Smelting av aluminiumlegering, Formulering, og støpeteknologi

Produksjon av høykvalitets aluminiumsekstruderingsråmateriale og støpegods krever integrert kontroll av legeringskjemi, smelte renslighet, termisk historie og størkningsadferd.

Små mengder urenheter, upassende praksis for smelting eller avgassing, eller ukontrollert størkning kan oppheve ellers riktig kjemi.

Denne artikkelen syntetiserer legeringsdesignprinsipper (med vekt på Al-Mg-Si / 6063), anbefalt smelting og raffineringspraksis, kornforedling og støpeparametere, homogeniseringsstrategi,

og feilsøkingstiltak for å minimere typiske defekter (porøsitet, oksidoppfangning, grovt korn, segregering).

1. Kontrollfilosofi: Sammensetning og urenhetsbudsjett

• Primærregel: en kvalifisert legeringssammensetning alene er nødvendig, men ikke tilstrekkelig.
  Summen av spor urenheter (F.eks., Fe, Cu, Zn, Mn, Av, andre) og utilsiktede elementer må kontrolleres til grenser som bevarer overflatefinishen, ekstruderingsrespons og endelige mekaniske egenskaper.
• Eksempel (praktisk): selv om noen standarder tillater Zn opp til 0.10 vekt% i visse smidde legeringer,
  produksjonserfaring viser det Zn ≥ 0.05 vekt% kan produsere hvite flekker på oksiderte ekstruderingsoverflater;
  mange produsenter sikter derfor Zn < 0.05 vekt% for lyse profiler.
• Urenheter samhandler: det kumulative "urenhetsbudsjettet" er ofte viktigere enn et enkelt elements samsvar med en spesifikasjon.

2. Legeringsformulering: triaden Al–Mg–Si (6063 familie)

• 6063 nominelle områder av aluminiumslegering (eksempel, per GB/T og vanlig praksis): Og ≈ 0.2–0,6 vekt%; Mg ≈ 0.45–0,9 vekt%; Fe ≤ 0.35 vekt%; andre elementer (Cu, Mn, Cr, Zr, Av) vanligvis < 0.10 vekt%. (Se den endelige produktspesifikasjonen for nøyaktige toleranser.)
• Styrkingsfase: Mg₂Si er den viktigste herdefasen. Effektiviteten avhenger av Mg:Si atom/vekt-forhold — Mg:Si vektforhold for Mg2Si er ≈ 1.73.
  For å maksimere aldersherding, holde Mg:Og ≤ 1.73 (dvs.. unngå Mg-overskudd).
  Overskudd av Si har begrenset negativ effekt på Mg2Si-løselighet; overskudd av Mg reduserer løselighet og aldersrespons.
• Løselighet og varme/aldringsadferd (praktiske data): Mg₂Si viser sterk temperaturavhengighet; den pseudo-binære α(Al)–Mg₂Si eutektiske former nær 595 ° C..
  Maksimal Mg2Si-oppløselighet oppgitt i praksis er ≈ 1.85 vekt%, og kl 500 ° C. løseligheten faller til ≈ 1.05 vekt%.
  Følgelig, høyere oppløsningsbehandlingstemperaturer og tilstrekkelig bråkjølingshastighet øker retensjon av oppløste stoffer og øker aldringsstyrken - men det finnes praktiske grenser for å unngå begynnende smelting og overdreven oksidasjon.

3. Smelteteknologi av 6063 Aluminiumslegering

Smelting er den mest kritiske prosessen for å produsere høy kvalitet aluminiumslegering Billets.

Feil prosesskontroll kan føre til ulike støpefeil, slik som slagginneslutninger, porøsitet, grove korn, og fjæraktige krystaller.

Følgende viktige tekniske punkter må implementeres strengt:

Nøyaktig kontroll av smeltetemperaturen

Den optimale smeltetemperaturen for 6063 aluminiumslegering er 750–760°C. Temperaturkontroll er kritisk av følgende årsaker:

• Lav temperaturrisiko: Temperaturer under 750°C øker viskositeten til aluminiumssmelten, redusere effektiviteten av slaggseparasjon og øke sannsynligheten for slagginklusjonsdefekter i billettene.
• Høy temperaturrisiko: Temperaturer over 760°C forårsaker en kraftig økning i hydrogenløseligheten i aluminiumssmelten.
  Metallurgisk forskning viser at hydrogenløselighet i aluminium øker eksponentielt med temperatur over 760°C.
  For høye temperaturer akselererer også oksidasjonen og nitreringen av smelten, fører til økt forbrenningstap av legeringselementer, og induserer direkte defekter som grove korn og fjæraktige krystaller.

Ytterligere tiltak for å redusere hydrogenabsorpsjon inkluderer:

• Forvarming av smelteovner og verktøy til 200–300°C for å eliminere overflatefuktighet.
• Bruker kun tørr, ikke-forringede råmaterialer og flussmidler for å unngå å introdusere fuktighet i smelten.

Utvalg av høykvalitets flukser og raffineringsprosessoptimalisering

Flukser (inkludert slaggfjernere, raffinører, og dekkmidler) er essensielle hjelpematerialer for smelting av aluminiumslegeringer.
De fleste kommersielle flussmidler består av klorider og fluorider, som er svært hygroskopiske. Dårlig flukshåndtering er en viktig kilde til hydrogenforurensning i smelten.

Flux kvalitetskontroll

• Råvarer for flussproduksjon må tørkes grundig for å fjerne fuktighet, og det ferdige flussmiddelet må pakkes hermetisk for å forhindre hygroskopisk absorpsjon under lagring og transport.
• Vær oppmerksom på produksjonsdatoen for fluksen; utløpte flukser har en tendens til å absorbere fuktighet,
  som reagerer med aluminiumssmelten for å produsere hydrogen (2Al + 3H20 → A1203 + 3H₂ ↑), fører til porøsitetsdefekter i emner.

Optimalisering av raffineringsprosessen for pulverinjeksjon

Pulverinjeksjonsraffinering er den mest brukte raffineringsmetoden for 6063 aluminiumslegering, da det muliggjør full kontakt mellom raffineringsmiddelet og smelten.

De tekniske kjernepunktene i denne prosessen er:

1. Nitrogentrykkkontroll: Nitrogentrykket bør holdes så lavt som mulig, akkurat tilstrekkelig til å frakte raffineringsmidlet inn i smelten.
   Høyt nitrogentrykk forårsaker voldsom turbulens og sprut av smelten, øker dannelsen av nye oksidfilmer og risikoen for oksidinkluderingsdefekter.
2. Nitrogenrenhetskrav: Nitrogen med høy renhet (≥99,99%) må brukes til raffinering.
   Urent nitrogenholdig fuktighet vil introdusere ytterligere hydrogen i smelten, motvirke raffineringseffekten.
3. Dosering av raffineringsmiddel: Prinsippet om mer fluks, mindre gass bør følges.
   Å øke dosen av raffineringsmidlet kan øke avgassingen og slaggfjerningseffekten, mens reduksjon av nitrogenbruk kan redusere produksjonskostnadene og minimere smelteturbulens.
   Kjerneprosessmålet er å injisere maksimal mengde raffineringsmiddel i smelten ved å bruke minimumsmengden nitrogen.

Kornforfiningsbehandling

Kornforfining er et av de mest effektive tiltakene for å forbedre kvaliteten på aluminiumslegeringer og løse støpefeil som porøsitet, grove korn, og fjæraktige krystaller.

Mekanismen for kornforfining er som følger:

Under ikke-likevektsstørkning, urenhetselementer (inkludert legeringselementer) har en tendens til å segregere ved korngrenser.
Finere korn øker det totale korngrensearealet, som reduserer konsentrasjonen av urenhetselementer ved hver korngrense.
For urenhetselementer, dette reduserer deres skadelige effekter; for legeringselementer, dette forbedrer deres fordeling jevnt og forbedrer deres styrkende effekt.

Effekten av kornforedling kan illustreres ved en enkel beregning: anta to metallblokker med samme volum V, sammensatt av kubikkkorn.

Hvis kornsiden lengden på blokken 1 er 2a og blokken 2 er en, blokkens totale korngrenseareal 2 er det dobbelte av blokken 1.

Dette betyr at halvparten av kornstørrelsen dobler korngrensearealet, og halverer urenhetskonsentrasjonen per enhet korngrenseareal.

Til 6063 legering brukt i frostede profiler, kornforedling er spesielt viktig.

Finere, mer jevne korn sørger for at profiloverflaten blir jevnt korrodert under frostingen, resulterer i en konsistent, frostet finish av høy kvalitet.

Vanlige kornraffinører for aluminiumslegeringer inkluderer Al-Ti-B masterlegeringer, som vanligvis tilsettes smelten i en dosering på 0,1–0,3 vekt-%.

4. Støpeteknologi av 6063 Aluminiumslegering

Støping er prosessen med å konvertere den raffinerte aluminiumssmelten til faste emner med spesifiserte dimensjoner. Rimelige støpeprosessparametere er avgjørende for å produsere emner av høy kvalitet.

Følgende sentrale tekniske punkter må vektlegges:

Valg av optimal støpetemperatur

Til 6063 legeringssmelter behandlet med kornraffinører, den optimale støpetemperaturen er 720–740°C. Dette temperaturområdet bestemmes av følgende faktorer:

1. Den kornraffinerte smelten har høyere viskositet og raskere størkningshastigheter; en moderat forhøyet støpetemperatur sikrer god fluiditet av smelten og forhindrer kuldefeil.
2. Under støping, en væske-fast to-fase sone dannes ved størkningsfronten av emnet.
   En moderat høy støpetemperatur innsnevrer denne to-fase sonen, som letter unnslipping av gasser generert under størkning og reduserer porøsitetsfeil.

Imidlertid, støpetemperaturen bør ikke være for høy, ettersom høye temperaturer vil forkorte den effektive tiden til kornforederen og føre til grove kornstrukturer i emnet.

Forvarming av støpesystem

Alle komponenter i støpesystemet, inkludert hvitvaskere, distributører, og muggsopp, må være fullstendig forvarmet og tørket til 200–300°C før støping.

Dette forhindrer reaksjonen mellom fuktighet på overflaten av disse komponentene og høytemperatur-aluminiumsmelten, som er en viktig kilde til hydrogenforurensning.

Forebygging av smelteturbulens og oksidinkludering

Under støping, turbulens og sprut av aluminiumssmelten må minimeres. Følgende driftsretningslinjer bør følges:

• Unngå å røre smelten i vasken eller fordeleren med verktøy, da dette vil bryte den beskyttende oksidfilmen på smelteoverflaten, fører til dannelse av nye oksider.
• Sørg for at smelten flyter jevnt inn i formen under beskyttelse av oksidfilmen.
  Forskning viser at aluminiumoksidfilmer har sterke hygroskopiske egenskaper, inneholder omtrent 2 vekt% fuktighet.
  Hvis disse oksidfilmene trekkes inn i smelten, fuktigheten de inneholder vil reagere med aluminiumet for å produsere hydrogen- og oksidinneslutninger, sterkt svekket billettkvalitet.

Smeltefiltreringsbehandling

Filtrering er den mest effektive metoden for å fjerne ikke-metalliske inneslutninger fra aluminiumssmelten.

Til 6063 legeringsstøping, to vanlige filtreringsmetoder er mye brukt: flerlags glassfiberdukfiltrering og keramisk filterplatefiltrering.

Viktige operasjonelle punkter inkluderer:

• Før filtrering, smeltens overflateslagg må fjernes. En slaggleder bør installeres i vasken for å skille overflateslagget fra den flytende smelten, forhindrer at filteret tetter seg og sikrer jevn filtrering.
• Filteret bør forvarmes til samme temperatur som smelten for å unngå termisk sjokk på filteret og forhindre dannelse av kaldt lukkede defekter i smelten.

5. Homogenisering Behandling av 6063 Billetter av aluminiumslegering

Ikke-likevektsstørkning og dens effekter

Under støping, aluminiumssmelten stivner raskt, som resulterer i størkning uten likevekt.

I et binært fasediagram sammensatt av to elementer A og B, når en legering med sammensetning F størkner,
likevektsfastfasesammensetningen ved temperatur T1 bør være G, men den faktiske fastfasesammensetningen er G' på grunn av rask avkjøling.

Dette er fordi diffusjonshastigheten til legeringselementer i fast fase er langsommere enn krystalliseringshastigheten, fører til inhomogenitet i kjemisk sammensetning i kornene (Dvs., segregering).

Ikke-likevekts størkning av 6063 legeringsblokker resulterer i to hovedproblemer:

1. Gjenværende støpespenning eksisterer mellom korn;
2. Kjemisk sammensetning inhomogenitet i korn på grunn av segregering.

Disse problemene øker vanskeligheten med påfølgende ekstruderingsbehandling og reduserer de mekaniske egenskapene og overflatebehandlingsytelsen til den endelige profilen.

Derfor, homogeniseringsbehandling er nødvendig for emner før ekstrudering.

Homogeniseringsbehandlingsprosess

Homogeniseringsbehandling er en varmebehandlingsprosess der emner holdes ved høy temperatur (under overbrenningstemperaturen) for å eliminere støpestress og korns indre segregering.

De viktigste tekniske parameterne er som følger:

• Homogeniseringstemperatur: Overbrenningstemperaturen til det ideelle ternære Al-Mg-Si-systemet er 595°C,
  men det faktiske 6063 legering inneholder ulike urenheter, gjør det til et flerkomponentsystem.
  Derfor, den faktiske overbrenningstemperaturen er lavere enn 595°C.
  Den optimale homogeniseringstemperaturen for 6063 legering er 530–550°C. Høyere temperaturer innenfor dette området kan forkorte holdetiden, spare energi, og forbedre ovnens produktivitet.
• Holdetid: Holdetiden avhenger av emnets diameter og kornstørrelse.
  Finere korn krever kortere holdetider fordi diffusjonsavstanden til legeringselementer fra korngrenser til korninteriør er kortere.

Energibesparende tiltak for homogeniseringsbehandling

Homogeniseringsbehandling krever høye temperaturer og lange holdetider, som resulterer i høyt energiforbruk og prosesseringskostnader, som er grunnen til at mange profilprodusenter hopper over denne prosessen.

Effektive energibesparende tiltak inkluderer:

1. Kornforfining: Som nevnt tidligere, finere korn forkorter den nødvendige holdetiden for homogenisering betydelig, redusere energiforbruket.
2. Integrert oppvarmingsprosess: Forleng billettvarmeovnen for ekstrudering, og implementere segmentert temperaturkontroll for å møte både homogeniserings- og ekstruderingstemperaturkrav.
   Denne prosessen har tre hovedfordeler:

• • Ingen ekstra homogeniseringsovn er nødvendig;
  • Varmen til det homogeniserte emnet utnyttes fullt ut, unngå gjentatt oppvarming før ekstrudering;
  • Langvarig oppvarming sikrer jevn temperaturfordeling i og utenfor emnet, som er gunstig for ekstrudering og etterfølgende varmebehandling.

6. Kvalitetssikring: målinger og inspeksjon

Viktige akseptkontroller før ekstrudering/støpeutgivelse:

• Kjemisk analyse (full spektrokjemisk MTR): verifiser hovedlegeringselementer og spor urenheter - spesielt Zn, Cu og Fe.
• Hydrogenanalyse / porøsitetsprøvetaking: hydrogeninnholdet i smelten (eller porøsitetsindeks på prøvestøpegods) og radiografi/CT av representative emner.
• Inkluderingsnivå / filtreringseffektivitet: optisk inspeksjon av filterkaker, mikroskopiske inkluderingstall fra laboratoriekuponger.
• Kornstørrelse og fasefordeling: metallografiske kontroller etter størkning av prøven; ferritt/α kornstørrelse, sekundære faser.
• Mekaniske kontroller: strekk og hardhet på kuponger for å bekrefte løsning og legeringsrespons.

7. Vanlige støpefeil — årsaker og rettsmidler

8. Avanserte og prosessforbedrende teknikker

• Ultralyd avgassing: genererer kavitasjon for hydrogenfjerning og kan bryte oksidfilmer - effektiv i enkelte butikkimplementeringer for små emner og høyverdige støpegods.
• Vakuumdegassing / Lavtrykksstøping: reduserer nivåene av oppløst gass og kan forbedre fôringen; brukes i premium produksjon.
• Elektromagnetisk omrøring: når den påføres forsiktig, raffinerer korn og homogeniserer temperaturen; unngå overdreven turbulens i formen.
• Automatiserte doserings- og smelteregistreringer: presis master-legering tillegg, AR/IR spektrokontroll, og digitale smeltelogger reduserer menneskelige feil og sikrer sporbarhet.
• Simuleringsverktøy: CFD for å designe porter med lav turbulens, og størkningsmodellering for å optimalisere termiske gradienter og minimere hot spots.

9. Miljø, sikkerhetsmessige og økonomiske hensyn

• Flukshåndteringsfarer: klorid/fluoridsalter er etsende og hygroskopiske; holde forseglet, tørr lagring. Sørg for PPE og røykkontroll for fluksbruk.
• Energiledelse: smelting og homogenisering er energikrevende; iscenesatte ovnssystemer,
  spillvarmegjenvinning og prosessintegrasjon (forvarm emner ved hjelp av eksosvarme) gi betydelige kostnadsbesparelser.
• Skrap og resirkulering: skille høyverdig legeringsskrot vs forurenset materiale; implementere smeltepraksis for å begrense trampelementer og opprettholde legeringskvalitet.

10. Konklusjon

Høykvalitets støpegods av aluminiumslegering og ekstruderingsmateriale er et produkt av disiplinert legeringskontroll, presis smeltehåndtering og godt utformet størkningspraksis.

For 6xxx serie legeringer som f.eks 6063, suksess avhenger av å opprettholde riktig Mg: Hvis balanse, beholde urenhetselementer (spesielt Zn) under praktiske terskler for overflatekvalitet,

unngå overdreven smelteoverheting, ved hjelp av effektiv raffinering (pulver + kontrollert gassrensing), oppnå finkornstruktur, og anvende passende homogenisering.

Gjennomfør disse tiltakene sammen - i stedet for isolert - og resultatet vil være forutsigbare mekaniske egenskaper, robust overflatekvalitet og færre kostbare skrot- eller omarbeidingshendelser.

 

Vanlige spørsmål

Hvorfor er Zn <0.05 anbefales når mange spesifikasjoner tillater det 0.10?

Praktisk butikkopplevelse viser Zn nær 0.1 fremmer hvit flekker etter oksidasjon/glødning; redusere til <0.05 reduserer overflatedefekter for lyse/ekstruderte profiler.

Hva er den mest følsomme smelteparameteren?

Smeltetemperatur. Over ca 760 ° C. oppløst hydrogen stiger kraftig og forårsaker porøsitet og andre defekter; holde smeltetemperaturen kontrollert og oppholdstiden minimal.

Pulverraffinering vs høy gassstrøm - som er bedre?

Bruk rikelig med raffineringspulver med minimal, kontrollert gassstrøm. Store gassstrømmer lager store bobler med kort oppholdstid: dårlig avgassing og økt turbulens.

Øker kornforfining toleransen for støpetemperaturen?

Ja - en effektivt kornraffinert smelte tåler litt høyere støpetemperaturer (typ. 720–740 ° C.) fordi den grøtaktige sonen smalner inn og fôringen blir bedre; men overheting bør fortsatt begrenses.

Kan støpeskrot gjenbrukes trygt?

Ja, men overvåk trampelementer og separer etter legeringsfamilie. Resirkulert materiale øker urenhetsbelastningen og krever mer raffinert smeltepraksis og tettere MTR-kontroll.