Fundición de aleación de aluminio, Formulación, y tecnología de fundición

La producción de materias primas y piezas fundidas para extrusión de aluminio de alta calidad exige un control integrado de la química de las aleaciones., derretir limpieza, Historia térmica y comportamiento de solidificación..

Pequeñas cantidades de impurezas, práctica inapropiada de fusión o desgasificación, o la solidificación incontrolada puede anular la química que de otro modo sería correcta.

Este artículo sintetiza los principios de diseño de aleaciones. (con énfasis en Al-Mg-Si / 6063), práctica recomendada de fundición y refinación, Parámetros de refinamiento de grano y fundición., estrategia de homogeneización,

y medidas de solución de problemas para minimizar los defectos típicos (porosidad, atrapamiento de óxido, grano grueso, segregación).

1. Filosofía de control: composición y presupuesto de impurezas

• regla primaria: una composición de aleación calificada por sí sola es necesario pero no suficiente.
  El total de trazas de impurezas. (P.EJ., Ceñudo, Cu, Zn, Minnesota, De, otros) y los elementos no deseados deben controlarse hasta límites que preserven el acabado de la superficie., Respuesta de extrusión y propiedades mecánicas finales..
• Ejemplo (práctico): aunque algunas normas permiten Zn hasta 0.10 % en peso en ciertas aleaciones forjadas,
  La experiencia de producción demuestra que Zn ≥ 0.05 WT% Puede producir manchas blancas en superficies de extrusión oxidadas.;
  Por lo tanto, muchos productores apuntan Zn < 0.05 WT% para perfiles con acabado brillante.
• Las impurezas interactúan: El “presupuesto de impurezas” acumulativo es a menudo más importante que el cumplimiento de una especificación por parte de cualquier elemento individual..

2. Formulación de aleación: la tríada Al-Mg-Si (6063 familia)

• 6063 rangos nominales de aleación de aluminio (ejemplo, por GB/T y práctica común): y ≈ 0.2–0,6% en peso; magnesio ≈ 0.45–0,9% en peso; Fe ≤ 0.35 WT%; otros elementos (Cu, Minnesota, CR, Zr, De) típicamente < 0.10 WT%. (Consulte las especificaciones del producto final para conocer las tolerancias exactas.)
• Fase de fortalecimiento: Mg₂Si es la principal fase de endurecimiento.. Su eficacia depende del Mg.:Relación atómica/peso del Si: el Mg:La relación en peso de Si de Mg₂Si es ≈ 1.73.
  Para maximizar el endurecimiento por envejecimiento, mantener Mg:Y ≤ 1.73 (es decir. evitar el exceso de Mg).
  El exceso de Si tiene un efecto negativo limitado sobre la solubilidad del Mg₂Si; el exceso de Mg reduce la solubilidad y la respuesta a la edad.
• Solubilidad y comportamiento calor/envejecimiento. (datos prácticos): El Mg₂Si muestra una fuerte dependencia de la temperatura; el pseudo-binario α(Alabama)–Mg₂Si se forma eutéctico cerca 595 ° C.
  La solubilidad máxima de Mg₂Si citada en la práctica es ≈ 1.85 WT%, y en 500 ° C la solubilidad cae a ≈ 1.05 WT%.
  Como consecuencia, temperaturas de tratamiento de solución más altas y una velocidad de enfriamiento adecuada aumentan la retención de solutos y aumentan la resistencia al envejecimiento, pero existen límites prácticos para evitar la fusión incipiente y la oxidación excesiva..

3. Tecnología de fundición de 6063 Aleación de aluminio

La fundición es el proceso más crítico para producir alta calidad. aleación de aluminio palanquillas.

Un control inadecuado del proceso puede provocar diversos defectos de fundición., como inclusiones de escoria, porosidad, cereales secundarios, y cristales plumosos.

Los siguientes puntos técnicos clave deben implementarse estrictamente:

Control preciso de la temperatura de fundición

La temperatura de fusión óptima para 6063 la aleación de aluminio es 750–760°C. El control de la temperatura es fundamental por las siguientes razones:

• Riesgo de baja temperatura: Temperaturas inferiores a 750°C aumentan la viscosidad del aluminio fundido, reducir la eficiencia de la separación de escoria y aumentar la probabilidad de defectos de inclusión de escoria en las palanquillas.
• Riesgo de alta temperatura: Las temperaturas superiores a 760 °C provocan un fuerte aumento de la solubilidad del hidrógeno en la masa fundida de aluminio..
  La investigación metalúrgica muestra que la solubilidad del hidrógeno en el aluminio aumenta exponencialmente con una temperatura superior a 760 °C..
  Las temperaturas excesivamente altas también aceleran la oxidación y nitruración de la masa fundida., lo que lleva a una mayor pérdida por combustión de elementos de aleación, e inducir directamente defectos como granos gruesos y cristales plumosos.

Las medidas adicionales para reducir la absorción de hidrógeno incluyen:

• Precalentar hornos de fundición y herramientas a 200-300 °C para eliminar la humedad de la superficie..
• Usando solo seco, Materias primas y fundentes no deteriorados para evitar la introducción de humedad en la masa fundida..

Selección de fundentes de alta calidad y optimización del proceso de refinación

Flujos (incluyendo removedores de escoria, refinadores, y agentes de cobertura) Son materiales auxiliares esenciales para la fundición de aleaciones de aluminio..
La mayoría de los fundentes comerciales consisten en cloruros y fluoruros., que son altamente higroscópicos. La mala gestión del flujo es una fuente importante de contaminación por hidrógeno en la masa fundida.

Control de calidad del fundente

• Las materias primas para la producción de fundente deben secarse completamente para eliminar la humedad., y el fundente terminado debe empaquetarse herméticamente para evitar la absorción higroscópica durante el almacenamiento y transporte..
• Se debe prestar atención a la fecha de producción del fundente.; Los fundentes caducados tienden a absorber la humedad.,
  que reacciona con el aluminio fundido para producir hidrógeno (2Alabama + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), lo que lleva a defectos de porosidad en las palanquillas.

Optimización del proceso de refinación por inyección de polvo

El refinado por inyección de polvo es el método de refinado más utilizado para 6063 aleación de aluminio, ya que permite el contacto total entre el agente refinador y la masa fundida.

Los puntos técnicos centrales de este proceso son:

1. Control de presión de nitrógeno: La presión de nitrógeno debe mantenerse lo más baja posible., lo suficiente para llevar el agente refinador a la masa fundida.
   La alta presión de nitrógeno provoca violentas turbulencias y salpicaduras de la masa fundida, aumentando la formación de nuevas películas de óxido y el riesgo de defectos de inclusión de óxido.
2. Requisitos de pureza del nitrógeno: Nitrógeno de alta pureza (≥99.99%) debe usarse para refinar.
   La humedad que contiene nitrógeno impuro introducirá hidrógeno adicional en la masa fundida., contrarrestar el efecto refinado.
3. Dosificación del agente refinador: El principio de más flujo., se debe seguir menos gas.
   Aumentar la dosis del agente refinador puede mejorar el efecto de desgasificación y eliminación de escoria., mientras que reducir el uso de nitrógeno puede reducir los costos de producción y minimizar la turbulencia del fundido.
   El objetivo principal del proceso es inyectar la máxima cantidad de agente refinador en la masa fundida utilizando la mínima cantidad de nitrógeno..

Tratamiento de refinamiento de granos

El refinamiento del grano es una de las medidas más efectivas para mejorar la calidad de las palanquillas de aleación de aluminio y resolver defectos de fundición como la porosidad., cereales secundarios, y cristales plumosos.

El mecanismo de refinamiento del grano es el siguiente.:

Durante la solidificación en desequilibrio, elementos de impureza (incluyendo elementos de aleación) tienden a segregarse en los límites de los granos.
Los granos más finos aumentan el área total del límite del grano., lo que reduce la concentración de elementos de impureza en cada límite de grano.
Para elementos de impureza, esto reduce sus efectos nocivos; para elementos de aleación, esto mejora su uniformidad de distribución y potencia su efecto fortalecedor..

El efecto del refinamiento del grano se puede ilustrar mediante un simple cálculo.: supongamos dos bloques de metal del mismo volumen V, compuesto de granos cúbicos.

Si la longitud del lado del grano del bloque 1 es 2a y el de bloque 2 es un, el área total del límite de grano del bloque 2 es el doble que el bloque 1.

Esto significa que reducir el tamaño del grano a la mitad duplica el área del límite del grano., y reduce a la mitad la concentración de impurezas por unidad de área límite de grano.

Para 6063 aleación utilizada en perfiles esmerilados, El refinamiento del grano es particularmente importante..

Fino, Los granos más uniformes garantizan que la superficie del perfil se corroa uniformemente durante el proceso de glaseado., dando como resultado una consistencia, acabado esmerilado de alta calidad.

Los refinadores de grano comunes para aleaciones de aluminio incluyen aleaciones maestras Al-Ti-B., que normalmente se agregan a la masa fundida en una dosis de 0,1 a 0,3% en peso..

4. Tecnología de fundición de 6063 Aleación de aluminio

La fundición es el proceso de convertir el aluminio refinado fundido en palanquillas sólidas de dimensiones específicas.. Los parámetros razonables del proceso de fundición son esenciales para producir palanquillas de alta calidad..

Se deben enfatizar los siguientes puntos técnicos clave:

Selección de la temperatura óptima de fundición

Para 6063 aleaciones fundidas tratadas con refinadores de granos, La temperatura óptima de fundición es 720–740°C. Este rango de temperatura está determinado por los siguientes factores:

1. La masa fundida refinada en grano tiene mayor viscosidad y tasas de solidificación más rápidas.; una temperatura de fundición moderadamente elevada garantiza una buena fluidez de la masa fundida y evita defectos de cierre en frío.
2. Durante el casting, Se forma una zona bifásica líquido-sólido en el frente de solidificación del tocho..
   Una temperatura de fundición moderadamente alta estrecha esta zona de dos fases., que facilita el escape de los gases generados durante la solidificación y reduce los defectos de porosidad.

Sin embargo, la temperatura de fundición no debe ser excesivamente alta, ya que las altas temperaturas acortarán el tiempo efectivo del refinador de grano y darán lugar a estructuras de grano grueso en la palanquilla..

Precalentamiento del sistema de fundición

Todos los componentes del sistema de fundición., incluidas las lavanderías, distribuidores, y moldes, debe precalentarse completamente y secarse a 200-300 °C antes de fundir.

Esto evita la reacción entre la humedad en la superficie de estos componentes y el aluminio fundido a alta temperatura., que es una fuente importante de contaminación por hidrógeno.

Prevención de turbulencias en fusión e inclusión de óxidos

Durante el casting, Se deben minimizar las turbulencias y salpicaduras de la masa fundida de aluminio.. Se deben seguir las siguientes pautas operativas:

• Evite remover la masa fundida en la lavadora o distribuidor con herramientas., ya que esto romperá la película protectora de óxido en la superficie fundida, dando lugar a la formación de nuevos óxidos.
• Asegúrese de que la masa fundida fluya suavemente hacia el molde bajo la protección de la película de óxido..
  La investigación muestra que las películas de óxido de aluminio tienen fuertes propiedades higroscópicas, que contiene aproximadamente 2 % en peso de humedad.
  Si estas películas de óxido son arrastradas hacia la masa fundida, La humedad que contienen reaccionará con el aluminio para producir inclusiones de hidrógeno y óxido., perjudicando gravemente la calidad de la palanquilla.

Tratamiento de filtración por fusión

La filtración es el método más eficaz para eliminar inclusiones no metálicas del aluminio fundido..

Para 6063 fundición de aleación, Dos métodos de filtración comunes son ampliamente utilizados.: Filtración de tela de fibra de vidrio multicapa y filtración de placa filtrante de cerámica..

Los puntos operativos clave incluyen:

• Antes de la filtración, Se debe eliminar la escoria superficial de la masa fundida.. Se debe instalar un deflector de escoria en el lavadero para separar la escoria superficial del líquido fundido que fluye., evitando que el filtro se obstruya y asegurando una filtración suave.
• El filtro debe precalentarse a la misma temperatura que la masa fundida para evitar un choque térmico al filtro y evitar la formación de defectos de cierre en frío en la masa fundida..

5. Tratamiento de homogeneización de 6063 Billetes de aleación de aluminio

Solidificación en desequilibrio y sus efectos

Durante el casting, el aluminio fundido se solidifica rápidamente, resultando en solidificación fuera del equilibrio.

En un diagrama de fases binario compuesto por dos elementos A y B, cuando una aleación de composición F se solidifica,
la composición de la fase sólida en equilibrio a la temperatura T1 debe ser G, pero la composición real de la fase sólida es G' debido al rápido enfriamiento.

Esto se debe a que la velocidad de difusión de los elementos de aleación en la fase sólida es más lenta que la velocidad de cristalización., lo que lleva a una falta de homogeneidad en la composición química dentro de los granos (ES DECIR., segregación).

Solidificación fuera del equilibrio de 6063 Los tochos de aleación generan dos problemas principales.:

1. Existe tensión de fundición residual entre los granos.;
2. Inhomogeneidad de la composición química dentro de los granos debido a la segregación..

Estos problemas aumentan la dificultad del procesamiento de extrusión posterior y reducen las propiedades mecánicas y el rendimiento del tratamiento superficial del perfil final..

Por lo tanto, El tratamiento de homogeneización es necesario para las palanquillas antes de la extrusión..

Proceso de tratamiento de homogeneización

El tratamiento de homogeneización es un proceso de tratamiento térmico en el que las palanquillas se mantienen a alta temperatura. (por debajo de la temperatura de sobrecalentamiento) para eliminar el estrés de fundición y la segregación interna del grano..

Los parámetros técnicos clave son los siguientes:

• Temperatura de homogeneización: La temperatura de sobrecombustión del sistema ternario ideal de Al-Mg-Si es de 595°C.,
  pero el real 6063 la aleación contiene varios elementos de impureza, convirtiéndolo en un sistema multicomponente.
  Por lo tanto, la temperatura real de sobrecombustión es inferior a 595°C.
  La temperatura óptima de homogeneización para 6063 la aleación es 530–550°C. Temperaturas más altas dentro de este rango pueden acortar el tiempo de mantenimiento., ahorrar energía, y mejorar la productividad del horno.
• Tiempo de espera: El tiempo de espera depende del diámetro de la palanquilla y del tamaño del grano..
  Los granos más finos requieren tiempos de retención más cortos porque la distancia de difusión de los elementos de aleación desde los límites del grano hasta el interior del grano es más corta..

Medidas de ahorro de energía para el tratamiento de homogeneización

El tratamiento de homogeneización requiere altas temperaturas y largos tiempos de mantenimiento., lo que resulta en un alto consumo de energía y costos de procesamiento, Por eso muchos fabricantes de perfiles se saltan este proceso..

Las medidas efectivas de ahorro de energía incluyen:

1. Refinamiento de grano: Como se mencionó anteriormente, Los granos más finos acortan significativamente el tiempo de homogeneización requerido., Reducción del consumo de energía.
2. Proceso de calentamiento integrado: Ampliar el horno de calentamiento de palanquillas para extrusión., e implementar un control de temperatura segmentado para cumplir con los requisitos de temperatura de homogeneización y extrusión..
   Este proceso tiene tres ventajas principales.:

• • No se requiere horno de homogeneización adicional;
  • El calor del tocho homogeneizado se aprovecha al máximo., evitando el calentamiento repetido antes de la extrusión;
  • El calentamiento prolongado garantiza una distribución uniforme de la temperatura dentro y fuera del tocho, Lo cual es beneficioso para la extrusión y el posterior tratamiento térmico..

6. Seguro de calidad: métricas e inspección

Comprobaciones de aceptación importantes antes de la liberación de extrusión/fundición:

• Análisis químico (MTR espectroquímica completa): verificar los principales elementos de aleación y trazar impurezas, especialmente Zn, Cu y Fe.
• Análisis de hidrógeno / muestreo de porosidad: contenido de hidrógeno de la masa fundida (o índice de porosidad en piezas fundidas de muestra) y radiografía/TC de palanquillas representativas.
• Nivel de inclusión / efectividad de la filtración: inspección óptica de tortas de filtración, recuentos de inclusiones microscópicas a partir de cupones de laboratorio.
• Tamaño de grano y distribución de fases.: controles metalográficos después de la solidificación de la muestra; ferrita/tamaño de grano α, fases secundarias.
• Controles mecánicos: tracción y dureza en los cupones para confirmar la respuesta de la solución y la aleación.

7. Defectos comunes de fundición: causas y soluciones

8. Técnicas avanzadas y de mejora de procesos.

• Desgasificación ultrasónica: genera cavitación para la eliminación de hidrógeno y puede romper películas de óxido; eficaz en algunas implementaciones de taller para palanquillas pequeñas y piezas fundidas de alto valor..
• Vacío / lanzamiento de baja presión: Reduce los niveles de gases disueltos y puede mejorar la alimentación.; utilizado en producción premium.
• agitación electromagnética: cuando se aplica con cuidado, refina el grano y homogeneiza la temperatura; evitar turbulencias excesivas en la cara del molde.
• Registros automatizados de dosificación y fusión: adición precisa de aleación maestra, Control de espectro AR/IR, y los registros de fusión digitales reducen el error humano y garantizan la trazabilidad.
• Herramientas de simulación: CFD para diseñar puertas de baja turbulencia, y modelado de solidificación para optimizar los gradientes térmicos y minimizar los puntos calientes.

9. Ambiental, consideraciones económicas y de seguridad

• Peligros en la manipulación del fundente: Las sales de cloruro/fluoruro son corrosivas e higroscópicas.; mantener sellado, almacenamiento en seco. Proporcionar PPE y control de humos para uso de fundente..
• Gestión energética: La fusión y la homogeneización consumen mucha energía.; sistemas de hornos por etapas,
  recuperación de calor residual e integración de procesos (precalentar palanquillas utilizando calor de escape) producir importantes ahorros de costos.
• Chatarra y reciclaje: separar chatarra de aleación de alto valor frente a material contaminado; Implementar prácticas de fusión para limitar los elementos atrapados y mantener la calidad de la aleación..

10. Conclusión

Las piezas fundidas de aleación de aluminio de alta calidad y la materia prima de extrusión son producto de un control disciplinado de la aleación., Gestión precisa de la masa fundida y práctica de solidificación bien diseñada..

Para aleaciones de la serie 6xxx como 6063, el éxito depende de mantener el Mg correcto: si saldo, manteniendo elementos de impureza (especialmente zinc) por debajo de los umbrales prácticos para la calidad de la superficie,

evitando el sobrecalentamiento excesivo del derretimiento, usando refinamiento efectivo (polvo + purga de gas controlada), logrando una estructura de grano fino, y aplicando una homogeneización adecuada.

Implemente estas medidas juntas, en lugar de de forma aislada, y el resultado serán propiedades mecánicas predecibles., Calidad de superficie robusta y menos eventos costosos de desperdicio o retrabajo..

 

Preguntas frecuentes

¿Por qué el Zn <0.05 Recomendado cuando muchas especificaciones lo permiten. 0.10?

La experiencia práctica en el taller muestra que el Zn está cerca 0.1 Promueve el moteado blanco después de la oxidación/recocido.; reduciendo a <0.05 mitiga los defectos superficiales para perfiles brillantes/extruidos.

¿Cuál es el parámetro de fusión más sensible??

Temperatura de fusión. Arriba sobre 760 ° C El hidrógeno disuelto aumenta bruscamente y causa porosidad y otros defectos.; Mantenga la temperatura de fusión controlada y el tiempo de residencia mínimo..

Refinación de polvo versus alto flujo de gas: cuál es mejor?

Usar amplio polvo de refinación con mínimo, flujo de gas controlado. Los grandes flujos de gas forman grandes burbujas con una corta residencia.: mala desgasificación y aumento de turbulencias.

¿El refinamiento del grano aumenta la tolerancia a la temperatura de fundición??

Sí, una masa fundida con un grano refinado de forma efectiva tolera temperaturas de fundición ligeramente más altas. (típico. 720–740 ° C) porque la zona blanda se estrecha y mejora la alimentación; pero el sobrecalentamiento aún debería ser limitado.

¿Se pueden reutilizar los restos de fundición de forma segura??

Sí, pero controlar los elementos vagabundos y separarlos por familia de aleaciones.. El material reciclado aumenta la carga de impurezas y requiere una práctica de fusión más refinada y un control MTR más estricto..