Fusione di leghe di alluminio, Formulazione, e tecnologia di fusione

La produzione di materie prime e getti per estrusione di alluminio di alta qualità richiede il controllo integrato della chimica delle leghe, sciogliere la pulizia, storia termica e comportamento di solidificazione.

Piccole quantità di impurità, pratica di fusione o degasaggio inappropriata, o la solidificazione incontrollata può annullare chimiche altrimenti corrette.

Questo articolo sintetizza i principi di progettazione delle leghe (con enfasi su Al-Mg-Si / 6063), pratica di fusione e raffinazione consigliata, parametri di affinamento del grano e di colata, strategia di omogeneizzazione,

e misure di risoluzione dei problemi per ridurre al minimo i difetti tipici (porosità, intrappolamento dell'ossido, grana grossa, segregazione).

1. Filosofia del controllo: composizione E bilancio delle impurità

• Regola primaria: lo è solo una composizione di lega qualificata necessario ma non sufficiente.
  Il totale delle impurità in traccia (PER ESEMPIO., Fe, Cu, Zn, Mn, Di, altri) e gli elementi non previsti devono essere controllati entro limiti che preservino la finitura superficiale, risposta all'estrusione e proprietà meccaniche finali.
• Esempio (pratico): sebbene alcuni standard consentano Zn fino a 0.10 % in peso in alcune leghe per lavorazione plastica,
  l'esperienza produttiva lo dimostra Zn ≥ 0.05 WT% può produrre macchioline bianche su superfici di estrusione ossidate;
  molti produttori quindi prendono di mira Zn < 0.05 WT% per profili con finitura lucida.
• Le impurità interagiscono: il “bilancio delle impurità” cumulativo è spesso più importante della conformità di ogni singolo elemento a una specifica.

2. Formulazione di leghe: la triade Al-Mg-Si (6063 famiglia)

• 6063 Campi nominali delle leghe di alluminio (esempio, per GB/T e pratica comune): E ≈ 0.2–0,6% in peso; Mg ≈ 0.45–0,9% in peso; Fe ≤ 0.35 WT%; altri elementi (Cu, Mn, Cr, Zr, Di) in genere < 0.10 WT%. (Consultare le specifiche del prodotto finale per le tolleranze esatte.)
• Fase di rafforzamento: Mg₂Si è la principale fase di indurimento. La sua efficacia dipende dal Mg:Rapporto atomico/peso Si: il Mg:Il rapporto in peso Si di Mg₂Si è ≈ 1.73.
  Per massimizzare l'invecchiamento, mantenere Mg:E ≤ 1.73 (i.e. evitare eccessi di Mg).
  L'eccesso di Si ha un effetto negativo limitato sulla solubilità del Mg₂Si; l'eccesso di Mg riduce la solubilità e la risposta all'invecchiamento.
• Solubilità e comportamento al calore/invecchiamento (dati pratici): Mg₂Si mostra una forte dipendenza dalla temperatura; lo pseudo-binario α(Al)–Mg₂Si forme eutettiche vicine 595 ° C..
  La solubilità massima del Mg₂Si citata in pratica è ≈ 1.85 WT%, e a 500 ° C. la solubilità scende a ≈ 1.05 WT%.
  Di conseguenza, temperature di trattamento della soluzione più elevate e un'adeguata velocità di raffreddamento aumentano la ritenzione del soluto e aumentano la resistenza all'invecchiamento, ma esistono limiti pratici per evitare la fusione incipiente e l'eccessiva ossidazione.

3. Tecnologia di fusione di 6063 Lega di alluminio

La fusione è il processo più critico per la produzione di alta qualità lega di alluminio billette.

Un controllo improprio del processo può portare a vari difetti di fusione, come inclusioni di scorie, porosità, grani grossolani, e cristalli piumati.

I seguenti punti tecnici chiave devono essere rigorosamente implementati:

Controllo preciso della temperatura di fusione

La temperatura di fusione ottimale per 6063 la lega di alluminio è 750–760°C. Il controllo della temperatura è fondamentale per i seguenti motivi:

• Rischio di basse temperature: Temperature inferiori a 750°C aumentano la viscosità dell'alluminio fuso, riducendo l'efficienza della separazione delle scorie e aumentando la probabilità di difetti di inclusione delle scorie nelle billette.
• Rischio di alte temperature: Temperature superiori a 760°C causano un forte aumento della solubilità dell'idrogeno nell'alluminio fuso.
  La ricerca metallurgica mostra che la solubilità dell'idrogeno nell'alluminio aumenta esponenzialmente con temperature superiori a 760°C.
  Temperature eccessivamente elevate accelerano anche l'ossidazione e la nitrurazione della massa fusa, portando ad un aumento della perdita per combustione degli elementi leganti, e inducono direttamente difetti come grani grossolani e cristalli piumati.

Ulteriori misure per ridurre l'assorbimento di idrogeno includono:

• Preriscaldamento di forni fusori e strumenti a 200–300°C per eliminare l'umidità superficiale.
• Utilizzo solo a secco, materie prime e flussi non deteriorati per evitare l'introduzione di umidità nella massa fusa.

Selezione di flussi di alta qualità e ottimizzazione del processo di raffinazione

Flussi (compresi i dispositivi di rimozione delle scorie, raffinatori, e agenti coprenti) sono materiali ausiliari essenziali per la fusione delle leghe di alluminio.
La maggior parte dei flussi commerciali sono costituiti da cloruri e fluoruri, che sono altamente igroscopici. Una cattiva gestione del flusso è una delle principali fonti di contaminazione da idrogeno nella massa fusa.

Controllo della qualità del flusso

• Le materie prime per la produzione del flusso devono essere accuratamente essiccate per rimuovere l'umidità, e il flusso finito deve essere confezionato ermeticamente per evitare l'assorbimento igroscopico durante lo stoccaggio e il trasporto.
• Bisogna prestare attenzione alla data di produzione del fondente; i flussi scaduti tendono ad assorbire umidità,
  che reagisce con l'alluminio fuso per produrre idrogeno (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), portando a difetti di porosità nelle billette.

Ottimizzazione del processo di raffinazione dell'iniezione di polveri

La raffinazione tramite iniezione di polvere è il metodo di raffinazione più utilizzato per 6063 lega di alluminio, poiché consente il pieno contatto tra l'agente di raffinazione e la massa fusa.

I punti tecnici principali di questo processo sono:

1. Controllo della pressione dell'azoto: La pressione dell'azoto dovrebbe essere mantenuta la più bassa possibile, appena sufficiente a portare l'agente di raffinazione nella massa fusa.
   L'elevata pressione dell'azoto provoca violente turbolenze e spruzzi del materiale fuso, aumentando la formazione di nuovi film di ossido e il rischio di difetti di inclusione di ossido.
2. Requisiti di purezza dell'azoto: Azoto di elevata purezza (≥99,99%) deve essere utilizzato per la raffinazione.
   L'azoto impuro contenente umidità introdurrà ulteriore idrogeno nella massa fusa, contrastando l’effetto raffinazione.
3. Dosaggio dell'agente di raffinazione: Il principio di più flusso, dovrebbe essere seguito meno gas.
   Aumentando il dosaggio dell'agente di raffinazione è possibile potenziare l'effetto di degasaggio e rimozione delle scorie, mentre la riduzione dell'utilizzo di azoto può ridurre i costi di produzione e ridurre al minimo la turbolenza della fusione.
   L'obiettivo principale del processo è iniettare la quantità massima di agente di raffinazione nella massa fusa utilizzando la quantità minima di azoto.

Trattamento di raffinazione del grano

L'affinamento del grano è una delle misure più efficaci per migliorare la qualità delle billette in lega di alluminio e risolvere difetti di fusione come la porosità, grani grossolani, e cristalli piumati.

Il meccanismo di raffinazione del grano è il seguente:

Durante la solidificazione non in equilibrio, elementi di impurità (compresi gli elementi di lega) tendono a segregare ai bordi del grano.
I grani più fini aumentano l'area totale dei bordi dei grani, che riduce la concentrazione di elementi impuri a ciascun bordo grano.
Per elementi impuri, questo riduce i loro effetti dannosi; per gli elementi di lega, ciò ne migliora l'uniformità di distribuzione e ne potenzia l'effetto rinforzante.

L'effetto dell'affinamento del grano può essere illustrato con un semplice calcolo: assumere due blocchi metallici dello stesso volume V, composto da grani cubici.

Se la lunghezza del lato della venatura del blocco 1 è 2a e quello del blocco 2 è un, l'area totale del confine della grana del blocco 2 è il doppio di quello del blocco 1.

Ciò significa che riducendo la dimensione dei grani della metà si raddoppia l’area dei bordi dei grani, e dimezza la concentrazione di impurità per unità di area di confine del grano.

Per 6063 lega utilizzata nei profili satinati, l'affinamento del grano è particolarmente importante.

Più fine, grane più uniformi garantiscono che la superficie del profilo venga corrosa uniformemente durante il processo di satinatura, risultando in un coerente, finitura satinata di alta qualità.

I comuni affinatori del grano per le leghe di alluminio includono le leghe madri Al-Ti-B, che vengono tipicamente aggiunti alla massa fusa a un dosaggio dello 0,1–0,3% in peso.

4. Tecnologia di fusione di 6063 Lega di alluminio

La fusione è il processo di conversione della fusione di alluminio raffinato in billette solide di dimensioni specificate. Parametri ragionevoli del processo di fusione sono essenziali per la produzione di billette di alta qualità.

Occorre sottolineare i seguenti punti tecnici chiave:

Selezione della temperatura di colata ottimale

Per 6063 fusioni di leghe trattate con affinatori di grano, la temperatura di colata ottimale è 720–740°C. Questo intervallo di temperatura è determinato dai seguenti fattori:

1. La fusione a grana raffinata ha una viscosità più elevata e tassi di solidificazione più rapidi; una temperatura di colata moderatamente elevata garantisce una buona fluidità della fusione e previene difetti di chiusura a freddo.
2. Durante il casting, sul fronte di solidificazione della billetta si forma una zona bifase liquido-solido.
   Una temperatura di colata moderatamente elevata restringe questa zona a due fasi, che facilita la fuoriuscita dei gas generati durante la solidificazione e riduce i difetti di porosità.

Tuttavia, la temperatura di colata non deve essere eccessivamente elevata, poiché le alte temperature ridurranno il tempo effettivo dell'affinatore del grano e porteranno a strutture a grana grossa nella billetta.

Preriscaldamento del sistema di colata

Tutti i componenti del sistema di colata, compresi i lavaggi, distributori, e stampi, deve essere completamente preriscaldato ed essiccato a 200–300°C prima della fusione.

Ciò impedisce la reazione tra l'umidità sulla superficie di questi componenti e l'alluminio fuso ad alta temperatura, che è una delle principali fonti di contaminazione da idrogeno.

Prevenzione della turbolenza del fuso e dell'inclusione di ossidi

Durante il casting, la turbolenza e gli spruzzi dell'alluminio fuso devono essere ridotti al minimo. Dovranno essere seguite le seguenti linee guida operative:

• Evitare di mescolare il materiale fuso nella lavanderia o nel distributore con strumenti, poiché ciò romperebbe la pellicola protettiva di ossido sulla superficie fusa, portando alla formazione di nuovi ossidi.
• Assicurarsi che la massa fusa scorra dolcemente nello stampo sotto la protezione della pellicola di ossido.
  La ricerca mostra che i film di ossido di alluminio hanno forti proprietà igroscopiche, contenente approssimativamente 2 % in peso di umidità.
  Se queste pellicole di ossido vengono aspirate nella massa fusa, l'umidità in essi contenuta reagirà con l'alluminio producendo inclusioni di idrogeno e ossido, compromettendo gravemente la qualità della billetta.

Trattamento di filtrazione del fuso

La filtrazione è il metodo più efficace per rimuovere le inclusioni non metalliche dall'alluminio fuso.

Per 6063 fusione di leghe, sono ampiamente utilizzati due metodi di filtrazione comuni: filtrazione con tessuto in fibra di vetro multistrato e filtrazione con piastra filtrante in ceramica.

I punti operativi chiave includono:

• Prima della filtrazione, le scorie superficiali del fuso devono essere rimosse. È necessario installare un deflettore per le scorie nella lavanderia per separare le scorie superficiali dal materiale fuso che scorre, prevenendo l'intasamento del filtro e garantendo una filtrazione regolare.
• Il filtro deve essere preriscaldato alla stessa temperatura del materiale fuso per evitare shock termici al filtro e prevenire la formazione di difetti di chiusura a freddo nel materiale fuso.

5. Trattamento di omogeneizzazione 6063 Billette in lega di alluminio

Solidificazione di non equilibrio e suoi effetti

Durante il casting, l'alluminio fuso si solidifica rapidamente, con conseguente solidificazione non di equilibrio.

In un diagramma di fase binario composto da due elementi A e B, quando una lega di composizione F solidifica,
la composizione della fase solida all'equilibrio alla temperatura T1 dovrebbe essere G, ma la composizione effettiva della fase solida è G’ a causa del rapido raffreddamento.

Questo perché la velocità di diffusione degli elementi di lega nella fase solida è più lenta della velocità di cristallizzazione, portando ad una disomogeneità della composizione chimica all’interno dei grani (i.e., segregazione).

Solidificazione fuori equilibrio di 6063 le billette in lega comportano due problemi principali:

1. Tra i grani esiste uno stress di colata residuo;
2. Disomogeneità della composizione chimica all'interno dei grani dovuta alla segregazione.

Questi problemi aumentano la difficoltà della successiva lavorazione di estrusione e riducono le proprietà meccaniche e le prestazioni di trattamento superficiale del profilo finale.

Perciò, è necessario un trattamento di omogeneizzazione delle billette prima dell'estrusione.

Processo di trattamento di omogeneizzazione

Il trattamento di omogeneizzazione è un processo di trattamento termico in cui le billette vengono mantenute ad alta temperatura (al di sotto della temperatura di sovracombustione) per eliminare lo stress di fusione e la segregazione interna del grano.

I principali parametri tecnici sono i seguenti:

• Temperatura di omogeneizzazione: La temperatura di overburning del sistema ternario ideale Al-Mg-Si è 595°C,
  ma l'effettivo 6063 la lega contiene vari elementi impuri, rendendolo un sistema multicomponente.
  Perciò, la temperatura effettiva di overburning è inferiore a 595°C.
  La temperatura di omogeneizzazione ottimale per 6063 la lega è 530–550°C. Temperature più elevate all'interno di questo intervallo possono ridurre il tempo di mantenimento, risparmiare energia, e migliorare la produttività del forno.
• Tempo di attesa: Il tempo di mantenimento dipende dal diametro della billetta e dalla dimensione della grana.
  I grani più fini richiedono tempi di mantenimento più brevi perché la distanza di diffusione degli elementi di lega dai bordi del grano all’interno del grano è più breve.

Misure di risparmio energetico per il trattamento di omogeneizzazione

Il trattamento di omogeneizzazione richiede temperature elevate e tempi di permanenza lunghi, con conseguenti elevati consumi energetici e costi di lavorazione, ecco perché molti produttori di profili saltano questo processo.

Misure efficaci di risparmio energetico includono:

1. Refinità del grano: Come accennato in precedenza, i grani più fini riducono significativamente il tempo di mantenimento dell'omogeneizzazione richiesto, Ridurre il consumo di energia.
2. Processo di riscaldamento integrato: Estendere il forno di riscaldamento della billetta per l'estrusione, e implementare un controllo segmentato della temperatura per soddisfare sia i requisiti di omogeneizzazione che quelli di temperatura di estrusione.
   Questo processo presenta tre vantaggi principali:

• • Non è richiesto alcun forno di omogeneizzazione aggiuntivo;
  • Il calore della billetta omogeneizzata viene completamente utilizzato, evitando ripetuti riscaldamenti prima dell'estrusione;
  • Il riscaldamento a lungo termine garantisce una distribuzione uniforme della temperatura all'interno e all'esterno della billetta, che è vantaggioso per l'estrusione e il successivo trattamento termico.

6. Garanzia di qualità: metriche e ispezioni

Importanti controlli di accettazione prima del rilascio dell'estrusione/colata:

• Analisi chimica (MTR spettrochimico completo): verificare i principali elementi di lega e tracciare le impurità, in particolare Zn, Cu e Fe.
• Analisi dell'idrogeno / campionamento della porosità: contenuto di idrogeno nella massa fusa (o indice di porosità su getti campione) e radiografia/TC di billette rappresentative.
• Livello di inclusione / efficacia di filtrazione: ispezione ottica dei pannelli filtranti, conteggi microscopici delle inclusioni da tagliandi di laboratorio.
• Granulometria e distribuzione delle fasi: controlli metallografici dopo la solidificazione del campione; ferrite/granulometria α, fasi secondarie.
• Verifiche meccaniche: trazione e durezza sui coupon per confermare la risposta della soluzione e della lega.

7. Difetti comuni di fusione: cause e rimedi

8. Tecniche avanzate e di miglioramento dei processi

• Degasaggio ad ultrasuoni: genera cavitazione per la rimozione dell'idrogeno e può rompere le pellicole di ossido: efficace in alcune implementazioni in officina per billette di piccole dimensioni e getti di alto valore.
• Degassamento del vuoto / Casting a bassa pressione: riduce i livelli di gas disciolto e può migliorare l'alimentazione; utilizzato nella produzione premium.
• Agitazione elettromagnetica: se applicato con attenzione, affina il grano e omogeneizza la temperatura; evitare eccessive turbolenze sulla faccia dello stampo.
• Dosaggio automatizzato e registrazioni della fusione: precisa aggiunta della lega madre, Controllo dello spettro AR/IR, e i registri di fusione digitali riducono l'errore umano e garantiscono la tracciabilità.
• Strumenti di simulazione: CFD per progettare gating a bassa turbolenza, e modellazione della solidificazione per ottimizzare i gradienti termici e ridurre al minimo i punti caldi.

9. Ambientale, considerazioni economiche e di sicurezza

• Pericoli legati alla manipolazione del flusso: i sali di cloruro/fluoruro sono corrosivi e igroscopici; mantenere sigillato, stoccaggio a secco. Fornire DPI e controllo dei fumi per l'uso del flusso.
• Gestione energetica: la fusione e l'omogeneizzazione richiedono molta energia; sistemi di forni a fasi,
  recupero del calore di scarto e integrazione dei processi (preriscaldare le billette utilizzando il calore di scarico) produrre notevoli risparmi sui costi.
• Rottame e riciclaggio: separare i rottami di leghe di alto valore dal materiale contaminato; implementare pratiche di fusione per limitare gli elementi estranei e mantenere la qualità della lega.

10. Conclusione

I getti in lega di alluminio di alta qualità e le materie prime per estrusione sono il prodotto di un controllo disciplinato delle leghe, gestione precisa della fusione e pratica di solidificazione ben progettata.

Per le leghe della serie 6xxx come 6063, il successo dipende dal mantenimento del corretto Mg: Se equilibrio, mantenendo gli elementi impuri (soprattutto Zn) al di sotto delle soglie pratiche per la qualità della superficie,

evitando un eccessivo surriscaldamento della fusione, utilizzando una raffinazione efficace (polvere + spurgo controllato del gas), ottenere una struttura a grana fine, e applicando un'adeguata omogeneizzazione.

Implementando queste misure insieme, anziché isolatamente, il risultato saranno proprietà meccaniche prevedibili, qualità della superficie robusta e meno costosi scarti o eventi di rilavorazione.

 

FAQ

Perché Zn <0.05 consigliato quando molte specifiche lo consentono 0.10?

L'esperienza pratica del negozio mostra Zn vicino 0.1 promuove la formazione di macchie bianche dopo l'ossidazione/ricottura; riducendo a <0.05 attenua i difetti superficiali per i profili lucidi/estrusi.

Qual è il singolo parametro di fusione più sensibile?

Temperatura di fusione. Sopra circa 760 ° C. l'idrogeno disciolto aumenta notevolmente e provoca porosità e altri difetti; mantenere la temperatura di fusione controllata e il tempo di permanenza minimo.

Raffinazione delle polveri vs flusso di gas elevato: che è meglio?

Utilizzo ampia polvere di raffinazione con un minimo, flusso di gas controllato. Grandi flussi di gas formano grandi bolle con una breve permanenza: scarso degasaggio e aumento della turbolenza.

L'affinamento del grano aumenta la tolleranza alla temperatura di fusione?

Sì, una fusione a grana effettivamente raffinata tollera temperature di colata leggermente più elevate (Tipo. 720–740 ° C.) perché la zona molle si restringe e l'alimentazione migliora; ma il surriscaldamento dovrebbe essere comunque limitato.

Gli scarti di fusione possono essere riutilizzati in modo sicuro?

SÌ, ma monitorare gli elementi estranei e separarli per famiglia di leghe. Il materiale riciclato aumenta il carico di impurità e richiede pratiche di fusione più raffinate e un controllo MTR più rigoroso.