ذوب آلیاژ آلومینیوم, فرمولاسیون, و فناوری ریخته گری

تولید مواد اولیه اکستروژن و ریخته گری آلومینیوم با کیفیت بالا نیازمند کنترل یکپارچه شیمی آلیاژ است., تمیزی ذوب شود, تاریخچه حرارتی و رفتار انجماد.

مقدار کمی ناخالصی, عمل ذوب یا گاز زدایی نامناسب, یا انجماد کنترل نشده می تواند شیمی های صحیح را نفی کند.

این مقاله اصول طراحی آلیاژ را سنتز می کند (با تاکید بر المگ سی / 6063), عمل ذوب و پالایش توصیه می شود, پارامترهای پالایش دانه و ریخته گری, استراتژی همگن سازی,

و اقدامات عیب یابی برای به حداقل رساندن عیوب معمولی (تخلخل, به دام افتادن اکسید, دانه درشت, تفکیک).

1. فلسفه کنترل: ترکیب وت بودجه ناخالصی

• قانون اولیه: یک ترکیب آلیاژی واجد شرایط به تنهایی است لازم است اما کافی نیست.
  مجموع ناخالصی های کمیاب (به عنوان مثال, با, مس, روی, منگنه, از, دیگران) و عناصر ناخواسته باید تا حدی کنترل شوند که سطح را حفظ کند, پاسخ اکستروژن و خواص مکانیکی نهایی.
• نمونه (عملی): اگرچه برخی استانداردها Zn را تا حد مجاز مجاز می دانند 0.10 درصد وزنی در آلیاژهای فرفورژه خاص,
  تجربه تولید نشان می دهد روی ≥ 0.05 وزنی ٪ می تواند لکه های سفید روی سطوح اکستروژن اکسید شده ایجاد کند;
  بنابراین بسیاری از تولیدکنندگان هدف قرار می دهند روی < 0.05 وزنی ٪ برای پروفیل های روشن.
• ناخالصی ها بر هم اثر می گذارند: تجمعی "بودجه ناخالصی" اغلب مهمتر از انطباق هر عنصر منفرد با یک مشخصات است..

2. فرمولاسیون آلیاژی: سه گانه Al-Mg-Si (6063 خانواده)

• 6063 محدوده اسمی آلیاژ آلومینیوم (مثال, در هر GB/T و روش معمول): و ≈ 0.2-0.6 درصد وزنی; Mg ≈ 0.45-0.9 درصد وزنی; FE 0.35 وزنی ٪; عناصر دیگر (مس, منگنه, کلوچه, Zr, از) به طور معمول < 0.10 وزنی ٪. (برای تلورانس های دقیق با مشخصات محصول نهایی مشورت کنید.)
• مرحله تقویت: Mg2Si فاز اصلی سخت شدن است. اثربخشی آن به Mg بستگی دارد:نسبت اتمی به وزن Si - Mg:نسبت وزنی Si Mg2Si ≈ است 1.73.
  برای به حداکثر رساندن سخت شدن سن, حفظ کند مگس:و 1.73 (یعنی. اجتناب از منیزیم اضافی).
  Si بیش از حد اثر منفی محدودی بر حلالیت Mg2Si دارد; منیزیم اضافی حلالیت و پاسخ سن را کاهش می دهد.
• حلالیت و رفتار گرما/سن (داده های عملی): Mg2Si وابستگی شدید به دما را نشان می دهد; α شبه دودویی(با هم)یوتکتیک Mg2Si در نزدیکی شکل می گیرد 595 درجه سانتیگراد.
  حداکثر حلالیت Mg2Si ذکر شده در عمل ≈ است 1.85 وزنی ٪, و در 500 درجه سانتیگراد حلالیت به ≈ می رسد 1.05 وزنی ٪.
  در نتیجه, دمای بالاتر محلول تیمار و سرعت خاموش کردن کافی باعث افزایش احتباس املاح و افزایش قدرت پیری می شود - اما محدودیت های عملی برای جلوگیری از ذوب اولیه و اکسیداسیون بیش از حد وجود دارد..

3. فناوری ذوب 6063 آلیاژ آلومینیوم

ذوب حیاتی ترین فرآیند برای تولید با کیفیت بالا است آلیاژ آلومینیوم لایحه.

کنترل نامناسب فرآیند می تواند منجر به عیوب مختلف ریخته گری شود, مانند آخال های سرباره, تخلخل, دانه های درشت, و کریستال های پر.

نکات فنی کلیدی زیر باید به شدت اجرا شوند:

کنترل دقیق دمای ذوب

دمای ذوب بهینه برای 6063 آلیاژ آلومینیوم است 750-760 درجه سانتی گراد. کنترل دما به دلایل زیر بسیار مهم است:

• خطر دمای پایین: دمای کمتر از 750 درجه سانتیگراد باعث افزایش ویسکوزیته مذاب آلومینیوم می شود, کاهش راندمان جداسازی سرباره و افزایش احتمال عیوب ورود سرباره در بیلت ها.
• خطر دمای بالا: دمای بالای 760 درجه سانتیگراد باعث افزایش شدید حلالیت هیدروژن در مذاب آلومینیوم می شود..
  تحقیقات متالورژی نشان می دهد که حلالیت هیدروژن در آلومینیوم با دمای بالاتر از 760 درجه سانتی گراد به طور تصاعدی افزایش می یابد..
  دمای بیش از حد بالا همچنین اکسیداسیون و نیتریداسیون مذاب را تسریع می کند, منجر به افزایش اتلاف سوختگی عناصر آلیاژی می شود, و مستقیماً باعث ایجاد نقص هایی مانند دانه های درشت و کریستال های پر می شود.

اقدامات اضافی برای کاهش جذب هیدروژن عبارتند از:

• پیش گرم کردن کوره ها و ابزارهای ذوب در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد برای از بین بردن رطوبت سطح.
• فقط از خشک استفاده کنید, مواد اولیه فرسوده نشده و شار برای جلوگیری از وارد شدن رطوبت به مذاب.

انتخاب شارهای با کیفیت بالا و بهینه سازی فرآیند پالایش

شارها (از جمله حذف سرباره, پالایشگاه ها, و عوامل پوشش دهنده) مواد کمکی ضروری برای ذوب آلیاژ آلومینیوم هستند.
اکثر فلاکس های تجاری از کلریدها و فلورایدها تشکیل شده اند, که رطوبت بالایی دارند. مدیریت ضعیف شار منبع اصلی آلودگی هیدروژنی در مذاب است.

کنترل کیفیت شار

• مواد اولیه برای تولید فلاکس باید کاملاً خشک شوند تا رطوبت از بین برود, و شار تمام شده باید به صورت هرمتیک بسته بندی شود تا از جذب رطوبت در حین ذخیره سازی و حمل و نقل جلوگیری شود..
• باید به تاریخ تولید شار توجه کرد; شارهای منقضی شده تمایل به جذب رطوبت دارند,
  که با مذاب آلومینیوم واکنش داده و هیدروژن تولید می کند (2با هم + 3H2O → Al2O3 + 3ح.), منجر به نقص تخلخل در بیلت ها می شود.

بهینه سازی فرآیند پالایش تزریق پودر

پالایش تزریق پودر پرکاربردترین روش تصفیه است 6063 آلیاژ آلومینیوم, زیرا امکان تماس کامل بین عامل تصفیه و مذاب را فراهم می کند.

نکات فنی اصلی این فرآیند هستند:

1. کنترل فشار نیتروژن: فشار نیتروژن باید تا حد امکان پایین نگه داشته شود, فقط برای حمل عامل تصفیه به مذاب کافی است.
   فشار زیاد نیتروژن باعث تلاطم شدید و پاشیدن مذاب می شود, افزایش تشکیل لایه‌های اکسیدی جدید و خطر نقص در ورود اکسید.
2. الزامات خلوص نیتروژن: نیتروژن با خلوص بالا (99.99 ٪) باید برای پالایش استفاده شود.
   نیتروژن ناخالص حاوی رطوبت، هیدروژن اضافی را وارد مذاب می کند, خنثی کردن اثر پالایش.
3. دوز عامل تصفیه: اصل شار بیشتر, گاز کمتری باید دنبال شود.
   افزایش دوز عامل تصفیه می تواند اثر گاز زدایی و حذف سرباره را افزایش دهد., در حالی که کاهش مصرف نیتروژن می تواند هزینه های تولید را کاهش دهد و تلاطم مذاب را به حداقل برساند.
   هدف اصلی فرآیند تزریق حداکثر مقدار عامل تصفیه به مذاب با استفاده از حداقل مقدار نیتروژن است..

درمان پالایش دانه

پالایش دانه یکی از موثرترین اقدامات برای بهبود کیفیت بیلت های آلیاژ آلومینیوم و رفع عیوب ریخته گری مانند تخلخل است., دانه های درشت, و کریستال های پر.

مکانیسم پالایش دانه به شرح زیر است:

در طی انجماد غیرتعادلی, عناصر ناخالصی (از جمله عناصر آلیاژی) تمایل به جدا شدن در مرزهای دانه دارند.
دانه های ریزتر سطح کل مرز دانه را افزایش می دهند, که باعث کاهش غلظت عناصر ناخالص در هر مرز دانه می شود.
برای عناصر ناخالصی, این باعث کاهش اثرات مضر آنها می شود; برای عناصر آلیاژی, این یکنواختی توزیع آنها را بهبود می بخشد و اثر تقویتی آنها را افزایش می دهد.

اثر پالایش دانه را می توان با یک محاسبه ساده نشان داد: دو بلوک فلزی با حجم یکسان V را فرض کنید, از دانه های مکعبی تشکیل شده است.

اگر طول ضلع بلوک 1 2a و بلوک است 2 است, کل سطح مرز دانه بلوک 2 دو برابر بلوک است 1.

این بدان معنی است که کاهش اندازه دانه به نصف، سطح مرز دانه را دو برابر می کند, و غلظت ناخالصی در واحد سطح مرز دانه را نصف می کند.

برای 6063 آلیاژ مورد استفاده در پروفیل های مات, پالایش دانه از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

با ظرافت, دانه های یکنواخت تر تضمین می کند که سطح پروفیل به طور یکنواخت در طول فرآیند یخ زدگی خورده می شود, منجر به یک سازگار, روکش مات با کیفیت بالا.

پالایشگرهای دانه معمولی برای آلیاژهای آلومینیوم شامل آلیاژهای اصلی Al-Ti-B هستند, که معمولاً با دوز 0.1-0.3 درصد وزنی به مذاب اضافه می شوند..

4. فناوری ریخته گری از 6063 آلیاژ آلومینیوم

ریخته گری فرآیند تبدیل مذاب آلومینیوم تصفیه شده به بیلت های جامد با ابعاد مشخص است.. پارامترهای فرآیند ریخته گری معقول برای تولید بیلت با کیفیت بالا ضروری است.

نکات فنی کلیدی زیر باید مورد تاکید قرار گیرد:

انتخاب دمای ریخته گری بهینه

برای 6063 مذاب های آلیاژی که با پالایشگرهای غلات تصفیه شده اند, دمای بهینه ریخته گری است 720-740 درجه سانتی گراد. این محدوده دما با عوامل زیر تعیین می شود:

1. مذاب تصفیه شده با دانه دارای ویسکوزیته بالاتر و نرخ انجماد سریعتر است; دمای نسبتاً بالا ریخته‌گری سیالیت خوب مذاب را تضمین می‌کند و از عیوب بسته شدن سرد جلوگیری می‌کند..
2. در حین ریخته گری, یک منطقه دو فازی مایع-جامد در قسمت جلوی انجماد بیلت تشکیل می شود.
   دمای ریخته گری نسبتاً بالا این منطقه دو فازی را باریک می کند, که خروج گازهای تولید شده در حین انجماد را تسهیل می کند و عیوب تخلخل را کاهش می دهد.

هر چند, دمای ریخته گری نباید بیش از حد بالا باشد, زیرا دماهای بالا زمان موثر تصفیه کننده دانه را کوتاه می کند و منجر به ساختارهای دانه درشت در بیلت می شود..

پیش گرم کردن سیستم ریخته گری

تمام اجزای سیستم ریخته گری, از جمله لباسشویی ها, توزیع کنندگان, و قالب, قبل از ریخته گری باید کاملاً از قبل گرم شده و در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد خشک شود.

این امر از واکنش بین رطوبت روی سطح این اجزا و مذاب آلومینیوم با دمای بالا جلوگیری می کند., که منبع اصلی آلودگی هیدروژنی است.

جلوگیری از آشفتگی مذاب و ورود اکسید

در حین ریخته گری, تلاطم و پاشش مذاب آلومینیوم باید به حداقل برسد. دستورالعمل های عملیاتی زیر باید دنبال شود:

• از هم زدن مذاب در لباسشویی یا توزیع کننده با ابزار خودداری کنید, زیرا این باعث شکستن لایه اکسید محافظ روی سطح مذاب می شود, منجر به تشکیل اکسیدهای جدید می شود.
• اطمینان حاصل کنید که مذاب به آرامی در قالب تحت محافظت فیلم اکسید جریان می یابد.
  تحقیقات نشان می دهد که فیلم های اکسید آلومینیوم خاصیت رطوبت سنجی قوی دارند, حاوی تقریباً 2 درصد وزنی رطوبت.
  اگر این لایه های اکسیدی به داخل مذاب کشیده شوند, رطوبت موجود در آنها با آلومینیوم واکنش داده و اجزای هیدروژن و اکسید تولید می کند, به شدت کیفیت بیلت را مختل می کند.

درمان فیلتراسیون مذاب

فیلتراسیون موثرترین روش برای حذف اجزای غیرفلزی از مذاب آلومینیوم است..

برای 6063 ریخته گری آلیاژی, دو روش رایج فیلتراسیون به طور گسترده استفاده می شود: فیلتراسیون پارچه فایبرگلاس چند لایه و فیلتراسیون صفحه فیلتر سرامیکی.

نکات کلیدی عملیاتی شامل:

• قبل از فیلتراسیون, سرباره سطحی مذاب باید حذف شود. برای جدا کردن سرباره سطحی از مذاب جاری باید یک حفاظ سرباره در لباسشویی نصب شود., جلوگیری از گرفتگی فیلتر و اطمینان از فیلتراسیون صاف.
• فیلتر باید در همان دمای مذاب از قبل گرم شود تا از شوک حرارتی به فیلتر جلوگیری شود و از ایجاد عیوب بسته سرد در مذاب جلوگیری شود..

5. درمان همگن سازی 6063 بیلت های آلیاژ آلومینیوم

انجماد غیر تعادلی و اثرات آن

در حین ریخته گری, مذاب آلومینیوم به سرعت جامد می شود, منجر به انجماد غیر تعادلی می شود.

در یک نمودار فاز باینری که از دو عنصر A و B تشکیل شده است, هنگامی که آلیاژی از ترکیب F جامد می شود,
ترکیب فاز جامد تعادلی در دمای T1 باید G باشد, اما ترکیب فاز جامد واقعی به دلیل سرد شدن سریع G’ است.

زیرا سرعت انتشار عناصر آلیاژی در فاز جامد کندتر از سرعت تبلور است., منجر به ناهمگنی ترکیب شیمیایی در دانه ها می شود (یعنی, تفکیک).

انجماد غیر تعادلی 6063 بیلت های آلیاژی منجر به دو مشکل اصلی می شود:

1. تنش ریخته گری پسماند بین دانه ها وجود دارد;
2. ناهمگنی ترکیب شیمیایی در دانه ها به دلیل جداسازی.

این مشکلات دشواری پردازش اکستروژن بعدی را افزایش می دهد و خواص مکانیکی و عملکرد سطحی پروفیل نهایی را کاهش می دهد..

از این رو, عملیات همگن سازی برای بیلت ها قبل از اکستروژن ضروری است.

فرآیند درمان همگن سازی

عملیات هموژنیزاسیون یک فرآیند عملیات حرارتی است که در آن بیلت ها در دمای بالا نگهداری می شوند (زیر دمای بیش از حد سوزش) برای حذف تنش ریخته گری و جداسازی داخلی دانه.

پارامترهای فنی کلیدی به شرح زیر است:

• دمای هموژنیزاسیون: دمای بیش از حد سوختن سیستم سه تایی ایده آل Al-Mg-Si 595 درجه سانتی گراد است,
  اما واقعی 6063 آلیاژ حاوی عناصر ناخالصی مختلف است, آن را به یک سیستم چند جزئی تبدیل می کند.
  از این رو, دمای واقعی بیش از حد سوخت کمتر از 595 درجه سانتیگراد است.
  دمای همگن بهینه برای 6063 آلیاژ است 530-550 درجه سانتی گراد. دمای بالاتر در این محدوده می تواند زمان نگهداری را کوتاه کند, صرفه جویی در انرژی, و بهره وری کوره را بهبود بخشد.
• زمان برگزاری: زمان نگهداری بستگی به قطر بیلت و اندازه دانه دارد.
  دانه های ریزتر به زمان نگهداری کوتاه تری نیاز دارند زیرا فاصله انتشار عناصر آلیاژی از مرزهای دانه تا فضای داخلی دانه کوتاه تر است..

اقدامات صرفه جویی در انرژی برای درمان همگن سازی

عملیات هموژنیزاسیون به دماهای بالا و زمان نگهداری طولانی نیاز دارد, منجر به مصرف انرژی و هزینه های پردازش بالا می شود, به همین دلیل است که بسیاری از تولید کنندگان پروفیل از این روند صرف نظر می کنند.

اقدامات موثر برای صرفه جویی در انرژی عبارتند از:

1. پالایش غلات: همانطور که قبلاً ذکر شد, دانه های ریزتر به طور قابل توجهی زمان نگهداری همگن سازی مورد نیاز را کوتاه می کنند, کاهش مصرف انرژی.
2. فرآیند گرمایش یکپارچه: کوره گرمایش بیلت را برای اکستروژن گسترش دهید, و برای برآوردن نیازهای دمایی همگن سازی و اکستروژن، کنترل درجه حرارت تقسیم شده را اجرا کنید.
   این فرآیند سه مزیت اصلی دارد:

• • هیچ کوره همگن اضافی مورد نیاز نیست;
  • از گرمای بیلت هموژنیزه شده به طور کامل استفاده می شود, اجتناب از حرارت دادن مکرر قبل از اکستروژن;
  • گرمایش طولانی مدت توزیع یکنواخت دما را در داخل و خارج بیلت تضمین می کند, که برای اکستروژن و عملیات حرارتی بعدی مفید است.

6. تضمین کیفیت: متریک و بازرسی

بررسی های مهم پذیرش قبل از آزادسازی اکستروژن/ریخته گری:

• تجزیه و تحلیل شیمیایی (MTR طیفی کامل): بررسی عناصر آلیاژی اصلی و ناخالصی های کمیاب - به ویژه روی, مس و آهن.
• تجزیه و تحلیل هیدروژن / نمونه گیری تخلخل: محتوای هیدروژن مذاب (یا شاخص تخلخل در ریخته گری نمونه) و رادیوگرافی / سی تی بیلت های نماینده.
• سطح شمول / اثربخشی فیلتراسیون: بازرسی نوری کیک های فیلتر, تعداد گنجاندن میکروسکوپی از کوپن های آزمایشگاهی.
• اندازه دانه و توزیع فاز: بررسی های متالوگرافی پس از انجماد نمونه; اندازه دانه فریت/α, فازهای ثانویه.
• چک های مکانیکی: کشش و سختی روی کوپن ها برای تایید پاسخ محلول و آلیاژ.

7. نقایص معمول ریخته گری - علل و راه حل

8. تکنیک های پیشرفته و بهبود فرآیند

• گاز زدایی اولتراسونیک: ایجاد کاویتاسیون برای حذف هیدروژن و می تواند لایه های اکسید را بشکند - در برخی از اجراهای فروشگاهی برای بیلت های کوچک و ریخته گری های با ارزش بالا موثر است..
• خلاء / بازیگران کم فشار: سطح گاز محلول را کاهش می دهد و می تواند تغذیه را بهبود بخشد; در تولید پریمیوم استفاده می شود.
• همزن الکترومغناطیسی: هنگامی که با دقت اعمال می شود, دانه را تصفیه می کند و دما را همگن می کند; از تلاطم بیش از حد در سطح قالب جلوگیری کنید.
• سوابق دوز و ذوب خودکار: افزودن دقیق آلیاژ اصلی, کنترل طیف AR/IR, و سیاهههای ذوب دیجیتال خطای انسانی را کاهش داده و قابلیت ردیابی را تضمین می کند.
• ابزارهای شبیه سازی: CFD برای طراحی دروازه با توربولانس کم, و مدل سازی انجماد برای بهینه سازی گرادیان های حرارتی و به حداقل رساندن نقاط داغ.

9. زیست محیطی, ملاحظات ایمنی و اقتصادی

• خطرات دست زدن به شار: نمک های کلرید/فلوراید خورنده و رطوبت گیر هستند; مهر و موم نگه دارید, ذخیره سازی خشک. PPE و کنترل دود را برای استفاده از شار فراهم کنید.
• مدیریت انرژی: ذوب و همگن شدن انرژی بر هستند; سیستم های کوره مرحله ای,
  بازیابی حرارت هدر رفته و یکپارچه سازی فرآیند (پیش گرم کردن بیلت ها با استفاده از گرمای اگزوز) صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ایجاد می کند.
• ضایعات و بازیافت: ضایعات آلیاژی با ارزش بالا را در مقابل مواد آلوده جدا کنید; اجرای روش های ذوب برای محدود کردن عناصر ولگرد و حفظ کیفیت آلیاژ.

10. پایان

ریخته گری آلیاژ آلومینیوم با کیفیت بالا و مواد اولیه اکستروژن محصول کنترل منضبط آلیاژ است., مدیریت دقیق مذاب و عمل انجماد به خوبی طراحی شده است.

برای آلیاژهای سری 6xxx مانند 6063, موفقیت منوط به حفظ منیزیم صحیح است: اگر تعادل, حفظ عناصر ناخالصی (به ویژه روی) زیر آستانه عملی برای کیفیت سطح,

اجتناب از گرمای بیش از حد مذاب, با استفاده از پالایش موثر (پودر + تصفیه گاز کنترل شده), دستیابی به ساختار دانه ریز, و اعمال همگن سازی مناسب.

این اقدامات را با هم اجرا کنید - نه به صورت مجزا - و نتیجه خواص مکانیکی قابل پیش بینی خواهد بود, کیفیت سطح مستحکم و ضایعات پرهزینه یا رویدادهای دوباره کاری کمتر.

 

متداول

چرا روی است <0.05 توصیه می شود زمانی که بسیاری از مشخصات اجازه می دهد 0.10?

تجربه فروشگاهی عملی Zn را نزدیک نشان می دهد 0.1 باعث ایجاد لکه های سفید پس از اکسیداسیون / بازپخت می شود; کاهش به <0.05 عیوب سطحی پروفیل های روشن/اکسترود شده را کاهش می دهد.

حساس ترین پارامتر ذوب چیست؟?

دمای ذوب. بالا در مورد 760 درجه سانتیگراد هیدروژن محلول به شدت بالا می رود و باعث ایجاد تخلخل و سایر عیوب می شود; دمای ذوب را کنترل کرده و زمان ماند را حداقل نگه دارید.

پالایش پودر در مقابل جریان گاز بالا - که بهتر است?

استفاده کردن پودر تصفیه کننده فراوان با حداقل, جریان گاز کنترل شده. جریان گازهای بزرگ حباب های بزرگی با محل اقامت کوتاه می سازد: گاز زدایی ضعیف و افزایش تلاطم.

آیا پالایش دانه تحمل دمای ریخته گری را افزایش می دهد؟?

بله - یک مذاب به طور موثر تصفیه شده با دانه دمای ریخته گری کمی بالاتر را تحمل می کند (تایپ کردن. 720-740 درجه سانتیگراد) زیرا ناحیه ی گلدار باریک می شود و تغذیه بهبود می یابد; اما سوپرهیت همچنان باید محدود باشد.

آیا می توان از ضایعات ریخته گری مجدداً با خیال راحت استفاده کرد?

بله, اما عناصر ترامپ را پایش کرده و بر اساس خانواده آلیاژی تفکیک کنید. مواد بازیافتی بار ناخالصی را افزایش می دهد و به تمرین مذاب تصفیه شده بیشتر و کنترل دقیق تر MTR نیاز دارد..