Peleburan Paduan Aluminium, Perumusan, dan Teknologi Pengecoran

Memproduksi bahan baku dan coran ekstrusi aluminium berkualitas tinggi memerlukan kontrol kimia paduan yang terintegrasi, kebersihan leleh, sejarah termal dan perilaku solidifikasi.

Kotoran dalam jumlah kecil, praktik peleburan atau degassing yang tidak tepat, atau solidifikasi yang tidak terkendali dapat meniadakan sifat kimia yang benar.

Makalah ini mensintesis prinsip-prinsip desain paduan (dengan penekanan pada Al-Mg-Si / 6063), praktik peleburan dan pemurnian yang direkomendasikan, parameter pemurnian butir dan pengecoran, strategi homogenisasi,

dan tindakan pemecahan masalah untuk meminimalkan cacat umum (porositas, jebakan oksida, butiran kasar, pemisahan).

1. Filosofi kendali: komposisi Dan anggaran pengotor

• Aturan utama: komposisi paduan yang memenuhi syarat saja sudah cukup perlu tetapi tidak cukup.
  Total jejak pengotor (MISALNYA., Fe, Cu, Zn, M N, Dari, yang lain) dan elemen yang tidak diinginkan harus dikontrol hingga batas yang menjaga permukaan akhir, respon ekstrusi dan sifat mekanik akhir.
• Contoh (praktis): meskipun beberapa standar memperbolehkan Zn hingga 0.10 % berat pada paduan tempa tertentu,
  pengalaman produksi menunjukkan hal itu Zn ≥ 0.05 wt% dapat menghasilkan bintik putih pada permukaan ekstrusi teroksidasi;
  Oleh karena itu, banyak produsen yang menargetkannya Zn < 0.05 wt% untuk profil hasil akhir cerah.
• Kotoran berinteraksi: “anggaran pengotor” kumulatif seringkali lebih penting daripada kepatuhan elemen mana pun terhadap suatu spesifikasi.

2. Formulasi paduan: triad Al–Mg–Si (6063 keluarga)

• 6063 rentang nominal paduan aluminium (contoh, per GB/T dan praktik umum): Dan ≈ 0.2–0,6% berat; Mg ≈ 0.45–0,9% berat; Fe ≤ 0.35 wt%; elemen lainnya (Cu, M N, Cr, Zr, Dari) khas < 0.10 wt%. (Konsultasikan spesifikasi produk akhir untuk toleransi yang tepat.)
• Fase penguatan: Mg₂Si adalah fase pengerasan utama. Efektivitasnya tergantung pada Mg:Rasio atom/berat Si — Mg:Perbandingan berat Si Mg₂Si adalah ≈ 1.73.
  Untuk memaksimalkan pengerasan usia, menjaga Mg:Dan ≤ 1.73 (yaitu. menghindari kelebihan Mg).
  Kelebihan Si memiliki efek negatif terbatas pada kelarutan Mg₂Si; kelebihan Mg mengurangi kelarutan dan respon usia.
• Kelarutan dan perilaku panas/penuaan (data praktis): Mg₂Si menunjukkan ketergantungan suhu yang kuat; pseudo-biner α(Al)–Mg₂Si bentuk eutektik dekat 595 ° C..
  Kelarutan Mg₂Si maksimum yang dikutip dalam praktik adalah ≈ 1.85 wt%, dan di 500 ° C. kelarutan turun menjadi ≈ 1.05 wt%.
  Akibatnya, suhu perlakuan larutan yang lebih tinggi dan kecepatan pendinginan yang memadai meningkatkan retensi zat terlarut dan meningkatkan kekuatan penuaan — namun terdapat batasan praktis untuk menghindari pencairan yang baru terjadi dan oksidasi berlebihan.

3. Teknologi Peleburan 6063 Paduan Aluminium

Peleburan adalah proses paling penting untuk menghasilkan produk berkualitas tinggi Paduan Aluminium billet.

Kontrol proses yang tidak tepat dapat menyebabkan berbagai cacat pengecoran, seperti inklusi terak, porositas, butiran kasar, dan kristal berbulu.

Poin-poin teknis utama berikut ini harus diterapkan secara ketat:

Kontrol Suhu Peleburan yang Tepat

Suhu peleburan optimal untuk 6063 paduan aluminium adalah 750–760°C. Kontrol suhu sangat penting karena alasan berikut:

• Risiko Suhu Rendah: Suhu di bawah 750°C meningkatkan viskositas lelehan aluminium, mengurangi efisiensi pemisahan terak dan meningkatkan kemungkinan cacat inklusi terak pada billet.
• Risiko Suhu Tinggi: Suhu di atas 760°C menyebabkan peningkatan tajam kelarutan hidrogen dalam lelehan aluminium.
  Penelitian metalurgi menunjukkan bahwa kelarutan hidrogen dalam aluminium meningkat secara eksponensial pada suhu di atas 760°C.
  Temperatur yang terlalu tinggi juga mempercepat oksidasi dan nitridasi lelehan, menyebabkan peningkatan kehilangan unsur paduan akibat pembakaran, dan secara langsung menyebabkan cacat seperti butiran kasar dan kristal berbulu.

Langkah-langkah tambahan untuk mengurangi penyerapan hidrogen meliputi:

• Memanaskan lebih dulu tungku dan peralatan peleburan hingga suhu 200–300°C untuk menghilangkan kelembapan permukaan.
• Hanya menggunakan kering, bahan mentah dan fluks yang tidak rusak untuk menghindari masuknya uap air ke dalam lelehan.

Pemilihan Fluks Berkualitas Tinggi dan Optimasi Proses Pemurnian

Fluks (termasuk penghilang terak, penyulingan, dan agen penutup) adalah bahan pembantu penting untuk peleburan paduan aluminium.
Kebanyakan fluks komersial terdiri dari klorida dan fluorida, yang sangat higroskopis. Manajemen fluks yang buruk merupakan sumber utama kontaminasi hidrogen dalam lelehan.

Kontrol Kualitas Fluks

• Bahan mentah untuk produksi fluks harus dikeringkan secara menyeluruh untuk menghilangkan kelembapan, dan fluks yang sudah jadi harus dikemas secara kedap udara untuk mencegah penyerapan higroskopis selama penyimpanan dan pengangkutan.
• Perhatian harus diberikan pada tanggal produksi fluks; fluks kadaluwarsa cenderung menyerap kelembapan,
  yang bereaksi dengan lelehan aluminium menghasilkan hidrogen (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), menyebabkan cacat porositas pada billet.

Optimalisasi Proses Pemurnian Injeksi Serbuk

Pemurnian injeksi bubuk adalah metode pemurnian yang paling banyak digunakan 6063 Paduan Aluminium, karena memungkinkan kontak penuh antara bahan pemurnian dan lelehan.

Poin teknis inti dari proses ini adalah:

1. Kontrol Tekanan Nitrogen: Tekanan nitrogen harus dijaga serendah mungkin, cukup untuk membawa zat pengilangan ke dalam lelehan.
   Tekanan nitrogen yang tinggi menyebabkan turbulensi hebat dan percikan lelehan, meningkatkan pembentukan film oksida baru dan risiko cacat inklusi oksida.
2. Persyaratan Kemurnian Nitrogen: Nitrogen dengan kemurnian tinggi (≥99,99%) harus digunakan untuk pemurnian.
   Nitrogen tidak murni yang mengandung uap air akan memasukkan hidrogen tambahan ke dalam lelehan, menangkal efek pemurnian.
3. Dosis Agen Pemurnian: Prinsip lebih banyak fluks, lebih sedikit gas harus diikuti.
   Meningkatkan dosis bahan pemurnian dapat meningkatkan efek degassing dan penghilangan terak, sekaligus mengurangi penggunaan nitrogen dapat menurunkan biaya produksi dan meminimalkan turbulensi lelehan.
   Tujuan proses inti adalah untuk menyuntikkan zat pemurnian dalam jumlah maksimum ke dalam lelehan dengan menggunakan nitrogen dalam jumlah minimum.

Perawatan Pemurnian Gandum

Pemurnian butiran adalah salah satu tindakan paling efektif untuk meningkatkan kualitas billet paduan aluminium dan mengatasi cacat pengecoran seperti porositas., butiran kasar, dan kristal berbulu.

Mekanisme penghalusan butiran adalah sebagai berikut:

Selama solidifikasi non-ekuilibrium, elemen pengotor (termasuk unsur paduan) cenderung terpisah pada batas butir.
Butir yang lebih halus meningkatkan luas batas butir total, yang mengurangi konsentrasi unsur pengotor pada setiap batas butir.
Untuk unsur pengotor, ini mengurangi efek berbahayanya; untuk elemen paduan, ini meningkatkan keseragaman distribusi dan meningkatkan efek penguatannya.

Efek penghalusan butiran dapat diilustrasikan dengan perhitungan sederhana: asumsikan dua balok logam dengan volume yang sama V, terdiri dari butiran kubik.

Jika butiran sisi panjang balok 1 adalah 2a dan blok 2 adalah a, luas batas butir total blok 2 adalah dua kali lipat dari blok 1.

Artinya, pengurangan ukuran butir sebesar setengahnya akan menggandakan luas batas butir, dan membagi dua konsentrasi pengotor per satuan luas batas butir.

Untuk 6063 paduan yang digunakan dalam profil buram, pemurnian biji-bijian sangat penting.

Lebih halus, butiran yang lebih seragam memastikan bahwa permukaan profil terkorosi secara seragam selama proses pembekuan, sehingga menghasilkan konsistensi, hasil akhir buram berkualitas tinggi.

Pemurni butiran umum untuk paduan aluminium mencakup paduan utama Al-Ti-B, yang biasanya ditambahkan ke lelehan dengan dosis 0,1–0,3% berat.

4. Teknologi Pengecoran 6063 Paduan Aluminium

Pengecoran adalah proses mengubah lelehan aluminium halus menjadi billet padat dengan dimensi tertentu. Parameter proses pengecoran yang masuk akal sangat penting untuk menghasilkan billet berkualitas tinggi.

Poin-poin teknis utama berikut ini harus ditekankan:

Pemilihan Suhu Pengecoran Optimal

Untuk 6063 lelehan paduan diolah dengan pemurni biji-bijian, suhu pengecoran optimal adalah 720–740°C. Kisaran suhu ini ditentukan oleh faktor-faktor berikut:

1. Lelehan yang dihaluskan dengan butiran memiliki viskositas yang lebih tinggi dan tingkat pemadatan yang lebih cepat; suhu pengecoran yang cukup tinggi memastikan fluiditas lelehan yang baik dan mencegah cacat penutupan dingin.
2. Selama casting, zona dua fase cair-padat terbentuk di bagian depan pemadatan billet.
   Temperatur pengecoran yang cukup tinggi mempersempit zona dua fase ini, yang memfasilitasi keluarnya gas yang dihasilkan selama pemadatan dan mengurangi cacat porositas.

Namun, suhu pengecoran tidak boleh terlalu tinggi, karena suhu tinggi akan memperpendek waktu efektif pemurni biji-bijian dan menyebabkan struktur butiran kasar pada billet.

Pemanasan Awal Sistem Pengecoran

Semua komponen sistem pengecoran, termasuk pencuci, distributor, dan cetakan, harus dipanaskan sepenuhnya dan dikeringkan hingga 200–300°C sebelum dituang.

Hal ini mencegah reaksi antara kelembapan pada permukaan komponen ini dan lelehan aluminium suhu tinggi, yang merupakan sumber utama kontaminasi hidrogen.

Pencegahan Turbulensi Leleh dan Inklusi Oksida

Selama casting, turbulensi dan percikan lelehan aluminium harus diminimalkan. Pedoman operasional berikut harus diikuti:

• Hindari mengaduk lelehan di mesin cuci atau distributor dengan alat, karena ini akan merusak lapisan oksida pelindung pada permukaan lelehan, menyebabkan pembentukan oksida baru.
• Pastikan lelehan mengalir dengan lancar ke dalam cetakan di bawah perlindungan lapisan oksida.
  Penelitian menunjukkan bahwa film aluminium oksida memiliki sifat higroskopis yang kuat, mengandung kira -kira 2 berat% kelembaban.
  Jika film oksida ini ditarik ke dalam lelehan, kelembaban yang dikandungnya akan bereaksi dengan aluminium untuk menghasilkan inklusi hidrogen dan oksida, sangat mengganggu kualitas billet.

Perawatan Filtrasi Meleleh

Filtrasi adalah metode paling efektif untuk menghilangkan inklusi non-logam dari lelehan aluminium.

Untuk 6063 pengecoran paduan, dua metode filtrasi umum digunakan secara luas: filtrasi kain fiberglass multi-layer dan filtrasi pelat filter keramik.

Poin operasional utama meliputi:

• Sebelum penyaringan, terak permukaan lelehan harus dihilangkan. Penyekat terak harus dipasang di mesin cuci untuk memisahkan terak permukaan dari lelehan yang mengalir, mencegah filter tersumbat dan memastikan filtrasi lancar.
• Filter harus dipanaskan terlebih dahulu pada suhu yang sama dengan lelehan untuk menghindari kejutan termal pada filter dan mencegah pembentukan cacat penutupan dingin pada lelehan..

5. Perawatan Homogenisasi 6063 Billet Paduan Aluminium

Solidifikasi Non-Equilibrium dan Dampaknya

Selama casting, lelehan aluminium mengeras dengan cepat, sehingga terjadi pemadatan yang tidak seimbang.

Dalam diagram fase biner terdiri dari dua elemen A dan B, ketika paduan komposisi F membeku,
komposisi fase padat kesetimbangan pada suhu T1 harus G, tetapi komposisi fase padat sebenarnya adalah G’ karena pendinginan yang cepat.

Hal ini disebabkan karena laju difusi unsur paduan pada fasa padat lebih lambat dibandingkan laju kristalisasi, menyebabkan ketidakhomogenan komposisi kimia dalam biji-bijian (YAITU., pemisahan).

Solidifikasi non-ekuilibrium 6063 billet paduan menghasilkan dua masalah utama:

1. Tegangan pengecoran sisa terjadi di antara butiran;
2. Ketidakhomogenan komposisi kimia dalam butiran akibat segregasi.

Masalah-masalah ini meningkatkan kesulitan proses ekstrusi selanjutnya dan mengurangi sifat mekanik dan kinerja perawatan permukaan profil akhir.

Karena itu, perlakuan homogenisasi diperlukan untuk billet sebelum ekstrusi.

Proses Perawatan Homogenisasi

Perlakuan homogenisasi adalah proses perlakuan panas di mana billet disimpan pada suhu tinggi (di bawah suhu pembakaran berlebihan) untuk menghilangkan tegangan pengecoran dan segregasi internal butir.

Parameter teknis utama adalah sebagai berikut:

• Suhu Homogenisasi: Suhu pembakaran berlebih pada sistem terner Al-Mg-Si yang ideal adalah 595°C,
  tapi yang sebenarnya 6063 paduan mengandung berbagai unsur pengotor, menjadikannya sistem multi-komponen.
  Karena itu, suhu pembakaran berlebih sebenarnya lebih rendah dari 595°C.
  Suhu homogenisasi optimal untuk 6063 paduan adalah 530–550°C. Temperatur yang lebih tinggi dalam kisaran ini dapat mempersingkat waktu penahanan, menghemat energi, dan meningkatkan produktivitas tungku.
• Waktu Penahanan: Waktu pemaparan tergantung pada diameter billet dan ukuran butir.
  Butir yang lebih halus memerlukan waktu penahanan yang lebih singkat karena jarak difusi unsur paduan dari batas butir ke bagian dalam butir lebih pendek.

Tindakan Penghematan Energi untuk Perawatan Homogenisasi

Perlakuan homogenisasi memerlukan suhu tinggi dan waktu penahanan yang lama, mengakibatkan konsumsi energi dan biaya pemrosesan yang tinggi, itulah sebabnya banyak produsen profil melewatkan proses ini.

Langkah-langkah penghematan energi yang efektif meliputi:

1. Penyempurnaan biji -bijian: Seperti yang disebutkan sebelumnya, butiran yang lebih halus secara signifikan memperpendek waktu penahanan homogenisasi yang diperlukan, mengurangi konsumsi energi.
2. Proses Pemanasan Terintegrasi: Perpanjang tungku pemanas billet untuk ekstrusi, dan menerapkan kontrol suhu tersegmentasi untuk memenuhi persyaratan suhu homogenisasi dan ekstrusi.
   Proses ini memiliki tiga keuntungan utama:

• • Tidak diperlukan tungku homogenisasi tambahan;
  • Panas dari billet yang dihomogenisasi dimanfaatkan sepenuhnya, menghindari pemanasan berulang sebelum ekstrusi;
  • Pemanasan jangka panjang memastikan distribusi suhu yang seragam di dalam dan di luar billet, yang bermanfaat untuk ekstrusi dan perlakuan panas selanjutnya.

6. Jaminan kualitas: metrik dan inspeksi

Pemeriksaan penerimaan penting sebelum pelepasan ekstrusi/pengecoran:

• Analisis kimia (MTR spektrokimia penuh): memverifikasi elemen paduan utama dan melacak pengotor — terutama Zn, Cu dan Fe.
• Analisis hidrogen / pengambilan sampel porositas: kandungan hidrogen dalam lelehan (atau indeks porositas pada sampel coran) dan radiografi/CT billet yang representatif.
• Tingkat inklusi / efektivitas filtrasi: inspeksi optik kue filter, inklusi mikroskopis dihitung dari kupon laboratorium.
• Ukuran butir dan distribusi fasa: pemeriksaan metalografi setelah pemadatan sampel; ukuran butir ferit/α, fase sekunder.
• Pemeriksaan mekanis: tarik dan kekerasan pada kupon untuk mengkonfirmasi solusi dan respons paduan.

7. Cacat pengecoran yang umum — penyebab dan solusinya

8. Teknik lanjutan dan perbaikan proses

• Degassing ultrasonik: menghasilkan kavitasi untuk menghilangkan hidrogen dan dapat memecahkan lapisan oksida — efektif dalam beberapa penerapan di bengkel untuk billet kecil dan pengecoran bernilai tinggi.
• Degassing vakum / casting bertekanan rendah: mengurangi tingkat gas terlarut dan dapat meningkatkan pemberian makan; digunakan dalam produksi premium.
• Pengadukan elektromagnetik: bila diterapkan dengan hati-hati, menghaluskan butiran dan menghomogenkan suhu; hindari turbulensi berlebihan pada permukaan cetakan.
• Catatan takaran dan lelehan otomatis: penambahan master-alloy yang tepat, Kontrol spektro AR/IR, dan log lelehan digital mengurangi kesalahan manusia dan memastikan ketertelusuran.
• Alat simulasi: CFD untuk merancang gerbang turbulensi rendah, dan pemodelan solidifikasi untuk mengoptimalkan gradien termal dan meminimalkan titik panas.

9. Lingkungan, pertimbangan keamanan dan ekonomi

• Bahaya penanganan fluks: garam klorida/fluorida bersifat korosif dan higroskopis; tetap tersegel, penyimpanan kering. Sediakan APD dan pengontrol asap untuk penggunaan fluks.
• Manajemen energi: peleburan dan homogenisasi membutuhkan banyak energi; sistem tungku bertahap,
  pemulihan limbah panas dan integrasi proses (billet pra-panas menggunakan panas buang) menghasilkan penghematan biaya yang signifikan.
• Memo dan mendaur ulang: pisahkan skrap paduan bernilai tinggi dengan bahan yang terkontaminasi; menerapkan praktik peleburan untuk membatasi elemen gelandangan dan menjaga kualitas paduan.

10. Kesimpulan

Coran paduan aluminium berkualitas tinggi dan bahan baku ekstrusi adalah produk kontrol paduan yang disiplin, pengelolaan lelehan yang tepat dan praktik pemadatan yang dirancang dengan baik.

Untuk paduan seri 6xxx seperti 6063, kesuksesan bergantung pada mempertahankan Mg yang benar: Jika keseimbangan, menjaga unsur pengotor (khususnya Zn) di bawah ambang batas praktis untuk kualitas permukaan,

menghindari panas berlebih lelehan yang berlebihan, menggunakan pemurnian yang efektif (bubuk + pembersihan gas terkontrol), mencapai struktur butiran halus, dan menerapkan homogenisasi yang sesuai.

Menerapkan langkah-langkah ini secara bersamaan – bukan secara terpisah – dan hasilnya akan berupa sifat mekanik yang dapat diprediksi, kualitas permukaan yang kuat dan lebih sedikit proses pembuangan atau pengerjaan ulang yang mahal.

 

FAQ

Mengapa Zn <0.05 direkomendasikan ketika banyak spesifikasi memungkinkan 0.10?

Pengalaman toko praktis menunjukkan Zn dekat 0.1 mempromosikan bercak putih setelah oksidasi/anil; dikurangi menjadi <0.05 mengurangi cacat permukaan untuk profil terang/ekstrusi.

Apa parameter peleburan yang paling sensitif?

Suhu leleh. Di atas tentang 760 ° C. hidrogen terlarut meningkat tajam dan menyebabkan porositas dan cacat lainnya; menjaga suhu leleh tetap terkendali dan waktu tinggal minimal.

Pemurnian bubuk vs aliran gas tinggi — mana yang lebih baik?

Menggunakan bubuk pemurnian yang cukup dengan minimal, aliran gas terkendali. Aliran gas yang besar menghasilkan gelembung-gelembung besar dengan waktu tinggal yang singkat: degassing yang buruk dan peningkatan turbulensi.

Apakah penghalusan butiran meningkatkan toleransi suhu pengecoran?

Ya — lelehan yang dihaluskan secara efektif tahan terhadap suhu pengecoran yang sedikit lebih tinggi (Typ. 720–740 ° C.) karena zona lembek menyempit dan pemberian makan meningkat; namun panas berlebih tetap harus dibatasi.

Bisakah sisa pengecoran digunakan kembali dengan aman?

Ya, tetapi pantau elemen gelandangan dan pisahkan berdasarkan kelompok paduan. Bahan daur ulang meningkatkan beban pengotor dan memerlukan praktik peleburan yang lebih halus dan kontrol MTR yang lebih ketat.