Smelten van aluminiumlegeringen, Formulering, en giettechnologie

Het produceren van hoogwaardige aluminium extrusiegrondstoffen en gietstukken vereist een geïntegreerde controle van de legeringschemie, smelt reinheid, thermische geschiedenis en stollingsgedrag.

Kleine hoeveelheden onzuiverheden, ongepaste smelt- of ontgassingpraktijken, of ongecontroleerde stolling kan anderszins correcte chemie teniet doen.

Dit artikel synthetiseert de principes van legeringsontwerp (met de nadruk op Al-Mg-Si / 6063), aanbevolen smelt- en raffinagepraktijk, korrelverfijning en gietparameters, homogenisering strategie,

en maatregelen voor probleemoplossing om typische defecten te minimaliseren (porositeit, oxide-insluiting, grove korrel, segregatie).

1. Controle filosofie: samenstelling En onzuiverheidsbudget

• Primaire regel: alleen een gekwalificeerde legeringssamenstelling is dat wel noodzakelijk maar niet voldoende.
  Het totaal aan sporen van onzuiverheden (Bijv., Fe, Cu, Zn, Mn, Van, anderen) en onbedoelde elementen moeten worden beperkt tot grenzen die de oppervlakteafwerking behouden, extrusierespons en uiteindelijke mechanische eigenschappen.
• Voorbeeld (praktisch): hoewel sommige normen Zn tot 0.10 gew.% in bepaalde smeedlegeringen,
  productie-ervaring leert dat Zn ≥ 0.05 wt% kan witte spikkels veroorzaken op geoxideerde extrusieoppervlakken;
  veel producenten richten zich daarom Zn < 0.05 wt% voor blank afgewerkte profielen.
• Onzuiverheden werken op elkaar in: het cumulatieve ‘onzuiverheidsbudget’ is vaak belangrijker dan de naleving van een specificatie door een enkel element.

2. Formulering van legering: de Al-Mg-Si-triade (6063 familie)

• 6063 Nominale bereiken van aluminiumlegeringen (voorbeeld, per GB/T en gebruikelijke praktijk): En ≈ 0.2–0,6 gew.%; Mg ≈ 0.45–0,9 gew.%; Fe ≤ 0.35 wt%; andere elementen (Cu, Mn, Cr, ZR, Van) typisch < 0.10 wt%. (Raadpleeg de eindproductspecificaties voor exacte toleranties.)
• Versterkende fase: Mg₂Si is de belangrijkste verhardingsfase. De effectiviteit ervan hangt af van de Mg:Si atomaire/gewichtsverhouding – de Mg:De Si-gewichtsverhouding van Mg₂Si is ≈ 1.73.
  Om de verharding door veroudering te maximaliseren, behouden Mg:En ≤ 1.73 (d.w.z. vermijd Mg-overschot).
  Een teveel aan Si heeft een beperkt negatief effect op de oplosbaarheid van Mg2Si; een teveel aan Mg vermindert de oplosbaarheid en de leeftijdsreactie.
• Oplosbaarheid en hitte/verouderingsgedrag (praktische gegevens): Mg₂Si vertoont een sterke temperatuurafhankelijkheid; de pseudo-binaire α(Al)–Mg₂Si eutectische vormen nabij 595 ° C.
  De in de praktijk genoemde maximale Mg2Si-oplosbaarheid bedraagt ​​≈ 1.85 wt%, en bij 500 ° C de oplosbaarheid daalt tot ≈ 1.05 wt%.
  Vervolgens, hogere oplossingsbehandelingstemperaturen en een adequate afschriksnelheid verhogen de retentie van opgeloste stoffen en verhogen de verouderingssterkte - maar er bestaan ​​praktische grenzen om beginnend smelten en overmatige oxidatie te voorkomen.

3. Smelttechnologie van 6063 Aluminiumlegering

Smelten is het meest kritische proces voor het produceren van hoge kwaliteit aluminiumlegering biljets.

Onjuiste procesbeheersing kan tot verschillende gietfouten leiden, zoals slakkeninsluitsels, porositeit, grove granen, en gevederde kristallen.

De volgende belangrijke technische punten moeten strikt worden geïmplementeerd:

Nauwkeurige controle van de smelttemperatuur

De optimale smelttemperatuur voor 6063 aluminiumlegering is 750–760°C. Temperatuurbeheersing is om de volgende redenen van cruciaal belang:

• Risico op lage temperatuur: Temperaturen onder 750°C verhogen de viscositeit van de aluminiumsmelt, het verminderen van de efficiëntie van de slakafscheiding en het vergroten van de kans op defecten aan de insluiting van slak in knuppels.
• Risico op hoge temperatuur: Temperaturen boven 760°C veroorzaken een scherpe toename van de waterstofoplosbaarheid in de aluminiumsmelt.
  Metallurgisch onderzoek toont aan dat de oplosbaarheid van waterstof in aluminium exponentieel toeneemt bij temperaturen boven 760°C.
  Te hoge temperaturen versnellen ook de oxidatie en nitridatie van de smelt, wat leidt tot een verhoogd verbrandingsverlies van legeringselementen, en veroorzaken direct defecten zoals grove korrels en gevederde kristallen.

Aanvullende maatregelen om de waterstofabsorptie te verminderen zijn onder meer:

• Het voorverwarmen van smeltovens en gereedschappen tot 200–300°C om oppervlaktevocht te verwijderen.
• Alleen droog gebruiken, niet-verslechterde grondstoffen en vloeimiddelen om te voorkomen dat er vocht in de smelt komt.

Selectie van hoogwaardige vloeimiddelen en optimalisatie van raffinageprocessen

Fluxen (inclusief slakverwijderaars, raffinaderijen, en dekkingsagenten) zijn essentiële hulpmaterialen voor het smelten van aluminiumlegeringen.
De meeste commerciële vloeimiddelen bestaan ​​uit chloriden en fluoriden, die zeer hygroscopisch zijn. Slecht fluxbeheer is een belangrijke bron van waterstofverontreiniging in de smelt.

Flux-kwaliteitscontrole

• Grondstoffen voor de productie van vloeimiddel moeten grondig worden gedroogd om vocht te verwijderen, en het uiteindelijke vloeimiddel moet hermetisch worden verpakt om hygroscopische absorptie tijdens opslag en transport te voorkomen.
• Er moet gelet worden op de productiedatum van de flux; uitgeademde fluxen hebben de neiging vocht te absorberen,
  die reageert met de aluminiumsmelt om waterstof te produceren (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), wat leidt tot porositeitsdefecten in knuppels.

Optimalisatie van het poederinjectieraffinageproces

Poederinjectieraffinage is de meest gebruikte raffinagemethode 6063 aluminiumlegering, omdat het volledig contact tussen het raffinagemiddel en de smelt mogelijk maakt.

De belangrijkste technische punten van dit proces zijn::

1. Stikstofdrukregeling: De stikstofdruk moet zo laag mogelijk worden gehouden, net voldoende om het raffinagemiddel in de smelt te brengen.
   Hoge stikstofdruk veroorzaakt hevige turbulentie en spatten van de smelt, waardoor de vorming van nieuwe oxidefilms en het risico op oxide-insluitingsdefecten toenemen.
2. Stikstofzuiverheidsvereisten: Zeer zuivere stikstof (≥99,99%) moet worden gebruikt voor raffinage.
   Onzuiver stikstofhoudend vocht zal extra waterstof in de smelt introduceren, gaat het verfijningseffect tegen.
3. Dosering van raffinagemiddelen: Het principe van meer flux, er moet minder gas worden gevolgd.
   Het verhogen van de dosering van het raffinagemiddel kan het ontgassings- en slakverwijderingseffect versterken, terwijl het verminderen van het stikstofgebruik de productiekosten kan verlagen en smeltturbulentie kan minimaliseren.
   Het kerndoel van het proces is om de maximale hoeveelheid raffinagemiddel in de smelt te injecteren met behulp van de minimale hoeveelheid stikstof.

Behandeling van graanverfijning

Korrelverfijning is een van de meest effectieve maatregelen om de kwaliteit van knuppels van aluminiumlegeringen te verbeteren en gietfouten zoals porositeit op te lossen, grove granen, en gevederde kristallen.

Het mechanisme van graanverfijning is als volgt:

Tijdens niet-evenwichtsstolling, onzuiverheidselementen (inclusief legeringselementen) hebben de neiging zich te scheiden op de korrelgrenzen.
Fijnere korrels vergroten het totale korrelgrensgebied, waardoor de concentratie van onzuiverheidselementen bij elke korrelgrens wordt verminderd.
Voor onzuiverheidselementen, dit vermindert de schadelijke effecten ervan; voor legeringselementen, dit verbetert hun distributie-uniformiteit en vergroot hun versterkende effect.

Het effect van graanverfijning kan worden geïllustreerd met een eenvoudige berekening: neem twee metalen blokken met hetzelfde volume V aan, samengesteld uit kubieke korrels.

Als de lengte van de graanzijde van het blok 1 is 2a en die van blok 2 is een, het totale korrelgrensgebied van het blok 2 is tweemaal zo groot als blok 1.

Dit betekent dat het halveren van de korrelgrootte het korrelgrensgebied verdubbelt, en halveert de onzuiverheidsconcentratie per eenheid korrelgrensgebied.

Voor 6063 legering gebruikt in matte profielen, korrelverfijning is bijzonder belangrijk.

Fijner, gelijkmatigere korrels zorgen ervoor dat het profieloppervlak tijdens het matteringsproces gelijkmatig wordt gecorrodeerd, resulterend in een consistente, hoogwaardige matte afwerking.

Gangbare graanraffinaderijen voor aluminiumlegeringen omvatten Al-Ti-B-masterlegeringen, die doorgaans aan de smelt worden toegevoegd in een dosering van 0,1–0,3 gew.%.

4. Giettechnologie van 6063 Aluminiumlegering

Gieten is het proces waarbij de geraffineerde aluminiumsmelt wordt omgezet in massieve knuppels met gespecificeerde afmetingen. Redelijke gietprocesparameters zijn essentieel voor het produceren van knuppels van hoge kwaliteit.

De volgende belangrijke technische punten moeten worden benadrukt:

Selectie van optimale giettemperatuur

Voor 6063 legeringssmelten behandeld met graanverfijners, de optimale giettemperatuur is 720–740°C. Dit temperatuurbereik wordt bepaald door de volgende factoren:

1. De korrelgeraffineerde smelt heeft een hogere viscositeit en snellere stollingssnelheden; een matig verhoogde giettemperatuur zorgt voor een goede vloeibaarheid van de smelt en voorkomt koude sluitingsdefecten.
2. Tijdens het gieten, er vormt zich een vloeistof-vaste tweefasenzone aan het stollingsfront van de knuppel.
   Een matig hoge giettemperatuur vernauwt deze tweefasenzone, wat het ontsnappen van gassen die tijdens het stollen ontstaan ​​vergemakkelijkt en porositeitsdefecten vermindert.

Echter, de giettemperatuur mag niet buitensporig hoog zijn, omdat hoge temperaturen de effectieve tijd van de graanverfijner zullen verkorten en tot grove korrelstructuren in de knuppel zullen leiden.

Voorverwarmen van gietsysteem

Alle componenten van het gietsysteem, inclusief witwassen, distributeurs, en vormen, moet vóór het gieten volledig worden voorverwarmd en gedroogd tot 200–300 °C.

Dit voorkomt de reactie tussen vocht op het oppervlak van deze componenten en de aluminiumsmelt bij hoge temperatuur, wat een belangrijke bron van waterstofverontreiniging is.

Preventie van smeltturbulentie en oxide-insluiting

Tijdens het gieten, turbulentie en spatten van de aluminiumsmelt moeten tot een minimum worden beperkt. De volgende operationele richtlijnen moeten worden gevolgd:

• Vermijd het roeren van de smelt in de wasserette of verdeler met gereedschap, omdat hierdoor de beschermende oxidefilm op het smeltoppervlak zal breken, wat leidt tot de vorming van nieuwe oxiden.
• Zorg ervoor dat de smelt soepel in de mal vloeit onder de bescherming van de oxidefilm.
  Onderzoek toont aan dat aluminiumoxidefilms sterke hygroscopische eigenschappen hebben, ongeveer bevatten 2 gew.% vocht.
  Als deze oxidefilms in de smelt worden getrokken, het vocht dat ze bevatten zal reageren met het aluminium en waterstof- en oxide-insluitsels produceren, waardoor de kwaliteit van de knuppels ernstig wordt aangetast.

Smeltfiltratiebehandeling

Filtratie is de meest effectieve methode om niet-metallische insluitsels uit de aluminiumsmelt te verwijderen.

Voor 6063 legering gieten, twee veel voorkomende filtratiemethoden worden veel gebruikt: meerlaagse glasvezeldoekfiltratie en keramische filterplaatfiltratie.

Belangrijke operationele punten zijn onder meer:

• Vóór filtratie, de oppervlakteslak van de smelt moet worden verwijderd. In de wasserette moet een slakschot worden geïnstalleerd om de oppervlakteslak van de stromende smelt te scheiden, voorkomt verstopping van het filter en zorgt voor een soepele filtratie.
• Het filter moet worden voorverwarmd tot dezelfde temperatuur als de smelt om thermische schokken voor het filter te voorkomen en de vorming van koude afsluitingsdefecten in de smelt te voorkomen.

5. Homogenisatie Behandeling van 6063 Knuppels van aluminiumlegering

Niet-evenwichtssolidificatie en de effecten ervan

Tijdens het gieten, de aluminiumsmelt stolt snel, resulterend in niet-evenwichtsverharding.

In een binair fasediagram bestaande uit twee elementen A en B, wanneer een legering met samenstelling F stolt,
de evenwichtssamenstelling van de vaste fase bij temperatuur T1 moet G zijn, maar de werkelijke samenstelling van de vaste fase is G’ als gevolg van snelle afkoeling.

Dit komt omdat de diffusiesnelheid van legeringselementen in de vaste fase langzamer is dan de kristallisatiesnelheid, wat leidt tot inhomogeniteit in de chemische samenstelling binnen de korrels (D.W.Z., segregatie).

Niet-evenwichtsverharding van 6063 gelegeerde knuppels resulteren in twee hoofdproblemen:

1. Tussen de korrels bestaat er restgietspanning;
2. Inhomogeniteit van de chemische samenstelling binnen granen als gevolg van segregatie.

Deze problemen vergroten de moeilijkheid van de daaropvolgende extrusieverwerking en verminderen de mechanische eigenschappen en oppervlaktebehandelingsprestaties van het uiteindelijke profiel.

Daarom, homogenisatiebehandeling is noodzakelijk voor knuppels vóór extrusie.

Homogenisatiebehandelingsproces

Homogenisatiebehandeling is een warmtebehandelingsproces waarbij knuppels op hoge temperatuur worden gehouden (onder de oververbrandingstemperatuur) om gietspanning en interne segregatie van het graan te elimineren.

De belangrijkste technische parameters zijn als volgt:

• Homogenisatietemperatuur: De oververbrandingstemperatuur van het ideale Al-Mg-Si ternaire systeem is 595°C,
  maar de werkelijke 6063 legering bevat verschillende onzuiverheidselementen, waardoor het een systeem met meerdere componenten is.
  Daarom, de werkelijke oververbrandingstemperatuur is lager dan 595°C.
  De optimale homogenisatietemperatuur voor 6063 legering is 530–550°C. Hogere temperaturen binnen dit bereik kunnen de bewaartijd verkorten, energie besparen, en de ovenproductiviteit verbeteren.
• Tijd vasthouden: De houdtijd is afhankelijk van de staafdiameter en korrelgrootte.
  Fijnere korrels vereisen kortere houdtijden omdat de diffusieafstand van legeringselementen van korrelgrenzen naar het binnenste van de korrels korter is.

Energiebesparende maatregelen voor homogenisatiebehandeling

Homogenisatiebehandeling vereist hoge temperaturen en lange houdtijden, resulterend in een hoog energieverbruik en verwerkingskosten, Daarom slaan veel profielfabrikanten dit proces over.

Effectieve energiebesparende maatregelen zijn onder meer::

1. Graanverfijning: Zoals eerder vermeld, fijnere korrels verkorten de vereiste homogenisatietijd aanzienlijk, het verminderen van het energieverbruik.
2. Geïntegreerd verwarmingsproces: Verleng de blokverwarmingsoven voor extrusie, en implementeer gesegmenteerde temperatuurregeling om te voldoen aan zowel de homogenisatie- als de extrusietemperatuurvereisten.
   Dit proces heeft drie belangrijke voordelen:

• • Er is geen extra homogenisatieoven nodig;
  • De warmte van de gehomogeniseerde knuppel wordt volledig benut, het vermijden van herhaalde verwarming vóór extrusie;
  • Langdurige verwarming zorgt voor een uniforme temperatuurverdeling binnen en buiten de blok, wat gunstig is voor extrusie en daaropvolgende warmtebehandeling.

6. Kwaliteitsborging: meetgegevens en inspectie

Belangrijke acceptatiecontroles voorafgaand aan de extrusie/gietvrijgave:

• Chemische analyse (volledige spectrochemische MTR): controleer de belangrijkste legeringselementen en spoor onzuiverheden op, vooral Zn, Cu en Fe.
• Waterstof analyse / porositeit bemonstering: waterstofgehalte van de smelt (of porositeitsindex op monstergietstukken) en radiografie/CT van representatieve knuppels.
• Inclusieniveau / filtratie effectiviteit: optische inspectie van filterkoeken, microscopische inclusietellingen van laboratoriumcoupons.
• Korrelgrootte en faseverdeling: metallografische controles na stolling van het monster; ferriet/α korrelgrootte, secundaire fasen.
• Mechanische controles: treksterkte en hardheid op coupons om de reactie van de oplossing en de legering te bevestigen.

7. Veelvoorkomende gietfouten: oorzaken en oplossingen

8. Geavanceerde technieken en procesverbeteringstechnieken

• Ultrasoon ontgassen: genereert cavitatie voor waterstofverwijdering en kan oxidefilms breken - effectief in sommige winkelimplementaties voor kleine knuppels en hoogwaardige gietstukken.
• Stofzuiger / lage druk gieting: vermindert het niveau van opgeloste gassen en kan de voeding verbeteren; gebruikt in premiumproductie.
• Elektromagnetisch roeren: wanneer zorgvuldig toegepast, verfijnt graan en homogeniseert de temperatuur; vermijd overmatige turbulentie aan het malvlak.
• Geautomatiseerde dosering en smeltregistratie: nauwkeurige toevoeging van de master-legering, AR/IR-spectrocontrole, en digitale smeltlogboeken verminderen menselijke fouten en zorgen voor traceerbaarheid.
• Simulatiehulpmiddelen: CFD om poorten met lage turbulentie te ontwerpen, en stollingsmodellering om thermische gradiënten te optimaliseren en hotspots te minimaliseren.

9. Omgevings-, veiligheids- en economische overwegingen

• Gevaren bij het hanteren van flux: chloride/fluoridezouten zijn corrosief en hygroscopisch; verzegeld houden, droge opslag. Zorg voor PBM's en rookbeheersing voor fluxgebruik.
• Energiebeheer: smelten en homogeniseren zijn energie-intensief; gefaseerde ovensystemen,
  restwarmteterugwinning en procesintegratie (verwarm knuppels voor met behulp van uitlaatwarmte) aanzienlijke kostenbesparingen opleveren.
• Schroot en recycling: scheid hoogwaardig gelegeerd schroot versus verontreinigd materiaal; implementeer smeltpraktijken om zwerfelementen te beperken en de kwaliteit van de legering te behouden.

10. Conclusie

Hoogwaardige gietstukken van aluminiumlegeringen en extrusiegrondstoffen zijn het product van gedisciplineerde legeringscontrole, nauwkeurig smeltbeheer en goed ontworpen stollingspraktijk.

Voor legeringen uit de 6xxx-serie, zoals 6063, succes hangt af van het handhaven van de juiste Mg: Als balans, het behouden van onzuiverheidselementen (vooral Zn) onder praktische drempels voor oppervlaktekwaliteit,

het vermijden van overmatige smeltoververhitting, met behulp van effectieve raffinage (poeder + gecontroleerde gaszuivering), het bereiken van een fijne korrelstructuur, en het toepassen van passende homogenisatie.

Implementeer deze maatregelen samen – in plaats van afzonderlijk – en het resultaat zal voorspelbare mechanische eigenschappen zijn, robuuste oppervlaktekwaliteit en minder dure schroot- of herbewerkingsgebeurtenissen.

 

FAQ's

Waarom is Zn <0.05 aanbevolen wanneer veel specificaties dit toelaten 0.10?

Praktische winkelervaring leert dat Zn dichtbij is 0.1 bevordert witte spikkels na oxidatie/uitgloeien; reduceren tot <0.05 vermindert oppervlaktedefecten voor blanke/geëxtrudeerde profielen.

Wat is de meest gevoelige smeltparameter?

Smelttemperatuur. Boven ongeveer 760 ° C Opgeloste waterstof stijgt sterk en veroorzaakt porositeit en andere defecten; houd de smelttemperatuur gecontroleerd en de verblijftijd minimaal.

Poederraffinage versus hoge gasstroom – wat beter is?

Gebruik voldoende raffinagepoeder met minimaal, gecontroleerde gasstroom. Grote gasstromen maken grote bellen met een korte verblijftijd: slechte ontgassing en verhoogde turbulentie.

Verhoogt korrelverfijning de tolerantie voor de giettemperatuur??

Ja – een effectief korrelgeraffineerde smelt verdraagt ​​iets hogere giettemperaturen (typen. 720–740 °C) omdat de papperige zone smaller wordt en de voeding verbetert; maar oververhitting moet nog steeds beperkt zijn.

Kan gietschroot veilig worden hergebruikt??

Ja, maar houd zwerverelementen in de gaten en scheid ze per legeringsfamilie. Gerecycled materiaal verhoogt de onzuiverheidslast en vereist een verfijndere smeltpraktijk en strengere MTR-controle.