstoff die maximale Menge an Läutermittel in die Schmelze einzuspritzen.

Kornverfeinerungsbehandlung

Die Kornverfeinerung ist eine der wirksamsten Maßnahmen, um die Qualität von Aluminiumlegierungsbarren zu verbessern und Gussfehler wie Porosität zu beheben, grobe Körner, und federleichte Kristalle.

Der Mechanismus der Kornverfeinerung ist wie folgt:

Während der Nichtgleichgewichtserstarrung, Verunreinigungselemente (einschließlich Legierungselementen) neigen dazu, sich an den Korngrenzen zu entmischen.
Feinere Körner vergrößern die gesamte Korngrenzenfläche, Dadurch wird die Konzentration von Verunreinigungselementen an jeder Korngrenze verringert.
Für Verunreinigungselemente, Dadurch werden ihre schädlichen Auswirkungen verringert; für Legierungselemente, Dadurch wird ihre Verteilungsgleichmäßigkeit verbessert und ihre stärkende Wirkung verstärkt.

Der Effekt der Kornfeinung lässt sich durch eine einfache Rechnung veranschaulichen: Nehmen Sie zwei Metallblöcke mit demselben Volumen V an, aus kubischen Körnern zusammengesetzt.

Wenn die Faserseitenlänge des Blocks 1 ist 2a und das von Block 2 ist a, die gesamte Korngrenzenfläche des Blocks 2 ist doppelt so groß wie Block 1.

Dies bedeutet, dass sich bei einer Halbierung der Korngröße die Korngrenzenfläche verdoppelt, und halbiert die Verunreinigungskonzentration pro Korngrenzenflächeneinheit.

Für 6063 Legierung, die in mattierten Profilen verwendet wird, Besonders wichtig ist die Kornverfeinerung.

Feiner, Gleichmäßigere Körnungen sorgen dafür, dass die Profiloberfläche während des Mattierungsprozesses gleichmäßig korrodiert, was zu einer konsistenten, hochwertige mattierte Oberfläche.

Zu den gängigen Kornfeinern für Aluminiumlegierungen gehören Al-Ti-B-Vorlegierungen, die typischerweise in einer Dosierung von 0,1–0,3 Gew.-% der Schmelze zugesetzt werden.

4. Gießtechnik von 6063 Aluminiumlegierung

Beim Gießen handelt es sich um den Prozess der Umwandlung der raffinierten Aluminiumschmelze in massive Barren mit bestimmten Abmessungen. Für die Herstellung qualitativ hochwertiger Knüppel sind vernünftige Parameter des Gießprozesses unerlässlich.

Die folgenden wichtigen technischen Punkte müssen hervorgehoben werden:

Auswahl der optimalen Gießtemperatur

Für 6063 Mit Kornfeinern behandelte Legierungsschmelzen, die optimale Gießtemperatur ist 720–740°C. Dieser Temperaturbereich wird durch die folgenden Faktoren bestimmt:

1. Die kornverfeinerte Schmelze weist eine höhere Viskosität und schnellere Erstarrungsraten auf; Eine mäßig erhöhte Gießtemperatur sorgt für eine gute Fließfähigkeit der Schmelze und verhindert Kaltschlussfehler.
2. Während des Castings, An der Erstarrungsfront des Barrens bildet sich eine flüssig-feste Zweiphasenzone.
   Eine mäßig hohe Gießtemperatur verengt diese Zweiphasenzone, Dies erleichtert das Entweichen von Gasen, die während der Erstarrung entstehen, und reduziert Porositätsfehler.

Jedoch, Die Gießtemperatur sollte nicht zu hoch sein, da hohe Temperaturen die Wirkungszeit des Kornfeiners verkürzen und zu groben Kornstrukturen im Knüppel führen.

Vorwärmen des Gießsystems

Alle Komponenten des Gießsystems, einschließlich Wäscher, Händler, und Formen, muss vor dem Gießen vollständig vorgewärmt und auf 200–300 °C getrocknet werden.

Dadurch wird die Reaktion zwischen Feuchtigkeit auf der Oberfläche dieser Bauteile und der heißen Aluminiumschmelze verhindert, Dies ist eine Hauptquelle der Wasserstoffverunreinigung.

Verhinderung von Schmelzturbulenzen und Oxideinschlüssen

Während des Castings, Turbulenzen und Spritzer der Aluminiumschmelze müssen minimiert werden. Die folgenden Betriebsrichtlinien sollten befolgt werden:

• Vermeiden Sie es, die Schmelze in der Rinne oder im Verteiler mit Werkzeugen zu rühren, da dadurch der schützende Oxidfilm auf der Schmelzoberfläche zerstört wird, was zur Bildung neuer Oxide führt.
• Stellen Sie sicher, dass die Schmelze unter dem Schutz des Oxidfilms reibungslos in die Form fließt.
  Untersuchungen zeigen, dass Aluminiumoxidfilme stark hygroskopische Eigenschaften haben, ungefähr 2 Gew.% Feuchtigkeit.
  Diese Oxidfilme werden in die Schmelze eingezogen, Die darin enthaltene Feuchtigkeit reagiert mit dem Aluminium und erzeugt Wasserstoff- und Oxideinschlüsse, die Qualität der Knüppel erheblich beeinträchtigen.

Schmelzfiltrationsbehandlung

Die Filtration ist die effektivste Methode zur Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse aus der Aluminiumschmelze.

Für 6063 Legierungsguss, Zwei gängige Filtermethoden werden häufig verwendet: Mehrschichtige Glasfasergewebefiltration und Keramikfilterplattenfiltration.

Zu den wichtigsten betrieblichen Punkten gehören::

• Vor der Filtration, Die Oberflächenschlacke der Schmelze muss entfernt werden. Um die Oberflächenschlacke von der fließenden Schmelze zu trennen, sollte in der Rinne ein Schlackenleitblech installiert werden, verhindert ein Verstopfen des Filters und sorgt für eine reibungslose Filtration.
• Der Filter sollte auf die gleiche Temperatur wie die Schmelze vorgeheizt werden, um einen thermischen Schock des Filters zu vermeiden und die Bildung von Kaltverschlussdefekten in der Schmelze zu verhindern.

5. Homogenisierungsbehandlung von 6063 Billets aus Aluminiumlegierung

Nichtgleichgewichtserstarrung und ihre Auswirkungen

Während des Castings, die Aluminiumschmelze erstarrt schnell, was zu einer Nichtgleichgewichtserstarrung führt.

In einem binären Phasendiagramm bestehend aus zwei Elementen A und B, wenn eine Legierung der Zusammensetzung F erstarrt,
Die Gleichgewichtszusammensetzung der festen Phase bei der Temperatur T1 sollte G sein, Aufgrund der schnellen Abkühlung beträgt die tatsächliche Zusammensetzung der festen Phase jedoch G‘.

Dies liegt daran, dass die Diffusionsgeschwindigkeit der Legierungselemente in der festen Phase langsamer ist als die Kristallisationsgeschwindigkeit, Dies führt zu einer Inhomogenität der chemischen Zusammensetzung innerhalb der Körner (D.h., Abgrenzung).

Nichtgleichgewichtserstarrung von 6063 Legierungsbarren führen zu zwei Hauptproblemen:

1. Zwischen den Körnern besteht eine Restgussspannung;
2. Inhomogenität der chemischen Zusammensetzung innerhalb von Körnern aufgrund von Segregation.

Diese Probleme erschweren die anschließende Extrusionsverarbeitung und verringern die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenbehandlungsleistung des endgültigen Profils.

daher, Für Knüppel ist vor der Extrusion eine Homogenisierungsbehandlung erforderlich.

Homogenisierungsbehandlungsprozess

Die Homogenisierungsbehandlung ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem Knüppel auf einer hohen Temperatur gehalten werden (unterhalb der Überbrenntemperatur) zur Beseitigung von Gussspannungen und innerer Kornentmischung.

Die wichtigsten technischen Parameter sind wie folgt:

• Homogenisierungstemperatur: Die Überbrenntemperatur des idealen ternären Al-Mg-Si-Systems beträgt 595 °C,
  aber die tatsächliche 6063 Legierung enthält verschiedene Verunreinigungselemente, Damit handelt es sich um ein Mehrkomponentensystem.
  daher, die tatsächliche Überbrenntemperatur liegt unter 595 °C.
  Die optimale Homogenisierungstemperatur für 6063 Legierung ist 530–550°C. Höhere Temperaturen in diesem Bereich können die Haltezeit verkürzen, Energie sparen, und die Ofenproduktivität verbessern.
• Haltezeit: Die Haltezeit hängt vom Knüppeldurchmesser und der Korngröße ab.
  Feinere Körner erfordern kürzere Haltezeiten, da der Diffusionsweg der Legierungselemente von den Korngrenzen zum Korninneren kürzer ist.

Energiesparende Maßnahmen zur Homogenisierungsbehandlung

Die Homogenisierungsbehandlung erfordert hohe Temperaturen und lange Haltezeiten, Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch und hohen Verarbeitungskosten, Deshalb verzichten viele Profilhersteller auf diesen Prozess.

Zu den wirksamen Energiesparmaßnahmen gehören::

1. Getreideverfeinerung: Wie bereits erwähnt, Feinere Körner verkürzen die erforderliche Homogenisierungshaltezeit erheblich, Energieverbrauch reduzieren.
2. Integrierter Heizprozess: Erweitern Sie den Knüppelerwärmungsofen für die Extrusion, und implementieren Sie eine segmentierte Temperaturregelung, um sowohl die Homogenisierungs- als auch die Extrusionstemperaturanforderungen zu erfüllen.
   Dieses Verfahren hat drei Hauptvorteile:

• • Es ist kein zusätzlicher Homogenisierungsofen erforderlich;
  • Die Wärme des homogenisierten Knüppels wird vollständig genutzt, Vermeiden Sie wiederholtes Erhitzen vor der Extrusion;
  • Die Langzeiterhitzung sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb und außerhalb des Barrens, Dies ist vorteilhaft für die Extrusion und die anschließende Wärmebehandlung.

6. Qualitätssicherung: Metriken und Inspektion

Wichtige Abnahmeprüfungen vor der Extrusions-/Gießfreigabe:

• Chemische Analyse (vollständige spektrochemische MTR): Überprüfen Sie die Hauptlegierungselemente und Spurenverunreinigungen – insbesondere Zn, Cu und Fe.
• Wasserstoffanalyse / Porositätsprobenahme: Wasserstoffgehalt der Schmelze (oder Porositätsindex an Probegussstücken) und Radiographie/CT repräsentativer Knüppel.
• Inklusionsebene / Filtereffektivität: optische Inspektion von Filterkuchen, mikroskopische Einschlüsse anhand von Laborcoupons.
• Korngröße und Phasenverteilung: metallografische Kontrollen nach der Erstarrung der Probe; Ferrit/α-Korngröße, Sekundärphasen.
• Mechanische Kontrollen: Zugfestigkeit und Härte auf Probestücken zur Bestätigung der Lösungs- und Legierungsreaktion.

7. Häufige Gussfehler – Ursachen und Abhilfe

8. Fortgeschrittene Techniken und Prozessverbesserungstechniken

• Ultraschallentgasung: Erzeugt Kavitation zur Wasserstoffentfernung und kann Oxidfilme aufbrechen – effektiv in einigen Werkstattimplementierungen für kleine Knüppel und hochwertige Gussteile.
• Vakuumentgasung / Tiefdruckguss: reduziert den Gehalt an gelösten Gasen und kann die Fütterung verbessern; in der Premiumproduktion eingesetzt.
• Elektromagnetisches Rühren: bei sorgfältiger Anwendung, verfeinert das Korn und homogenisiert die Temperatur; Vermeiden Sie übermäßige Turbulenzen an der Formfläche.
• Automatisierte Dosierung und Schmelzprotokolle: Präzise Vorlegierungszugabe, AR/IR-Spektrosteuerung, und digitale Schmelzprotokolle reduzieren menschliche Fehler und gewährleisten die Rückverfolgbarkeit.
• Simulationswerkzeuge: CFD zum Entwurf eines turbulenzarmen Angusses, und Erstarrungsmodellierung, um thermische Gradienten zu optimieren und Hotspots zu minimieren.

9. Umwelt, Sicherheits- und Wirtschaftsaspekte

• Gefahren beim Umgang mit Flussmitteln: Chlorid-/Fluoridsalze sind ätzend und hygroskopisch; versiegelt halten, trockene Lagerung. Stellen Sie PSA und Rauchkontrolle für die Verwendung von Flussmitteln bereit.
• Energiemanagement: Schmelzen und Homogenisieren sind energieintensiv; Stufenofenanlagen,
  Abwärmerückgewinnung und Prozessintegration (Knüppel mittels Abwärme vorwärmen) zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.
• Schrott und Recycling: Trennen Sie hochwertigen Legierungsschrott von kontaminiertem Material; Implementieren Sie Schmelzpraktiken, um Fremdelemente zu begrenzen und die Legierungsqualität aufrechtzuerhalten.

10. Abschluss

Hochwertige Gussteile und Strangpressrohstoffe aus Aluminiumlegierungen sind das Ergebnis einer disziplinierten Legierungskontrolle, präzises Schmelzemanagement und durchdachte Erstarrungspraxis.

Für Legierungen der Serie 6xxx wie z 6063, Der Erfolg hängt von der Aufrechterhaltung des richtigen Mg ab: Wenn Gleichgewicht, Verunreinigungselemente zurückhalten (insbesondere Zn) unterhalb praktischer Grenzwerte für die Oberflächenqualität,

Vermeiden einer übermäßigen Überhitzung der Schmelze, mit effektiver Veredelung (Pulver + kontrollierte Gasspülung), Erzielung einer feinen Kornstruktur, und Anwenden einer geeigneten Homogenisierung.

Führen Sie diese Maßnahmen gemeinsam und nicht isoliert durch, und das Ergebnis sind vorhersehbare mechanische Eigenschaften, Robuste Oberflächenqualität und weniger kostspielige Ausschuss- oder Nacharbeitsereignisse.

 

FAQs

Warum ist Zn <0.05 empfohlen, wenn viele Spezifikationen dies zulassen 0.10?

Praktische Werkstatterfahrung zeigt Zn in der Nähe 0.1 Fördert weiße Fleckenbildung nach Oxidation/Glühen; reduzieren auf <0.05 Mildert Oberflächenfehler bei blanken/extrudierten Profilen.

Was ist der empfindlichste Schmelzparameter??

Schmelztemperatur. Oben etwa 760 ° C gelöster Wasserstoff steigt stark an und verursacht Porosität und andere Defekte; Halten Sie die Temperatur der Schmelze kontrolliert und die Verweilzeit minimal.

Pulververfeinerung vs. hoher Gasdurchfluss – was besser ist?

Verwenden reichlich Verfeinerungspulver mit minimalem, kontrollierter Gasfluss. Große Gasströme erzeugen große Blasen bei kurzer Verweildauer: schlechte Entgasung und erhöhte Turbulenzen.

Erhöht die Kornverfeinerung die Gusstemperaturtoleranz??

Ja – eine effektiv kornverfeinerte Schmelze verträgt etwas höhere Gießtemperaturen (Typ. 720–740 ° C.) weil sich die Breizone verengt und die Nahrungsaufnahme verbessert wird; aber die Überhitzung sollte immer noch begrenzt sein.

Kann Gussschrott sicher wiederverwendet werden??

Ja, Überwachen Sie jedoch Fremdelemente und trennen Sie sie nach Legierungsfamilien. Recyceltes Material erhöht die Belastung durch Verunreinigungen und erfordert eine verfeinerte Schmelzpraxis und eine strengere MTR-Kontrolle.