Tavenie hliníkovej zliatiny, Formulácia, a technológie odlievania

Výroba vysokokvalitných hliníkových extrúznych surovín a odliatkov si vyžaduje integrované riadenie chémie zliatin, čistota taveniny, tepelná história a správanie pri tuhnutí.

Malé množstvo nečistôt, nevhodný postup tavenia alebo odplyňovania, alebo nekontrolované tuhnutie môže negovať inak správnu chémiu.

Tento článok syntetizuje princípy dizajnu zliatin (s dôrazom na Al-Mg-Si / 6063), odporúčaný postup tavenia a rafinácie, zjemnenie zrna a parametre odlievania, homogenizačná stratégia,

a opatrenia na riešenie problémov s cieľom minimalizovať typické chyby (pórovitosť, zachytávanie oxidu, hrubé zrno, oddelenie).

1. Filozofia ovládania: kompozícia a nečistý rozpočet

• Primárne pravidlo: samotné kvalifikované zloženie zliatiny je potrebné, ale nie dostatočné.
  Celkový počet stopových nečistôt (Napr., FE, Cu, Zn, Mn, Z, ďalší) a neúmyselné prvky musia byť kontrolované na limity, ktoré zachovávajú povrchovú úpravu, odozva vytláčania a konečné mechanické vlastnosti.
• Príklad (praktické): hoci niektoré normy povoľujú Zn až 0.10 % hmotn. v určitých tvárnených zliatinách,
  produkčné skúsenosti to ukazujú Zn ≥ 0.05 7% môže vytvárať biele škvrny na oxidovaných vytláčaných povrchoch;
  mnohí výrobcovia sa preto zameriavajú Zn < 0.05 7% pre profily s lesklou povrchovou úpravou.
• Nečistoty interagujú: kumulatívny „rozpočet na nečistoty“ je často dôležitejší ako súlad akéhokoľvek jednotlivého prvku so špecifikáciou.

2. Formulácia zliatiny: triáda Al–Mg–Si (6063 rodina)

• 6063 nominálne rozsahy zliatiny hliníka (príklad, za GB/T a bežnou praxou): A ≈ 0.2-0,6 hm%; Mg ≈ 0.45-0,9 hm%; Fe ≤ 0.35 7%; iné prvky (Cu, Mn, Cr, Zr, Z) zvyčajne < 0.10 7%. (Presné tolerancie nájdete v špecifikácii konečného produktu.)
• Posilňovacia fáza: Mg₂Si je hlavná fáza vytvrdzovania. Jeho účinnosť závisí od Mg:Atómový pomer Si/hmotnosť — Mg:Hmotnostný pomer Si Mg2Si je ≈ 1.73.
  Pre maximalizáciu starnutia, udržiavať Mg:A ≤ 1.73 (tj.. vyhnúť sa nadbytku Mg).
  Nadbytok Si má obmedzený negatívny vplyv na rozpustnosť Mg2Si; nadbytok Mg znižuje rozpustnosť a reakciu na starnutie.
• Rozpustnosť a správanie za tepla/starnutia (praktické údaje): Mg₂Si vykazuje silnú teplotnú závislosť; pseudobinárne α(Al)–Mg₂Si eutektické formy blízko 595 ° C.
  Maximálna rozpustnosť Mg2Si uvádzaná v praxi je ≈ 1.85 7%, a pri 500 ° C rozpustnosť klesá na ≈ 1.05 7%.
  Následne, vyššie teploty spracovania roztoku a primeraná rýchlosť ochladzovania zvyšuje zadržiavanie rozpustenej látky a zvyšuje pevnosť pri starnutí – existujú však praktické limity, aby sa zabránilo začínajúcemu topeniu a nadmernej oxidácii.

3. Technológia tavenia 6063 Hliník

Tavenie je najdôležitejší proces pre výrobu vysokej kvality hliník bradavka.

Nesprávne riadenie procesu môže viesť k rôznym chybám odlievania, ako sú troskové inklúzie, pórovitosť, hrubé zrná, a pernaté kryštály.

Nasledujúce kľúčové technické body sa musia prísne dodržiavať:

Presná kontrola teploty tavenia

Optimálna teplota tavenia pre 6063 hliníková zliatina je 750–760 °C. Regulácia teploty je kritická z nasledujúcich dôvodov:

• Riziko nízkej teploty: Teploty pod 750°C zvyšujú viskozitu taveniny hliníka, zníženie účinnosti separácie trosky a zvýšenie pravdepodobnosti defektov inklúzie trosky v predvalkoch.
• Riziko vysokej teploty: Teploty nad 760 °C spôsobujú prudký nárast rozpustnosti vodíka v tavenine hliníka.
  Metalurgický výskum ukazuje, že rozpustnosť vodíka v hliníku rastie exponenciálne s teplotou nad 760 °C.
  Príliš vysoké teploty tiež urýchľujú oxidáciu a nitridáciu taveniny, čo vedie k zvýšeným stratám zliatinových prvkov horením, a priamo vyvolávajú defekty, ako sú hrubé zrná a perovité kryštály.

Medzi ďalšie opatrenia na zníženie absorpcie vodíka patrí:

• Predhrievanie taviacich pecí a nástrojov na 200–300 °C na odstránenie povrchovej vlhkosti.
• Použitie iba na sucho, neznehodnotené suroviny a tavivá, aby sa zabránilo vniknutiu vlhkosti do taveniny.

Výber vysokokvalitných tokov a optimalizácia procesu rafinácie

tavivá (vrátane odstraňovačov trosky, rafinérií, a krycie prostriedky) sú základnými pomocnými materiálmi na tavenie hliníkových zliatin.
Väčšina komerčných tavív pozostáva z chloridov a fluoridov, ktoré sú vysoko hygroskopické. Zlé riadenie toku je hlavným zdrojom kontaminácie vodíkom v tavenine.

Kontrola kvality toku

• Suroviny na výrobu taviva musia byť dôkladne vysušené, aby sa odstránila vlhkosť, a hotové tavidlo musí byť hermeticky zabalené, aby sa zabránilo hygroskopickej absorpcii počas skladovania a prepravy.
• Je potrebné venovať pozornosť dátumu výroby taviva; expirované tavidlá majú tendenciu absorbovať vlhkosť,
  ktorý reaguje s hliníkovou taveninou za vzniku vodíka (2Al + 3H20 → Al203 + 3H₂ ↑), čo vedie k poruchám pórovitosti predvalkov.

Optimalizácia procesu rafinácie vstrekovaním prášku

Rafinácia práškovým vstrekovaním je najpoužívanejšou metódou rafinácie 6063 hliník, pretože umožňuje úplný kontakt medzi rafinačným činidlom a taveninou.

Hlavnými technickými bodmi tohto procesu sú:

1. Regulácia tlaku dusíka: Tlak dusíka by sa mal udržiavať čo najnižší, dostatočné na to, aby prenieslo rafinačné činidlo do taveniny.
   Vysoký tlak dusíka spôsobuje prudké turbulencie a striekanie taveniny, zvýšenie tvorby nových oxidových filmov a riziko defektov oxidových inklúzií.
2. Požiadavky na čistotu dusíka: Vysoko čistý dusík (≥ 99,99%) sa musí použiť na rafináciu.
   Nečistý dusík obsahujúci vlhkosť vnesie do taveniny ďalší vodík, pôsobí proti rafinačnému efektu.
3. Dávkovanie rafinačného činidla: Princíp väčšieho toku, malo by sa nasledovať menej plynu.
   Zvýšenie dávky rafinačného činidla môže zvýšiť účinok odplynenia a odstraňovania trosky, pričom zníženie spotreby dusíka môže znížiť výrobné náklady a minimalizovať turbulencie taveniny.
   Hlavným cieľom procesu je vstreknúť maximálne množstvo rafinačného činidla do taveniny s použitím minimálneho množstva dusíka.

Zušľachťovanie zŕn

Zušľachťovanie zŕn je jedným z najefektívnejších opatrení na zlepšenie kvality predvalkov z hliníkovej zliatiny a vyriešenie defektov odlievania, ako je pórovitosť, hrubé zrná, a pernaté kryštály.

Mechanizmus zjemňovania zŕn je nasledujúci:

Počas nerovnovážneho tuhnutia, prvky nečistôt (vrátane legujúcich prvkov) majú tendenciu segregovať na hraniciach zŕn.
Jemnejšie zrná zväčšujú celkovú oblasť hraníc zŕn, ktorý znižuje koncentráciu prímesových prvkov na každej hranici zŕn.
Pre prvky nečistôt, to znižuje ich škodlivé účinky; pre legujúce prvky, to zlepšuje ich rovnomernosť rozloženia a zvyšuje ich posilňujúci účinok.

Vplyv zjemnenia zrna možno ilustrovať jednoduchým výpočtom: predpokladajme dva kovové bloky rovnakého objemu V, zložené z kubických zŕn.

Ak je dĺžka strany zrna bloku 1 je 2a a blok 2 je a, celková hraničná plocha zrna bloku 2 je dvojnásobok bloku 1.

To znamená, že zmenšením veľkosti zrna na polovicu sa zdvojnásobí hraničná oblasť zrna, a znižuje na polovicu koncentráciu nečistôt na jednotku plochy hranice zŕn.

Pre 6063 zliatina používaná v matných profiloch, zušľachťovanie zŕn je obzvlášť dôležité.

Jemnejšie, rovnomernejšie zrná zaisťujú rovnomernú koróziu povrchu profilu počas procesu polevy, výsledkom je konzistentný, vysokokvalitná matná povrchová úprava.

Bežné zjemňovače zrna pre hliníkové zliatiny zahŕňajú predzliatiny Al-Ti-B, ktoré sa typicky pridávajú do taveniny v dávke 0,1 až 0,3 % hmotn..

4. Technológia odlievania 6063 Hliník

Odlievanie je proces premeny rafinovanej hliníkovej taveniny na pevné predvalky špecifikovaných rozmerov. Rozumné parametre procesu odlievania sú nevyhnutné pre výrobu vysoko kvalitných predvalkov.

Je potrebné zdôrazniť nasledujúce kľúčové technické body:

Výber optimálnej teploty odlievania

Pre 6063 zliatinové taveniny upravené zjemňovačmi obilia, optimálna teplota odlievania je 720–740 °C. Tento teplotný rozsah je určený nasledujúcimi faktormi:

1. Tavenina zrnitá má vyššiu viskozitu a rýchlejšie tuhnutie; Mierne zvýšená teplota liatia zaisťuje dobrú tekutosť taveniny a zabraňuje defektom za studena.
2. Počas odlievania, na čele tuhnutia predvalku sa vytvorí dvojfázová zóna kvapalina-tuhá látka.
   Stredne vysoká teplota odlievania zužuje túto dvojfázovú zónu, ktorý uľahčuje únik plynov vznikajúcich pri tuhnutí a znižuje defekty pórovitosti.

Avšak, teplota odlievania by nemala byť príliš vysoká, pretože vysoké teploty skracujú účinný čas zjemňovača zrna a vedú k hrubozrnnej štruktúre v predvalku.

Predhrievanie odlievacieho systému

Všetky komponenty odlievacieho systému, vrátane práčovne, distribútorov, a formy, musí byť pred odlievaním úplne predhriaty a vysušený na 200–300 °C.

Tým sa zabráni reakcii medzi vlhkosťou na povrchu týchto komponentov a vysokoteplotnou hliníkovou taveninou, ktorý je hlavným zdrojom kontaminácie vodíkom.

Prevencia turbulencie taveniny a inklúzie oxidov

Počas odlievania, turbulencie a rozstrekovanie taveniny hliníka musia byť minimalizované. Mali by sa dodržiavať nasledujúce prevádzkové pokyny:

• Zabráňte miešaniu taveniny v práčke alebo rozdeľovači pomocou nástrojov, pretože to poruší ochranný oxidový film na povrchu taveniny, čo vedie k tvorbe nových oxidov.
• Zabezpečte, aby tavenina hladko prúdila do formy pod ochranou oxidového filmu.
  Výskum ukazuje, že filmy oxidu hlinitého majú silné hygroskopické vlastnosti, obsahujúcich približne 2 % hmotn. vlhkosti.
  Ak sa tieto oxidové filmy vtiahnu do taveniny, vlhkosť, ktorú obsahujú, bude reagovať s hliníkom za vzniku vodíkových a oxidových inklúzií, vážne zhoršuje kvalitu predvalkov.

Ošetrenie filtráciou taveniny

Filtrácia je najúčinnejšou metódou na odstránenie nekovových inklúzií z taveniny hliníka.

Pre 6063 odlievanie zliatin, sú široko používané dve bežné filtračné metódy: viacvrstvová filtrácia zo sklenených vlákien a filtrácia s keramickými filtračnými doskami.

Medzi kľúčové prevádzkové body patrí:

• Pred filtráciou, povrchová troska taveniny sa musí odstrániť. Na oddelenie povrchovej trosky od tečúcej taveniny by mala byť inštalovaná priehradka na trosku, zabraňuje upchávaniu filtra a zabezpečuje plynulú filtráciu.
• Filter by sa mal predhriať na rovnakú teplotu ako tavenina, aby sa predišlo tepelným šokom filtra a zabránilo sa vzniku defektov v tavenine za studena..

5. Homogenizačná úprava 6063 Predvalky z hliníkovej zliatiny

Nerovnovážne tuhnutie a jeho účinky

Počas odlievania, hliníková tavenina rýchlo tuhne, čo má za následok nerovnovážne stuhnutie.

V binárnom fázovom diagrame zloženom z dvoch prvkov A a B, keď zliatina zloženia F stuhne,
rovnovážne zloženie tuhej fázy pri teplote T1 by malo byť G, ale skutočné zloženie tuhej fázy je G' v dôsledku rýchleho ochladzovania.

Je to preto, že rýchlosť difúzie legujúcich prvkov v tuhej fáze je pomalšia ako rýchlosť kryštalizácie, čo vedie k nehomogenite chemického zloženia v zrnách (T.j., oddelenie).

Nerovnovážne tuhnutie 6063 zliatinových predvalkov má za následok dva hlavné problémy:

1. Medzi zrnami existuje zvyškové odlievacie napätie;
2. Nehomogenita chemického zloženia v zrnách v dôsledku segregácie.

Tieto problémy zvyšujú náročnosť následného extrúzneho spracovania a znižujú mechanické vlastnosti a výkonnosť povrchovej úpravy konečného profilu.

Preto, homogenizačná úprava je potrebná pre predvalky pred extrúziou.

Proces homogenizácie

Homogenizačné spracovanie je proces tepelného spracovania, pri ktorom sú predvalky udržiavané pri vysokej teplote (pod teplotou prepálenia) na elimináciu napätia pri odlievaní a vnútornej segregácie zrna.

Hlavné technické parametre sú nasledovné:

• Teplota homogenizácie: Teplota prehorenia ideálneho ternárneho systému Al-Mg-Si je 595°C,
  ale skutočný 6063 zliatina obsahuje rôzne nečistoty, čo z neho robí viaczložkový systém.
  Preto, skutočná teplota prepálenia je nižšia ako 595°C.
  Optimálna teplota homogenizácie pre 6063 zliatina je 530–550 °C. Vyššie teploty v tomto rozsahu môžu skrátiť dobu výdrže, šetriť energiu, a zlepšiť produktivitu pece.
• Čas držania: Doba zdržania závisí od priemeru predvalku a veľkosti zrna.
  Jemnejšie zrná vyžadujú kratšie časy zdržania, pretože difúzna vzdialenosť legujúcich prvkov od hraníc zŕn do vnútra zŕn je kratšia.

Opatrenia na úsporu energie pri homogenizačnej úprave

Homogenizačná úprava vyžaduje vysoké teploty a dlhé doby zdržania, čo má za následok vysokú spotrebu energie a náklady na spracovanie, čo je dôvod, prečo mnohí výrobcovia profilov tento proces vynechávajú.

Medzi účinné opatrenia na úsporu energie patrí:

1. Vylepšenie obilia: Ako už bolo spomenuté vyššie, jemnejšie zrná výrazne skracujú potrebný čas výdrže homogenizácie, Zníženie spotreby energie.
2. Integrovaný proces vykurovania: Predĺžte pec na ohrev predvalkov na vytláčanie, a implementovať segmentovanú reguláciu teploty, aby sa splnili požiadavky na teplotu homogenizácie aj vytláčania.
   Tento proces má tri hlavné výhody:

• • Nie je potrebná žiadna ďalšia homogenizačná pec;
  • Teplo homogenizovaného predvalku je plne využité, vyhýbanie sa opakovanému zahrievaniu pred vytláčaním;
  • Dlhodobé zahrievanie zaisťuje rovnomerné rozloženie teploty vo vnútri aj mimo predvalku, čo je prospešné pre extrúziu a následné tepelné spracovanie.

6. Zabezpečenie kvality: metriky a kontroly

Dôležité akceptačné kontroly pred uvoľnením lisovania/odlievania:

• Chemický rozbor (úplný spektrochemický MTR): overiť hlavné legujúce prvky a stopové nečistoty – najmä Zn, Cu a Fe.
• Analýza vodíka / vzorkovanie pórovitosti: obsah vodíka v tavenine (alebo index pórovitosti na vzorových odliatkoch) a rádiografiu/CT reprezentatívnych predvalkov.
• Úroveň začlenenia / účinnosť filtrácie: optická kontrola filtračných koláčov, mikroskopické počty inklúzií z laboratórnych kupónov.
• Veľkosť zŕn a fázová distribúcia: metalografické kontroly po stuhnutí vzorky; ferit/veľkosť zrna α, sekundárne fázy.
• Mechanické kontroly: pevnosť v ťahu a tvrdosť na kupónoch na potvrdenie reakcie roztoku a zliatiny.

7. Bežné chyby odliatku — príčiny a náprava

8. Pokročilé techniky a techniky na zlepšenie procesov

• Ultrazvukové odplynenie: generuje kavitáciu na odstraňovanie vodíka a môže rozbiť oxidové filmy – efektívne v niektorých dielňach pre malé predvalky a vysokohodnotné odliatky.
• Vákuové odplynenie / odlievanie s nízkym tlakom: znižuje hladiny rozpustených plynov a môže zlepšiť kŕmenie; používané v prémiovej výrobe.
• Elektromagnetické miešanie: pri starostlivom nanášaní, zušľachťuje zrno a teplotne homogenizuje; vyhýbajte sa nadmerným turbulenciám na čele formy.
• Automatické dávkovanie a záznamy taveniny: presné pridávanie master-zliatiny, Kontrola AR/IR spektra, a digitálne záznamy taveniny znižujú ľudskú chybu a zabezpečujú sledovateľnosť.
• Simulačné nástroje: CFD na navrhovanie nízkoturbulentného hradlovania, a modelovanie tuhnutia na optimalizáciu teplotných gradientov a minimalizáciu horúcich miest.

9. Environmentálny, bezpečnostné a ekonomické hľadiská

• Nebezpečenstvo manipulácie s tavivom: chloridové/fluoridové soli sú korozívne a hygroskopické; udržiavať zapečatené, suché skladovanie. Poskytnite OOP a reguláciu výparov pre použitie toku.
• Energetický manažment: tavenie a homogenizácia sú energeticky náročné; stupňovité pecné systémy,
  rekuperácia odpadového tepla a integrácia procesov (predhrievanie predvalkov pomocou odpadového tepla) priniesť výrazné úspory nákladov.
• Šrot a recyklácia: oddeľte šrot z vysokohodnotných zliatin a kontaminovaný materiál; implementovať postupy tavenia s cieľom obmedziť prvky vniknutia a zachovať kvalitu zliatiny.

10. Záver

Vysokokvalitné odliatky z hliníkovej zliatiny a extrúzna surovina sú produktom disciplinovanej kontroly zliatin, presné riadenie taveniny a dobre navrhnutý postup tuhnutia.

Pre zliatiny radu 6xxx ako napr 6063, Úspech závisí od udržania správneho Mg: Ak je rovnováha, zadržiavanie prvkov nečistôt (najmä Zn) pod praktickými prahmi pre kvalitu povrchu,

vyhýbanie sa nadmernému prehriatiu taveniny, pomocou efektívnej rafinácie (prášok + riadené preplachovanie plynu), dosiahnutie jemnozrnnej štruktúry, a aplikovaním vhodnej homogenizácie.

Implementujte tieto opatrenia spoločne – a nie izolovane – a výsledkom budú predvídateľné mechanické vlastnosti, robustná kvalita povrchu a menej nákladného šrotu alebo prepracovania.

 

Časté otázky

Prečo je Zn <0.05 odporúčané, keď to mnohé špecifikácie umožňujú 0.10?

Praktické skúsenosti z obchodu ukazujú, že Zn je blízko 0.1 podporuje biele škvrny po oxidácii/žíhaní; zníženie na <0.05 zmierňuje povrchové chyby pre svetlé/extrudované profily.

Aký je jediný najcitlivejší parameter topenia?

Teplota topenia. Vyššie asi 760 ° C rozpustený vodík prudko stúpa a spôsobuje pórovitosť a iné defekty; udržujte kontrolovanú teplotu taveniny a minimálnu dobu zotrvania.

Rafinácia prášku verzus vysoký prietok plynu – čo je lepšie?

Využitie dostatok rafinačného prášku s minimálnou, riadený prietok plynu. Veľké prúdy plynu vytvárajú veľké bubliny s krátkym pobytom: slabé odplynenie a zvýšená turbulencia.

Zvyšuje zjemnenie zrna toleranciu teploty odlievania?

Áno – účinne rafinovaná tavenina znáša mierne vyššie teploty odlievania (typ. 720–740 ° C) pretože kašovitá zóna sa zužuje a kŕmenie sa zlepšuje; ale prehriatie by malo byť stále obmedzené.

Dá sa bezpečne znova použiť šrot z odlievania?

Áno, ale monitorovať trampské prvky a oddeľovať ich podľa rodiny zliatin. Recyklovaný materiál zvyšuje zaťaženie nečistotami a vyžaduje prepracovanejšie tavenie a prísnejšiu kontrolu MTR.