Legiranje elemenata u aluminijumu livenom pod pritiskom

Uvod

Die Casting nameće vrlo specifična ograničenja: Brzo punjenje, visoke stope hlađenja, Tanke presjeke, i ekstremna osjetljivost na unesene plinove, oksidi i intermetali.

Pokretači dizajna obično uključuju: Tanka zidna kavana, tačnost dimenzija, statička čvrstoća, Umorni performanse, Otpornost na koroziju, otpornost na habanje i termičku stabilnost.

Legiranje određuje ponašanje topljenja/stvrdnjavanja i konačnu mikrostrukturu, i stoga podupire svaki od ovih pokretača.

Razumijevanje efekata pojedinačnih elemenata i njihovih interakcija je bitno za izbor metalurški ispravnih legura.

Legure aluminijuma livene pod pritiskom su projektovane na bazi čistog aluminijuma (lagani metal sa specifičnom težinom od ~2,7 g/cm³), koji inherentno pokazuje nisku mehaničku čvrstoću, loša sposobnost livenja, i ograničenu otpornost na habanje,

što ga čini neprikladnim za strukturne ili funkcionalne komponente u automobilskoj industriji, vazduhoplovstvo, hidraulički, i elektronske industrije.

Za prevazilaženje ovih ograničenja, ključni legirajući elementi su strateški dodani kako bi se prilagodila mikrostruktura legure, ponašanje pri bacanju, i performanse usluge.

Primarni legirajući elementi uključuju silicijum (I), bakar (Cu), i magnezijum (Mg), dok gvožđe (FE), mangan (MN), cink (ZN), i drugi elementi u tragovima djeluju kao kontrolirani aditivi ili nečistoće za fino podešavanje obradivosti i svojstava.

1. Primarni legirani elementi: Definiranje osnovnih performansi

Primarni legirajući elementi se dodaju u relativno visokim koncentracijama (obično ≥1 tež.%) i odgovorni su za osnovnu klasifikaciju i osnovna svojstva livenog pod pritiskom aluminijum legure.

Silicijum, bakar, i magnezijum su najkritičniji, pošto direktno upravljaju mogućnošću livenja, snaga, i otpornost na koroziju—tri ključna kriterijuma za odabir legure.

Silicijum (I): Kamen temeljac livenosti

Silicijum je najdominantniji legirajući element u gotovo svim komercijalnim legurama aluminijuma livenog pod pritiskom, sa tipičnim koncentracijama u rasponu od 7-18 tež.%.

Njegova primarna uloga je da drastično poboljša fluidnost rastaljene i smanji defekte očvršćavanja, a istovremeno doprinosi snazi, ukočenost, i dimenziona stabilnost – što ga čini nezamjenjivim za složeno livenje, Tanke zidne komponente.

Ovo je posebno važno za livenje pod visokim pritiskom (HPDC), gdje rastopljeni metal mora ispuniti mikrošupljine (debljina zida ≤0,6 mm) pri velikim brzinama (2–5 m/s) bez hladnog zatvaranja ili propusta.

Mehanizmi djelovanja:

• Poboljšana fluidnost: Ako snižava temperaturu tečnosti aluminijuma (iz 660 °C za čisti Al do 570–600 °C za Al-Si legure) i smanjuje viskozitet rastaljenog metala smanjenjem atomskih sila vezivanja.
  Visoka toplota kristalizacije Si takođe produžava rastopljeno stanje, produženje dužine protoka.
  Prema podacima NADCA testa, hipoeutektička Al-Si legura (7-9 mas.% Si, npr., A380) postiže spiralnu fluidnost od 380–450 mm at 720 ° C,
  dok je skoro eutektička legura (10.7–12,5 tež.% Si, npr., A413) dostiže 450-520 mm - poboljšanje od 15-20% - i hipereutektička legura (14–16 tež.% Si, npr., B390) dostiže 480–550 mm.
• Smanjeno skupljanje pri očvršćavanju: Čisti aluminijum pokazuje zapreminsko skupljanje od ~6,6% tokom skrućivanja, što uzrokuje poroznost skupljanja i izobličenje dimenzija.
  Si smanjuje ovo skupljanje na 4,5-5,5% formiranjem eutektika (α-Al + I) strukturu koja se jednoliko učvršćuje.
  Kako se Si približava eutektičkom nivou (11.7 tež.% u Al-Si binarnom sistemu), interval očvršćavanja (temperaturna razlika tečnost-čvrsta materija) se drastično sužava – sa 40-55 °C za hipoeutektičke legure na samo 15 °C za skoro eutektičke legure (npr., A413).
  Ovaj uski interval minimizira vrijeme koje legura provodi u krhkoj polučvrstoj „kašastoj zoni,"
  smanjenje vrućeg kidanja (vruća kratkoća) tendencija: skoro eutektičke legure imaju stopu odbijanja vrućeg kidanja <0.3%, u poređenju sa 1,5–3,0% za hipoeutektičke legure sa nižim sadržajem Si (npr., A356, 6.5–7,5 tež.% Si).
• Jačanje i ukočenost: Si se formira teško, disperzijski ojačane čestice (eutektički Si ili primarni Si) u mekoj α-Al matrici.
  Eutectic si (Tvrdoća ≈ 800 HV) otporan na plastičnu deformaciju, dok primarni Si (formirana u hipereutektičkim legurama, Tvrdoća ≈ 1000 HV) značajno poboljšava otpornost na habanje.
  Si takođe povećava modul elastičnosti (iz 70 GPa za čisti Al do 75–80 GPa za Al-Si legure) i smanjuje koeficijent toplinske ekspanzije (CTE),
  poboljšanje dimenzionalne stabilnosti pod termičkim ciklusima—kritično za komponente kao što su hladnjaci i precizna kućišta.

Efekti sadržaja i kompromisi:

• Hipoeutektički (Si = 7–11,7 tež.%): Legure poput A380 (7.5-9,5 tež.% Si) i A360 (9.0–10,0 mas.% Si) formiraju primarna α-Al zrna plus eutektika (α-Al + I).
  Balansiraju snagu (UTS = 260–380 MPa) i duktilnost (izduženje = 2,0–5,0%) ali imaju manju fluidnost od skoro eutektičkih legura.
  Ovo su najčešće korištene legure za livenje pod pritiskom, pogodan za konstrukcijske komponente opće namjene (npr., Automobilska kućišta, nosači).
• Gotovo eutektički (I ≈ 11.7 wt%): Legure poput A413 (10.7–12,5 tež.% Si) imaju minimalan primarni α-Al, pri čemu se većina mikrostrukture sastoji od finih eutektika.
  Pokazuju najbolju fluidnost, nepropusnost pritiska (stopa odbacivanja curenja <0.5%), i otpornost na vruće kidanje – što ih čini idealnim za komponente koje zadržavaju pritisak (npr., hidraulične razdjelnike, Tijela ventila) i ultra-tankih zidova (0.6-0,8 mm).
• Hypereutektic (Si = 12–18 tež.%): Legure poput B390 (14–16 tež.% Si) formiraju grube primarne čestice Si plus eutektik.
  Primarni Si drastično poboljšava otpornost na habanje (pogodan za cilindre motora, klipovi) ali smanjuje duktilnost (izduženje <2.0%) i obradivost zbog abrazivne prirode primarnih čestica Si.
  Previše visok Si (>18 wt%) uzrokuje ozbiljnu lomljivost i defekte livenja.

Ukratko, Si je „omogućava“ livenje aluminijuma pod pritiskom, omogućavajući proizvodnju zamršenih, komponente bez defekta, a istovremeno povećavaju nepropusnost i krutost - objašnjavajući zašto dominiraju legure Al-Si 90%+ komercijalnih aplikacija od livenog aluminijuma (NADCA statistika).

Bakar (Cu): Primarni pojačivač snage

Bakar se dodaje u tlačno livene aluminijske legure u koncentracijama u rasponu od 0,1-4,0 tež., prvenstveno za povećanje mehaničke čvrstoće i tvrdoće putem jačanja čvrstim rastvorom i taloženja.

To je ključni element za legure koje zahtijevaju visoku nosivost, kao što su automobilske strukturne komponente i nosači za teške uslove rada.

Po ASTM B85 standardima, Sadržaj Cu je strogo kontrolisan kako bi se uravnotežila snaga i druga svojstva.

Mehanizmi djelovanja:

• Čvrsto rješenje jačanje: Cu ima visoku rastvorljivost u α-Al matrici (do 5.6 wt% at 548 ° C), izobličavanje kubika sa centrom lica (FCC) rešetka od aluminijuma.
  Ovo izobličenje povećava otpornost na plastičnu deformaciju, značajno povećava zateznu čvrstoću i tvrdoću.
  Na primjer, A380 (Al–Si–3,5Cu) ima UTS od ~324 MPa i tvrdoću po Brinellu (HB) od 80–100, u poređenju sa ~310 MPa i 75–95 HB za A360 (Al–Si–0,5Cu) i ~290 MPa i 70–90 HB za A413 (Al–Si–0,05Cu).
• Otvrdnjavanje oborina: U lijevanim legurama koje se mogu termički obrađivati (npr., A201, Cu = 4,0–5,0 tež.%), Cu formira fine Al₂Cu taloženje tokom T5/T6 termičke obrade (Rješenje žarenje + starenje), dalje povećanje snage.
  Međutim, većina livenih legura (npr., A380, A413) nisu termički obrađeni industrijski zbog brzog hlađenja tokom HPDC,
  koji zarobljava Cu u čvrstom rastvoru – ipak, sam efekat jačanja čvrstog rastvora dovoljan je za većinu aplikacija visoke čvrstoće.
• Snaga visoke temperature: Cu poboljšava zadržavanje čvrstoće na povišenim temperaturama (150-250 ° C) stabilizacijom α-Al matrice i sprečavanjem rasta zrna,
  što ga čini pogodnim za komponente izložene umjerenoj toplini (npr., nosači motora, dijelovi izduvnog sistema).

Kompromisi i ograničenja:

• Reduced Castability: Cu proširuje interval očvršćavanja Al-Si legura—A380 ima a 40 °C interval vs. 15 °C za A413—povećanje sklonosti vrućem kidanju i poroznosti skupljanja.
  Pažljiv dizajn ulaza/dizanja, chill aplikacija, i podešavanje parametara procesa (npr., manja brzina ubrizgavanja, viša temperatura matrice) potrebni su za ublažavanje ovih nedostataka.
• Jako oslabljena otpornost na koroziju: Cu formira galvanske ćelije sa aluminijumom (Cu se ponaša kao katoda, Al kao anoda), ubrzavanje pitting korozije u vlažnom, slana voda, ili industrijsko okruženje.
  Čak i male količine Cu (0.3–0,5 tež.%) može potaknuti lokaliziranu koroziju, dok nivoi >1.0 wt% (npr., A380) čine leguru neprikladnom za vanjsku ili pomorsku primjenu bez površinske obrade (Anodiziranje, praškasti premaz).
  Suprotno tome, legure sa niskim Cu (<0.15 wt%, npr., A413, A360) pokazuju odličnu otpornost na koroziju, sa vijekom trajanja 3-5 puta dužim od A380 u ASTM B117 testovima slanog spreja.
• Smanjena duktilnost: Cu formira krte intermetalne faze (Al₂cu, Al₅Cu₂Mg₈Si₆) na graničnim graniranjima, koji djeluju kao podizači naprezanja i smanjuju duktilnost.
  A380 ima istezanje od 2,0–3,0%, u poređenju sa 3,5–6,0% za A413 i 3,0–5,0% za A360.

U suštini, Cu je element za kompromis „snage za koroziju“.: omogućava komponente od livenog pod pritiskom visoke čvrstoće, ali zahteva pažljivo razmatranje rizika od korozije i prilagođavanja procesa livenja.

Magnezijum (Mg): Sinergistička čvrstoća i kontrola korozije

Magnezijum se dodaje u tlačno livene aluminijumske legure u koncentracijama u rasponu od 0,05-5,0 tež., čija uloga dramatično varira u zavisnosti od sadržaja.

U većini Al-Si legura livenih pod pritiskom (npr., A413, A380), Mg se održava na niskom nivou (~0,05–0,1 tež.%) da date prioritet mogućnosti livenja, dok u specijalizovanim legurama (npr., A360, 518), povišen je kako bi se povećala čvrstoća i otpornost na koroziju.

Mehanizmi djelovanja:

• Precipitacijsko stvrdnjavanje preko Mg₂Si: Mg reaguje sa Si u leguri i formira Mg₂Si (Tvrdoća ≈ 450 HV), veoma efikasna faza jačanja.
  Mg₂Si faza precipitira tokom skrućivanja ili termičke obrade, poboljšanje čvrstoće tečenja i otpornosti na habanje.
  Na primjer, A360 (0.45–0,6 tež.% Mg) ima granicu tečenja od 160-190 MPa (as-cast), u poređenju sa 140–160 MPa za nemodifikovani A413.
  U legurama koje se mogu termički obrađivati ​​kao što je A356 (0.25–0,45 tež.% Mg), Termička obrada T6 maksimizira taloženje Mg₂Si, povećanje granice tečenja na 310–350 MPa.
• Čvrsto rješenje jačanje (Nizak sadržaj Mg): Pri niskim koncentracijama (0.05–0,1 tež.%), Mg se rastvara u α-Al matrici, pruža skromno jačanje čvrstog rastvora bez značajnog smanjenja fluidnosti.
  Takođe pomaže u formiranju strugotine tokom obrade, poboljšanje obradivosti smanjenjem ivica na reznim alatima.
• Pojačana otpornost na koroziju: Mg stabilizira nativni Al₂O₃ pasivni oksidni film na površini legure, čineći ga gušćim i prianjanijim.
  Ovo značajno poboljšava otpornost na koroziju u atmosferi, slatka voda, i blage slane vode.
  Legura 518 (5–6 tež.% Mg, Al-Mg sistem) pokazuje najbolju otpornost na koroziju od bilo koje uobičajene legure livene pod pritiskom, sa odličnim performansama anodiziranja i otpornošću na pucanje od korozije pod naponom (SCC).
• Sposobnost učvršćivanja rada: Mg povećava brzinu očvršćavanja aluminijuma, omogućavajući operacije oblikovanja nakon livenja (npr., savijanje, staking) za komponente koje zahtijevaju manje oblikovanje.

Kompromisi i ograničenja:

• Smanjena sposobnost livenja pri visokom sadržaju Mg: Mg povećava viskozitet rastopljenog aluminijuma i proširuje interval očvršćavanja.
  Preko ~0,3 tež.%, tečnost se značajno smanjuje, a povećava se sklonost vrućem kidanju.
  Legura 518 (5–6 tež.% Mg) ima vrlo slab kapacitet punjenja kalupa, čineći ga neprikladnim za HPDC dijelove tankih stijenki i ograničavajući njegovu upotrebu na gravitacijsko tlačno livenje ili polučvrsto livenje komponenti debelih zidova (npr., Morski fitinzi).
• Osetljivost na vodonik: Mg lako reaguje sa vlagom u talini (od sirovina, alati za peći, ili sredstva za otpuštanje plijesni) da formira Mg(Oh)₂ i gas vodonika, povećanje poroznosti.
  Strogo degaziranje taline (argonom ili azotom rotaciono otplinjavanje) je potrebno za legure koje sadrže Mg za smanjenje sadržaja vodonika na <0.15 cc/100g Al (ASTM E259).
• Osetljivost na oksidaciju: Mg brzo oksidira na visokim temperaturama, formirajući labav MgO kamenac koji kontaminira talinu i uzrokuje defekte livenja.
  Rastopljene legure koje sadrže Mg zahtijevaju zaštitni fluks ili inertni plin (Argon) pokrivenost kako bi se spriječila oksidacija.

2. Sekundarni legirajući elementi: Regulacija mikrostrukture i obradivosti

Sekundarni legirajući elementi se dodaju u niskim koncentracijama (0.1–1,5 tež.%) i djeluju kao "modifikatori mikrostrukture" za ublažavanje štetnih efekata nečistoća (npr., FE), rafinirati žitarice, spriječiti lijepljenje plijesni, i fino podešavanje svojstava.

Gvožđe, mangan, i titanijum su najkritičniji, sa njihovim ulogama usko međusobno zavisnim.

Gvožđe (FE): “Neophodna nečistoća” za oslobađanje plijesni

Gvožđe se obično smatra nečistoćom u legurama aluminijuma, ali u tlačnom livenju, namerno se kontroliše na 0,6-1,2 tež.% (prema NADCA preporukama) kako bi se spriječilo lijepljenje plijesni (lemljenje),

kritičan problem u HPDC gdje se rastopljeni aluminij prianja na površinu čeličnog kalupa, uzrokujući površinske defekte (npr., galing) i smanjenje vijeka trajanja kalupa.

Bez Fe, rastopljeni aluminij bi se zavario na čelični kalup, čineći proizvodnju velikih razmera neizvodljivom.

Mehanizmi djelovanja:

• Sprečavanje lepljenja plijesni: Fe formira tanku, adherentni Fe-Al intermetalni sloj (prvenstveno FeAl₃) na interfejsu kalup-aluminijum, djeluje kao barijera za prianjanje.
  Ovaj sloj smanjuje vlaženje rastaljenog aluminija na čeliku, sprečava lemljenje i produžava život kalupa za 15-20% u poređenju sa legurama sa niskim sadržajem Fe (<0.5 wt%).
• Smanjenje vrućeg trganja: Fe blago snižava eutektičku temperaturu Al-Si legura, sužavanje intervala očvršćavanja i smanjenje sklonosti vrućem kidanju—dopunjujući efekat Si.
• Poboljšanje dimenzionalne stabilnosti: Kontrolisani sadržaj Fe (0.8–1,0 tež.%) smanjuje rast zrna tokom skrućivanja, povećanje stabilnosti dimenzija i smanjenje termičke ciklične distorzije.

Štetni efekti i ublažavanje:

• Krhka intermetalna formacija: Fe ima skoro nultu rastvorljivost u čvrstom aluminijumu i stvara tvrdo, iglasti β-Al₉Fe₂Si₂ intermetali (Tvrdoća ≈ 900 HV) u mikrostrukturi.
  Ove igličaste čestice djeluju kao pokretači pukotina, drastično smanjuje duktilnost i žilavost – višak Fe (>1.2 wt%) može smanjiti izduženje za 50% ili više i uzrokovati krhki lom u radu.
• Smanjenje snage: Preko ~0,5 tež.%, Fe počinje da smanjuje vlačnu čvrstoću formiranjem grubih intermetala koji narušavaju α-Al matricu.
  Na primjer, Al-Si legura sa 1.5 mas.% Fe ima UTS 10–15% niži od iste legure sa 0.8 tež.% Fe.
• Ublažavanje preko Mn/Cr: Dodavanje mangana (MN) ili hromijum (CR) modificira igličaste β-Al₉Fe₂Si₂ intermetalne u kompaktne,
  α-AlFeMnSi ili α-AlFeCrSi intermetali u obliku kineskog pisma, koji su manje štetni za duktilnost i žilavost.
  Optimalni odnos Mn/Fe je 0,5–0,8: Mn/Fe <0.5 rezultira nepotpunom modifikacijom, dok Mn/Fe >0.8 formira grube Al₆Mn intermetale koji smanjuju duktilnost.

Mangan (MN): Modifikovanje intermetalika bogatih Fe

Mangan se dodaje gotovo svim legurama aluminijuma livenog pod pritiskom u koncentracijama od 0,1-0,5 tež., čija je jedina primarna uloga da neutrališe štetne efekte Fe.

Za razliku od Cu ili Mg, Mn ne mijenja značajno sposobnost livenja ili otpornost na koroziju, čineći ga „korisnim modifikatorom“ sa minimalnim kompromisima.

Mehanizmi djelovanja:

• Modifikacija Fe-faze: Mn reaguje sa Fe i Si u talini da formira α-AlFeMnSi intermetalike, koji imaju kompakt, neacikularna morfologija (Kinesko pismo ili globularno) u poređenju sa krhkim igličastim β-Al₉Fe₂Si₂.
  Ova modifikacija smanjuje koncentraciju naprezanja i sprječava širenje pukotina, poboljšanje duktilnosti i žilavosti za 20-30%.
  Na primjer, u A413 (Fe ≤1,5 ​​tež.%, Mn ≤0,5 tež.%), Mn modifikuje β-AlFeSi u α-AlFeMnSi, povećanje istezanja od 1,5-2,5% (neizmijenjen) do 3,5–6,0% (modificirano).
• Skromno čvrsto rješenje za jačanje: Mn se blago otapa u α-Al matrici (rastvorljivost ≈ 1.8 wt% at 658 ° C), pruža skromno ojačanje čvrstog rastvora bez značajnog gubitka duktilnosti.
  Ovo povećava vlačnu čvrstoću za 5-10% u poređenju sa nemodifikovanim legurama.
• Grbino usavršavanje: Mn stvara fine Al₆Mn intermetale pri niskim koncentracijama, koji djeluju kao heterogena mjesta nukleacije za α-Al zrna, rafiniranje mikrostrukture i poboljšanje uniformnosti svojstava.

Kontrola sadržaja: Mn je striktno ograničen na ≤0,5 tež.% (Astma b85) jer višak Mn formira grube Al₆Mn intermetalike, koji djeluju kao podizači naprezanja i smanjuju duktilnost.

Koncentracije <0.1 tež.% nisu dovoljni za potpunu modifikaciju intermetala bogatih Fe, β-Al₉Fe₂If2.

Titanijum (Od): Grbino usavršavanje

Titan se dodaje u tlačno livene aluminijske legure u koncentracijama od 0,1-0,2 tež., prvenstveno kao rafiner zrna za poboljšanje ujednačenosti mikrostrukture, smanjiti vruće kidanje, i poboljšati mehanička svojstva.

Često se koristi u kombinaciji s borom (B) radi efikasnijeg usavršavanja.

Mehanizmi djelovanja:

• Heterogena nukleacija: Ti reaguje sa Al i formira TiAl₃ čestice, koji imaju kristalnu strukturu sličnu α-Al (FCC) i djeluju kao mjesta nukleacije za α-Al zrna tokom skrućivanja.
  Time se rafinira veličina zrna α-Al od 200-300 μm (nerafinirano) do 50–100 μm (Rafinirano), poboljšanje vlačne čvrstoće za 10-15% i istezanja za 20-30%.
• Smanjenje vrućeg trganja: U redu, ravnoosna zrna formirana rafiniranjem Ti ravnomjernije raspoređuju napon zatezanja tokom skrućivanja,
  smanjenje sklonosti vrućem kidanju za 40-50%—posebno korisno za hipoeutektičke legure sa širokim intervalima očvršćavanja (npr., A356).
• Poboljšanje ujednačenosti svojine: Rafinirana zrna smanjuju mikrostrukturnu segregaciju, osiguravanje konzistentnih mehaničkih svojstava u cijeloj livenoj komponenti – kritično za precizne komponente (npr., Elektronska kućišta, hidraulični ventili).

Sinergistički efekat sa borom (B): Dodavanje bora (0.005–0,01 tež.%) sa Ti formira čestice TiB₂, koja su stabilnija i efikasnija mjesta nukleacije od TiAl₃.

Al-5Ti-1B matična legura se široko koristi u industriji, omogućavajući niže koncentracije Ti (0.1 tež.% Ti + 0.02 tež.% B) kako bi se postigao isti efekat prefinjenosti kao 0.2 % samo Ti.

3. Ostali elementi u tragovima: Svojstva finog podešavanja i obradivost

Elementi u tragovima (dodano u koncentracijama ≤0,5 tež.%) koriste se za fino podešavanje specifičnih svojstava ili obradivosti, sa svakim elementom koji služi nišu ulogu.

Nikl (U), hrom (CR), stroncijum (Sr), voditi (PB), i bizmuta (BI) su najčešći.

Nikl (U) i Chromium (CR): Stabilnost na visokoj temperaturi

• Nikl (U, ≤0,5 tež.%): Ni poboljšava tvrdoću pri visokim temperaturama, otpornost na puzanje, i otpornost na habanje formiranjem tvrdih intermetalnih faza (Al₃Ni, AlNiSi).
  Takođe smanjuje CTE, povećanje stabilnosti dimenzija na povišenim temperaturama (200-300 ° C).
  Legure poput B390 (14–16 tež.% Si + 0.5 tež.% od) koriste se za visoke temperature, komponente otporne na habanje (npr., cilindri motora, klipne čahure).
  Međutim, Ni blago povećava gustoću i smanjuje duktilnost, pa se dodaje samo kada su performanse na visokim temperaturama kritične.
• Hrom (CR, 0.1–0,5 tež.%): Cr kontroliše rast zrna na povišenim temperaturama, poboljšanje zadržavanja čvrstoće pri visokim temperaturama.
  Također modificira intermetale bogate Fe slično kao i Mn, smanjenje lomljivosti. Cr se često koristi u kombinaciji s Ni za sinergijske performanse pri visokim temperaturama.

Strontijum (Sr): Eutektička modifikacija Si

Sr se dodaje u koncentracijama u tragovima (0.015–0,03 tež.%) modificirati morfologiju eutektičkog Si u Al-Si legurama.

U nemodifikovanim legurama, eutektički Si raste kao grub, iglaste čestice koje smanjuju duktilnost—Sr ih pretvara u fine, vlaknaste čestice, dvostruko izduženje (npr., od 1,5–2,5% do 3,5–6,0% za A413).

Sr je industrijski standardni modifikator za HPDC zbog svoje dugotrajnosti (do 60 minuta) i kompatibilnost sa ciklusima brzog bacanja.

Međutim, otrovan je fosforom (Str >0.001 wt%), koji formira AlP čestice koje negiraju modifikaciju Si - potrebna je stroga kontrola P za efektivnu modifikaciju Sr.

Voditi (PB) i bizmut (BI): Slobodno obrađivanje

Pb i Bi se dodaju u koncentracijama od 0,1-0,3 tež.% radi poboljšanja obradivosti formiranjem faza niske tačke topljenja (PB: 327 ° C, BI: 271 ° C) na graničnim graniranjima.

Ove faze djeluju kao „razbijači čipova,” smanjenje sile rezanja i habanja alata.

Međutim, čine leguru nezavarljivom i smanjuju duktilnost, pa se koriste samo u komponentama koje zahtijevaju visoku obradivost (npr., Navojni pričvršćivači, Precizni zupčanici).

4. Kombinirani efekti na sposobnost livenja i mehaničke performanse

Performanse tlačno livene legure aluminijuma nisu određene samo pojedinačnim elementima, već njihovim sinergističkim i antagonističkim interakcijama.

Cilj dizajna legure je balansirati sposobnost livenja (fluidnost, otpornost na vruće kidanje) i mehaničke performanse (snaga, duktilnost, tvrdoća) na osnovu zahtjeva aplikacije.

Interakcije ključnih elemenata i njihove praktične posljedice

Silicijum × Magnezijum (Si–Mg)

• Metalurška interakcija: Mg se kombinuje sa Si i formira Mg₂Si talog nakon toplotne obrade rastvora i starenja.
  Prisustvo Si takođe kontroliše koliko Mg ostaje u čvrstom rastvoru u odnosu na podeljen na intermetale tokom skrućivanja.
• Efekat livenja: Gotovo eutektički Si poboljšava fluidnost i smanjuje raspon smrzavanja, olakšava punjenje tankih zidova.
  Povećanje Mg iznad skromnih nivoa ima tendenciju da smanji fluidnost i proširi efektivni interval smrzavanja, povećava rizik od vrućih suza.
• Mehanički kompromis: I + Mg omogućava termički obradivu čvrstoću (preko Mg₂Si) zadržavajući razumnu krutost i termičku stabilnost.
  Najbolji kompromis je skoro eutektički Si s kontroliranim Mg kako bi se omogućila mogućnost livenja i ojačanje nakon livenja.

Silicijum × Bakar (I – sa)

• Metalurška interakcija: Sa precipitatima (Al-Cu faze) formiraju se tokom starenja i povećavaju snagu, ali djeluju nezavisno od eutektičkih struktura bogatih Si.
• Efekat livenja: Cu ne poboljšava značajno tečnost; prekomjeran Cu može povećati sklonost toplotnoj kratkoći i međugranularnom pucanju ako put očvršćavanja postane složen.
• Mehanički kompromis: Cu nudi snažno povećanje UTS-a i zadržavanje pri visokim temperaturama, ali na štetu osjetljivosti na koroziju i ponekad smanjene duktilnosti u kombinaciji s grubim eutektičkim strukturama.

Bakar × magnezijum (Cu–Mg)

• Metalurška interakcija: Oba doprinose stvrdnjavanju zbog starenja u nekim legurama Al–Si–Cu–Mg kroz odvojene precipitatne hemije; interakcije između precipitatnih populacija mogu uticati na ponašanje starijih.
• Efekat performansi: Kombinacija skromnog Cu i Mg daje širi raspon podešavanja za snagu i žilavost, ali podiže zahtjeve za kontrolu toplinske obrade i može naglasiti mikrogalvansku koroziju ako je površina loša.

Gvožđe × Mangan / Hrom (Fe–Mn/Cr)

• Metalurška interakcija: Fe stvara tvrde Al–Fe–Si intermetale koji su krti.
  Mn i Cr pretvaraju igličaste/igličaste β-faze u kompaktnije, “kinesko pismo” ili globularne morfologije koje su daleko manje štetne.
• Lijevnost i mehanički učinak: Kontrolisani Fe sa modifikacijom Mn/Cr smanjuje iniciranje pucanja na intermetalicima, poboljšanje žilavosti i izdržljivosti sa zanemarljivim negativnim uticajem na fluidnost.
  Ovo je klasična strategija 'kontrole oštećenja' kada otpad ili procesna ograničenja uvode neizbježan Fe.

Hipereutektički Si, Nikl i aditivi za habanje/visoke temperature

• Metalurška interakcija: Visok sadržaj Si stvara primarne čestice Si. Ni i neki dodaci Mo/Cr stabiliziraju intermetalne mreže na povišenoj temperaturi.
• Kompromisi: Ove kombinacije daju odličnu habanje i termičku stabilnost, ali dramatično smanjuju duktilnost i kompliciraju obradu i punjenje kalupa. Koristite samo kada dominiraju otpornost na habanje ili termička čvrstoća puzanja.

Interakcije cinka

• Metalurška interakcija: Zn u malim količinama može malo povećati snagu; na višim nivoima proširuje raspon očvršćavanja i povećava osjetljivost na vruće suze.
• Praktična napomena: Zn je obično ograničen na niske razine u tlačno lijevanom Al kako bi se izbjegli problemi pri lijevanju.

Poređenja performansi tipične legure (HPDC, As-cast):

5. Otpornost na koroziju i termička stabilnost

Sastav legure je primarna determinanta otpornosti na koroziju i performansi pri visokim temperaturama – dva kritična svojstva za komponente izložene teškim okruženjima ili dugotrajnoj toplini.

Ključni elementi se razlikuju, često suprotstavljeni efekti na ove metrike učinka, koje zahtijevaju pažljivo balansiranje tokom dizajna legure.

Otpornost na koroziju

• Sa je štetno: Cu je primarni element koji smanjuje otpornost na koroziju, jer formira galvanske ćelije sa Al.
  Legure sa Cu >1.0 wt% (npr., A380) zahtijevaju površinske tretmane kako bi se izbjegla korozija udubljenja.
  Low-Cu legure (<0.15 wt%, npr., A413, A360) pokazuju odličnu otpornost na koroziju, što ih čini pogodnim za spoljašnju upotrebu.
• Mg je koristan: Mg stabilizira Al₂O₃ pasivni film, Poboljšanje otpornosti na koroziju.
  Legura 518 (high Mg) je najotpornija na koroziju uobičajena livena legura, pogodan za upotrebu u moru i na otvorenom gdje je izlaganje vlazi ili slanoj vodi neizbježno.
• Si je neutralan do koristan: Si do ~12 tež.% poboljšava otpornost na koroziju formiranjem stabilnijeg oksidnog filma. Hipereutektički Si (>12 wt%) može malo smanjiti otpornost na koroziju zbog grubih primarnih čestica Si, koji djeluju kao mjesta korozije.
• Mn je neutralan: Mn ima mali direktan uticaj na koroziju, ali poboljšava uniformnost, smanjenje lokaliziranih mrlja korozije koje mogu dovesti do prijevremenog kvara.

ASTM B117 testovi slanog spreja potvrđuju ove trendove: A413 ne pokazuje značajnije udubljenje nakon toga 1000 sati, dok A380 ispoljava ozbiljne jame nakon 200 sati – naglašavajući kritičnu ulogu sadržaja Cu u performansama korozije.

Termička stabilnost

• Snaga visoke temperature: Cu i N Ni poboljšavaju mirovanje i 150–300 °C.
  Legure koje sadrže Ni (npr., B390) koriste se za komponente visoke temperature, jer održavaju tvrdoću i čvrstoću čak i pod produženim izlaganjem povišenim temperaturama.
  Cr takođe pomaže u zadržavanju čvrstoće na visokim temperaturama kontrolišući rast zrna.
• Stabilnost dimenzija: Si i Ni/Cr smanjuju CTE, povećanje stabilnosti dimenzija pod termičkim ciklusom.
  Legure sa visokim sadržajem Si (npr., A413, B390) imaju CTE od 21,0–22,5 × 10⁻⁶ /°C, u poređenju sa 22,0–23,5 × 10⁻⁶ /°C za legure sa niskim sadržajem Si (npr., 518)— što ih čini idealnim za precizne komponente koje moraju održavati oblik pod temperaturnim fluktuacijama.
• Otpornost na puzanje: Ni i Cr poboljšavaju otpornost na puzanje (deformacija pod dugotrajnim naprezanjem na povišenim temperaturama), kritično za komponente motora i hidraulične ventile koji rade pod konstantnim opterećenjem i toplotom.

6. Legurni sistemi: Al-si, Al-mg, and Beyond

Komercijalne legure aluminijuma livenog pod pritiskom spadaju u tri osnovna sistema, sa Al-Si sistemom koji dominira zbog svoje uravnotežene mogućnosti livenja i performansi.

Svaki sistem je prilagođen specifičnim potrebama aplikacije, sa sastavom legure optimiziranom za ispunjavanje ključnih zahtjeva performansi.

Al-Si sistem (300 i 400 Serija)

Ovaj sistem čini preko 90% aplikacija od livenog aluminijuma, sa legurama koje sadrže 6-18 tež% Si i različite koncentracije Cu/Mg.

Ključne potkategorije su definisane njihovim sadržajem Si u odnosu na eutektičku tačku (11.7 wt%):

• Hipoeutektički (300 Serija): A380, A360, A383, A384 (Si=7–11,7 tež.%).
  Ove legure balansiraju sposobnost livenja i snagu, pogodan za konstrukcijske komponente opće namjene (npr., Automobilska kućišta, nosači) gdje se zahtijevaju i obradivost i performanse.
• Gotovo eutektički (400 Serija): A413 (Si=10,7–12,5 tež.%).
  Ove legure pokazuju najbolju fluidnost i nepropusnost pod pritiskom, idealan za tanke zidove, komponente kritične za curenje (npr., hidraulične razdjelnike, Tijela ventila).
• Hypereutektic (B serija): B390 (Si=14–16 tež.%).
  Ove legure nude visoku otpornost na habanje zbog grubih primarnih čestica Si, pogodan za cilindre motora i klipove gdje je habanje glavna briga.

Al-Mg sistem

Predstavljen prvenstveno legurama 518 (Al–5%Mg), ovom sistemu nedostaje značajan Si ili Cu.

Pokazuje najbolju otpornost na koroziju i duktilnost od bilo koje uobičajene legure livene pod pritiskom, ali ima vrlo lošu sposobnost livenja (niska fluidnost, visoka sklonost kidanju od vrućine).

Kao rezultat, ograničeno je na livenje pod pritiskom ili polučvrsto livenje debelih zidova, komponente osjetljive na koroziju (npr., Morski fitinzi, Arhitektonski dijelovi) gdje je otpornost na koroziju prioritet u odnosu na sposobnost livenja.

Al-Zn sistem

U ovom sistemu nema široko korištenih livenih legura, kao legure u kojima dominira Zn (7Serija XXX) su obično kovane (nije liveno pod pritiskom).

Zn se pojavljuje samo kao manji aditiv (0.5-3.0 wt%) u livenim legurama (npr., ADC12/A383) za poboljšanje obradivosti i umjerene čvrstoće, ali visok Zn pospješuje vruće pucanje i smanjuje otpornost na koroziju – ograničavajući njegovu upotrebu na nišne primjene.

7. Učinci na različite procese livenja pod pritiskom

Izbor legure usko je vezan za proces tlačnog livenja, budući da svaki proces ima različite zahtjeve za fluidnost, Stopa učvršćenja, i reaktivnost taline.

Usklađivanje legure sa procesom osigurava optimalan kvalitet livenja i performanse komponenti.

Livenje visokog pritiska (HPDC)

HPDC zahtijeva brzo punjenje kalupa (2–5 m/s) tankih preseka (≤1,0 mm), favorizujući legure visokog sadržaja Si sa odličnom fluidnošću i uskim intervalima očvršćavanja.

Ključne legure uključuju A380, A383, A384 (hipoeutektički Si) i A413 (skoro eutektički Si).

Ove legure brzo ispunjavaju zamršene matrice i imaju nisku tendenciju vrućeg kidanja, što ih čini pogodnim za proizvodnju složenih komponenti velikog obima.

Low-Cu legure (A360, A413) koriste se kada postoji zabrinutost zbog lijepljenja plijesni, dok legure bogate Mg (518) općenito su neprikladni za HPDC zbog loše fluidnosti.

Lijevanje pod niskim pritiskom i gravitacijom

Ovi procesi omogućavaju sporije punjenje (0.1–0,5 m/s) i deblji delovi (3-10 mm), dozvoljavajući upotrebu legura sa nižom fluidnošću, ali boljim radnim svojstvima.

Legure poput A360 (izbalansirana snaga/korozija) i 518 (odlična korozija/duktilnost) se ovdje koriste, jer sporije punjenje smanjuje turbulenciju i poroznost – poboljšavajući kvalitet komponenti.

Nježnije očvršćavanje također minimizira vruće kidanje u legurama bogatim Mg, proširenje njihove primjene.

Polučvrsto livenje pod pritiskom

Ovaj proces koristi polučvrstu suspenziju (50–60% čvrsta) za punjenje kalupa, favorizujući legure sa finom mikrostrukturom (npr., A356, A360) koji se lako može tiksocast.

Rafinerije žitarica (Vi/B) se često koriste za poboljšanje uniformnosti kaše, dok se Mg i Cu kontrolišu kako bi se uravnotežila snaga i obradivost – što ovaj proces čini pogodnim za visoku preciznost, Komponente velike čvrstoće.

8. Zaključci

Legirajući elementi su temelj performansi livene aluminijske legure, upravlja evolucijom mikrostrukture, obradivost livenja, i uslužna svojstva.

Njihove uloge definiraju jasni metalurški mehanizmi i međuzavisnosti: Si omogućava mogućnost livenja i nepropusnost pod pritiskom, Cu povećava čvrstoću po cijenu otpornosti na koroziju, Mg balansira snagu i otpornost na koroziju, Fe sprečava lepljenje buđi (sa Mn ublažavanjem), a elementi u tragovima fino podešavaju specifična svojstva.

Ključ uspješnog odabira i dizajna legure je balansiranje sinergijskih i antagonističkih učinaka ovih elemenata kako bi se zadovoljili specifični zahtjevi primjene i procesa livenja..

Za zamršeno, komponente otporne na pritisak, skoro eutektičke Al-Si legure (npr., A413) su idealni; za konstrukcijske dijelove visoke čvrstoće, hipoeutektičke Al-Si-Cu legure (npr., A380) preferiraju se; za komponente osjetljive na koroziju, Al-Si-Mg ili Al-Mg legure sa niskim sadržajem Cu (npr., A360, 518) su izabrani.

Kao laka proizvodnja, Električna vozila, i precizno livenje unapred, Dizajn legirajućih elemenata će nastaviti da se razvija—sa fokusom na niskim sadržajem Cu, niske nečistoće, i legure modificirane rijetke zemlje koje nude poboljšanu održivost, Otpornost na koroziju, i visoke temperaturne performanse.