Uso de cloruro de manganeso para refinar los granos de aleación de aluminio

La presencia de granos gruesos o irregulares es un problema común en la producción de lingotes y piezas fundidas de aluminio. Puede aparecer cuando el metal fundido tiene pocos puntos de nucleación efectivos, cuando las condiciones de enfriamiento varían durante la fundición o cuando el refinador de grano no funciona como se espera.

Cloruro de manganeso (MnCl2) En ocasiones se utiliza durante el tratamiento térmico del aluminio fundido. Su principal utilidad reside en el refinado del metal fundido y la adición de manganeso. Los cambios en la pureza del metal fundido, los gases disueltos, las inclusiones y la composición química de la aleación pueden afectar la estructura final de solidificación.

¿Por qué se vuelven gruesos los granos de las aleaciones de aluminio?

El tamaño del grano se controla durante la solidificación. La estructura final depende tanto de la formación de nuevos granos como del crecimiento de los ya existentes.

En la producción, por lo tanto, los granos gruesos rara vez se deben a un solo factor.

1. Nucleación efectiva insuficiente

Para que se formen granos equiaxiales finos, se necesitan suficientes núcleos efectivos en toda la masa fundida.

Por ello, los refinadores de grano de aluminio comerciales suelen contener partículas diseñadas para promover la nucleación heterogénea. Las aleaciones madre Al-Ti-B y Al-Ti-C son ejemplos comunes.

Si la nucleación es insuficiente, comienzan a crecer menos granos. De esta manera, cada grano puede ocupar un volumen mayor antes de encontrarse con los granos vecinos.

El resultado es una estructura más tosca.

Esto puede ocurrir cuando:

• Se añade muy poco refinador de grano;
• El refinador de grano está mal disperso;
• Las partículas se sedimentan durante largos períodos de retención;
• La composición química de la aleación reduce la eficacia del refinador de grano seleccionado;
• La temperatura de fusión y el tiempo de mantenimiento no están bien controlados.

No siempre se puede aumentar la cantidad de refinador de grano. El rendimiento del refinado depende de la composición de la aleación, el tipo de refinador, la cantidad añadida, el tiempo de retención y las condiciones de enfriamiento.

2. Limpieza de la masa fundida, hidrógeno e inclusiones

La calidad de la fusión y el refinamiento del grano están relacionados, pero no son el mismo proceso.

Los óxidos y otras inclusiones no metálicas pueden quedar atrapados en el metal fundido durante la carga, la transferencia, la agitación y el mantenimiento de la temperatura. El hidrógeno disuelto también puede producir porosidad durante la solidificación.

Estos defectos afectan a la calidad del lingote incluso cuando el tamaño del grano es aceptable.

Esta distinción es importante al evaluar el cloruro de manganeso.

Un tratamiento que reduce el hidrógeno o ayuda a separar las inclusiones puede mejorar la calidad y la consistencia de la fundición, pero esto no significa automáticamente que el material esté actuando como un refinador de grano convencional.

En la práctica, el refinado de la masa fundida y el refinado del grano deben tratarse como dos pasos de control conectados pero separados.

3. Condiciones de refrigeración inestables

Incluso una masa fundida tratada correctamente puede desarrollar diferentes estructuras de grano cuando el enfriamiento es desigual.

La superficie de un lingote pierde calor más rápido que el centro. Por lo tanto, los lingotes grandes presentan un mayor riesgo de diferencias entre el borde y el núcleo.

La velocidad de colada, la temperatura del molde, las condiciones del agua de refrigeración, la temperatura de fusión y el diámetro del lingote pueden modificar las condiciones de solidificación.

Un enfriamiento más rápido generalmente limita el crecimiento del grano. Un enfriamiento más lento da a los granos existentes más tiempo para crecer.

Esta es una de las razones por las que un problema de tamaño de grano que aparece solo en el centro de un lingote no debe atribuirse inmediatamente a la composición química del metal fundido.

También se debe revisar el sistema de refrigeración.

¿Cuáles son las soluciones tradicionales para el tamaño de grano grueso en las aleaciones de aluminio?

No existe un único tratamiento para todos los problemas de grano grueso. La solución correcta depende de si la causa principal es la nucleación, la calidad del metal fundido, la composición de la aleación o el enfriamiento.

1. Aumentar o estabilizar la refrigeración.

Cuando el tamaño del grano varía considerablemente entre la superficie y el centro de una pieza, se deben comprobar primero las condiciones de enfriamiento.

Los posibles ajustes incluyen:

• flujo de agua de refrigeración;
• distribución de agua;
• velocidad de lanzamiento;
• estado del moho;
• fusión sobrecalentamiento;
• temperatura de vertido.

El objetivo no es simplemente conseguir que el enfriamiento sea lo más rápido posible.

Los gradientes de temperatura muy grandes pueden generar otros problemas de fundición. El objetivo es lograr una solidificación estable y controlada en toda la sección.

Para lingotes grandes, el ajuste de la refrigeración por sí solo puede no ser suficiente para producir la estructura granular requerida. Normalmente se utiliza un refinador de grano adecuado junto con un sistema de control de procesos.

2. Utilice refinadores de granos Al-Ti-B o Al-Ti-C

Para aleaciones de aluminio como 6063, Al-Ti-B y Al-Ti-C son sistemas de refinación de grano establecidos.

Las aleaciones maestras de Al-Ti-B contienen fases como TiB₂ y Al₃Ti. Su efecto se debe a la interacción entre las partículas nucleantes y los elementos disueltos durante la solidificación.

El objetivo es aumentar el número de granos que se forman y reducir el crecimiento de estructuras columnares gruesas.

La aleación Al-Ti-C es otra opción utilizada en el procesamiento del aluminio.

La elección correcta depende de la aleación.

El silicio, el circonio y otros elementos pueden alterar el rendimiento de algunos sistemas de refinamiento de grano. El nivel de adición y el tiempo de mantenimiento también son importantes, ya que las partículas pueden aglomerarse, sedimentarse o perder eficacia durante un mantenimiento prolongado en estado fundido.

Por esta razón, cuando un productor 6063 tiene un verdadero problema de nucleación de grano, Normalmente, se debe evaluar el Al-Ti-B o el Al-Ti-C antes que el cloruro de manganeso.

3. Mejorar el refinado de la masa fundida y el proceso de fusión.

El tamaño del grano no debe evaluarse por separado de la calidad de la fusión.

El hidrógeno, las películas de óxido y las inclusiones en suspensión pueden contribuir a la porosidad y otros defectos de fundición. Para mejorar la limpieza del metal fundido, se suelen utilizar fundentes de sal, tratamiento con gas inerte, filtración y manipulación controlada del metal fundido.

Esta es la zona donde el cloruro de manganeso cobra mayor relevancia.

El MnCl2 se ha utilizado como componente de agentes refinadores de aluminio y aditivos de manganeso. En aluminio fundido, puede participar en reacciones que generan compuestos volátiles. cloruro de aluminio especies mientras el manganeso entra en el metal.

La consiguiente liberación de gases puede ayudar en el tratamiento del metal fundido, mientras que el manganeso restante modifica la composición química de la aleación.

Esto es diferente a añadir partículas que contengan TiB₂ específicamente para proporcionar sitios de nucleación.

¿Por qué se utiliza el cloruro de manganeso en la fusión de aleaciones de aluminio?

Cloruro de manganeso Tiene varias funciones posibles en el procesamiento del aluminio, pero deben estar claramente diferenciadas.

1. El MnCl₂ puede utilizarse como componente para el refinado de metales fundidos.

Las sales a base de cloruro tienen una larga historia en el tratamiento de aluminio fundido.

Se utilizan en sistemas de fundente para fines tales como la cobertura de la masa fundida, la separación del metal de la escoria, la eliminación de inclusiones y el refinado. Los fundentes industriales suelen combinar varios cloruros y fluoruros en lugar de depender de una sola sal.

El cloruro de manganeso es uno de los cloruros que se han utilizado en formulaciones para el refinado de aluminio.

Cuando el MnCl₂ entra en contacto con aluminio fundido, este puede reducir el compuesto de manganeso. El manganeso pasa a la masa fundida, mientras que se pueden formar especies volátiles de cloruro de aluminio.

El gas generado en el material fundido puede ayudar a transportar el gas disuelto y el material en suspensión hacia la superficie.

Esta es la razón principal por la que es más preciso describir el cloruro de manganeso como un material para el tratamiento de la fusión y la adición de manganeso, en lugar de un refinador de grano de aluminio estándar.

2. El MnCl₂ puede introducir manganeso en el aluminio fundido.

Otra diferencia importante entre el MnCl₂ y los componentes fundentes comunes a base de NaCl/KCl es que el manganeso no necesariamente forma parte únicamente de la escoria.

Parte del manganeso puede entrar en la masa fundida de aluminio.

Esto puede resultar útil cuando se requiere la adición de manganeso, pero también significa que el MnCl₂ no puede tratarse como una sal de refinación químicamente neutra.

El contenido final de Mn debe comprobarse comparándolo con las especificaciones de la aleación objetivo.

Este punto es especialmente importante para aleaciones como la 6061 y la 6063, donde los límites de composición están controlados.

Agregar más MnCl₂ en un intento por obtener una acción de refinamiento más fuerte puede cambiar la composición de la aleación fuera del rango requerido.

Por lo tanto, para los ensayos de producción, la recuperación de Mn debe medirse en lugar de asumirse.

3. El manganeso puede modificar las fases intermetálicas ricas en hierro.

El manganeso también desempeña un papel metalúrgico en muchas aleaciones de aluminio.

Un efecto importante es su interacción con las fases intermetálicas que contienen hierro. Dependiendo de la composición química de la aleación y las condiciones de solidificación, el Mn puede modificar la composición y la morfología de las fases ricas en Fe.

Esto puede mejorar la microestructura en aleaciones donde los compuestos intermetálicos ricos en hierro representan un problema.

Pero este efecto no debe confundirse con el refinamiento del grano primario de α-Al.

Modificar una fase secundaria perjudicial y crear más núcleos de grano de aluminio son dos mecanismos diferentes.

4. El MnCl₂ puede contribuir indirectamente a los resultados del control de granos.

Esto explica por qué algunas observaciones de producción pueden parecer indicar que el cloruro de manganeso "refina los granos".“

Supongamos que una planta añade MnCl₂ y luego observa:

• limpiador derretido;
• menor porosidad;
• menos inclusiones;
• fases ricas en hierro modificadas;
• estructura de lingote más estable;
• mejor procesamiento posterior.

Es evidente que el tratamiento puede resultar útil.

Pero el resultado no prueba que el MnCl₂ se haya convertido en un refinador de grano nucleante activo comparable con el Al-Ti-B.

La mejora puede deberse a varios cambios que se produzcan al mismo tiempo.

Por este motivo, las plantas que realizan pruebas con cloruro de manganeso deben medir por separado el tamaño del grano, el hidrógeno, el nivel de inclusiones y el contenido de Mn.

Eso facilita mucho determinar qué es lo que realmente está cambiando el tratamiento.

Cloruro de manganeso frente a Al-Ti-B: Resuelven problemas diferentes

Esta distinción resulta útil a la hora de solucionar problemas de producción.

Si el problema principal son los granos grandes de α-Al, primero hay que investigar el rendimiento del refinador de grano y las condiciones de solidificación.

Si el problema es hidrógeno, inclusiones, escoria o una limpieza deficiente del metal fundido, investigue el sistema de refinación.

Si ambos fenómenos ocurren al mismo tiempo, el proceso puede requerir ambos tratamientos.

No cabe esperar que el cloruro de manganeso sustituya a todos ellos.

Uso de cloruro de manganeso en el tratamiento de aluminio fundido

El grado de MnCl₂ requerido y el método de tratamiento dependen de la aleación y del propósito del proceso.

Un factor merece especial atención: el agua.

Las sales de cloruro pueden contener humedad, y algunos tipos son higroscópicos. Introducir humedad en el aluminio fundido es indeseable, ya que puede aumentar la absorción de hidrógeno en lugar de reducirla.

Por este motivo, la forma y el nivel de humedad del cloruro de manganeso son importantes.

El cloruro de manganeso anhidro es más adecuado para aplicaciones metalúrgicas de alta temperatura que el material hidratado cuando el proceso requiere contacto directo con metal fundido.

El almacenamiento también es importante. El producto debe permanecer sellado y protegido de la humedad antes de su uso.

Otros parámetros que deben controlarse durante un ensayo de planta incluyen:

• pureza del MnCl₂;
• contenido de humedad;
• cantidad adicional;
• temperatura de fusión;
• tiempo de contacto;
• método de agitación;
• eliminación de escoria;
• concentración final de Mn;
• nivel de hidrógeno;
• Tamaño del grano antes y después del tratamiento.

La adición óptima no puede definirse únicamente a partir de la concentración de MnCl₂.

Una dosis que funciona para una composición de fusión puede no ser adecuada para otra.

¿Debería utilizar cloruro de manganeso para solucionar un problema de grano grueso?

No empieces preguntando:

“¿Cuánto cloruro de manganeso debo añadir?”

Comience por identificar el defecto.

Si el tamaño del grano es grande, pero los niveles de hidrógeno e inclusiones son normales, revise primero el refinador de grano, las condiciones de enfriamiento y el tiempo de retención.

Si el lingote presenta porosidad o inclusiones excesivas, se debe investigar el refinado por fusión.

Si también es necesario ajustar las fases ricas en Fe o el contenido de Mn, la adición de manganeso se convierte en otra parte del cálculo.

El MnCl₂ cobra mayor relevancia cuando tanto el refinado de la masa fundida como la introducción de manganeso resultan útiles para el proceso.

Para un requisito de refinamiento de grano puro, el sistema de refinamiento de grano específico para aleación Al-Ti-B, Al-Ti-C u otra aleación similar suele ser el enfoque más directo.

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Para aplicaciones de fundición de aluminio, los clientes pueden consultar con nosotros sobre la pureza requerida, el control de la humedad, la forma del producto y el embalaje antes de realizar el pedido.

Si está evaluando el cloruro de manganeso para una formulación de refinación de aluminio o un proceso de adición de manganeso, indique el grado de aleación de aluminio, el proceso de tratamiento actual y la especificación de MnCl₂ requerida. Esto facilita la selección del producto y evita considerar el cloruro de manganeso como un aditivo universal para la refinación de granos.

Para obtener información sobre especificaciones, muestras, embalaje y suministro a granel de cloruro de manganeso, póngase en contacto con Foconsci Chemical.