Alumiiniseoksen sulatus, Formulaatio, ja valutekniikka

Korkealaatuisen alumiinin suulakepuristusraaka-aineen ja valukappaleiden valmistaminen vaatii seoskemian integroitua hallintaa, sulattaa puhtautta, lämpöhistoria ja jähmettymiskäyttäytyminen.

Pieniä määriä epäpuhtauksia, sopimaton sulatus- tai kaasunpoistokäytäntö, tai hallitsematon kiinteytyminen voi mitätöidä muuten oikeat kemiat.

Tässä artikkelissa syntetisoidaan metalliseossuunnittelun periaatteet (painottaen Al-Mg-Si / 6063), suositeltu sulatus- ja jalostuskäytäntö, rakeiden jalostus- ja valuparametrit, homogenointistrategia,

ja vianetsintätoimenpiteet tyypillisten vikojen minimoimiseksi (huokoisuus, oksidin kiinnijäämistä, karkeaa viljaa, erottelu).

1. Ohjausfilosofia: koostumus ja epäpuhtausbudjetti

• Ensisijainen sääntö: Pelkästään hyväksytty seoskoostumus on tarpeellista mutta ei riittävää.
  Epäpuhtauksien jäännösten kokonaismäärä (ESIM., Fe, Cu, Zn, Mn, -, toiset) ja tahattomat elementit on hallittava rajoihin, jotka säilyttävät pinnan viimeistelyn, ekstruusiovaste ja lopulliset mekaaniset ominaisuudet.
• Esimerkki (käytännön): vaikka jotkut standardit sallivat Zn:n jopa 0.10 paino-% tietyissä muokatuissa seoksissa,
  tuotantokokemus osoittaa sen Zn ≥ 0.05 painoprosentti voi tuottaa valkoisia pilkkuja hapettuneille ekstruusiopinnoille;
  monet tuottajat kohdistavat sen vuoksi Zn < 0.05 painoprosentti kirkkaille profiileille.
• Epäpuhtaudet ovat vuorovaikutuksessa: kumulatiivinen "epäpuhtausbudjetti" on usein tärkeämpi kuin minkä tahansa yksittäisen elementin vaatimustenmukaisuus.

2. Seoskoostumus: Al-Mg-Si-kolmio (6063 perhe)

• 6063 alumiiniseoksen nimellisalueet (esimerkki, GB/T ja yleinen käytäntö): Ja ≈ 0.2–0,6 painoprosenttia; Mg ≈ 0.45–0,9 painoprosenttia; Fe ≤ 0.35 painoprosentti; muita elementtejä (Cu, Mn, Cr, Zr, -) tyypillisesti < 0.10 painoprosentti. (Katso tarkat toleranssit lopullisen tuotteen spesifikaatioista.)
• Vahvistusvaihe: Mg2Si on pääasiallinen kovettumisvaihe. Sen teho riippuu Mg:stä:Si atomi/painosuhde - Mg:Mg2Si:n Si-painosuhde on ≈ 1.73.
  Ikääntymisen maksimoimiseksi, ylläpitää Mg:Ja ≤ 1.73 (toisin sanoen. Vältä ylimääräistä magnesiumia).
  Ylimääräisellä Si:llä on rajoitettu negatiivinen vaikutus Mg2Si:n liukoisuuteen; ylimääräinen Mg vähentää liukoisuutta ja ikääntymistä.
• Liukoisuus ja lämpö/ikäkäyttäytyminen (käytännön tietoja): Mg2Si osoittaa voimakasta lämpötilariippuvuutta; pseudobinäärinen α(AL -AL)–Mg₂Si:n eutektiset muodot lähellä 595 ° C.
  Käytännössä mainittu maksimi Mg2Si-liukoisuus on ≈ 1.85 painoprosentti, ja klo 500 ° C liukoisuus putoaa arvoon ≈ 1.05 painoprosentti.
  Siten, korkeammat liuoskäsittelylämpötilat ja riittävä sammutusnopeus lisää liuenneen aineen retentiota ja lisää vanhenemislujuutta – mutta käytännön rajoja on olemassa alkavan sulamisen ja liiallisen hapettumisen välttämiseksi.

3. Sulatustekniikka 6063 Alumiiniseos

Sulatus on kriittisin prosessi korkealaatuisen tuotannon kannalta alumiiniseos aihiot.

Väärä prosessinohjaus voi johtaa erilaisiin valuvirheisiin, kuten kuonasulkeumat, huokoisuus, karkeat jyvät, ja höyhenmäisiä kiteitä.

Seuraavat keskeiset tekniset kohdat on noudatettava tarkasti:

Sulatuslämpötilan tarkka säätö

Optimaalinen sulatuslämpötila 6063 alumiiniseos on 750-760 °C. Lämpötilan säätö on kriittinen seuraavista syistä:

• Matalan lämpötilan riski: Alle 750°C lämpötilat lisäävät alumiinisulan viskositeettia, vähentää kuonan erottelun tehokkuutta ja lisää kuonan sisältymisvirheiden todennäköisyyttä aihioissa.
• Korkean lämpötilan riski: Yli 760 °C:n lämpötilat lisäävät jyrkkää vedyn liukoisuutta alumiinisulassa.
  Metallurgiset tutkimukset osoittavat, että vedyn liukoisuus alumiiniin kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan ollessa yli 760 °C.
  Liian korkeat lämpötilat kiihdyttävät myös sulatteen hapettumista ja nitridoitumista, mikä lisää seosaineiden palamishäviöitä, ja aiheuttavat suoraan vikoja, kuten karkeita rakeita ja höyhenmäisiä kiteitä.

Muita toimenpiteitä vedyn imeytymisen vähentämiseksi ovat mm:

• Sulatusuunien ja työkalujen esilämmitys 200-300°C pintakosteuden poistamiseksi.
• Käytä vain kuivana, pilaantumattomia raaka-aineita ja sulatteita, jotta sulatteeseen ei pääse kosteutta.

Laadukkaiden juotteiden valikoima ja jalostusprosessin optimointi

Fluxes (mukaan lukien kuonanpoistoaineet, jalostajat, ja peiteaineet) ovat välttämättömiä apuaineita alumiiniseosten sulatuksessa.
Useimmat kaupalliset juoksutteet koostuvat klorideista ja fluorideista, jotka ovat erittäin hygroskooppisia. Huono vuonhallinta on merkittävä vedyn saastumisen lähde sulatteessa.

Fluxin laadunvalvonta

• Fluxin valmistukseen käytettävät raaka-aineet on kuivattava perusteellisesti kosteuden poistamiseksi, ja valmis juoksute on pakattava hermeettisesti hygroskooppisen imeytymisen estämiseksi varastoinnin ja kuljetuksen aikana.
• On kiinnitettävä huomiota sulatteen valmistuspäivämäärään; vanhentuneet juoksutteet imevät yleensä kosteutta,
  joka reagoi alumiinisulan kanssa muodostaen vetyä (2AL -AL + 3H2O → Al2O3 + 3H₂ ↑), mikä johtaa aihioiden huokoisuusvirheisiin.

Jauheruiskutuspuhdistusprosessin optimointi

Jauheruiskutuspuhdistus on yleisimmin käytetty jalostusmenetelmä 6063 alumiiniseos, koska se mahdollistaa täyden kosketuksen jauhatusaineen ja sulatteen välillä.

Tämän prosessin tekniset ydinkohdat ovat:

1. Typenpaineen säätö: Typen paine tulee pitää mahdollisimman alhaisena, juuri tarpeeksi kuljettamaan jauhatusaineen sulatteeseen.
   Korkea typenpaine aiheuttaa voimakasta turbulenssia ja sulatteen roiskumista, lisää uusien oksidikalvojen muodostumista ja oksidiinkluusiovirheiden riskiä.
2. Typen puhtausvaatimukset: Erittäin puhdasta typpeä (≥99,99%) on käytettävä jalostukseen.
   Epäpuhdasta typpeä sisältävää kosteutta tuo sulaan lisää vetyä, jalostusvaikutusta vastaan.
3. Jalostusaineen annostus: Enemmän virtauksen periaate, vähemmän kaasua pitäisi seurata.
   Jauhatusaineen annostuksen lisääminen voi tehostaa kaasunpoisto- ja kuonanpoistovaikutusta, typen käytön vähentäminen voi alentaa tuotantokustannuksia ja minimoida sulaturbulenssia.
   Prosessin ydintavoite on ruiskuttaa sulatteeseen mahdollisimman suuri määrä jauhatusainetta käyttäen mahdollisimman vähän typpeä.

Viljan jalostuskäsittely

Raehionta on yksi tehokkaimmista toimenpiteistä alumiiniseosaihioiden laadun parantamiseksi ja valuvirheiden, kuten huokoisuuden, ratkaisemiseksi., karkeat jyvät, ja höyhenmäisiä kiteitä.

Viljan jalostusmekanismi on seuraava:

Epätasapainoisen kiinteytymisen aikana, epäpuhtaudet (mukaan lukien seosaineet) taipumus erottua viljarajoilla.
Hienommat jyvät kasvattavat kokonaisraja-alaa, joka vähentää epäpuhtauselementtien pitoisuutta kullakin raerajalla.
Epäpuhtauksille, tämä vähentää niiden haitallisia vaikutuksia; seosaineelementeille, tämä parantaa niiden jakautumisen tasaisuutta ja tehostaa niiden vahvistavaa vaikutusta.

Viljan jalostuksen vaikutus voidaan havainnollistaa yksinkertaisella laskelmalla: oletetaan kaksi metallikappaletta, joiden tilavuus on V, koostuu kuutioisista jyvistä.

Jos lohkon viljapuolen pituus 1 on 2a ja lohkon 2 on a, lohkon kokonaisraja-ala 2 on kaksinkertainen lohkoon verrattuna 1.

Tämä tarkoittaa, että raekoon puolittaminen kaksinkertaistaa raeraja-alueen, ja puolittaa epäpuhtauspitoisuuden raeraja-alueen yksikköä kohti.

Puolesta 6063 seos, jota käytetään himmeissä profiileissa, viljan jalostus on erityisen tärkeää.

Hienompi, Tasaisemmat rakeet varmistavat, että profiilipinta syöpyy tasaisesti huurreprosessin aikana, tuloksena johdonmukainen, korkealaatuinen himmeä viimeistely.

Yleisiä alumiiniseosten raejauhimia ovat Al-Ti-B-pääseokset, joita tyypillisesti lisätään sulatteeseen 0,1-0,3 paino-%:n annoksena.

4. Valutekniikka 6063 Alumiiniseos

Valu on prosessi, jossa jalostettu alumiinisula muunnetaan tietynkokoisiksi kiinteiksi aihioiksi. Kohtuulliset valuprosessiparametrit ovat välttämättömiä korkealaatuisten aihioiden valmistuksessa.

Seuraavat keskeiset tekniset seikat on korostettava:

Optimaalisen valulämpötilan valinta

Puolesta 6063 metalliseossulat, jotka on käsitelty viljanjauhimilla, optimaalinen valulämpötila on 720-740 °C. Tämän lämpötila-alueen määräävät seuraavat tekijät:

1. Rakeilla puhdistetulla sulalla on korkeampi viskositeetti ja nopeampi jähmettymisnopeus; kohtalaisen kohotettu valulämpötila varmistaa sulan hyvän juoksevuuden ja estää kylmäsulkuviat.
2. Valun aikana, aihion jähmettymisrintamalle muodostuu neste-kiinteä kaksifaasinen vyöhyke.
   Kohtalaisen korkea valulämpötila kaventaa tätä kaksivaiheista vyöhykettä, mikä helpottaa jähmettymisen aikana syntyvien kaasujen poistumista ja vähentää huokoisuusvirheitä.

Kuitenkin, valulämpötila ei saa olla liian korkea, koska korkeat lämpötilat lyhentävät viljajauhimen käyttöaikaa ja johtavat karkeisiin raerakenteisiin aihiossa.

Valujärjestelmän esilämmitys

Kaikki valujärjestelmän komponentit, mukaan lukien pesurit, jakelijat, ja muotit, on esilämmitettävä täysin ja kuivattava 200–300 °C:seen ennen valua.

Tämä estää näiden komponenttien pinnalla olevan kosteuden ja korkean lämpötilan alumiinisulan välisen reaktion, joka on suurin vetykontaminaation lähde.

Sulaturbulenssin ja oksidien muodostumisen estäminen

Valun aikana, turbulenssi ja alumiinisulan roiskeet on minimoitava. Seuraavia toimintaohjeita tulee noudattaa:

• Vältä sulatteen sekoittamista pesulassa tai jakajassa työkaluilla, koska tämä rikkoo suojaavan oksidikalvon sulatuspinnalla, mikä johtaa uusien oksidien muodostumiseen.
• Varmista, että sula valuu tasaisesti muottiin oksidikalvon suojan alla.
  Tutkimukset osoittavat, että alumiinioksidikalvoilla on vahvat hygroskooppiset ominaisuudet, noin 2 paino-% kosteutta.
  Jos nämä oksidikalvot vedetään sulatteeseen, niiden sisältämä kosteus reagoi alumiinin kanssa muodostaen vetyä ja oksideja, huonontaa vakavasti aihion laatua.

Sulasuodatuskäsittely

Suodatus on tehokkain tapa poistaa ei-metalliset sulkeumat alumiinisulasta.

Puolesta 6063 metalliseosten valu, kahta yleistä suodatusmenetelmää käytetään laajalti: monikerroksinen lasikuitukankainen suodatus ja keraaminen suodatinlevysuodatus.

Keskeisiä toiminnallisia kohtia ovat mm:

• Ennen suodatusta, sulatteen pintakuona on poistettava. Pesuun tulee asentaa kuonalevy, joka erottaa pintakuonan virtaavasta sulasta, estää suodatinta tukkeutumasta ja varmistaa tasaisen suodatuksen.
• Suodatin tulee esilämmittää samaan lämpötilaan kuin sulate, jotta vältetään suodattimeen kohdistuva lämpöshokki ja estetään kylmäsulkuvikojen muodostuminen sulatteeseen.

5. Homogenisointi Hoito 6063 Alumiiniseosaihiot

Ei-tasapainoinen kiinteytyminen ja sen vaikutukset

Valun aikana, alumiinisula jähmettyy nopeasti, mikä johtaa epätasapainoiseen kiinteytymiseen.

Binäärivaihekaaviossa, joka koostuu kahdesta elementistä A ja B, kun koostumuksen F seos jähmettyy,
kiinteän faasin tasapainokoostumuksen lämpötilassa T1 tulisi olla G, mutta todellinen kiinteän faasin koostumus on G' nopean jäähtymisen vuoksi.

Tämä johtuu siitä, että seosaineiden diffuusionopeus kiinteässä faasissa on hitaampi kuin kiteytysnopeus, mikä johtaa jyvien kemiallisen koostumuksen epähomogeenisuuteen (Toisin sanoen, erottelu).

Ei-tasapainoinen kiinteytyminen 6063 metalliseosaihiot johtavat kahteen pääongelmaan:

1. Jyvien välillä on jäännösvalujännitystä;
2. Kemiallisen koostumuksen epähomogeenisuus jyvissä segregaation vuoksi.

Nämä ongelmat lisäävät myöhemmän ekstruusiokäsittelyn vaikeutta ja heikentävät lopullisen profiilin mekaanisia ominaisuuksia ja pintakäsittelyn suorituskykyä.

Siksi, aihioiden homogenointikäsittely on välttämätön ennen ekstruusiota.

Homogenisaatiokäsittelyprosessi

Homogenointikäsittely on lämpökäsittelyprosessi, jossa aihiot pidetään korkeassa lämpötilassa (ylipalamislämpötilan alapuolella) valurasituksen ja jyvien sisäisen erottelun poistamiseksi.

Tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat:

• Homogenointilämpötila: Ihanteellisen Al-Mg-Si-kolmiosysteemin ylipalamislämpötila on 595°C,
  mutta varsinainen 6063 seos sisältää erilaisia ​​epäpuhtauksia, tekee siitä monikomponenttijärjestelmän.
  Siksi, todellinen ylipalamislämpötila on alle 595 °C.
  Optimaalinen homogenointilämpötila 6063 seos on 530-550 °C. Korkeammat lämpötilat tällä alueella voivat lyhentää pitoaikaa, säästää energiaa, ja parantaa uunin tuottavuutta.
• Odotusaika: Pitoaika riippuu aihion halkaisijasta ja rae koosta.
  Hienommat rakeet vaativat lyhyempiä pitoaikoja, koska seosaineiden diffuusioetäisyys raerajoista rakeiden sisäosaan on lyhyempi.

Energiaa säästäviä toimenpiteitä homogenointikäsittelyssä

Homogenointikäsittely vaatii korkeita lämpötiloja ja pitkiä pitoaikoja, mikä johtaa korkeisiin energiankulutukseen ja jalostuskustannuksiin, Tästä syystä monet profiilien valmistajat ohittavat tämän prosessin.

Tehokkaita energiansäästötoimenpiteitä ovat mm:

1. Vilja: Kuten aiemmin mainittiin, hienommat rakeet lyhentävät merkittävästi vaadittua homogenoinnin pitoaikaa, energiankulutuksen vähentäminen.
2. Integroitu lämmitysprosessi: Pidennä aihion lämmitysuunia ekstruusiota varten, ja toteuttaa segmentoitu lämpötilansäätö, joka täyttää sekä homogenointi- että ekstruusiolämpötilavaatimukset.
   Tällä prosessilla on kolme tärkeintä etua:

• • Ylimääräistä homogenointiuunia ei tarvita;
  • Homogenoidun aihion lämpö hyödynnetään täysin, välttää toistuvaa kuumennusta ennen ekstruusiota;
  • Pitkäaikainen lämmitys varmistaa tasaisen lämpötilan jakautumisen aihion sisällä ja ulkopuolella, mikä on hyödyllistä suulakepuristuksessa ja myöhemmässä lämpökäsittelyssä.

6. Laadunvarmistus: mittareita ja tarkastusta

Tärkeitä vastaanottotarkistuksia ennen pursotus-/valuvapautusta:

• Kemiallinen analyysi (täysi spektrokemiallinen MTR): Tarkista tärkeimmät seosaineet ja epäpuhtaudet – erityisesti Zn, Cu ja Fe.
• Vetyanalyysi / huokoisuusnäytteenotto: sulan vetypitoisuus (tai huokoisuusindeksi näytevaluissa) ja edustavien aihioiden röntgenkuvaus/CT.
• Sisällön taso / suodatuksen tehokkuus: suodatinkakkujen optinen tarkastus, mikroskooppiset inkluusiomäärät laboratoriokuponkeista.
• Raekoko ja faasijakauma: metallografiset tarkastukset näytteen jähmettymisen jälkeen; ferriitti/α-raekoko, toissijaiset vaiheet.
• Mekaaniset tarkastukset: kuponkien vetolujuus ja kovuus liuoksen ja seoksen vasteen vahvistamiseksi.

7. Yleiset valuvirheet – syyt ja korjauskeinot

8. Edistyneet ja prosessien parantamistekniikat

• Ultraäänikaasunpoisto: synnyttää kavitaatiota vedyn poistamista varten ja voi rikkoa oksidikalvot – tehokas joissakin myymälätoteutuksissa pienille aihioille ja arvokkaille valukappaleille.
• Tyhjiökaasu / matalapaineinen valu: vähentää liuenneen kaasun määrää ja voi parantaa ruokintaa; käytetään premium-tuotannossa.
• Sähkömagneettinen sekoitus: huolellisesti levitettynä, jalostaa viljaa ja homogenisoi lämpötilaa; vältä liiallista turbulenssia muotin pinnalla.
• Automaattinen annostelu ja sulamistiedot: tarkka master-seoslisäys, AR/IR spektrin ohjaus, ja digitaaliset sulatuslokit vähentävät inhimillisiä virheitä ja varmistavat jäljitettävyyden.
• Simulointityökalut: CFD matalaturbulenssiportin suunnitteluun, ja jähmettymismallinnus lämpögradienttien optimoimiseksi ja kuumien pisteiden minimoimiseksi.

9. Ympäristö-, turvallisuus ja taloudelliset näkökohdat

• Fluxin käsittelyn vaarat: kloridi/fluoridisuolat ovat syövyttäviä ja hygroskooppisia; pitää suljettuna, kuiva varastointi. Järjestä henkilönsuojaimet ja savunsäädin virtauksen käyttöä varten.
• Energianhallinta: sulatus ja homogenointi ovat energiaintensiivisiä; vaiheittaiset uunijärjestelmät,
  hukkalämmön talteenotto ja prosessien integrointi (esilämmitä aihiot poistolämmöllä) tuovat merkittäviä kustannussäästöjä.
• Romu ja kierrätys: erotella korkea-arvoinen metalliseosromu saastuneesta materiaalista; toteuttaa sulatuskäytäntöjä, joilla rajoitetaan tramp-elementtejä ja säilytetään seoksen laatu.

10. Johtopäätös

Laadukkaat alumiiniseosvalut ja suulakepuristusraaka-aineet ovat kurinalaisen metalliseosvalvonnan tuotetta, tarkka sulanhallinta ja hyvin suunniteltu jähmettymiskäytäntö.

6xxx-sarjan metalliseoksille, kuten 6063, menestys riippuu oikean Mg:n ylläpitämisestä: Jos tasapaino, epäpuhtauksien säilyttäminen (erityisesti Zn) alle käytännön pinnanlaadun kynnysarvot,

välttää liiallista sulan ylikuumenemista, käyttämällä tehokasta jalostusta (jauhe + ohjattu kaasunpoisto), hienorakeisen rakenteen saavuttaminen, ja käyttämällä sopivaa homogenointia.

Toteuta nämä toimenpiteet yhdessä – eikä erikseen – ja tuloksena on ennustettavissa olevat mekaaniset ominaisuudet, vankka pinnanlaatu ja vähemmän kalliita romu- tai jälkikäsittelytapahtumia.

 

Faqit

Miksi Zn <0.05 suositellaan, kun monet tekniset tiedot sen sallivat 0.10?

Käytännön myymäläkokemus osoittaa Zn:n lähellä 0.1 edistää valkoisten pilkkujen muodostumista hapettumisen/hehkutuksen jälkeen; vähentämällä <0.05 vähentää pintavirheitä kirkkaissa/puristetuissa profiileissa.

Mikä on herkin yksittäinen sulamisparametri?

Sulamislämpötila. Yllä noin 760 ° C liuennut vety nousee jyrkästi ja aiheuttaa huokoisuutta ja muita vikoja; pidä sulatuslämpötila hallinnassa ja viipymäaika minimaalisena.

Jauhejalostus vs. suuri kaasuvirtaus – kumpi on parempi?

Käyttää runsaasti jauhatusjauhetta minimaalisella määrällä, ohjattu kaasuvirtaus. Suuret kaasuvirrat muodostavat suuria kuplia, joilla on lyhyt viipymä: huono kaasunpoisto ja lisääntynyt turbulenssi.

Lisääkö viljan jalostus valulämpötilan sietokykyä?

Kyllä – tehokkaasti rakeista jalostettu sulate kestää hieman korkeampia valulämpötiloja (tyypillinen. 720–740 ° C) koska tahmea vyöhyke kapenee ja ruokinta paranee; mutta tulistusta tulisi silti rajoittaa.

Voidaanko valuromu käyttää uudelleen turvallisesti?

Kyllä, mutta tarkkaile tramp-elementtejä ja erottele seosperheen mukaan. Kierrätysmateriaali lisää epäpuhtauksien määrää ja vaatii tarkempaa sulatuskäytäntöä ja tiukempaa MTR-hallintaa.