Выплавка алюминиевых сплавов, Формулировка, и технология литья

Производство высококачественного алюминиевого экструзионного сырья и отливок требует комплексного контроля химического состава сплавов., расплавить чистоту, термическая история и поведение при затвердевании.

Небольшое количество примесей, неподходящая практика плавки или дегазации, или неконтролируемое затвердевание может свести на нет правильные химические процессы..

В этой статье синтезируются принципы проектирования сплавов. (с упором на Al-Mg-Si / 6063), рекомендуемая практика плавки и рафинирования, параметры измельчения зерна и литья, стратегия гомогенизации,

и меры по устранению неисправностей для минимизации типичных дефектов (пористость, захват оксида, крупнозернистый, сегрегация).

1. Философия управления: композиция и баланс примесей

• Основное правило: только квалифицированный состав сплава необходимо, но недостаточно.
  Сумма микропримесей (НАПРИМЕР., Фей, Cu, Zn, Мнжен, Из, другие) и непредусмотренные элементы должны контролироваться в пределах, обеспечивающих сохранение чистоты поверхности., реакция экструзии и конечные механические свойства.
• Пример (практичный): хотя некоторые стандарты допускают содержание Zn до 0.10 весовой % в некоторых деформируемых сплавах,
  опыт производства показывает, что Zn ≥ 0.05 wt% может образовывать белые крапинки на окисленных поверхностях экструзии.;
  поэтому многие производители нацелены Zn < 0.05 wt% для полированных профилей.
• Примеси взаимодействуют: совокупный «бюджет примесей» часто более важен, чем соответствие любого отдельного элемента спецификации..

2. Рецептура сплава: триада Al-Mg-Si (6063 семья)

• 6063 Номинальные диапазоны алюминиевых сплавов (пример, за ГБ/т и общепринятую практику): И ≈ 0.2–0,6% масс.; Мг ≈ 0.45–0,9% масс.; Fe ≤ 0.35 wt%; другие элементы (Cu, Мнжен, Герметичный, Zr, Из) обычно < 0.10 wt%. (Для получения точных допусков обратитесь к окончательной спецификации продукта.)
• Фаза усиления: Mg₂Si является основной фазой упрочнения.. Его эффективность зависит от Mg:Атомно-весовое соотношение Si — Mg:Массовая доля Si в Mg₂Si составляет ≈ 1.73.
  Для максимального старения, поддерживать Мг:И ≤ 1.73 (т.е.. избегать избытка магния).
  Избыток Si оказывает ограниченное негативное влияние на растворимость Mg₂Si.; избыток Mg снижает растворимость и возрастную реакцию.
• Растворимость и поведение при нагревании/старении (практические данные): Mg₂Si показывает сильную температурную зависимость; псевдобинарный α(Ал)Эвтектика –Mg₂Si образуется вблизи 595 ° C..
  Максимальная растворимость Mg₂Si, указанная на практике, составляет ≈ 1.85 wt%, и в 500 ° C. растворимость падает до ≈ 1.05 wt%.
  Следовательно, более высокие температуры обработки раствора и адекватная скорость закалки увеличивают удержание растворенных веществ и повышают устойчивость к старению, но существуют практические ограничения, позволяющие избежать начального плавления и чрезмерного окисления..

3. Технология плавки 6063 Алюминиевый сплав

Плавка является наиболее важным процессом для производства высококачественной продукции. алюминиевый сплав заготовки.

Неправильный контроль процесса может привести к различным дефектам литья., такие как шлаковые включения, пористость, грубое зерно, и перистые кристаллы.

Следующие ключевые технические моменты должны быть строго соблюдены.:

Точный контроль температуры плавки

Оптимальная температура плавки 6063 алюминиевый сплав это 750–760°С. Контроль температуры имеет решающее значение по следующим причинам.:

• Риск низкой температуры: Температура ниже 750°C увеличивает вязкость алюминиевого расплава., снижение эффективности отделения шлака и повышение вероятности появления дефектов шлаковых включений в заготовках.
• Риск высокой температуры: Температуры выше 760°С вызывают резкое увеличение растворимости водорода в расплаве алюминия..
  Металлургические исследования показывают, что растворимость водорода в алюминии экспоненциально увеличивается с температурой выше 760°C..
  Чрезмерно высокие температуры также ускоряют окисление и азотирование расплава., приводит к увеличению потерь легирующих элементов при выгорании, и непосредственно вызывают дефекты, такие как крупные зерна и перистые кристаллы..

Дополнительные меры по снижению поглощения водорода включают:

• Предварительный нагрев плавильных печей и инструментов до 200–300°С для устранения поверхностной влаги..
• Использование только сухого, неиспорченное сырье и флюсы во избежание попадания влаги в расплав.

Выбор качественных флюсов и оптимизация процесса нефтепереработки

Потоки (в том числе шлакоотделители, нефтепереработчики, и прикрывающие агенты) являются важными вспомогательными материалами при выплавке алюминиевых сплавов..
Большинство коммерческих флюсов состоят из хлоридов и фторидов., которые очень гигроскопичны. Плохое управление флюсом является основным источником загрязнения водородом в расплаве..

Контроль качества флюса

• Сырье для производства флюсов необходимо тщательно высушить для удаления влаги., а готовый флюс должен быть герметично упакован для предотвращения гигроскопичности при хранении и транспортировке..
• Необходимо обратить внимание на дату производства флюса.; флюсы с истекшим сроком годности имеют свойство впитывать влагу,
  который реагирует с расплавом алюминия с образованием водорода (2Ал + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), приводящие к дефектам пористости в заготовках.

Оптимизация процесса нефтепереработки литьем порошков

Порошковое инжекционное рафинирование является наиболее широко используемым методом рафинирования. 6063 алюминиевый сплав, поскольку это обеспечивает полный контакт между рафинирующим агентом и расплавом.

Основными техническими моментами этого процесса являются:

1. Контроль давления азота: Давление азота должно поддерживаться как можно более низким., ровно столько, чтобы внести рафинирующий агент в расплав.
   Высокое давление азота вызывает сильную турбулентность и разбрызгивание расплава., увеличение образования новых оксидных пленок и риска дефектов оксидных включений.
2. Требования к чистоте азота: Азот высокой чистоты (≥99,99%) необходимо использовать для переработки.
   Влага, содержащая нечистый азот, будет привносить в расплав дополнительный водород., противодействие эффекту рафинирования.
3. Дозировка нефтеперерабатывающего агента: Принцип большего потока, следует использовать меньше газа.
   Увеличение дозировки рафинирующего агента может усилить эффект дегазации и шлакоудаления., сокращение использования азота может снизить производственные затраты и свести к минимуму турбулентность расплава..
   Основная цель процесса — ввести в расплав максимальное количество рафинирующего агента с использованием минимального количества азота..

Очистка зерна

Измельчение зерна является одной из наиболее эффективных мер по улучшению качества заготовок из алюминиевых сплавов и устранению дефектов литья, таких как пористость., грубое зерно, и перистые кристаллы.

Механизм измельчения зерна заключается в следующем.:

При неравновесном затвердевании, примесные элементы (в том числе легирующие элементы) имеют тенденцию к сегрегации по границам зерен.
Более мелкие зерна увеличивают общую площадь границ зерен., что снижает концентрацию примесных элементов на каждой границе зерна.
Для примесных элементов, это снижает их вредное воздействие; для легирующих элементов, это улучшает равномерность их распределения и усиливает упрочняющий эффект..

Эффект измельчения зерна можно проиллюстрировать простым расчетом.: предположим два металлических блока одинакового объема V, состоит из кубических зерен.

Если длина стороны зерна блока 1 это 2a и блок 2 является а, общая площадь границ зерен блока 2 в два раза больше, чем у блока 1.

Это означает, что уменьшение размера зерна вдвое увеличивает площадь границ зерен вдвое., и вдвое снижает концентрацию примесей на единицу площади границ зерен.

Для 6063 сплав, используемый в матовых профилях, очистка зерна особенно важна.

Более тонкий, более однородные зерна обеспечивают равномерную коррозию поверхности профиля в процессе замерзания, что приводит к последовательному, высококачественная матовая отделка.

Обычные измельчители зерна для алюминиевых сплавов включают лигатуры Al-Ti-B., которые обычно добавляют в расплав в дозировке 0,1–0,3 мас.%..

4. Технология литья 6063 Алюминиевый сплав

Литье — это процесс превращения расплава рафинированного алюминия в твердые заготовки заданных размеров.. Разумные параметры процесса литья необходимы для производства высококачественных заготовок..

Необходимо подчеркнуть следующие ключевые технические моменты.:

Выбор оптимальной температуры литья

Для 6063 расплавы сплавов, обработанные измельчителями зерна, оптимальная температура литья 720–740°С. Этот температурный диапазон определяется следующими факторами::

1. Мелкозернистый расплав имеет более высокую вязкость и более высокие скорости затвердевания.; умеренно повышенная температура литья обеспечивает хорошую текучесть расплава и предотвращает дефекты холодного закрытия.
2. Во время кастинга, на фронте затвердевания заготовки образуется двухфазная зона жидкость-твердое тело.
   Умеренно высокая температура литья сужает эту двухфазную зону., что облегчает выход газов, образующихся при затвердевании, и уменьшает дефекты пористости.

Однако, температура литья не должна быть слишком высокой, поскольку высокие температуры сокращают эффективное время работы измельчителя зерна и приводят к образованию крупнозернистой структуры в заготовке..

Предварительный нагрев литейной системы

Все компоненты литейной системы, включая прачечные, дистрибьюторы, и плесени, перед отливкой необходимо полностью нагреть и высушить до 200–300°C..

Это предотвращает реакцию между влагой на поверхности этих компонентов и высокотемпературным расплавом алюминия., который является основным источником водородного загрязнения.

Предотвращение турбулентности расплава и включения оксидов

Во время кастинга, турбулентность и разбрызгивание расплава алюминия должны быть сведены к минимуму. Необходимо соблюдать следующие эксплуатационные рекомендации:

• Избегайте перемешивания расплава в желобе или распределителе с помощью инструментов., так как это приведет к разрушению защитной оксидной пленки на поверхности расплава., приводит к образованию новых оксидов.
• Обеспечить плавное стекание расплава в форму под защитой оксидной пленки..
  Исследования показывают, что пленки оксида алюминия обладают сильными гигроскопическими свойствами., содержащий приблизительно 2 вес.% влаги.
  Если эти оксидные пленки втягиваются в расплав, содержащаяся в них влага вступит в реакцию с алюминием с образованием включений водорода и оксидов., сильно ухудшает качество заготовки.

Фильтрация расплава

Фильтрация – наиболее эффективный метод удаления неметаллических включений из алюминиевого расплава..

Для 6063 литье из сплава, широко используются два распространенных метода фильтрации.: многослойная фильтрация из стекловолоконной ткани и фильтрация с керамической фильтрующей пластиной.

Ключевые оперативные моменты включают в себя:

• Перед фильтрацией, поверхностный шлак расплава должен быть удален. В желобе следует установить шлаковую перегородку для отделения поверхностного шлака от стекающего расплава., предотвращение засорения фильтра и обеспечение плавной фильтрации.
• Фильтр следует предварительно нагреть до той же температуры, что и расплав, чтобы избежать термического удара фильтра и предотвратить образование дефектов холодного закрытия в расплаве..

5. Гомогенизация. Обработка 6063 Заготовки из алюминиевого сплава

Неравновесное затвердевание и его последствия.

Во время кастинга, расплав алюминия быстро затвердевает, что приводит к неравновесному затвердеванию.

В бинарной фазовой диаграмме, состоящей из двух элементов A и B, когда сплав состава F затвердевает,
равновесный состав твердой фазы при температуре Т1 должен составлять G, но фактический состав твердой фазы равен G’ из-за быстрого охлаждения.

Это связано с тем, что скорость диффузии легирующих элементов в твердой фазе медленнее, чем скорость кристаллизации., приводит к неоднородности химического состава внутри зерен (Т.е., сегрегация).

Неравновесное затвердевание 6063 Заготовки из сплавов приводят к двум основным проблемам:

1. Между зернами существует остаточное литейное напряжение.;
2. Неоднородность химического состава внутри зерен вследствие сегрегации.

Эти проблемы усложняют последующую экструзионную обработку и снижают механические свойства и эффективность обработки поверхности конечного профиля..

Поэтому, обработка гомогенизации необходима для заготовок перед экструзией.

Процесс гомогенизации

Гомогенизация — это процесс термообработки, при котором заготовки выдерживаются при высокой температуре. (ниже температуры перегорания) для устранения литейных напряжений и внутренней сегрегации зерна.

Ключевые технические параметры следующие::

• Температура гомогенизации: Температура перегорания идеальной тройной системы Al-Mg-Si составляет 595°С.,
  но фактическое 6063 сплав содержит различные примесные элементы, превращая его в многокомпонентную систему.
  Поэтому, фактическая температура перегорания ниже 595°C.
  Оптимальная температура гомогенизации для 6063 сплав 530–550°С. Более высокие температуры в этом диапазоне могут сократить время выдержки., экономить энергию, и повысить производительность печи.
• Время выдержки: Время выдержки зависит от диаметра заготовки и размера зерна..
  Более мелкие зерна требуют более короткого времени выдержки, поскольку расстояние диффузии легирующих элементов от границ зерен до внутренней части зерен короче..

Энергосберегающие меры при гомогенизации

Обработка гомогенизацией требует высоких температур и длительного времени выдержки., что приводит к высокому потреблению энергии и затратам на обработку, именно поэтому многие производители профилей пропускают этот процесс.

К эффективным мерам энергосбережения относятся:

1. Уточнение зерна: Как упоминалось ранее, более мелкие зерна значительно сокращают необходимое время выдержки при гомогенизации, уменьшение потребления энергии.
2. Интегрированный процесс нагрева: Расширение печи для нагрева заготовок для экструзии, и внедрить сегментированный контроль температуры для удовлетворения требований как к температуре гомогенизации, так и к температуре экструзии..
   Этот процесс имеет три основных преимущества:

• • Дополнительная печь для гомогенизации не требуется.;
  • Тепло гомогенизированной заготовки используется полностью, избежание повторного нагрева перед экструзией;
  • Длительный нагрев обеспечивает равномерное распределение температуры внутри и снаружи заготовки., что полезно для экструзии и последующей термообработки.

6. Гарантия качества: метрики и инспекция

Важные приемочные проверки перед выпуском продукции для экструзии/отливки:

• Химический анализ (полный спектрохимический MTR): проверить основные легирующие элементы и следы примесей — особенно Zn, Cu и Fe.
• Анализ водорода / отбор проб пористости: содержание водорода в расплаве (или индекс пористости на образцах отливок) и рентгенография/КТ репрезентативных заготовок.
• Уровень включения / эффективность фильтрации: оптический контроль фильтрационного кека, микроскопические включения подсчитываются по лабораторным купонам.
• Размер зерна и распределение фаз: металлографический контроль после затвердевания образца; размер зерна феррита/α, второстепенные фазы.
• Механические проверки: растяжение и твердость на купонах для подтверждения реакции раствора и сплава.

7. Распространенные дефекты литья — причины и способы устранения

8. Передовые методы и методы улучшения процессов

• Ультразвуковая дегазация: генерирует кавитацию для удаления водорода и может разрушать оксидные пленки — эффективно в некоторых цехах для небольших заготовок и дорогостоящих отливок.
• Вакуумное дегазация / кастинг низкого давления: снижает уровень растворенного газа и может улучшить кормление; используется в премиальном производстве.
• Электромагнитное перемешивание: при аккуратном применении, измельчает зерно и выравнивает температуру; избегать чрезмерной турбулентности на поверхности формы.
• Автоматизированное дозирование и учет расплава: точное добавление мастер-сплава, AR/IR спектроконтроль, и цифровые журналы плавки уменьшают количество человеческих ошибок и обеспечивают отслеживаемость.
• Инструменты моделирования: CFD для проектирования ворот с низкой турбулентностью, и моделирование затвердевания для оптимизации температурных градиентов и минимизации горячих точек..

9. Относящийся к окружающей среде, безопасность и экономические соображения

• Опасности при обращении с флюсом: Хлоридные/фторидные соли коррозионны и гигроскопичны.; сохранять запечатанным, сухое хранение. Обеспечьте средства индивидуальной защиты и средства контроля дыма при использовании флюса..
• Энергоменеджмент: плавление и гомогенизация энергоемки.; ступенчатые печные системы,
  рекуперация отходящего тепла и интеграция процессов (предварительный нагрев заготовок с использованием отходящего тепла) обеспечить значительную экономию средств.
• Лом и переработка: отделить лом ценных сплавов от загрязненного материала; внедрить методы плавки для ограничения посторонних элементов и поддержания качества сплава.

10. Заключение

Высококачественные отливки из алюминиевых сплавов и сырье для экструзии являются продуктом тщательного контроля сплавов., точное управление расплавом и хорошо продуманная практика затвердевания.

Для сплавов серии 6xxx, таких как 6063, успех зависит от поддержания правильного уровня Mg: Если баланс, сохранение примесных элементов (особенно цинк) ниже практических порогов качества поверхности,

избежание чрезмерного перегрева расплава, используя эффективную переработку (пудра + контролируемая продувка газом), достижение мелкозернистой структуры, и применяя соответствующую гомогенизацию.

Реализуйте эти меры вместе, а не по отдельности, и результатом будут предсказуемые механические свойства., надежное качество поверхности и меньшее количество дорогостоящих отходов или доработок.

 

Часто задаваемые вопросы

Почему Zn <0.05 рекомендуется, когда многие характеристики позволяют 0.10?

Практический опыт работы в магазине показывает, что Zn рядом 0.1 способствует появлению белых крапинок после окисления/отжига; сокращение до <0.05 уменьшает дефекты поверхности ярких/экструдированных профилей.

Какой самый чувствительный параметр плавления??

Температура плавления. Выше о 760 ° C. растворенный водород резко возрастает и вызывает пористость и другие дефекты.; поддерживать контролируемую температуру плавления и минимальное время пребывания.

Порошковая очистка или высокий расход газа — что лучше?

Использовать достаточное количество рафинирующего порошка с минимальным, контролируемый расход газа. Большие потоки газа образуют большие пузыри с коротким сроком пребывания.: плохая дегазация и повышенная турбулентность.

Увеличивает ли измельчение зерна допуск на температуру отливки??

Да — расплав с эффективным измельчением зерен выдерживает несколько более высокие температуры разливки. (тип. 720–740 ° C.) потому что мягкая зона сужается и кормление улучшается; но перегрев всё равно должен быть ограничен.

Можно ли безопасно повторно использовать литейный лом?

Да, но следить за посторонними элементами и разделять по семействам сплавов. Переработанный материал увеличивает количество примесей и требует более тщательной плавки и более жесткого контроля MTR..