Топљење легуре алуминијума, Формулација, и технологија ливења

Производња висококвалитетних сировина и одливака за екструзију алуминијума захтева интегрисану контролу хемије легура, растопити чистоћу, термичка историја и понашање учвршћивања.

Мале количине нечистоћа, неодговарајућа пракса топљења или отплињавања, или неконтролисано очвршћавање може поништити иначе исправне хемије.

Овај рад синтетише принципе дизајна легура (са нагласком на Ал-Мг-Си / 6063), препоручена пракса топљења и рафинирања, параметри рафинирања зрна и ливења, стратегија хомогенизације,

и мере за решавање проблема за минимизирање типичних кварова (порозност, заробљавање оксида, крупно зрно, сегрегација).

1. Филозофија контроле: састав и буџет нечистоће

• Примарно правило: само квалификовани састав легуре је неопходно али не и довољно.
  Укупан број нечистоћа у траговима (Нпр., Фе, Цу, Зн, Мн, Од, други) а нежељени елементи се морају контролисати до граница које чувају завршну обраду површине, одзив на екструзију и коначна механичка својства.
• Пример (практичним): иако неки стандарди дозвољавају Зн до 0.10 теж% у одређеним кованим легурама,
  производно искуство то показује Зн ≥ 0.05 вт% може произвести беле мрље на оксидованим екструзионим површинама;
  многи произвођачи стога циљају Зн < 0.05 вт% за светле завршне профиле.
• Нечистоће су у интеракцији: кумулативни „буџет нечистоће“ је често важнији од усклађености било ког елемента са спецификацијом.

2. Формулација легуре: тријада Ал–Мг–Си (6063 породица)

• 6063 номинални распони легуре алуминијума (пример, по ГБ/Т и уобичајена пракса): И ≈ 0.2–0,6 теж.%; Мг ≈ 0.45–0,9 теж.%; Фе ≤ 0.35 вт%; други елементи (Цу, Мн, ЦР, Зр, Од) обично < 0.10 вт%. (Консултујте спецификацију финалног производа за тачне толеранције.)
• Фаза јачања: Мг₂Си је главна фаза очвршћавања. Његова ефикасност зависи од Мг:Си атомски/тежински однос — Мг:Си тежински однос Мг₂Си је ≈ 1.73.
  За максимизирање старења, одржавати Мг:И ≤ 1.73 (И.е. избегавајте вишак Мг).
  Вишак Си има ограничен негативан утицај на растворљивост Мг₂Си; вишак Мг смањује растворљивост и одговор на старост.
• Растворљивост и понашање топлоте/старости (практични подаци): Мг₂Си показује јаку температурну зависност; псеудобинарни α(Алтер)–Мг₂Си еутектика се формира у близини 595 ° Ц.
  Максимална растворљивост Мг₂Си наведена у пракси је ≈ 1.85 вт%, анд ат 500 ° Ц растворљивост пада на ≈ 1.05 вт%.
  Сходно томе, више температуре третмана раствора и адекватна брзина гашења повећавају задржавање растворених материја и повећавају снагу старења — али постоје практична ограничења да би се избегло почетно топљење и прекомерна оксидација.

3. Технологија топљења 6063 Алуминијумска легура

Топљење је најкритичнији процес за производњу високог квалитета алуминијумска легура гребенике.

Неправилна контрола процеса може довести до разних недостатака ливења, као што су инклузије шљаке, порозност, крупна зрна, и пернати кристали.

Следеће кључне техничке тачке морају се стриктно спроводити:

Прецизна контрола температуре топљења

Оптимална температура топљења за 6063 легура алуминијума је 750–760°Ц. Контрола температуре је критична из следећих разлога:

• Ризик од ниске температуре: Температуре испод 750°Ц повећавају вискозитет растопљеног алуминијума, смањење ефикасности одвајања шљаке и повећање вероватноће дефекта укључивања шљаке у гредице.
• Ризик од високе температуре: Температуре изнад 760°Ц изазивају нагло повећање растворљивости водоника у топљењу алуминијума.
  Металуршка истраживања показују да се растворљивост водоника у алуминијуму експоненцијално повећава са температуром изнад 760°Ц.
  Превише високе температуре такође убрзавају оксидацију и нитридацију растопа, што доводи до повећаног губитка легирајућих елемената сагоревањем, и директно изазивају дефекте као што су груба зрна и пернати кристали.

Додатне мере за смањење апсорпције водоника укључују:

• Претходно загревање пећи и алата за топљење на 200–300°Ц да би се елиминисала површинска влага.
• Користећи само суво, неискварене сировине и флуксови како би се избегло уношење влаге у растоп.

Избор висококвалитетних флукса и оптимизација процеса рафинације

Флукес (укључујући и средства за уклањање шљаке, рафинерије, и средства за покривање) су неопходни помоћни материјали за топљење легура алуминијума.
Већина комерцијалних флукса се састоји од хлорида и флуорида, који су високо хигроскопни. Лоше управљање флуксом је главни извор контаминације водоником у топљењу.

Контрола квалитета флукса

• Сировине за производњу флукса морају се темељно осушити да би се уклонила влага, а готов флукс мора бити херметички упакован како би се спречила хигроскопска апсорпција током складиштења и транспорта.
• Треба обратити пажњу на датум производње флукса; флуксови са истеклим роком имају тенденцију да апсорбују влагу,
  који реагује са топљеном алуминијума и производи водоник (2Алтер + 3Х2О → Ал₂О₃ + 3Х₂↑), што доводи до дефекта порозности у гредицама.

Оптимизација процеса прераде убризгавањем праха

Рафинација убризгавањем праха је најчешће коришћена метода рафинирања 6063 алуминијумска легура, пошто омогућава пун контакт између агенса за рафинацију и растопа.

Основне техничке тачке овог процеса су:

1. Контрола притиска азота: Притисак азота треба да буде што је могуће нижи, довољно да се агенс за рафинацију пренесе у растоп.
   Висок притисак азота изазива бурне турбуленције и прскање растопа, повећање формирања нових оксидних филмова и ризик од дефекта укључивања оксида.
2. Захтеви за чистоћу азота: Азот високе чистоће (≥99,99%) мора се користити за пречишћавање.
   Влага која садржи нечисти азот ће увести додатни водоник у растоп, супротстављање ефекту рафинирања.
3. Дозирање агенса за рафинацију: Принцип више флукса, мање гаса треба пратити.
   Повећање дозе агенса за рафинацију може побољшати ефекат дегазације и уклањања шљаке, док смањење употребе азота може смањити трошкове производње и минимизирати турбуленцију топљења.
   Основни циљ процеса је убризгавање максималне количине агенса за рафинацију у растоп користећи минималну количину азота.

Третман пречишћавања зрна

Рафинирање зрна је једна од најефикаснијих мера за побољшање квалитета гредица од алуминијумске легуре и решавање недостатака ливења као што је порозност, крупна зрна, и пернати кристали.

Механизам пречишћавања зрна је следећи:

Током неравнотежног очвршћавања, елементи нечистоће (укључујући легирне елементе) имају тенденцију да се сегрегирају на границама зрна.
Финија зрна повећавају укупну граничну површину зрна, чиме се смањује концентрација елемената нечистоћа на свакој граници зрна.
За елементе нечистоће, ово смањује њихово штетно дејство; за легирне елементе, ово побољшава њихову униформност дистрибуције и појачава њихов ефекат јачања.

Ефекат пречишћавања зрна може се илустровати једноставним прорачуном: претпоставимо два метална блока исте запремине В, састављена од кубних зрна.

Ако је дужина зрнасте стране блока 1 је 2а и то од блока 2 је а, укупна површина границе зрна блока 2 је двоструко већи од блока 1.

То значи да смањење величине зрна за половину удвостручује површину границе зрна, и преполови концентрацију нечистоћа по јединици граничне површине зрна.

За 6063 легура која се користи у мат профилима, пречишћавање зрна је посебно важно.

Финији, уједначенија зрна осигуравају да је површина профила равномерно кородирана током процеса глазирања, што резултира доследним, висококвалитетна матирана завршна обрада.

Уобичајени прерађивачи зрна за легуре алуминијума укључују главне легуре Ал-Ти-Б, који се обично додају у растоп у дози од 0,1–0,3 теж.%.

4. Технологија ливења 6063 Алуминијумска легура

Ливење је процес претварања растопљеног рафинисаног алуминијума у ​​чврсте гредице одређених димензија. Разумни параметри процеса ливења су неопходни за производњу висококвалитетних гредица.

Морају се нагласити следеће кључне техничке тачке:

Избор оптималне температуре ливења

За 6063 талине легура третиране рафинерима зрна, оптимална температура ливења је 720–740°Ц. Овај температурни опсег је одређен следећим факторима:

1. Рафинисана талина има већи вискозитет и брже очвршћавање; умерено повишена температура ливења обезбеђује добру флуидност растопа и спречава дефекте хладног затварања.
2. Током ливења, течно-чврста двофазна зона се формира на фронту очвршћавања гредице.
   Умерено висока температура ливења сужава ову двофазну зону, што олакшава излазак гасова насталих током очвршћавања и смањује дефекте порозности.

Међутим, температура ливења не би требало да буде превисока, јер ће високе температуре скратити ефективно време рафинера зрна и довести до грубих структура зрна у гредици.

Предзагревање система за ливење

Све компоненте система ливења, укључујући и праонице, дистрибутери, и калупи, мора бити потпуно загрејан и осушен на 200–300°Ц пре ливења.

Ово спречава реакцију између влаге на површини ових компоненти и растопљеног алуминијума на високој температури, који је главни извор контаминације водоником.

Спречавање турбуленције топљења и укључивања оксида

Током ливења, турбуленција и прскање растопљеног алуминијума морају бити сведени на минимум. Треба се придржавати следећих оперативних смерница:

• Избегавајте мешање талине у машини за прање веша или у дистрибутеру помоћу алата, јер ће то разбити заштитни оксидни филм на површини растопа, што доводи до стварања нових оксида.
• Уверите се да растоп несметано тече у калуп под заштитом оксидног филма.
  Истраживања показују да филмови од алуминијум-оксида имају јака хигроскопна својства, садрже отприлике 2 теж.% влаге.
  Ако се ови оксидни филмови увуку у растоп, влага коју садрже ће реаговати са алуминијумом да би се произвеле инклузије водоника и оксида, озбиљно нарушава квалитет гредице.

Третман филтрирањем топљења

Филтрација је најефикаснији метод за уклањање неметалних инклузија из растопљеног алуминијума.

За 6063 ливење легуре, две уобичајене методе филтрације се широко користе: вишеслојна филтрација од фибергласа и филтрација керамичке филтерске плоче.

Кључне оперативне тачке укључују:

• Пре филтрације, површинска шљака растопа се мора уклонити. У перионици треба поставити преграду за шљаку како би се површинска шљака одвојила од текуће талине, спречавање зачепљења филтера и обезбеђивање глатке филтрације.
• Филтер треба претходно загрејати на исту температуру као и растоп како би се избегао топлотни удар филтера и спречило стварање дефеката хладног затварања у топљењу.

5. Хомогенизација Третман оф 6063 Гредице од алуминијумске легуре

Неравнотежно очвршћавање и његови ефекти

Током ливења, растопљени алуминијум се брзо стврдњава, што резултира неравнотежним очвршћавањем.

У бинарном фазном дијаграму састављеном од два елемента А и Б, када се легура састава Ф очврсне,
равнотежни састав чврсте фазе на температури Т1 треба да буде Г, али стварни састав чврсте фазе је Г’ због брзог хлађења.

То је зато што је брзина дифузије легирајућих елемената у чврстој фази спорија од брзине кристализације, што доводи до нехомогености хемијског састава унутар зрна (Тј., сегрегација).

Неравнотежно очвршћавање на 6063 легуре гредице резултирају два главна проблема:

1. Заостали напон ливења постоји између зрна;
2. Нехомогеност хемијског састава унутар зрна услед сегрегације.

Ови проблеми повећавају потешкоће накнадне обраде екструзијом и смањују механичка својства и учинак површинске обраде завршног профила.

Стога, хомогенизациони третман је неопходан за гредице пре екструзије.

Процес третмана хомогенизације

Хомогенизациони третман је процес термичке обраде у коме се гредице држе на високој температури (испод температуре прегоревања) како би се елиминисала напрезања ливења и унутрашње сегрегације зрна.

Кључни технички параметри су следећи:

• Температура хомогенизације: Температура прекомерног сагоревања идеалног тернарног система Ал-Мг-Си је 595°Ц,
  али стварна 6063 легура садржи разне нечистоће, чинећи га вишекомпонентним системом.
  Стога, стварна температура прегоревања је нижа од 595°Ц.
  Оптимална температура хомогенизације за 6063 легура је 530–550°Ц. Више температуре унутар овог опсега могу скратити време задржавања, штеди енергију, и побољшати продуктивност пећи.
• Холдинг Тиме: Време држања зависи од пречника гредице и величине зрна.
  Финија зрна захтевају краће време држања јер је дифузионо растојање легирајућих елемената од граница зрна до унутрашњости зрна краће.

Мере уштеде енергије за третман хомогенизације

Хомогенизациони третман захтева високе температуре и дуго време држања, што резултира великом потрошњом енергије и трошковима обраде, због чега многи произвођачи профила прескачу овај процес.

Ефикасне мере за уштеду енергије укључују:

1. Учињење зрна: Као што је раније поменуто, финија зрна значајно скраћују потребно време задржавања хомогенизације, Смањење потрошње енергије.
2. Интегрисани процес грејања: Продужите пећ за грејање гредице за екструзију, и имплементирати сегментирану контролу температуре како би се задовољили захтеви за температуру хомогенизације и екструзије.
   Овај процес има три главне предности:

• • Није потребна додатна пећ за хомогенизацију;
  • Топлота хомогенизоване гредице је у потпуности искоришћена, избегавајући поновљено загревање пре екструзије;
  • Дуготрајно загревање обезбеђује равномерну дистрибуцију температуре унутар и изван гредице, што је корисно за екструзију и накнадну топлотну обраду.

6. Осигурање квалитета: метрика и инспекција

Важне провере прихватања пре пуштања у екструзију/ливање:

• Хемијска анализа (пуни спектрохемијски МТР): проверити главне легирајуће елементе и нечистоће у траговима — посебно Зн, Цу и Фе.
• Анализа водоника / узорковање порозности: садржај водоника у топљењу (или индекс порозности на узорку одливака) и радиографија/ЦТ репрезентативних гредица.
• Ниво инклузије / ефикасност филтрације: оптички преглед филтер колача, микроскопска инклузија броји из лабораторијских купона.
• Величина зрна и фазна расподела: металографске провере након очвршћавања узорка; ферит/α величина зрна, секундарне фазе.
• Механичке провере: затезање и тврдоћа на купонима за потврду одговора раствора и легуре.

7. Уобичајени дефекти ливења — узроци и лекови

8. Напредне технике и технике за побољшање процеса

• Ултразвучна дегазација: ствара кавитацију за уклањање водоника и може да разбије оксидне филмове — ефикасно у неким радњама за мале гредице и одливке високе вредности.
• Вакуумски дегасирање / ливење ниског притиска: смањује ниво растворених гасова и може побољшати храњење; користи се у премијум производњи.
• Електромагнетно мешање: када се примењује пажљиво, оплемењује зрно и хомогенизује температуру; избегавајте прекомерну турбуленцију на површини калупа.
• Аутоматско дозирање и евиденција топљења: прецизно додавање мастер легуре, Контрола АР/ИР спектра, а дигитални дневници отапања смањују људску грешку и обезбеђују следљивост.
• Алати за симулацију: ЦФД за пројектовање гејта ниске турбуленције, и моделирање очвршћавања ради оптимизације топлотних градијента и минимизирања врућих тачака.

9. Еколошки, безбедност и економска разматрања

• Опасности при руковању флуксом: хлоридне/флуоридне соли су корозивне и хигроскопне; одржавати запечаћено, суво складиштење. Обезбедите ЛЗО и контролу дима за употребу флукса.
• Управљање енергијом: топљење и хомогенизација су енергетски интензивни; степенасти системи пећи,
  поврат отпадне топлоте и интеграција процеса (претходно загрејати гредице коришћењем издувне топлоте) доносе значајне уштеде.
• Отпад и рециклажа: одвојите отпад од легуре високе вредности од контаминираног материјала; имплементирати праксе топљења како би се ограничили трамп елементи и одржао квалитет легуре.

10. Закључак

Висококвалитетни одливци од легура алуминијума и сировине за екструзију су производ дисциплиноване контроле легуре, прецизно управљање топљењем и добро осмишљену праксу очвршћавања.

За легуре серије 6ккк као нпр 6063, успех зависи од одржавања исправног Мг: Ако баланс, задржавање елемената нечистоће (посебно Зн) испод практичних прагова квалитета површине,

избегавајући прекомерно прегревање топљења, користећи ефективну рафинацију (прашак + контролисано пречишћавање гаса), постизање финозрнасте структуре, и применом одговарајуће хомогенизације.

Примените ове мере заједно — уместо изоловано — и резултат ће бити предвидљива механичка својства, робустан квалитет површине и мање скупих отпадака или прераде.

 

Често постављана питања

Зашто је Зн <0.05 препоручује се када многе спецификације дозвољавају 0.10?

Практично искуство из продавнице показује Зн у близини 0.1 промовише беле мрље након оксидације/жарења; сводећи на <0.05 ублажава површинске дефекте за светле/екструдиране профиле.

Који је једини најосетљивији параметар топљења?

Температура топљења. Горе о 760 ° Ц растворени водоник нагло расте и изазива порозност и друге недостатке; држати под контролом температуру топљења и минимално време задржавања.

Рафинација праха наспрам високог протока гаса — што је боље?

Употреба довољно рафинирајућег праха са минималним, контролисан проток гаса. Велики токови гаса стварају велике мехуриће са кратким задржавањем: лоша дегазација и повећана турбуленција.

Да ли рафинирање зрна повећава толеранцију температуре ливења?

Да — ефективно рафинисана талина толерише нешто више температуре ливења (тип. 720-740 ° Ц) јер се кашаста зона сужава и храњење се побољшава; али прегревање ипак треба ограничити.

Може ли се отпад од ливења поново безбедно користити?

Да, али надгледајте трамп елементе и одвојите их према породици легура. Рециклирани материјал повећава оптерећење нечистоћама и захтева рафиниранију праксу топљења и строжу МТР контролу.