Taljenje aluminijskih legura, Formulacija, i tehnologija lijevanja

Proizvodnja visokokvalitetne sirovine i odljevaka za ekstruziju aluminija zahtijeva integriranu kontrolu kemije legure, rastopiti čistoću, toplinska povijest i ponašanje skrućivanja.

Male količine nečistoća, neprikladna praksa taljenja ili otplinjavanja, ili nekontrolirano skrućivanje može poništiti inače točne kemije.

Ovaj rad sintetizira principe dizajna legura (s naglaskom na Al-Mg-Si / 6063), preporučena praksa taljenja i rafiniranja, parametri finoće zrna i lijevanja, strategija homogenizacije,

i mjere za rješavanje problema kako bi se umanjili tipični nedostaci (poroznost, zarobljavanje oksida, grubo zrno, segregacija).

1. Filozofija kontrole: sastav i proračun nečistoća

• Primarno pravilo: samo kvalificirani sastav legure je potrebno ali ne i dovoljno.
  Ukupni tragovi nečistoća (Npr., FE, Pokrajina, Zn, MN, Od, drugi) a nepredviđeni elementi moraju se kontrolirati do granica koje čuvaju završnu obradu površine, odgovor na ekstruziju i konačna mehanička svojstva.
• Primjer (praktični): iako neki standardi dopuštaju Zn do 0.10 tež.% u određenim kovanim legurama,
  proizvodno iskustvo to pokazuje Zn ≥ 0.05 WT% može proizvesti bijele mrlje na oksidiranim ekstrudiranim površinama;
  mnogi proizvođači stoga ciljaju Zn < 0.05 WT% za svijetle profile.
• Nečistoće međusobno djeluju: kumulativni "proračun nečistoća" često je važniji od usklađenosti bilo kojeg pojedinačnog elementa sa specifikacijom.

2. Formulacija legure: trijada Al–Mg–Si (6063 obitelj)

• 6063 nazivni rasponi aluminijskih legura (primjer, po GB/T i uobičajenoj praksi): I ≈ 0.2–0,6 tež.%; Mg ≈ 0.45–0,9 tež.%; Fe ≤ 0.35 WT%; drugi elementi (Pokrajina, MN, CR, Zr, Od) tipično < 0.10 WT%. (Konzultirajte specifikaciju konačnog proizvoda za točne tolerancije.)
• Faza jačanja: Mg₂Si je glavna faza otvrdnjavanja. Njegova učinkovitost ovisi o Mg:Si atomski/težinski omjer — Mg:Si težinski omjer Mg₂Si je ≈ 1.73.
  Za maksimalno otvrdnjavanje starenjem, održavati Mg:I ≤ 1.73 (tj. izbjegavajte višak Mg).
  Višak Si ima ograničeni negativni učinak na topljivost Mg₂Si; višak Mg smanjuje topljivost i dobnu reakciju.
• Topljivost i ponašanje pri toplini/starjenju (praktične podatke): Mg₂Si pokazuje jaku ovisnost o temperaturi; pseudobinarni α(Al)–Mg₂Si eutektika u blizini 595 ° C.
  Maksimalna topljivost Mg₂Si koja se navodi u praksi je ≈ 1.85 WT%, i kod 500 ° C topljivost pada na ≈ 1.05 WT%.
  Stoga, više temperature za obradu otopine i odgovarajuća brzina gašenja povećavaju zadržavanje otopljene tvari i povećavaju snagu starenja — ali postoje praktična ograničenja za izbjegavanje početnog taljenja i prekomjerne oksidacije.

3. Tehnologija taljenja 6063 Aluminijska legura

Taljenje je najkritičniji proces za proizvodnju visoke kvalitete aluminijska legura promet.

Nepravilna kontrola procesa može dovesti do raznih grešaka u lijevanju, kao što su uključci troske, poroznost, krupna zrna, i pernati kristali.

Sljedeće ključne tehničke točke moraju se strogo provoditi:

Precizna kontrola temperature taljenja

Optimalna temperatura taljenja za 6063 aluminijska legura je 750–760°C. Kontrola temperature je kritična iz sljedećih razloga:

• Opasnost od niske temperature: Temperature ispod 750°C povećavaju viskoznost aluminijske taline, smanjenje učinkovitosti odvajanja troske i povećanje vjerojatnosti defekata uključivanja troske u gredice.
• Rizik od visoke temperature: Temperature iznad 760°C uzrokuju naglo povećanje topljivosti vodika u talini aluminija.
  Metalurška istraživanja pokazuju da se topljivost vodika u aluminiju eksponencijalno povećava s temperaturom iznad 760°C.
  Pretjerano visoke temperature također ubrzavaju oksidaciju i nitridaciju taline, što dovodi do povećanog gubitka izgaranjem legirajućih elemenata, i izravno izazivaju nedostatke kao što su gruba zrna i perasti kristali.

Dodatne mjere za smanjenje apsorpcije vodika uključuju:

• Prethodno zagrijavanje peći za taljenje i alata na 200–300°C kako bi se uklonila površinska vlaga.
• Korištenje samo suhog, nepokvarene sirovine i topilice kako bi se izbjeglo unošenje vlage u talinu.

Odabir visokokvalitetnih flukseva i optimizacija procesa rafiniranja

Tokovi (uključujući sredstva za uklanjanje troske, rafinerije, i sredstva za pokrivanje) bitni su pomoćni materijali za taljenje aluminijskih legura.
Većina komercijalnih fluksa sastoji se od klorida i fluorida, koji su jako higroskopni. Loše upravljanje fluksom glavni je izvor kontaminacije vodikom u talini.

Kontrola kvalitete fluksa

• Sirovine za proizvodnju fluksa moraju se temeljito osušiti kako bi se uklonila vlaga, a gotovi topilac mora biti hermetički pakiran kako bi se spriječila higroskopna apsorpcija tijekom skladištenja i transporta.
• Mora se obratiti pozornost na datum proizvodnje fluksa; fluksevi kojima je istekao rok trajanja imaju tendenciju upijanja vlage,
  koji reagira s aluminijskom talinom i proizvodi vodik (2Al + 3H₂O → Al2O3 + 3H₂ ↑), što dovodi do nedostataka poroznosti gredica.

Optimizacija procesa rafiniranja ubrizgavanjem praha

Rafiniranje ubrizgavanjem praha najraširenija je metoda rafiniranja za 6063 aluminijska legura, jer omogućuje potpuni kontakt između sredstva za rafiniranje i taline.

Osnovne tehničke točke ovog procesa su:

1. Kontrola tlaka dušika: Tlak dušika treba održavati što je moguće nižim, tek toliko da unese sredstvo za rafiniranje u talinu.
   Visoki tlak dušika uzrokuje snažne turbulencije i prskanje taline, povećanje stvaranja novih oksidnih filmova i rizik od defekata oksidnih inkluzija.
2. Zahtjevi za čistoću dušika: Dušik visoke čistoće (≥99,99%) mora se koristiti za rafiniranje.
   Vlaga koja sadrži nečisti dušik unijet će dodatni vodik u talinu, suprotstavljanje efektu rafiniranja.
3. Doziranje agensa za rafiniranje: Načelo više fluksa, treba slijediti manje plina.
   Povećanje doze sredstva za rafiniranje može poboljšati učinak otplinjavanja i uklanjanja troske, dok smanjenje upotrebe dušika može smanjiti troškove proizvodnje i minimizirati turbulenciju taline.
   Osnovni cilj procesa je ubrizgati maksimalnu količinu agensa za pročišćavanje u talinu koristeći minimalnu količinu dušika.

Tretman za pročišćavanje zrna

Pročišćavanje zrna jedna je od najučinkovitijih mjera za poboljšanje kvalitete gredica aluminijskih legura i rješavanje nedostataka lijevanja kao što je poroznost, krupna zrna, i pernati kristali.

Mehanizam usitnjavanja zrna je sljedeći:

Tijekom neravnotežnog skrućivanja, elementi nečistoće (uključujući legirajuće elemente) imaju tendenciju odvajanja na granicama zrna.
Finija zrna povećavaju ukupnu graničnu površinu zrna, što smanjuje koncentraciju nečistoćih elemenata na svakoj granici zrna.
Za elemente nečistoće, time se smanjuju njihovi štetni učinci; za legirajuće elemente, ovo poboljšava njihovu ravnomjernost distribucije i pojačava njihov učinak jačanja.

Učinak usitnjavanja zrna može se ilustrirati jednostavnim izračunom: pretpostavimo dva metalna bloka istog volumena V, sastavljen od kubičnih zrna.

Ako je duljina stranice zrna bloka 1 je 2a i to blok 2 je a, ukupna granična površina zrna bloka 2 dvostruko je veći od bloka 1.

To znači da se smanjenjem veličine zrna za pola udvostručuje granično područje zrna, a koncentraciju nečistoća po jedinici granične površine zrna prepolovljuje.

Za 6063 legura koja se koristi u matiranim profilima, posebno je važno pročišćavanje zrna.

Sitniji, jednoličnija zrna osiguravaju da je površina profila ravnomjerno korodirana tijekom procesa glazure, što rezultira dosljednim, visokokvalitetna matirana završna obrada.

Uobičajeni uređaji za pročišćavanje zrna za aluminijske legure uključuju Al-Ti-B glavne legure, koji se obično dodaju u talinu u dozi od 0,1–0,3 tež. %.

4. Tehnologija lijevanja od 6063 Aluminijska legura

Lijevanje je proces pretvaranja rafinirane aluminijske taline u čvrste trupce zadanih dimenzija. Razumni parametri procesa lijevanja ključni su za proizvodnju visokokvalitetnih trupaca.

Moraju se naglasiti sljedeće ključne tehničke točke:

Odabir optimalne temperature lijevanja

Za 6063 taline legura obrađene pročišćivačima zrna, optimalna temperatura lijevanja je 720–740°C. Ovaj temperaturni raspon određen je sljedećim čimbenicima:

1. Rafinirana talina ima veću viskoznost i brže skrućivanje; umjereno povišena temperatura lijevanja osigurava dobru fluidnost taline i sprječava defekte hladnog zatvaranja.
2. Tijekom lijevanja, na fronti skrućivanja trupca nastaje dvofazna zona tekućina-krutina.
   Umjereno visoka temperatura lijevanja sužava ovu dvofaznu zonu, što olakšava izlazak plinova nastalih tijekom skrućivanja i smanjuje nedostatke poroznosti.

Međutim, temperatura lijevanja ne smije biti pretjerano visoka, jer će visoke temperature skratiti učinkovito vrijeme rada uređaja za pročišćavanje zrna i dovesti do grubih zrnastih struktura u trupcu.

Predgrijavanje sustava lijevanja

Sve komponente sustava lijevanja, uključujući praonice, distributeri, i plijesni, mora biti potpuno prethodno zagrijan i osušen na 200–300°C prije lijevanja.

Time se sprječava reakcija između vlage na površini ovih komponenti i visokotemperaturne taline aluminija, koji je glavni izvor kontaminacije vodikom.

Sprječavanje turbulencije taline i uključivanja oksida

Tijekom lijevanja, turbulencija i prskanje aluminijske taline moraju biti svedeni na minimum. Treba se pridržavati sljedećih operativnih smjernica:

• Izbjegavajte miješanje taline u praonici ili razdjelniku alatima, jer će to razbiti zaštitni oksidni film na površini taline, što dovodi do stvaranja novih oksida.
• Osigurajte da talina glatko teče u kalup pod zaštitom oksidnog filma.
  Istraživanja pokazuju da filmovi od aluminijevog oksida imaju jaka higroskopna svojstva, koji sadrže približno 2 tež.% vlage.
  Ako se ti oksidni filmovi uvuku u talinu, vlaga koju sadrže reagirat će s aluminijem stvarajući vodikove i oksidne inkluzije, ozbiljno narušavaju kvalitetu trupaca.

Tretman filtracijom taline

Filtriranje je najučinkovitija metoda za uklanjanje nemetalnih inkluzija iz aluminijske taline.

Za 6063 lijevanje legura, dvije uobičajene metode filtracije su naširoko korištene: filtracija s višeslojnom tkaninom od stakloplastike i filtracija s keramičkom filtarskom pločom.

Ključne operativne točke uključuju:

• Prije filtracije, mora se odstraniti površinska troska taline. U praonik treba postaviti pregradu za trosku kako bi se površinska troska odvojila od tekuće taline, sprječavajući začepljenje filtra i osiguravajući glatko filtriranje.
• Filtar treba prethodno zagrijati na istu temperaturu kao i talina kako bi se izbjegao toplinski udar filtera i spriječilo stvaranje defekata hladnog zatvaranja u talini.

5. Homogenizacija Tretman od 6063 Gredice od aluminijske legure

Neravnotežno skrućivanje i njegovi učinci

Tijekom lijevanja, talina aluminija se brzo skrutne, što rezultira neravnotežnim skrućivanjem.

U binarnom faznom dijagramu sastavljenom od dva elementa A i B, kada se legura sastava F skrutne,
ravnotežni sastav čvrste faze na temperaturi T1 trebao bi biti G, ali stvarni sastav čvrste faze je G’ zbog brzog hlađenja.

To je zato što je brzina difuzije legirajućih elemenata u čvrstoj fazi sporija od brzine kristalizacije, što dovodi do nehomogenosti kemijskog sastava unutar zrna (Tj., segregacija).

Neravnotežno skrućivanje 6063 gredice od legure rezultiraju dvama glavnim problemima:

1. Zaostalo naprezanje pri lijevanju postoji između zrna;
2. Nehomogenost kemijskog sastava unutar zrna zbog segregacije.

Ovi problemi povećavaju poteškoće naknadne obrade ekstruzijom i smanjuju mehanička svojstva i učinak površinske obrade konačnog profila.

Stoga, tretman homogenizacije je neophodan za gredice prije ekstruzije.

Proces tretiranja homogenizacijom

Homogenizacijski tretman je proces toplinske obrade u kojem se trupci drže na visokoj temperaturi (ispod temperature pregorevanja) kako bi se eliminirao stres pri lijevanju i unutarnja segregacija zrna.

Ključni tehnički parametri su sljedeći:

• Temperatura homogenizacije: Temperatura pregorevanja idealnog Al-Mg-Si trojnog sustava je 595°C,
  ali stvarni 6063 legura sadrži razne nečistoće, što ga čini višekomponentnim sustavom.
  Stoga, stvarna temperatura pregorevanja niža je od 595°C.
  Optimalna temperatura homogenizacije za 6063 legura je 530–550°C. Više temperature unutar ovog raspona mogu skratiti vrijeme zadržavanja, uštedjeti energiju, i poboljšati produktivnost peći.
• Vrijeme držanja: Vrijeme držanja ovisi o promjeru gredice i veličini zrna.
  Finija zrna zahtijevaju kraće vrijeme zadržavanja jer je difuzijska udaljenost legiranih elemenata od granica zrna do unutrašnjosti zrna kraća.

Mjere uštede energije za tretiranje homogenizacijom

Tretman homogenizacije zahtijeva visoke temperature i dugo vrijeme držanja, što rezultira velikom potrošnjom energije i troškovima obrade, zbog čega mnogi proizvođači profila preskaču ovaj proces.

Učinkovite mjere za uštedu energije uključuju:

1. Usavršavanje žitarica: Kao što je spomenuto ranije, finija zrna značajno skraćuju potrebno vrijeme zadržavanja homogenizacije, Smanjenje potrošnje energije.
2. Integrirani proces grijanja: Proširite peć za grijanje gredica za ekstruziju, i implementirati segmentiranu kontrolu temperature kako bi se zadovoljili zahtjevi temperature homogenizacije i ekstruzije.
   Ovaj proces ima tri glavne prednosti:

• • Nije potrebna dodatna peć za homogenizaciju;
  • Toplina homogenizirane gredice je u potpunosti iskorištena, izbjegavanje ponovljenog zagrijavanja prije ekstruzije;
  • Dugotrajno zagrijavanje osigurava ravnomjernu raspodjelu temperature unutar i izvan gredice, što je korisno za ekstruziju i naknadnu toplinsku obradu.

6. Osiguranje kvalitete: metrika i inspekcija

Važne provjere prihvaćanja prije puštanja u promet ekstruzijom/lijevanjem:

• Kemijska analiza (puni spektrokemijski MTR): provjeriti glavne legirajuće elemente i nečistoće u tragovima — posebno Zn, Cu i Fe.
• Analiza vodika / uzorkovanje poroznosti: sadržaj vodika u talini (ili indeks poroznosti na uzorcima odljevaka) i radiografija/CT reprezentativnih gredica.
• Razina uključenosti / učinkovitost filtracije: optički pregled filtarskih kolača, mikroskopske inkluzije iz laboratorijskih kupona.
• Veličina zrna i raspored faza: metalografske provjere nakon skrućivanja uzorka; veličina zrna ferit/α, sekundarne faze.
• Mehaničke provjere: rasteznost i tvrdoća na kuponima za potvrdu rješenja i odziva legure.

7. Uobičajeni nedostaci lijevanja — uzroci i otklanjanje

8. Napredne tehnike i tehnike poboljšanja procesa

• Ultrazvučno otplinjavanje: stvara kavitaciju za uklanjanje vodika i može razbiti oksidne filmove — učinkovito u nekim radionicama za male gredice i odljevke visoke vrijednosti.
• Vakuum / lijevanje niskog tlaka: smanjuje razinu otopljenog plina i može poboljšati hranjenje; koristi se u vrhunskoj proizvodnji.
• Elektromagnetsko miješanje: kada se pažljivo nanosi, pročišćava zrno i homogenizira temperaturu; izbjegavajte pretjeranu turbulenciju na licu kalupa.
• Automatsko doziranje i evidencija taljenja: precizno dodavanje glavne legure, AR/IR spektrokontrola, i digitalne evidencije taljenja smanjuju ljudske pogreške i osiguravaju sljedivost.
• Alati za simulaciju: CFD za projektiranje prolaza niske turbulencije, i modeliranje skrućivanja kako bi se optimizirali toplinski gradijenti i minimizirale vruće točke.

9. Ekološki, sigurnosna i ekonomska razmatranja

• Opasnosti od rukovanja fluksom: kloridne/fluoridne soli su korozivne i higroskopne; održavati zapečaćenim, suho skladištenje. Osigurajte OZO i kontrolu dima za korištenje fluksa.
• Upravljanje energijom: topljenje i homogenizacija su energetski intenzivni; stupnjeviti sustavi peći,
  povrat otpadne topline i integracija procesa (prethodno zagrijati gredice pomoću ispušne topline) donose značajne uštede troškova.
• Otpad i reciklaža: odvojite otpad od legure visoke vrijednosti od kontaminiranog materijala; implementirati postupke taljenja kako bi se ograničili tramp elementi i održala kvaliteta legure.

10. Zaključak

Visokokvalitetni odljevci od aluminijskih legura i sirovina za ekstruziju proizvod su disciplinirane kontrole legura, precizno upravljanje taljenjem i dobro osmišljena praksa skrućivanja.

Za legure serije 6xxx kao što su 6063, uspjeh ovisi o održavanju ispravnog Mg: Ako ravnoteža, zadržavanje nečistoćih elemenata (osobito Zn) ispod praktičnih pragova za kvalitetu površine,

izbjegavanje pretjeranog pregrijavanja taline, koristeći učinkovito rafiniranje (puder + kontrolirano pročišćavanje plinom), postizanje fino zrnaste strukture, i primjenom odgovarajuće homogenizacije.

Provedite ove mjere zajedno - umjesto zasebno - i rezultat će biti predvidljiva mehanička svojstva, robusna kvaliteta površine i manje skupih slučajeva otpada ili prerade.

 

Česta pitanja

Zašto je Zn <0.05 preporučuje se kada to dopuštaju mnoge specifikacije 0.10?

Praktično iskustvo u trgovini pokazuje Zn blizu 0.1 potiče bijele točkice nakon oksidacije/žarenja; svodeći na <0.05 ublažava površinske nedostatke za svijetle/ekstrudirane profile.

Koji je pojedinačni najosjetljiviji parametar taljenja?

Temperatura taljenja. Iznad oko 760 ° C otopljeni vodik naglo raste i uzrokuje poroznost i druge nedostatke; kontrolirati temperaturu taline i minimalno vrijeme zadržavanja.

Pročišćavanje praha u odnosu na visoki protok plina — što je bolje?

Koristiti dovoljno pročišćavajući prah s minimalnim, kontrolirani protok plina. Veliki protok plina stvara velike mjehuriće s kratkim zadržavanjem: loše otplinjavanje i povećana turbulencija.

Povećava li usitnjenost zrna toleranciju temperature lijevanja?

Da — učinkovito rafinirana talina podnosi malo više temperature lijevanja (tip. 720–740 ° C) jer se kašasta zona sužava i hranidba se poboljšava; ali pregrijavanje ipak treba biti ograničeno.

Može li se otpad od lijevanja ponovno sigurno upotrijebiti?

Da, ali nadzirite tramp elemente i odvojite po obitelji legura. Reciklirani materijal povećava opterećenje nečistoćama i zahtijeva rafiniraniju praksu taljenja i strožu kontrolu MTR-a.