Luyện hợp kim nhôm, công thức, và Công nghệ đúc

Sản xuất nguyên liệu ép đùn và đúc nhôm chất lượng cao đòi hỏi phải có sự kiểm soát tích hợp hóa học hợp kim, làm tan chảy sự sạch sẽ, lịch sử nhiệt và hành vi hóa rắn.

Một lượng nhỏ tạp chất, thực hành nấu chảy hoặc khử khí không phù hợp, hoặc sự hóa rắn không được kiểm soát có thể phủ nhận các chất hóa học chính xác.

Bài báo này tổng hợp nguyên lý thiết kế hợp kim (nhấn mạnh vào Al-Mg-Si / 6063), thực hành nấu chảy và tinh chế được khuyến nghị, thông số sàng lọc và đúc hạt, chiến lược đồng nhất hóa,

và các biện pháp khắc phục sự cố nhằm giảm thiểu các khuyết tật điển hình (Độ xốp, bẫy oxit, hạt thô, sự tách biệt).

1. Triết lý điều khiển: sáng tác Và ngân sách tạp chất

• Quy tắc chính: riêng một thành phần hợp kim đủ tiêu chuẩn là cần thiết nhưng chưa đủ.
  Tổng số vết tạp chất (VÍ DỤ., Fe, Cu, Zn, Mn, Của, người khác) và các yếu tố ngoài ý muốn phải được kiểm soát để hạn chế duy trì độ bóng bề mặt, phản ứng đùn và tính chất cơ học cuối cùng.
• Ví dụ (thực tế): mặc dù một số tiêu chuẩn cho phép Zn lên tới 0.10 wt% trong một số hợp kim rèn,
  kinh nghiệm sản xuất cho thấy rằng Zn ≥ 0.05 wt% có thể tạo ra các đốm trắng trên bề mặt đùn bị oxy hóa;
  do đó nhiều nhà sản xuất nhắm mục tiêu Zn < 0.05 wt% cho các biên dạng có độ hoàn thiện sáng.
• Các tạp chất tương tác: “Ngân sách tạp chất” tích lũy thường quan trọng hơn việc tuân thủ thông số kỹ thuật của bất kỳ yếu tố đơn lẻ nào.

2. Công thức hợp kim: bộ ba Al–Mg–Si (6063 gia đình)

• 6063 phạm vi danh nghĩa hợp kim nhôm (ví dụ, trên mỗi GB/T và thông lệ chung): Và ≈ 0.2–0,6% trọng lượng; Mg 0.45–0,9% trọng lượng; Fe ≤ 0.35 wt%; các yếu tố khác (Cu, Mn, Cr, Zr, Của) tiêu biểu < 0.10 wt%. (Tham khảo thông số kỹ thuật sản phẩm cuối cùng để biết dung sai chính xác.)
• Giai đoạn tăng cường: Mg₂Si là pha đông cứng chính. Hiệu quả của nó phụ thuộc vào Mg:Tỷ lệ nguyên tử/khối lượng Si - Mg:Tỷ lệ trọng lượng Si của Mg₂Si là ≈ 1.73.
  Để tối đa hóa độ cứng tuổi, duy trì Mg:Và 1.73 (tức là. tránh dư thừa Mg).
  Si dư thừa có ảnh hưởng tiêu cực hạn chế đến độ hòa tan Mg₂Si; Mg dư thừa làm giảm độ hòa tan và phản ứng tuổi tác.
• Độ hòa tan và hành vi nhiệt/tuổi (dữ liệu thực tế): Mg₂Si thể hiện sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ; giả nhị phân α(Al)–Mg₂Si dạng eutectic ở gần 595 ° C..
  Độ hòa tan Mg₂Si tối đa được trích dẫn trong thực tế là ≈ 1.85 wt%, và tại 500 ° C. độ hòa tan giảm xuống ≈ 1.05 wt%.
  Do đó, nhiệt độ xử lý dung dịch cao hơn và tốc độ làm nguội thích hợp sẽ làm tăng khả năng lưu giữ chất tan và tăng độ bền lão hóa - nhưng vẫn tồn tại những giới hạn thực tế để tránh sự nóng chảy ban đầu và quá trình oxy hóa quá mức.

3. Công nghệ luyện kim của 6063 Hợp kim nhôm

Luyện kim là quá trình quan trọng nhất để sản xuất chất lượng cao Hợp kim nhôm phôi.

Kiểm soát quá trình không đúng cách có thể dẫn đến các lỗi đúc khác nhau, chẳng hạn như tạp chất xỉ, Độ xốp, hạt thô, và những tinh thể lông vũ.

Các điểm kỹ thuật quan trọng sau đây phải được thực hiện nghiêm ngặt:

Kiểm soát chính xác nhiệt độ nấu chảy

Nhiệt độ nấu chảy tối ưu cho 6063 hợp kim nhôm là 750–760°C. Kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng vì những lý do sau:

• Rủi ro nhiệt độ thấp: Nhiệt độ dưới 750°C làm tăng độ nhớt của nhôm nóng chảy, làm giảm hiệu quả tách xỉ và tăng khả năng xuất hiện khuyết tật xỉ trong phôi thép.
• Rủi ro nhiệt độ cao: Nhiệt độ trên 760°C làm tăng mạnh độ hòa tan hydro trong nhôm nóng chảy.
  Nghiên cứu luyện kim cho thấy độ hòa tan hydro trong nhôm tăng theo cấp số nhân khi nhiệt độ trên 760°C.
  Nhiệt độ quá cao cũng đẩy nhanh quá trình oxy hóa và nitrat hóa của chất tan chảy, dẫn đến tăng tổn thất do cháy của các nguyên tố hợp kim, và trực tiếp gây ra các khuyết tật như hạt thô và tinh thể lông.

Các biện pháp bổ sung để giảm sự hấp thụ hydro bao gồm:

• Làm nóng trước các lò luyện và dụng cụ ở nhiệt độ 200–300°C để loại bỏ độ ẩm bề mặt.
• Chỉ sử dụng khô, nguyên liệu thô và chất trợ không bị hư hỏng để tránh đưa hơi ẩm vào trong chất tan chảy.

Lựa chọn chất trợ dung chất lượng cao và tối ưu hóa quy trình tinh chế

Thông lượng (bao gồm cả chất tẩy xỉ, nhà máy lọc dầu, và các đại lý bao phủ) là những vật liệu phụ trợ cần thiết cho quá trình nấu chảy hợp kim nhôm.
Hầu hết các chất trợ dung thương mại bao gồm clorua và florua, có tính hút ẩm cao. Quản lý chất trợ dung kém là nguyên nhân chính gây ô nhiễm hydro trong quá trình tan chảy.

Kiểm soát chất lượng thông lượng

• Nguyên liệu sản xuất chất trợ dung phải được sấy khô kỹ để loại bỏ độ ẩm, và chất trợ dung thành phẩm phải được đóng gói kín để tránh hiện tượng hút ẩm trong quá trình bảo quản và vận chuyển..
• Phải chú ý đến ngày sản xuất thông lượng; chất trợ dung hết hạn có xu hướng hấp thụ độ ẩm,
  phản ứng với nhôm nóng chảy để tạo ra hydro (2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂), dẫn đến khuyết tật về độ xốp trong phôi thép.

Tối ưu hóa quy trình tinh chế phun bột

Tinh chế phun bột là phương pháp tinh chế được sử dụng rộng rãi nhất cho 6063 Hợp kim nhôm, vì nó cho phép tiếp xúc hoàn toàn giữa chất tinh chế và chất tan chảy.

Các điểm kỹ thuật cốt lõi của quá trình này là:

1. Kiểm soát áp suất nitơ: Áp suất nitơ phải được giữ ở mức thấp nhất có thể, vừa đủ để mang chất tinh chế vào lò nấu chảy.
   Áp suất nitơ cao gây ra sự hỗn loạn dữ dội và sự tan chảy bắn tung tóe, tăng sự hình thành màng oxit mới và nguy cơ khuyết tật bao gồm oxit.
2. Yêu cầu về độ tinh khiết của nitơ: Nitơ có độ tinh khiết cao (≥99,99%) phải được sử dụng để tinh chế.
   Nitơ tạp chất chứa hơi ẩm sẽ đưa thêm hydro vào hỗn hợp tan chảy, chống lại hiệu ứng tinh chế.
3. Liều lượng chất tinh chế: Nguyên lý thông lượng nhiều hơn, nên tuân theo ít khí hơn.
   Tăng liều lượng của chất tinh chế có thể tăng cường hiệu quả khử khí và loại bỏ xỉ, đồng thời giảm việc sử dụng nitơ có thể làm giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu sự hỗn loạn tan chảy.
   Mục tiêu cốt lõi của quá trình là bơm lượng chất tinh chế tối đa vào dung dịch nấu chảy bằng cách sử dụng lượng nitơ tối thiểu..

Xử lý tinh chế ngũ cốc

Tinh chế hạt là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để nâng cao chất lượng phôi hợp kim nhôm và giải quyết các khuyết tật đúc như độ xốp, hạt thô, và những tinh thể lông vũ.

Cơ chế sàng lọc hạt như sau:

Trong quá trình đông đặc không cân bằng, yếu tố tạp chất (bao gồm các nguyên tố hợp kim) có xu hướng phân ly ở ranh giới hạt.
Hạt mịn hơn làm tăng tổng diện tích ranh giới hạt, làm giảm nồng độ các nguyên tố tạp chất ở từng ranh giới hạt.
Đối với các nguyên tố tạp chất, điều này làm giảm tác hại của chúng; cho các nguyên tố hợp kim, điều này cải thiện tính đồng nhất phân phối của chúng và tăng cường hiệu quả tăng cường của chúng.

Hiệu quả của việc sàng lọc hạt có thể được minh họa bằng một phép tính đơn giản: Giả sử hai khối kim loại có cùng thể tích V, bao gồm các hạt khối.

Nếu chiều dài cạnh thớ của khối 1 là 2a và của khối 2 là a, tổng diện tích ranh giới hạt của khối 2 gấp đôi khối 1.

Điều này có nghĩa là việc giảm kích thước hạt đi một nửa sẽ làm tăng gấp đôi diện tích ranh giới hạt, và giảm một nửa nồng độ tạp chất trên một đơn vị diện tích ranh giới hạt.

Vì 6063 hợp kim được sử dụng trong hồ sơ mờ, sàng lọc hạt là đặc biệt quan trọng.

Tốt hơn, các hạt đồng đều hơn đảm bảo rằng bề mặt biên dạng bị ăn mòn đồng đều trong quá trình phủ sương, dẫn đến sự nhất quán, lớp phủ mờ chất lượng cao.

Các máy tinh chế ngũ cốc phổ biến cho hợp kim nhôm bao gồm hợp kim chính Al-Ti-B, thường được thêm vào chất tan chảy với liều lượng 0,1–0,3% trọng lượng.

4. Công nghệ đúc của 6063 Hợp kim nhôm

Đúc là quá trình chuyển đổi nhôm nóng chảy tinh chế thành phôi rắn có kích thước xác định. Thông số quá trình đúc hợp lý là điều cần thiết để sản xuất phôi thép chất lượng cao.

Các điểm kỹ thuật chính sau đây phải được nhấn mạnh:

Lựa chọn nhiệt độ đúc tối ưu

Vì 6063 hợp kim tan chảy được xử lý bằng máy tinh chế ngũ cốc, nhiệt độ đúc tối ưu là 720–740°C. Phạm vi nhiệt độ này được xác định bởi các yếu tố sau:

1. Chất tan chảy được tinh chế bằng hạt có độ nhớt cao hơn và tốc độ đông đặc nhanh hơn; nhiệt độ đúc cao vừa phải đảm bảo tính lưu động tốt của chất nóng chảy và ngăn ngừa các khuyết tật đóng nguội.
2. Trong quá trình đúc, một vùng hai pha rắn-lỏng hình thành ở mặt trước hóa rắn của phôi.
   Nhiệt độ đúc cao vừa phải sẽ thu hẹp vùng hai pha này, tạo điều kiện cho khí thoát ra trong quá trình đông đặc và giảm khuyết tật về độ xốp.

Tuy nhiên, nhiệt độ đúc không được quá cao, vì nhiệt độ cao sẽ rút ngắn thời gian hiệu quả của máy nghiền hạt và dẫn đến cấu trúc hạt thô trong phôi..

Làm nóng sơ bộ hệ thống đúc

Tất cả các thành phần của hệ thống đúc, bao gồm cả việc giặt là, nhà phân phối, và khuôn, phải được làm nóng hoàn toàn trước và sấy khô ở nhiệt độ 200–300°C trước khi đúc.

Điều này ngăn chặn phản ứng giữa độ ẩm trên bề mặt của các thành phần này và sự nóng chảy của nhôm ở nhiệt độ cao., đó là nguồn ô nhiễm hydro chính.

Ngăn chặn sự hỗn loạn nóng chảy và sự bao gồm oxit

Trong quá trình đúc, sự hỗn loạn và bắn tung tóe của nhôm nóng chảy phải được giảm thiểu. Cần tuân thủ các hướng dẫn vận hành sau đây:

• Tránh khuấy tan chảy trong máy giặt hoặc nhà phân phối bằng dụng cụ, vì điều này sẽ phá vỡ màng oxit bảo vệ trên bề mặt tan chảy, dẫn đến sự hình thành các oxit mới.
• Đảm bảo rằng chất tan chảy chảy trơn tru vào khuôn dưới sự bảo vệ của màng oxit.
  Nghiên cứu cho thấy màng oxit nhôm có đặc tính hút ẩm mạnh, chứa xấp xỉ 2 trọng lượng% độ ẩm.
  Nếu những màng oxit này bị hút vào dung dịch nóng chảy, độ ẩm mà chúng chứa sẽ phản ứng với nhôm để tạo ra các tạp chất hydro và oxit, chất lượng phôi bị suy giảm nghiêm trọng.

Xử lý lọc nóng chảy

Lọc là phương pháp hiệu quả nhất để loại bỏ các tạp chất phi kim loại khỏi nhôm nóng chảy.

Vì 6063 đúc hợp kim, Hai phương pháp lọc phổ biến được sử dụng rộng rãi: lọc vải sợi thủy tinh nhiều lớp và lọc tấm lọc gốm.

Các điểm hoạt động chính bao gồm:

• Trước khi lọc, xỉ bề mặt của sự tan chảy phải được loại bỏ. Nên lắp đặt một vách ngăn xỉ trong lò giặt để tách xỉ bề mặt khỏi dòng chảy tan chảy, ngăn chặn bộ lọc bị tắc và đảm bảo quá trình lọc trơn tru.
• Bộ lọc phải được làm nóng trước ở cùng nhiệt độ với khối nóng chảy để tránh sốc nhiệt cho bộ lọc và ngăn ngừa sự hình thành các khuyết tật đóng nguội trong khối nóng chảy.

5. Xử lý đồng nhất 6063 Phôi hợp kim nhôm

Sự đông đặc không cân bằng và những ảnh hưởng của nó

Trong quá trình đúc, nhôm nóng chảy đông đặc lại nhanh chóng, dẫn đến sự đông đặc không cân bằng.

Trong sơ đồ pha nhị phân gồm hai phần tử A và B, khi hợp kim có thành phần F đông cứng lại,
thành phần pha rắn cân bằng ở nhiệt độ T1 phải là G, nhưng thành phần pha rắn thực tế là G’ do làm lạnh nhanh.

Điều này là do tốc độ khuếch tán của các nguyên tố hợp kim trong pha rắn chậm hơn tốc độ kết tinh, dẫn đến thành phần hóa học không đồng nhất trong hạt (Tức là, sự tách biệt).

Sự hóa rắn không cân bằng của 6063 phôi hợp kim dẫn đến hai vấn đề chính:

1. Ứng suất đúc dư tồn tại giữa các hạt;
2. Thành phần hóa học không đồng nhất trong hạt do sự phân chia.

Những vấn đề này làm tăng độ khó của quá trình ép đùn tiếp theo và làm giảm tính chất cơ học cũng như hiệu suất xử lý bề mặt của biên dạng cuối cùng..

Vì thế, xử lý đồng nhất là cần thiết cho phôi trước khi ép đùn.

Quy trình xử lý đồng nhất

Xử lý đồng nhất là một quá trình xử lý nhiệt trong đó phôi được giữ ở nhiệt độ cao (dưới nhiệt độ quá cháy) để loại bỏ ứng suất đúc và sự phân chia bên trong hạt.

Các thông số kỹ thuật chính như sau:

• Nhiệt độ đồng nhất: Nhiệt độ cháy quá mức của hệ ba ngôi Al-Mg-Si lý tưởng là 595°C,
  nhưng thực tế 6063 hợp kim chứa các nguyên tố tạp chất khác nhau, biến nó thành một hệ thống đa thành phần.
  Vì thế, nhiệt độ quá mức thực tế thấp hơn 595°C.
  Nhiệt độ đồng nhất tối ưu cho 6063 hợp kim là 530–550°C. Nhiệt độ cao hơn trong phạm vi này có thể rút ngắn thời gian giữ, tiết kiệm năng lượng, và nâng cao năng suất lò.
• Thời gian nắm giữ: Thời gian giữ phụ thuộc vào đường kính phôi và kích thước hạt.
  Các hạt mịn hơn yêu cầu thời gian giữ ngắn hơn vì khoảng cách khuếch tán của các nguyên tố hợp kim từ ranh giới hạt đến bên trong hạt ngắn hơn..

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng để xử lý đồng nhất

Xử lý đồng nhất đòi hỏi nhiệt độ cao và thời gian giữ lâu, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao và chi phí xử lý, đó là lý do tại sao nhiều nhà sản xuất hồ sơ bỏ qua quá trình này.

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả bao gồm:

1. Sàng lọc hạt: Như đã đề cập trước đó, hạt mịn hơn rút ngắn đáng kể thời gian giữ đồng nhất cần thiết, giảm tiêu thụ năng lượng.
2. Quá trình gia nhiệt tích hợp: Mở rộng lò nung phôi để ép đùn, và thực hiện kiểm soát nhiệt độ theo từng phần để đáp ứng cả yêu cầu về nhiệt độ đồng nhất và nhiệt độ ép đùn.
   Quá trình này có ba ưu điểm chính:

• • Không cần thêm lò đồng nhất;
  • Nhiệt lượng của phôi đồng nhất được tận dụng tối đa, tránh gia nhiệt nhiều lần trước khi đùn;
  • Gia nhiệt lâu dài đảm bảo phân bổ nhiệt độ đồng đều bên trong và bên ngoài phôi, có lợi cho việc ép đùn và xử lý nhiệt tiếp theo.

6. Đảm bảo chất lượng: đo lường và kiểm tra

Kiểm tra chấp nhận quan trọng trước khi phát hành ép đùn/đúc:

• Phân tích hóa học (MTR quang phổ đầy đủ): xác minh các nguyên tố hợp kim chính và tạp chất dạng vết - đặc biệt là Zn, Cu và Fe.
• Phân tích hydro / lấy mẫu độ xốp: hàm lượng hydro tan chảy (hoặc chỉ số độ xốp trên vật đúc mẫu) và chụp X quang/CT của phôi đại diện.
• Mức độ hòa nhập / hiệu quả lọc: kiểm tra quang học của bánh lọc, số lượng bao gồm vi mô từ phiếu giảm giá trong phòng thí nghiệm.
• Kích thước hạt và phân bố pha: kiểm tra kim loại sau khi hóa rắn mẫu; kích thước hạt ferit/α, giai đoạn thứ cấp.
• Kiểm tra cơ khí: độ bền kéo và độ cứng trên phiếu giảm giá để xác nhận phản ứng của dung dịch và hợp kim.

7. Các lỗi đúc thường gặp - nguyên nhân và cách khắc phục

8. Kỹ thuật nâng cao và cải tiến quy trình

• Khử khí siêu âm: tạo ra bọt khí để loại bỏ hydro và có thể phá vỡ màng oxit - hiệu quả trong một số hoạt động triển khai tại cửa hàng đối với các phôi nhỏ và vật đúc có giá trị cao.
• Khử khí / Đúc áp suất thấp: làm giảm nồng độ khí hòa tan và có thể cải thiện việc cho ăn; được sử dụng trong sản xuất cao cấp.
• Khuấy điện từ: khi áp dụng cẩn thận, tinh chế hạt và đồng nhất nhiệt độ; tránh sự nhiễu loạn quá mức ở mặt khuôn.
• Hồ sơ định lượng và nấu chảy tự động: bổ sung hợp kim chính xác, Kiểm soát quang phổ AR/IR, và nhật ký nấu chảy kỹ thuật số giúp giảm thiểu lỗi của con người và đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc.
• Công cụ mô phỏng: CFD để thiết kế cổng có nhiễu loạn thấp, và mô hình hóa rắn để tối ưu hóa độ dốc nhiệt và giảm thiểu các điểm nóng.

9. Môi trường, cân nhắc về an toàn và kinh tế

• Mối nguy hiểm xử lý thông lượng: muối clorua/florua có tính ăn mòn và hút ẩm; duy trì niêm phong, bảo quản khô. Cung cấp PPE và kiểm soát khói để sử dụng thông lượng.
• Quản lý năng lượng: nấu chảy và đồng nhất tốn nhiều năng lượng; hệ thống lò dàn,
  thu hồi nhiệt thải và tích hợp quy trình (phôi gia nhiệt trước bằng cách sử dụng nhiệt thải) mang lại sự tiết kiệm chi phí đáng kể.
• Phế liệu và tái chế: phân biệt phế liệu hợp kim có giá trị cao với vật liệu bị ô nhiễm; thực hiện các phương pháp nấu chảy để hạn chế các phần tử va chạm và duy trì chất lượng hợp kim.

10. Phần kết luận

Nguyên liệu đúc và ép đùn hợp kim nhôm chất lượng cao là sản phẩm của quá trình kiểm soát hợp kim có kỷ luật, quản lý tan chảy chính xác và thực hành hóa rắn được thiết kế tốt.

Đối với các hợp kim dòng 6xxx như 6063, thành công phụ thuộc vào việc duy trì lượng Mg chính xác: Nếu cân bằng, giữ các yếu tố tạp chất (đặc biệt là Zn) dưới ngưỡng thực tế cho chất lượng bề mặt,

tránh quá nóng chảy quá mức, sử dụng tinh chế hiệu quả (Bột + thanh lọc khí có kiểm soát), đạt được cấu trúc hạt mịn, và áp dụng sự đồng nhất thích hợp.

Thực hiện các biện pháp này cùng nhau - thay vì tách biệt - và kết quả sẽ là các đặc tính cơ học có thể dự đoán được, chất lượng bề mặt chắc chắn và ít tốn kém chi phí phế liệu hoặc sự kiện làm lại.

 

Câu hỏi thường gặp

Tại sao Zn <0.05 được khuyến nghị khi nhiều thông số kỹ thuật cho phép 0.10?

Trải nghiệm thực tế cửa hàng cho thấy Zn gần 0.1 thúc đẩy lốm đốm trắng sau quá trình oxy hóa/ủ; giảm xuống <0.05 giảm thiểu các khuyết tật bề mặt cho các cấu hình sáng/ép đùn.

Thông số nóng chảy nhạy cảm nhất là gì?

Nhiệt độ nóng chảy. Trên về 760 ° C. hydro hòa tan tăng mạnh và gây ra độ xốp và các khuyết tật khác; giữ nhiệt độ nóng chảy được kiểm soát và thời gian lưu trú tối thiểu.

Tinh chế bột và lưu lượng khí cao - cái nào tốt hơn?

Sử dụng lượng bột tinh chế dồi dào với lượng tối thiểu, dòng khí được kiểm soát. Dòng khí lớn tạo ra bong bóng lớn với thời gian lưu trú ngắn: khử khí kém và tăng nhiễu loạn.

Việc sàng lọc hạt có làm tăng khả năng chịu nhiệt độ đúc không?

Có - hỗn hợp nấu chảy được tinh chế từ hạt có hiệu quả chịu được nhiệt độ đúc cao hơn một chút (TYP. 720Mạnh740 ° C.) vì vùng nhão hẹp lại và việc cho ăn được cải thiện; nhưng quá nhiệt vẫn nên hạn chế.

Phế liệu đúc có thể được tái sử dụng một cách an toàn?

Đúng, nhưng giám sát các phần tử lang thang và phân tách theo họ hợp kim. Vật liệu tái chế làm tăng gánh nặng tạp chất và yêu cầu thực hành nấu chảy tinh tế hơn và kiểm soát MTR chặt chẽ hơn.