Виплавка алюмінієвих сплавів, Формулювання, і технологія лиття

Виробництво високоякісної сировини для екструзії алюмінію та виливків вимагає комплексного контролю хімічного складу сплаву, чистота розплаву, термічна історія та поведінка твердіння.

Невелика кількість домішок, невідповідна практика плавлення або дегазації, або неконтрольоване затвердіння може звести нанівець правильні хімічні процеси.

У цій статті синтезовано принципи розробки сплавів (з акцентом на Al-Mg-Si / 6063), рекомендована практика плавки та рафінування, параметри зернистості та лиття, стратегія гомогенізації,

і заходи щодо усунення несправностей для мінімізації типових дефектів (пористість, захоплення оксиду, грубе зерно, сегрегація).

1. Філософія контролю: склад і бюджет домішок

• Основне правило: лише кваліфікований склад сплаву необхідно, але недостатньо.
  Загальна кількість слідових домішок (Напр., Феод, Куточок, Zn, Мн, На, інші) і непередбачувані елементи повинні контролюватися в межах, які зберігають обробку поверхні, відповідь на екструзію та кінцеві механічні властивості.
• Приклад (практичний): хоча деякі стандарти дозволяють Zn до 0.10 мас.% у деяких деформованих сплавах,
  виробничий досвід показує, що Zn ≥ 0.05 WT% може утворювати білі плями на окислених екструзійних поверхнях;
  тому багато виробників націлені Zn < 0.05 WT% для яскравих профілів.
• Домішки взаємодіють: кумулятивний «бюджет домішок» часто важливіший, ніж відповідність будь-якого окремого елемента специфікації.

2. Рецептура сплаву: тріада Al–Mg–Si (6063 сім'я)

• 6063 номінальний діапазон алюмінієвого сплаву (приклад, за GB/T і звичайна практика): І ≈ 0.2–0,6 мас.%; Mg ≈ 0.45–0,9 мас.%; Fe ≤ 0.35 WT%; інші елементи (Куточок, Мн, Cr, ZR, На) типово < 0.10 WT%. (Зверніться до специфікації кінцевого продукту щодо точних допусків.)
• Фаза зміцнення: Mg₂Si є основною фазою зміцнення. Його ефективність залежить від Mg:Атомне співвідношення Si/вагове співвідношення — Mg:Вагове співвідношення Si до Mg₂Si становить ≈ 1.73.
  Для максимального вікового зміцнення, підтримувати Мг:І ≤ 1.73 (тобто. уникайте надлишку Mg).
  Надлишок Si має обмежений негативний вплив на розчинність Mg₂Si; надлишок Mg знижує розчинність і вікову реакцію.
• Розчинність і поведінка при нагріванні/старінні (практичні дані): Mg₂Si демонструє сильну температурну залежність; псевдодвійковий α(Al)–Mg₂Si евтектика утворюється поблизу 595 ° C.
  Максимальна розчинність Mg₂Si на практиці становить ≈ 1.85 WT%, і при 500 ° C розчинність падає до ≈ 1.05 WT%.
  Отже, більш високі температури обробки розчину і адекватна швидкість гасіння збільшує утримування розчинених речовин і підвищує стійкість до старіння, але існують практичні обмеження, щоб уникнути початкового плавлення та надмірного окислення.

3. Технологія плавки 6063 Алюмінієвий сплав

Плавка є найважливішим процесом для отримання високоякісного продукту алюмінієвий сплав заготовки.

Неправильний контроль процесу може призвести до різних дефектів литва, наприклад шлакові включення, пористість, грубі зерна, і пір'ясті кристали.

Наступні ключові технічні моменти повинні суворо виконуватися:

Точний контроль температури плавлення

Оптимальна температура плавлення для 6063 це алюмінієвий сплав 750–760°C. Контроль температури важливий з наступних причин:

• Ризик низької температури: Температури нижче 750°C збільшують в'язкість розплаву алюмінію, зниження ефективності шлаковідділення та підвищення ймовірності появи дефектів шлакових включень у заготовках.
• Ризик високої температури: Температура вище 760°С викликає різке збільшення розчинності водню в розплаві алюмінію.
  Металургійні дослідження показують, що розчинність водню в алюмінії експоненціально зростає при температурі вище 760°C.
  Надмірно високі температури також прискорюють окислення і азотування розплаву, що призводить до збільшення втрати легуючих елементів при горінні, і безпосередньо викликають такі дефекти, як грубі зерна та пір’ясті кристали.

Додаткові заходи щодо зменшення поглинання водню включають:

• Попереднє нагрівання плавильних печей та інструментів до 200–300°C для усунення вологи з поверхні.
• Використання тільки сухого, непсована сировина та флюси, щоб уникнути потрапляння вологи в розплав.

Вибір високоякісних флюсів і оптимізація процесу очищення

Флюси (в тому числі шлакоудалители, нафтопереробники, і покривні засоби) є основними допоміжними матеріалами для виплавки алюмінієвих сплавів.
Більшість промислових флюсів складається з хлоридів і фторидів, які мають високу гігроскопічність. Погане управління потоком є ​​основним джерелом забруднення воднем розплаву.

Контроль якості флюсу

• Сировина для виробництва флюсу повинна бути ретельно висушена для видалення вологи, і готовий флюс повинен бути герметично упакований для запобігання гігроскопічної абсорбції під час зберігання та транспортування.
• Необхідно звернути увагу на дату виготовлення флюсу; прострочені флюси мають властивість вбирати вологу,
  який реагує з розплавом алюмінію з утворенням водню (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂ ↑), що призводить до дефектів пористості заготовок.

Оптимізація процесу інжекційного рафінування порошку

Порошкове рафінування є найпоширенішим методом рафінування 6063 алюмінієвий сплав, оскільки це забезпечує повний контакт між рафінуючим агентом і розплавом.

Основними технічними моментами цього процесу є:

1. Контроль тиску азоту: Тиск азоту повинен бути якомога нижчим, достатньо, щоб перенести рафінуючий агент у розплав.
   Високий тиск азоту викликає сильну турбулентність і розбризкування розплаву, збільшення утворення нових оксидних плівок і ризик дефектів оксидних включень.
2. Вимоги до чистоти азоту: Азот високої чистоти (≥99,99%) необхідно використовувати для рафінування.
   Нечистий азот, що містить вологу, вводить додатковий водень у розплав, протидія рафінуючому ефекту.
3. Дозування рафінуючого агента: Принцип більшого потоку, слід менше газу.
   Збільшення дози рафінуючого агента може посилити ефект дегазації та видалення шлаку, водночас зменшення споживання азоту може знизити витрати на виробництво та мінімізувати турбулентність розплаву.
   Основною метою процесу є введення максимальної кількості рафінуючого агента в розплав із використанням мінімальної кількості азоту..

Очищення зерна

Подрібнення зерна є одним із найефективніших заходів для покращення якості заготовок з алюмінієвих сплавів і вирішення дефектів лиття, таких як пористість, грубі зерна, і пір'ясті кристали.

Механізм подрібнення зерна наступний:

Під час нерівноважного затвердіння, домішкові елементи (включаючи легуючі елементи) мають тенденцію до сегрегації на межах зерен.
Дрібніші зерна збільшують загальну площу меж зерен, що зменшує концентрацію домішкових елементів на кожній межі зерна.
Для домішкових елементів, це зменшує їх шкідливий вплив; для легуючих елементів, це покращує їх рівномірність розподілу та посилює їх зміцнювальний ефект.

Ефект подрібнення зерна можна проілюструвати простим розрахунком: припустимо два металеві блоки однакового об’єму V, складається з кубічних зерен.

Якщо довжина сторони блоку 1 є 2a та блоку 2 є, загальна гранична площа блоку 2 вдвічі більше блоку 1.

Це означає, що зменшення розміру зерна вдвічі збільшує площу межі зерна вдвічі, і вдвічі зменшує концентрацію домішок на одиницю площі межі зерна.

для 6063 сплав, що використовується в матових профілях, очищення зерна є особливо важливим.

Витончений, більш однорідні зерна забезпечують рівномірну корозію поверхні профілю під час процесу глазурі, в результаті чого послідовний, якісне матове покриття.

Звичайні рафінери для алюмінієвих сплавів включають Al-Ti-B лигатури, які зазвичай додають у розплав у дозі 0,1–0,3 мас..

4. Технологія лиття 6063 Алюмінієвий сплав

Лиття - це процес перетворення очищеного алюмінієвого розплаву в суцільні заготовки заданих розмірів. Розумні параметри процесу лиття є важливими для виробництва високоякісних заготовок.

Слід звернути увагу на наступні ключові технічні моменти:

Вибір оптимальної температури лиття

для 6063 розплави сплавів, оброблені рафінерами, оптимальна температура лиття 720–740°C. Цей діапазон температур визначається наступними факторами:

1. Подрібнений розплав має вищу в'язкість і більш швидкі темпи затвердіння; помірно підвищена температура лиття забезпечує хорошу текучість розплаву та запобігає дефектам холодного закриття.
2. Під час кастингу, на фронті затвердіння заготовки утворюється двофазна зона рідина-тверде.
   Помірно висока температура лиття звужує цю двофазну зону, що полегшує вихід газів, що утворюються під час затвердіння, і зменшує дефекти пористості.

Однак, температура лиття не повинна бути надмірно високою, оскільки високі температури скоротять ефективний час рафінера та призведуть до грубозернистих структур у заготовці.

Попередній нагрів системи лиття

Всі компоненти ливарної системи, включаючи пральні машини, дистриб'ютори, і форми, повинні бути повністю попередньо нагріті та висушені до 200–300°C перед литтям.

Це запобігає реакції між вологою на поверхні цих компонентів і високотемпературним розплавом алюмінію, що є основним джерелом забруднення воднем.

Запобігання турбулентності розплаву та включенню оксиду

Під час кастингу, Турбулентність і бризки алюмінієвого розплаву повинні бути зведені до мінімуму. Слід дотримуватися наступних операційних вказівок:

• Уникайте перемішування розплаву в пральній машині або розподільнику інструментами, оскільки це порушить захисну оксидну плівку на поверхні розплаву, що призводить до утворення нових оксидів.
• Переконайтеся, що розплав плавно тече у форму під захистом оксидної плівки.
  Дослідження показують, що плівки з оксиду алюмінію мають сильні гігроскопічні властивості, містить приблизно 2 мас.% вологи.
  Якщо ці оксидні плівки втягуються в розплав, волога, яка в них міститься, реагує з алюмінієм, утворюючи водневі та оксидні включення, сильно погіршує якість заготовки.

Обробка фільтрацією розплаву

Найбільш ефективним способом видалення неметалічних включень з алюмінієвого розплаву є фільтрація.

для 6063 лиття сплаву, широко використовуються два поширених методу фільтрації: фільтрація з багатошарової склотканини та керамічної фільтрувальної пластини.

Основні операційні моменти включають:

• Перед фільтрацією, поверхневий шлак розплаву необхідно видалити. Для відокремлення поверхневого шлаку від текучого розплаву в лійку слід встановити шлаковідбійник, запобігання засмічення фільтра та забезпечення безперебійної фільтрації.
• Фільтр слід попередньо нагріти до тієї ж температури, що й розплав, щоб уникнути теплового удару фільтра та запобігти утворенню дефектів холодного закриття в розплаві..

5. Гомогенізація Обробка 6063 Заготовки з алюмінієвого сплаву

Нерівноважне затвердіння та його наслідки

Під час кастингу, розплав алюмінію швидко твердне, внаслідок чого відбувається нерівноважне затвердіння.

У двійковій фазовій діаграмі, що складається з двох елементів A і B, при затвердінні сплаву складу F,
рівноважний склад твердої фази при температурі Т1 повинен становити G, але фактичний склад твердої фази G’ через швидке охолодження.

Це пояснюється тим, що швидкість дифузії легуючих елементів у твердій фазі нижча за швидкість кристалізації, що призводить до неоднорідності хімічного складу зерен (Тобто, сегрегація).

Нерівноважне затвердіння 6063 заготовки сплаву призводять до двох основних проблем:

1. Між зернами існує залишкова ливарна напруга;
2. Неоднорідність хімічного складу в зернах через сегрегацію.

Ці проблеми ускладнюють подальшу обробку екструзією та знижують механічні властивості та ефективність обробки поверхні кінцевого профілю.

Отже, гомогенізуюча обробка необхідна для заготовок перед екструзією.

Процес гомогенізації

Гомогенізаційна обробка - це процес термічної обробки, при якому заготовки витримують при високій температурі (нижче температури перепалу) для усунення ливарного стресу та внутрішньої сегрегації зерна.

Основні технічні параметри наступні:

• Температура гомогенізації: Температура перепалювання ідеальної потрійної системи Al-Mg-Si становить 595°C,
  але фактичне 6063 сплав містить різні домішкові елементи, роблячи його багатокомпонентною системою.
  Отже, фактична температура перепалювання нижча за 595°C.
  Оптимальна температура гомогенізації для 6063 сплав є 530–550°C. Вищі температури в цьому діапазоні можуть скоротити час витримки, економити енергію, і підвищити продуктивність печі.
• Час витримки: Час витримки залежить від діаметра заготовки і розміру зерен.
  Дрібніші зерна вимагають меншого часу витримки, оскільки відстань дифузії легуючих елементів від меж зерен до внутрішніх частин зерна коротша.

Енергозберігаючі заходи гомогенізаційної обробки

Гомогенізація вимагає високих температур і тривалого часу витримки, що призводить до високого споживання енергії та витрат на обробку, тому багато виробників профілів пропускають цей процес.

Ефективні заходи з енергозбереження включають:

1. Вдосконалення зерна: Як згадувалося раніше, більш дрібне зерно значно скорочує необхідний час витримки гомогенізації, Зменшення споживання енергії.
2. Інтегрований процес нагрівання: Розширте піч для нагрівання заготовок для екструзії, і запровадити сегментований контроль температури, щоб відповідати вимогам до температури гомогенізації та екструзії.
   Цей процес має три основні переваги:

• • Не потрібна додаткова піч гомогенізації;
  • Тепло гомогенізованої заготовки використовується повністю, уникнення повторного нагрівання перед екструзією;
  • Тривалий нагрів забезпечує рівномірний розподіл температури всередині і зовні заготовки, що є корисним для екструзії та подальшої термічної обробки.

6. Забезпечення якості: метрики та перевірка

Важливі перевірки приймання перед випуском екструзії/лиття:

• Хімічний аналіз (повна спектрохімічна МТР): перевірити основні легуючі елементи та мікродомішки — особливо Zn, Cu і Fe.
• Аналіз водню / відбір проб на пористість: вміст водню в розплаві (або індекс пористості зразків виливків) та рентгенографія/КТ типових заготовок.
• Рівень інклюзії / ефективність фільтрації: оптичний контроль фільтраційних коржів, підрахунок мікроскопічних включень з лабораторних купонів.
• Зернистість і фазовий розподіл: металографічні перевірки після затвердіння зразка; розмір зерна фериту/α, вторинні фази.
• Механічні перевірки: розтягування та твердість на купонах для підтвердження розчину та відгуку сплаву.

7. Поширені дефекти лиття — причини та усунення

8. Передові методи та методи вдосконалення процесів

• Ультразвукова дегазація: створює кавітацію для видалення водню та може руйнувати оксидні плівки — ефективний у деяких цехових установках для невеликих заготовок і високовартісних відливок.
• Вакуумний дегаз / Кастинг низького тиску: знижує рівень розчинених газів і може покращити годування; використовується в преміальному виробництві.
• Електромагнітне перемішування: при обережному застосуванні, очищає зерно та гомогенізує температуру; уникайте надмірної турбулентності на поверхні форми.
• Автоматичне дозування та записи розплаву: точне додавання лигатури, AR/IR спектральний контроль, і цифрові журнали розплавлення зменшують людські помилки та забезпечують відстеження.
• Засоби моделювання: CFD для розробки стробування з низькою турбулентністю, і моделювання затвердіння для оптимізації теплових градієнтів і мінімізації гарячих точок.

9. Екологічний, безпека та економічні міркування

• Небезпека роботи з флюсом: солі хлориду/фториду є корозійними та гігроскопічними; зберігати запечатаними, сухе зберігання. Забезпечте засоби індивідуального захисту та контроль диму для використання флюсу.
• Енергоменеджмент: плавлення та гомогенізація є енергоємними; ступеневі топкові системи,
  утилізація відпрацьованого тепла та інтеграція процесу (попередній нагрів заготовок з використанням відпрацьованого тепла) дають значну економію коштів.
• Лом і переробка: відокремлюйте брухт високоцінних сплавів від забруднених матеріалів; запроваджуйте методи плавлення, щоб обмежити кількість елементів, що протікають, і підтримувати якість сплаву.

10. Висновок

Високоякісні виливки з алюмінієвих сплавів і вихідна сировина для екструзії є продуктом дисциплінованого контролю сплавів, точне управління розплавом і добре розроблена практика затвердіння.

Для сплавів серії 6xxx, таких як 6063, Успіх залежить від підтримки правильного Mg: Якщо баланс, утримання домішкових елементів (особливо Zn) нижче практичних порогів якості поверхні,

уникати надмірного перегріву розплаву, за допомогою ефективного рафінування (порошок + контрольована продувка газом), досягнення дрібнозернистої структури, і застосування відповідної гомогенізації.

Застосовуйте ці заходи разом, а не окремо, і результатом стануть передбачувані механічні властивості, надійна якість поверхні та менша кількість дорогого брухту або переробки.

 

Поширені запитання

Чому Zn <0.05 рекомендовано, коли багато специфікацій дозволяють 0.10?

Практичний досвід роботи в магазині показує, що Zn близько 0.1 сприяє появі білих плям після окислення/відпалу; зведення до <0.05 зменшує дефекти поверхні для світлих/екструдованих профілів.

Який єдиний найбільш чутливий параметр плавлення?

Температура плавлення. Вище о 760 ° C розчинений водень різко зростає і викликає пористість та інші дефекти; підтримувати температуру розплаву під контролем і мінімальний час перебування.

Порошкове рафінування чи високий потік газу — що краще?

Використання рясний рафінуючий порошок з мінімальним, контрольований потік газу. Великі газові потоки утворюють великі бульбашки з коротким перебуванням: погана дегазація і підвищена турбулентність.

Чи підвищує подрібнення зерна стійкість до температури лиття?

Так — розплав із ефективним зернистим витримує трохи вищі температури лиття (тип. 720–740 °C) тому що кашоподібна зона звужується і годівля покращується; але перегрів все одно слід обмежити.

Чи можна безпечно повторно використовувати брухт лиття?

Так, але слідкуйте за трамп-елементами та розділяйте за сімейством сплавів. Перероблений матеріал збільшує вміст домішок і вимагає більш витонченої практики плавлення та суворішого контролю MTR.