خصائص الألومنيوم المصبوب

1. ملخص تنفيذي

يجمع الألمنيوم المصبوب بين الكثافة المنخفضة, قوة محددة جيدة, قابلية صب ممتازة ومقاومة للتآكل مع مرونة عملية واسعة.

خصائصه تعتمد بقوة على كيمياء السبائك, طريقة الصب والعلاجات ما بعد الصب (على سبيل المثال, المعالجة الحرارية, التشطيب السطح).

فهم الثوابت الفيزيائية, المحركات المجهرية, تعد العلاقات بين العملية والملكية وأنماط الفشل الشائعة أمرًا ضروريًا لاختيار الألومنيوم المصبوب من أجل المتانة, خفيف الوزن, مكونات قابلة للتصنيع.

2. مقدمة - لماذا يعتبر الألمنيوم المصبوب مهمًا

تعتبر سبائك الألومنيوم أساسية في صناعة السيارات, الفضاء الجوي (الأجزاء غير الحرجة), البحرية, إلكترونيات المستهلك, انتقال الطاقة, المبادلات الحرارية, والمعدات الصناعية العامة.

يختار المصممون الألمنيوم المصبوب عندما تكون الهندسة معقدة, ميزات متكاملة, انخفاض وزن الجزء (قوة/صلابة محددة), ويتطلب الأمر مقاومة معقولة للتآكل.

الاستئناف هو مزيج من الأداء البدني, الاقتصاد التصنيعي على نطاق واسع, وقابلية إعادة التدوير.

3. الخصائص الفيزيائية للألمنيوم المصبوب

4. علم المعادن والبنية الدقيقة للألمنيوم المصبوب

يقذف سبائك الألومنيوم تعتمد عادة على الألومنيوم (آل) مصفوفة مع الإضافات التي تسيطر عليها:

• عائلة السي (سيلومين) هي عائلة الصب الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأن السيليكون يحسن السيولة, يقلل من الانكماش, ويخفض نطاق الانصهار.
  البنية المجهرية: مصفوفة α-Al التغصنية مع جزيئات Si سهلة الانصهار; يؤثر شكل وتوزيع Si بشدة على القوة, ليونة وارتداء.
• آل سي ملغ السبائك قابلة للمعالجة بالحرارة (تصلب العمر عن طريق رواسب مثل Mg₂Si).
• آل النحاس والزنك توفر السبائك المصبوبة قوة أعلى ولكن يمكن أن تكون ذات مقاومة أقل للتآكل وتتطلب معالجة حرارية دقيقة.
• intermetallics (مراحل غنية بالحديد, ج- إلى مراحل) تتشكل أثناء التصلب وتؤثر على الخواص الميكانيكية وقابلية التشغيل الآلي.
  الكيمياء والمعالجة الخاضعة للرقابة (على سبيل المثال, Mn لتعديل الحديد) تستخدم للحد من التشكلات المعدنية الضارة.
• الفصل التشعبي متأصل في التصلب: التشعبات α-Al الأولية والسهلة بين التشعبات; تباعد ذراع التشعبات الدقيقة (تبريد سريع) بشكل عام يحسن الخواص الميكانيكية.

آليات التحكم المجهرية الهامة:

• تحسين الحبوب (ل, ب-إضافات أو لقاحات تكرير الحبوب) يقلل من التمزق الساخن ويحسن الخواص الميكانيكية.
• تعديل (على سبيل المثال, ريال, Na لتعديل Si) يحول Si الشبيه باللوحة إلى أشكال ليفية/مدورة لتحسين الليونة والمتانة.
• التفريغ والتحكم بالهيدروجين حاسمة: الهيدروجين المذاب يسبب مسامية الغاز; إن تفريغ الغازات والتعامل مع الذوبان المناسب يقلل من المسامية ويحسن التعب.

5. الخصائص الميكانيكية (قوة, ليونة, صلابة, تعب)

القوة والليونة

• تمتد سبائك الألومنيوم المصبوبة على نطاق واسع من القوة/الليونة.
  عادةً ما تقع قوة الشد المصبوبة لسبائك صب Al-Si الشائعة في نطاق المئات الأدنى إلى المتوسط ​​من MPa عند المعالجة الحرارية; غير معدلة, الهياكل المجهرية الخشنة سهلة الانصهار والمسامية تقلل القوة والاستطالة.
• العلاجات الحرارية (علاج الحل, إخماد, الشيخوخة الاصطناعية - تسمى عادة T6) يعجل مراحل التعزيز (على سبيل المثال, mg₂si) ويمكن أن تزيد بشكل كبير من العائد وقوة الشد النهائية.

صلابة

• ترتبط الصلابة بالسبائك, محتوى Si الأساسي, والمعالجة الحرارية. سبائك آل سي مفرطة النشاط (عالية سي) وتظهر السبائك المعالجة بالحرارة صلابة أكبر ومقاومة للتآكل.

تعب

• الألمنيوم المصبوب بشكل عام لديه انخفاض أداء التعب من السبائك المطاوع من قوة الشد مماثلة لعيوب الصب (المسامية, أفلام الأكسيد, انكماش) بمثابة مواقع بدء الكراك.
  حياة التعب حساسة للغاية لجودة السطح, المسامية, وميزات الشق.
• تحسين التعب: تقليل المسامية (degassing, التصلب المتحكم فيه), صقل البنية المجهرية, رصاصة أو الانتهاء من السطح, واستخدام التصميم لتقليل تركيزات الإجهاد.

التعرق وارتفاع درجة الحرارة

• سبائك الألومنيوم لها قوة محدودة في درجات الحرارة العالية مقارنة بالفولاذ; يصبح الزحف ذا صلة أعلى من 150-200 درجة مئوية تقريبًا للعديد من سبائك الصب.
  يتطلب اختيار درجات الحرارة المرتفعة المستمرة سبائك خاصة وبدلات تصميم.

6. الخصائص الحرارية والكهربائية

• الموصلية الحرارية: يحتفظ الألمنيوم المصبوب بالتوصيل الحراري الجيد مقارنة بمعظم المعادن الإنشائية, مما يجعلها مناسبة لبالوعة الحرارة, العلب والمكونات التي يكون فيها نقل الحرارة مهمًا.
  لكن, سبائك, المسامية والبنية المجهرية تقلل من الموصلية مقارنة بـ Al النقي.
• التمدد الحراري: CTE مرتفع نسبيًا (~22–24×10⁻⁶ ك⁻¹) يتطلب التسامح الدقيق والتصميم المشترك مع مواد CTE أقل (فُولاَذ, السيراميك) لتجنب الإجهاد الحراري أو فشل الختم.
• الموصلية الكهربائية: أقل في السبائك المصبوبة من Al النقي; لا يزال يستخدم حيث تكون الموصلية الخاصة بالوزن مهمة (على سبيل المثال, البقر, العلب جنبا إلى جنب مع الموصلات).

7. التآكل والسلوك البيئي

• حماية الأكسيد الأصلي: الألومنيوم يشكل تلقائيا رقيقة, طبقة أكسيد Al₂O₃ ملتصقة توفر مقاومة عامة جيدة للتآكل في العديد من الأجواء.
• تأليب في بيئات الكلوريد: في البيئات العدوانية التي تحتوي على كلوريد (دفقة بحرية, أملاح التذويب), يمكن أن يحدث تأليب موضعي أو تآكل شق, خاصة عندما تنشئ المواد البينية المعدنية مواقع كلفانية دقيقة.
• اعتبارات كلفانية: عندما يقترن بمعادن أكثر نبيلة (على سبيل المثال, الفولاذ المقاوم للصدأ), الألومنيوم هو أنوديك وسوف يتآكل بشكل تفضيلي إذا تم توصيله كهربائيًا في المنحل بالكهرباء.
• تدابير وقائية: اختيار سبائك, الطلاء (الأنود, طلاءات التحويل, الدهانات, معطف مسحوق), تعمل المواد المانعة للتسرب في المفاصل والتصميم لتجنب الشقوق على تحسين أداء التآكل على المدى الطويل.

8. عمليات الصب وكيفية تأثيرها على الخصائص

تنتج طرق الصب المختلفة هياكل مجهرية مميزة, تشطيب السطح, التفاوتات والخصائص الميكانيكية:

• صب الرمال: تكلفة الأدوات المنخفضة, مرونة التصميم الجيد, البنية المجهرية الخشنة, ارتفاع خطر المسامية, الانتهاء من السطح الخام. نموذجية للكبيرة, أجزاء منخفضة الحجم. الخواص الميكانيكية أقل عمومًا من الصب بالقالب.
• يموت (الضغط العالي) صب: رقيقة الجدران, توثيق التسامح, تشطيب سطحي ممتاز ومعدلات إنتاج عالية.
  ينتج عن التصلب السريع بنية مجهرية دقيقة وخصائص ميكانيكية جيدة, لكن المسبوكات غالبًا ما تحتوي على غاز ومسامية انكماش; العديد من السبائك المصبوبة غير قابلة للمعالجة الحرارية بنفس طريقة سبائك Al-Si-Mg المصبوبة بالرمل.
• صب القالب الدائم (جاذبية): تحسين البنية المجهرية مقابل صب الرمل (المسامية السفلية, خصائص ميكانيكية أفضل), تكلفة الأدوات المعتدلة.
• استثمار (خاسر الشمع) صب: تشطيب سطحي ممتاز وهندسة معقدة, تستخدم للأجزاء الدقيقة بأحجام معتدلة.
• الطرد المركزي الصب / الضغط: مفيد عندما تكون هناك حاجة إلى سلامة عالية وترسيخ اتجاهي (أجزاء أسطوانية, المسبوكات للتطبيقات التي تحتوي على الضغط).

مقايضات العملية والملكية:

• تبريد أسرع (يموت الصب, العفن الدائم مع قشعريرة) → تباعد ذراع التغصنات الدقيقة → قوة وليونة أعلى.
• السيطرة على المسامية (degassing, صب الضغط) → حاسم للتطبيقات الحساسة للتعب.
• يعتمد الاختيار الاقتصادي على حجم الجزء, تعقيد, تكلفة الوحدة ومتطلبات الأداء.

9. المعالجة الحرارية, سبائك, والتحكم في البنية المجهرية

يلخص هذا القسم كيفية كيمياء السبائك, تتفاعل ممارسة الصب والمعالجة الحرارية بعد الصب لتحديد البنية المجهرية، وبالتالي الميكانيكية, خصائص التعب والتآكل - من الألومنيوم المصبوب.

عناصر صناعة السبائك الرئيسية وآثارها

تساقط (عمر) تصلب - الآليات والمراحل

العديد من سبائك Al – Si – Mg المصبوبة قابلة للمعالجة الحرارية من خلال تصلب الترسيب (عائلات درجة الحرارة T). التسلسل العام:

1. علاج الحل - عقد عند درجة حرارة مرتفعة لإذابة المراحل القابلة للذوبان (على سبيل المثال, mg₂si) إلى محلول صلب مفرط التشبع متجانس.
   تكون درجات حرارة المحاليل النموذجية لسبائك الصب Al – Si الشائعة عالية بما يكفي للاقتراب ولكنها لا تتجاوز الانصهار الأولي; مرات تعتمد على سمك القسم.
2. إخماد - التبريد السريع (إخماد الماء, إخماد البوليمر) للاحتفاظ بمحلول صلب مفرط التشبع في درجة حرارة الغرفة.
   يجب أن يكون معدل التبريد كافيًا لتجنب هطول الأمطار المبكر الذي يقلل من احتمالية التصلب.
3. شيخوخة - إعادة التسخين الخاضعة للرقابة (الشيخوخة الاصطناعية) لترسيب جزيئات تقوية دقيقة (على سبيل المثال, mg₂si) التي تعيق حركة الخلع.
   غالبًا ما تكون هناك حالة صلابة الذروة (ذروة العمر); مزيد من الشيخوخة يسبب الخشونة والشيخوخة (انخفاض القوة, زيادة ليونة).

تبدأ مراحل هطول الأمطار عادةً من غينير-بريستون (جي بي) المناطق (متماسك, جيد جدًا) ← رواسب ناعمة شبه متماسكة ← رواسب خشنة غير متماسكة.

تنتج الرواسب المتماسكة/شبه المتماسكة أقوى تأثير تقوية.

اثنين من التسميات المزاجية المشتركة:

• T6 - معالجة بالحل, مروي والشيخوخة بشكل مصطنع إلى ذروة القوة (شائع لـ A356/T6 والسبائك المماثلة).
• T4 - طبيعي (درجة حرارة الغرفة) الشيخوخة بعد الإرواء (لا خطوة الشيخوخة الاصطناعية) — يعطي توازن خاصية مختلفة ويستخدم في تطبيقات معينة.

نتيجة عملية: سبائك الزهر القابلة للمعالجة بالحرارة (عائلة السي-مج) يمكن أن تزيد قوة الشد وقوة الخضوع بشكل كبير من خلال معالجة T6, في كثير من الأحيان على حساب بعض الليونة وزيادة الحساسية لعيوب الصب (إخماد المطالب, تشويه).

الأساليب المتقدمة والعلاجات المتخصصة

• التراجع وإعادة الشيخوخة (RRA): تستخدم في بعض السبائك المطاوع لاستعادة الخصائص بعد الرحلات الحرارية; أقل شيوعًا بالنسبة للمسبوكات ولكنها قابلة للتطبيق في الحالات المتخصصة.
• الشيخوخة على خطوتين أو الشيخوخة متعددة المراحل: يمكن تحسين توازن القوة والليونة; وصفات محددة ضبطها للسبائك والقسم.
• السبائك الدقيقة باستخدام Zr/Sc/Be: في سبائك الأداء Zr أو Sc تشكل مشتتات تعمل على تثبيت نمو الحبوب أثناء المعالجة الحرارية وتحسين الاستقرار في درجات الحرارة العالية; النظر في التكلفة مرتفع.
• الضغط المتساوي الساخن (خاصرة): يقلل من المسامية الداخلية ويمكن أن يحسن عمر التعب للمسبوكات عالية النزاهة (صب الاستثمار, أجزاء الطيران عالية القيمة).

10. التشطيب السطحي واعتبارات الانضمام

• الأنود: سماكة الكهروكيميائية للأكسيد للارتداء, مقاومة التآكل والانتهاء من مستحضرات التجميل. جيدة للمسبوكات إذا كانت مصممة لتوزيع تيار موحد.
• طلاءات التحويل (بدائل الكرومات أو غير الكروم): تحسين التصاق الطلاء ومقاومة التآكل; تم استخدام الكرومات تاريخيًا ولكن تم استبدالها بشكل متزايد لأسباب بيئية.
• تلوين / طلاء مسحوق: شائع للجماليات والحماية المضافة من التآكل; الإعدادية السطح (تنظيف, النقش) أمر بالغ الأهمية.
• الآلات: يتم تصنيع الألمنيوم المصبوب بشكل جيد بشكل عام, وخاصة سبائك Al–Si ذات درجات التصنيع المجانية التي تم تطويرها من أجل الصب بالقالب. تؤثر المعادن البينية وجزيئات Si الصلبة على تآكل الأداة.
• لحام: يمكن لحام العديد من السبائك المصبوبة, ولكن يجب توخي الحذر: يمكن أن تؤدي المناطق المتأثرة بالحرارة إلى حدوث تشققات أو مسامية; غالبًا ما يتطلب إصلاح اللحام تسخينًا مسبقًا, معادن الحشو المناسبة وعلاجات ما بعد اللحام.
  يصعب لحام بعض السبائك المصبوبة ذات نسبة Si العالية ويتم إصلاحها ميكانيكيًا بشكل أفضل.

11. الاستدامة, الاقتصاد, واعتبارات دورة الحياة

• Recyclabality: الألومنيوم قابل لإعادة التدوير بدرجة كبيرة; معاد تدويره (ثانوي) يقلل الألومنيوم بشكل كبير من استخدام الطاقة مقابل الإنتاج الأولي (توفير الطاقة الذي يتم الاستشهاد به بشكل شائع يصل إلى 90% تقريبًا مقارنة بالألمنيوم الأولي).
• تكاليف دورة الحياة: غالبًا ما يقلل وزن الجزء السفلي من طاقة التشغيل في تطبيقات النقل; يجب أن تكون تكاليف الصب الأولية متوازنة مع الصيانة, الطلاءات وإعادة التدوير في نهاية العمر.
• دائرية المواد: تتم إعادة صهر قصاصات الصب والأجزاء منتهية الصلاحية بسهولة; هناك حاجة إلى مراقبة دقيقة للسبائك لتجنب تراكم الشوائب (Fe كونها مشكلة شائعة).

12. التحليل المقارن: يلقي الألومنيوم مقابل. المنافسين

13. الاستنتاجات

يلقي الألومنيوم هو متعدد الاستخدامات, مواد هندسية عالية القيمة يتم تحديد أدائها من خلال كيمياء السبائك وعلاجات ما بعد العملية كما هو الحال مع المعدن نفسه.

عندما يتم تحديدها بشكل صحيح, إنتاجها وصيانتها, يوفر الألمنيوم المصبوب مزيجًا رائعًا من كثافة منخفضة, قوة محددة جيدة, الموصلية الحرارية العالية, مقاومة التآكل و castability ممتازة- المزايا التي تجعلها المادة المفضلة لعلب السيارات, مكونات التبادل الحراري, حاويات التحكم والعديد من التطبيقات الاستهلاكية والصناعية.

 

الأسئلة الشائعة

يعتبر الألمنيوم المصبوب أضعف من الألمنيوم المطاوع?

ليس بطبيعته; يمكن للعديد من السبائك المصبوبة تحقيق نقاط قوة تنافسية, خاصة بعد المعالجة الحرارية.

لكن, المسبوكات أكثر عرضة للعيوب الخاصة بالصب (المسامية, الادراج) التي تقلل من أداء التعب مقارنة بالمطاوع, سبائك مشغولة ومشكله.

أي عملية صب تعطي أفضل الخواص الميكانيكية؟?

العمليات التي تعزز السريع, التصلب المتحكم فيه والمسامية المنخفضة (قالب دائم, يموت الصب مع التفريغ المناسب, الضغط) عادةً ما تنتج خواص ميكانيكية أفضل من مصبوبات الرمل الخشن.

يمكن معالجة الألمنيوم بالحرارة?

نعم، العديد من سبائك الصب Al–Si–Mg قابلة للمعالجة الحرارية (نوع T6) لزيادة القوة بشكل كبير عن طريق العلاج بالمحلول, إخماد, والشيخوخة.

كيف يمكنني منع المسامية في المسبوكات?

تقليل الهيدروجين المذاب (degassing), التحكم في ذوبان الاضطراب, استخدام النابضة المناسبة والارتفاع, تطبيق الترشيح, وتحسين درجة حرارة الصب وتصميم القالب.

يعتبر الألمنيوم المصبوب جيدًا للبيئات البحرية?

يوفر الألومنيوم مقاومة عامة جيدة للتآكل بسبب تكوين الأكسيد السلبي ولكنه عرضة للتنقر الموضعي الناجم عن الكلوريد والتآكل الجلفاني; اختيار سبيكة مناسبة (سبائك من الدرجة البحرية), الطلاء والتصميم مطلوبان للخدمة البحرية طويلة المدى.