Fundição de liga de alumínio, Formulação, e tecnologia de fundição

A produção de matérias-primas e peças fundidas para extrusão de alumínio de alta qualidade exige controle integrado da química da liga, derreter limpeza, história térmica e comportamento de solidificação.

Pequenas quantidades de impurezas, prática inadequada de fusão ou desgaseificação, ou a solidificação descontrolada pode anular produtos químicos que de outra forma seriam corretos.

Este artigo sintetiza princípios de design de liga (com ênfase em Al-Mg-Si / 6063), prática recomendada de fundição e refino, parâmetros de refinamento de grãos e fundição, estratégia de homogeneização,

e medidas de solução de problemas para minimizar defeitos típicos (porosidade, aprisionamento de óxido, grão grosso, segregação).

1. Filosofia de controle: composição e orçamento de impurezas

• Regra primária: uma composição de liga qualificada por si só é necessário, mas não suficiente.
  O total de vestígios de impurezas (Por exemplo, Fe, Cu, Zn, Mn, De, outros) e elementos não intencionais devem ser controlados até limites que preservem o acabamento superficial, resposta de extrusão e propriedades mecânicas finais.
• Exemplo (prático): embora alguns padrões permitam Zn até 0.10 % em peso em certas ligas forjadas,
  experiência de produção mostra que Zn ≥ 0.05 WT% pode produzir manchas brancas em superfícies de extrusão oxidadas;
  muitos produtores visam, portanto, Zn < 0.05 WT% para perfis com acabamento brilhante.
• As impurezas interagem: o “orçamento de impurezas” cumulativo é muitas vezes mais importante do que a conformidade de qualquer elemento único com uma especificação.

2. Formulação de liga: a tríade Al – Mg – Si (6063 família)

• 6063 faixas nominais de liga de alumínio (exemplo, por GB/T e prática comum): E ≈ 0.2–0,6% em peso; Mg ≈ 0.45–0,9% em peso; Fe ≤ 0.35 WT%; outros elementos (Cu, Mn, Cr, Zr, De) tipicamente < 0.10 WT%. (Consulte as especificações finais do produto para tolerâncias exatas.)
• Fase de fortalecimento: Mg₂Si é a principal fase de endurecimento. Sua eficácia depende do Mg:Razão Si atômico / peso - o Mg:A proporção em peso de Si de Mg₂Si é ≈ 1.73.
  Para maximizar o envelhecimento, manter Mg:E ≤ 1.73 (isto é. evite o excesso de Mg).
  O excesso de Si tem efeito negativo limitado na solubilidade do Mg₂Si; o excesso de Mg reduz a solubilidade e a resposta à idade.
• Solubilidade e comportamento calor/idade (dados práticos): Mg₂Si mostra forte dependência da temperatura; o pseudo-binário α(Al)–Mg₂Si forma eutética próxima 595 ° c.
  A solubilidade máxima de Mg₂Si citada na prática é ≈ 1.85 WT%, e em 500 ° c a solubilidade cai para ≈ 1.05 WT%.
  Consequentemente, temperaturas mais altas de tratamento de solução e a velocidade de têmpera adequada aumentam a retenção de soluto e aumentam a resistência ao envelhecimento - mas existem limites práticos para evitar a fusão incipiente e a oxidação excessiva.

3. Tecnologia de fundição de 6063 Liga de alumínio

A fundição é o processo mais crítico para a produção de produtos de alta qualidade liga de alumínio tarugos.

O controle inadequado do processo pode levar a vários defeitos de fundição, como inclusões de escória, porosidade, grãos grossos, e cristais de penas.

Os seguintes pontos técnicos principais devem ser rigorosamente implementados:

Controle preciso da temperatura de fundição

A temperatura ideal de fundição para 6063 liga de alumínio é 750–760ºC. O controle de temperatura é crítico pelos seguintes motivos:

• Risco de baixa temperatura: Temperaturas abaixo de 750°C aumentam a viscosidade do alumínio fundido, reduzindo a eficiência da separação da escória e aumentando a probabilidade de defeitos de inclusão de escória nos tarugos.
• Risco de alta temperatura: Temperaturas acima de 760°C causam um aumento acentuado na solubilidade do hidrogênio no alumínio fundido.
  Pesquisa metalúrgica mostra que a solubilidade do hidrogênio no alumínio aumenta exponencialmente com temperaturas acima de 760°C.
  Temperaturas excessivamente altas também aceleram a oxidação e nitretação do fundido, levando ao aumento da perda por queima de elementos de liga, e induzir diretamente defeitos como grãos grossos e cristais emplumados.

Medidas adicionais para reduzir a absorção de hidrogênio incluem:

• Pré-aquecer fornos e ferramentas de fundição a 200–300°C para eliminar a umidade da superfície.
• Usando apenas seco, matérias-primas e fluxos não deteriorados para evitar a introdução de umidade no fundido.

Seleção de Fluxos de Alta Qualidade e Otimização do Processo de Refino

Fluxos (incluindo removedores de escória, refinadores, e agentes de cobertura) são materiais auxiliares essenciais para fundição de ligas de alumínio.
A maioria dos fluxos comerciais consiste em cloretos e fluoretos, que são altamente higroscópicos. A má gestão do fluxo é uma importante fonte de contaminação por hidrogênio no fundido.

Controle de qualidade de fluxo

• As matérias-primas para a produção de fluxo devem ser completamente secas para remover a umidade, e o fluxo acabado deve ser embalado hermeticamente para evitar absorção higroscópica durante o armazenamento e transporte.
• Atenção deve ser dada à data de produção do fluxo; fluxos expirados tendem a absorver umidade,
  que reage com o alumínio fundido para produzir hidrogênio (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), levando a defeitos de porosidade em tarugos.

Otimização do Processo de Refino por Injeção de Pó

O refino por injeção de pó é o método de refino mais amplamente utilizado para 6063 liga de alumínio, pois permite o contato total entre o agente de refino e o fundido.

Os principais pontos técnicos deste processo são:

1. Controle de pressão de nitrogênio: A pressão do nitrogênio deve ser mantida o mais baixa possível, apenas o suficiente para transportar o agente de refino para o fundido.
   A alta pressão do nitrogênio causa turbulência violenta e respingos do fundido, aumentando a formação de novos filmes de óxido e o risco de defeitos de inclusão de óxido.
2. Requisitos de pureza de nitrogênio: Nitrogênio de alta pureza (≥99,99%) deve ser usado para refinar.
   A umidade impura contendo nitrogênio introduzirá hidrogênio adicional no fundido, neutralizando o efeito de refinamento.
3. Dosagem do Agente Refinador: O princípio de mais fluxo, menos gás deve ser seguido.
   Aumentar a dosagem do agente de refino pode aumentar o efeito de desgaseificação e remoção de escória, enquanto a redução do uso de nitrogênio pode reduzir os custos de produção e minimizar a turbulência do derretimento.
   O principal objetivo do processo é injetar a quantidade máxima de agente de refino no fundido usando a quantidade mínima de nitrogênio.

Tratamento de Refinamento de Grãos

O refinamento do grão é uma das medidas mais eficazes para melhorar a qualidade dos tarugos de liga de alumínio e resolver defeitos de fundição, como porosidade, grãos grossos, e cristais de penas.

O mecanismo de refinamento de grãos é o seguinte:

Durante a solidificação sem equilíbrio, elementos de impureza (incluindo elementos de liga) tendem a segregar nos limites dos grãos.
Grãos mais finos aumentam a área total do limite de grão, o que reduz a concentração de elementos de impureza em cada limite de grão.
Para elementos de impureza, isso reduz seus efeitos nocivos; para elementos de liga, isso melhora sua uniformidade de distribuição e aumenta seu efeito de fortalecimento.

O efeito do refinamento do grão pode ser ilustrado por um cálculo simples: suponha dois blocos de metal do mesmo volume V, composto de grãos cúbicos.

Se o comprimento do lado do grão do bloco 1 é 2a e o do bloco 2 é a, a área total do limite de grão do bloco 2 é o dobro do bloco 1.

Isto significa que reduzir o tamanho do grão pela metade duplica a área do limite do grão., e reduz pela metade a concentração de impurezas por unidade de área de limite de grão.

Para 6063 liga usada em perfis foscos, o refinamento de grãos é particularmente importante.

Finer, grãos mais uniformes garantem que a superfície do perfil seja corroída uniformemente durante o processo de congelamento, resultando em uma consistência, acabamento fosco de alta qualidade.

Refinadores de grãos comuns para ligas de alumínio incluem ligas mestres Al-Ti-B, que são normalmente adicionados ao fundido em uma dosagem de 0,1–0,3% em peso.

4. Tecnologia de Fundição de 6063 Liga de alumínio

Fundição é o processo de conversão do fundido de alumínio refinado em tarugos sólidos de dimensões específicas. Parâmetros razoáveis ​​do processo de fundição são essenciais para a produção de tarugos de alta qualidade.

Os seguintes pontos técnicos principais devem ser enfatizados:

Seleção da temperatura ideal de fundição

Para 6063 fundidos de liga tratados com refinadores de grãos, a temperatura ideal de fundição é 720–740ºC. Esta faixa de temperatura é determinada pelos seguintes fatores:

1. O fundido refinado com grãos tem maior viscosidade e taxas de solidificação mais rápidas; uma temperatura de fundição moderadamente elevada garante boa fluidez do fundido e evita defeitos de fechamento a frio.
2. Durante o elenco, uma zona bifásica líquido-sólido se forma na frente de solidificação do tarugo.
   Uma temperatura de fundição moderadamente alta estreita esta zona bifásica, o que facilita o escape dos gases gerados durante a solidificação e reduz defeitos de porosidade.

No entanto, a temperatura de fundição não deve ser excessivamente alta, já que altas temperaturas encurtarão o tempo efetivo do refinador de grãos e levarão a estruturas de grãos grossos no tarugo.

Pré-aquecimento do sistema de fundição

Todos os componentes do sistema de fundição, incluindo lavagens, distribuidores, e moldes, deve ser totalmente pré-aquecido e seco a 200–300°C antes da fundição.

Isso evita a reação entre a umidade na superfície desses componentes e o alumínio fundido em alta temperatura, que é uma importante fonte de contaminação por hidrogénio.

Prevenção de turbulência de fusão e inclusão de óxido

Durante o elenco, turbulência e respingos do alumínio fundido devem ser minimizados. As seguintes diretrizes operacionais devem ser seguidas:

• Evite mexer o produto fundido na máquina de lavar ou no distribuidor com ferramentas, pois isso quebrará a película protetora de óxido na superfície fundida, levando à formação de novos óxidos.
• Certifique-se de que o fundido flua suavemente para dentro do molde sob a proteção da película de óxido.
  A pesquisa mostra que os filmes de óxido de alumínio têm fortes propriedades higroscópicas, contendo aproximadamente 2 % em peso de umidade.
  Se essas películas de óxido forem arrastadas para o fundido, a umidade que eles contêm reagirá com o alumínio para produzir inclusões de hidrogênio e óxido, prejudicando gravemente a qualidade do tarugo.

Tratamento de filtragem por fusão

A filtragem é o método mais eficaz para remover inclusões não metálicas do alumínio fundido.

Para 6063 fundição de liga, dois métodos de filtração comuns são amplamente utilizados: Filtragem de tecido de fibra de vidro multicamadas e filtragem de placa de filtro de cerâmica.

Os principais pontos operacionais incluem:

• Antes da filtração, a escória superficial do fundido deve ser removida. Um defletor de escória deve ser instalado na pia para separar a escória da superfície do fundido que flui, evitando o entupimento do filtro e garantindo uma filtração suave.
• O filtro deve ser pré-aquecido à mesma temperatura do fundido para evitar choque térmico no filtro e evitar a formação de defeitos de fechamento a frio no fundido.

5. Tratamento de homogeneização de 6063 Boletos de liga de alumínio

Solidificação sem equilíbrio e seus efeitos

Durante o elenco, o fundido de alumínio solidifica rapidamente, resultando em solidificação sem equilíbrio.

Em um diagrama de fase binário composto por dois elementos A e B, quando uma liga de composição F solidifica,
a composição da fase sólida de equilíbrio na temperatura T1 deve ser G, mas a composição real da fase sólida é G’ devido ao rápido resfriamento.

Isto ocorre porque a taxa de difusão dos elementos de liga na fase sólida é mais lenta do que a taxa de cristalização., levando à falta de homogeneidade da composição química dentro dos grãos (Ou seja,, segregação).

Solidificação sem equilíbrio de 6063 tarugos de liga resultam em dois problemas principais:

1. Existe tensão residual de fundição entre os grãos;
2. Inomogeneidade da composição química nos grãos devido à segregação.

Esses problemas aumentam a dificuldade do processamento de extrusão subsequente e reduzem as propriedades mecânicas e o desempenho do tratamento superficial do perfil final..

Portanto, tratamento de homogeneização é necessário para tarugos antes da extrusão.

Processo de tratamento de homogeneização

O tratamento de homogeneização é um processo de tratamento térmico no qual os tarugos são mantidos em alta temperatura (abaixo da temperatura de queima excessiva) para eliminar tensões de fundição e segregação interna de grãos.

Os principais parâmetros técnicos são os seguintes:

• Temperatura de homogeneização: A temperatura de queima excessiva do sistema ternário Al-Mg-Si ideal é 595°C,
  mas o real 6063 liga contém vários elementos de impureza, tornando-o um sistema multicomponente.
  Portanto, a temperatura real de queima é inferior a 595°C.
  A temperatura ideal de homogeneização para 6063 liga é 530–550ºC. Temperaturas mais altas dentro desta faixa podem reduzir o tempo de retenção, economizar energia, e melhorar a produtividade do forno.
• Tempo de espera: O tempo de espera depende do diâmetro do tarugo e do tamanho do grão.
  Grãos mais finos requerem tempos de retenção mais curtos porque a distância de difusão dos elementos de liga desde os limites dos grãos até o interior dos grãos é menor.

Medidas de economia de energia para tratamento de homogeneização

O tratamento de homogeneização requer altas temperaturas e longos tempos de espera, resultando em alto consumo de energia e custos de processamento, é por isso que muitos fabricantes de perfis ignoram este processo.

Medidas eficazes de poupança de energia incluem:

1. Refinamento de grãos: Como mencionado anteriormente, grãos mais finos reduzem significativamente o tempo de espera de homogeneização necessário, redução do consumo de energia.
2. Processo de aquecimento integrado: Estenda o forno de aquecimento de tarugos para extrusão, e implementar controle de temperatura segmentado para atender aos requisitos de temperatura de homogeneização e extrusão.
   Este processo tem três vantagens principais:

• • Nenhum forno de homogeneização adicional é necessário;
  • O calor do tarugo homogeneizado é totalmente utilizado, evitando aquecimento repetido antes da extrusão;
  • O aquecimento a longo prazo garante uma distribuição uniforme da temperatura dentro e fora do tarugo, o que é benéfico para extrusão e posterior tratamento térmico.

6. Garantia de qualidade: métricas e inspeção

Verificações importantes de aceitação antes da liberação de extrusão/fundição:

• Análise química (MTR espectroquímico completo): verificar os principais elementos de liga e vestígios de impurezas - especialmente Zn, Cu e Fe.
• Análise de hidrogênio / amostragem de porosidade: teor de hidrogênio do fundido (ou índice de porosidade em peças fundidas de amostra) e radiografia/TC de tarugos representativos.
• Nível de inclusão / eficácia de filtração: inspeção óptica de tortas de filtro, contagens de inclusão microscópica de cupons de laboratório.
• Tamanho de grão e distribuição de fases: verificações metalográficas após solidificação da amostra; ferrita/tamanho de grão α, fases secundárias.
• Verificações mecânicas: tração e dureza nos cupons para confirmar a solução e a resposta da liga.

7. Defeitos comuns de fundição – causas e soluções

8. Técnicas avançadas e de melhoria de processos

• Desgaseificação ultrassônica: gera cavitação para remoção de hidrogênio e pode quebrar filmes de óxido — eficaz em algumas implementações de oficina para tarugos pequenos e peças fundidas de alto valor.
• Desgaseificação a vácuo / fundição de baixa pressão: reduz os níveis de gases dissolvidos e pode melhorar a alimentação; usado na produção premium.
• Agitação eletromagnética: quando aplicado com cuidado, refina o grão e homogeneiza a temperatura; evite turbulência excessiva na face do molde.
• Dosagem automatizada e registros de fusão: adição precisa de liga mestre, Controle de espectro AR/IR, e os registros digitais de fusão reduzem o erro humano e garantem a rastreabilidade.
• Ferramentas de simulação: CFD para projetar comportas de baixa turbulência, e modelagem de solidificação para otimizar gradientes térmicos e minimizar pontos quentes.

9. Ambiental, considerações de segurança e econômicas

• Riscos de manuseio de fluxo: sais de cloreto/fluoreto são corrosivos e higroscópicos; manter selado, armazenamento seco. Fornecer EPI e controle de fumaça para uso de fluxo.
• Gestão de energia: fusão e homogeneização consomem muita energia; sistemas de fornos escalonados,
  recuperação de calor residual e integração de processos (pré-aquecer tarugos usando calor de exaustão) gerar economias de custo significativas.
• Sucata e reciclagem: segregar sucata de liga de alto valor versus material contaminado; implementar práticas de fusão para limitar elementos residuais e manter a qualidade da liga.

10. Conclusão

Fundições de liga de alumínio de alta qualidade e matéria-prima de extrusão são o produto de um controle disciplinado da liga, gerenciamento preciso do fundido e prática de solidificação bem projetada.

Para ligas da série 6xxx, como 6063, o sucesso depende da manutenção do Mg correto: Se equilíbrio, mantendo elementos de impureza (especialmente Zn) abaixo dos limites práticos para qualidade de superfície,

evitando superaquecimento excessivo do derretimento, usando refino eficaz (pó + purga de gás controlada), alcançando estrutura de grão fino, e aplicando homogeneização apropriada.

Implemente essas medidas em conjunto — e não isoladamente — e o resultado serão propriedades mecânicas previsíveis, qualidade de superfície robusta e menos eventos dispendiosos de sucata ou retrabalho.

 

Perguntas frequentes

Por que o Zn <0.05 recomendado quando muitas especificações permitem 0.10?

Experiência prática de loja mostra Zn próximo 0.1 promove manchas brancas após oxidação/recozimento; reduzindo para <0.05 atenua defeitos superficiais para perfis brilhantes/extrudados.

Qual é o parâmetro de fusão mais sensível?

Temperatura de fusão. Acima sobre 760 ° c o hidrogênio dissolvido aumenta acentuadamente e causa porosidade e outros defeitos; mantenha a temperatura de fusão controlada e o tempo de permanência mínimo.

Refino de pó versus alto fluxo de gás – o que é melhor?

Usar amplo pó de refino com mínimo, fluxo de gás controlado. Grandes fluxos de gás formam grandes bolhas com residência curta: má desgaseificação e aumento da turbulência.

O refinamento do grão aumenta a tolerância à temperatura de fundição??

Sim - um fundido com grão efetivamente refinado tolera temperaturas de fundição ligeiramente mais altas (TIPO. 720–740 ° C.) porque a zona mole se estreita e a alimentação melhora; mas o superaquecimento ainda deve ser limitado.

A sucata de fundição pode ser reutilizada com segurança?

Sim, mas monitore os elementos residuais e separe por família de liga. O material reciclado aumenta a carga de impurezas e requer uma prática de fusão mais refinada e um controle mais rígido do MTR.