عناصر آلیاژی در آلومینیوم دایکاست

مقدمه

ریخته گری محدودیت های بسیار خاصی را اعمال می کند: پر کردن سریع, نرخ خنک کننده بالا, بخشهای نازک, و حساسیت شدید به گازهای وارد شده, اکسیدها و بین فلزات.

درایورهای طراحی معمولاً شامل: قابلیت بازیگران دیواری نازک, دقت ابعادی, قدرت ساکن, عملکرد خستگی, مقاومت در برابر خوردگی, مقاومت در برابر سایش و پایداری حرارتی.

آلیاژسازی رفتار ذوب/انجماد و ریزساختار نهایی را تعیین می کند, و بنابراین زیربنای هر یک از این محرک ها است.

برای انتخاب آلیاژهای متالورژیکی سالم، درک اثرات تک عنصر و تعاملات آنها ضروری است.

آلیاژهای آلومینیوم دایکاست بر اساس آلومینیوم خالص مهندسی شده اند (یک فلز سبک با وزن مخصوص ~2.7 گرم بر سانتی متر مکعب), که ذاتاً مقاومت مکانیکی پایینی از خود نشان می دهد, ریخته گری ضعیف, و مقاومت در برابر سایش محدود است,

نامناسب بودن آن برای اجزای ساختاری یا عملکردی در خودرو, هوا و فضا, وابسته به هیدرولیکی, و صنایع الکترونیکی.

برای غلبه بر این محدودیت ها, عناصر کلیدی آلیاژی به صورت استراتژیک برای تنظیم ریزساختار آلیاژ اضافه می شوند, رفتار بازیگری, و عملکرد خدمات.

عناصر آلیاژی اولیه شامل سیلیکون است (وت), مس (مس), و منیزیم (مگس), در حالی که آهن (با), منگنز (منگنه), روی (روی), و سایر عناصر کمیاب به عنوان افزودنی ها یا ناخالصی های کنترل شده برای تنظیم دقیق فرآیند پذیری و خواص عمل می کنند.

1. عناصر اصلی آلیاژ: تعریف عملکرد اصلی

عناصر آلیاژی اولیه در غلظت های نسبتاً بالا اضافه می شوند (معمولاً ≥1 درصد وزنی) و مسئول طبقه بندی اساسی و ویژگی های اصلی دایکاست هستند الومینیوم آلیاژ.

سیلیکون, مس, و منیزیم بحرانی ترین هستند, زیرا آنها مستقیماً بر قابلیت ریخته گری حاکم هستند, قدرت, و مقاومت در برابر خوردگی - سه معیار کلیدی برای انتخاب آلیاژ.

سیلیکون (وت): سنگ بنای Castability

سیلیکون غالب ترین عنصر آلیاژی تقریباً در تمام آلیاژهای آلومینیوم دایکاست تجاری است., با غلظت های معمولی از 7 تا 18 درصد وزنی.

نقش اصلی آن بهبود شدید سیالیت مذاب و کاهش نقص انجماد است, در حالی که به قدرت نیز کمک می کند, سفتی, و ثبات ابعادی که آن را برای ریخته گری پیچیده ضروری می کند, اجزای دیواری نازک.

این به ویژه برای ریخته گری فشار بالا بسیار مهم است (HPDC), جایی که فلز مذاب باید ریز حفره ها را پر کند (ضخامت دیوار ≤0.6 میلی متر) در سرعت های بالا (2-5 متر بر ثانیه) بدون بستن سرد یا اشتباه.

مکانیسم های عمل:

• سیالیت تقویت شده: اگر دمای مایع آلومینیوم را کاهش دهد (از 660 درجه سانتی گراد برای آلیاژ خالص تا 570 تا 600 درجه سانتی گراد برای آلیاژهای Al-Si) و ویسکوزیته فلز مذاب را با کاهش نیروهای پیوند اتمی کاهش می دهد.
  گرمای زیاد تبلور Si نیز حالت مذاب را طولانی می کند, افزایش طول جریان.
  بر اساس داده های آزمون NADCA, آلیاژ Hypoeutectic Al-Si (7-9 درصد وزنی Si, به عنوان مثال, A380) سیالیت مارپیچی 380 تا 450 میلی متر در آن به دست می آورد 720 درجه سانتیگراد,
  در حالی که یک آلیاژ نزدیک به یوتکتیک است (10.7-12.5 درصد وزنی Si, به عنوان مثال, A413) به 450-520 میلی متر می رسد - بهبود 15-20٪ - و یک آلیاژ هایپریوتکتیک (14-16 درصد وزنی Si, به عنوان مثال, B390) به 480-550 میلی متر می رسد.
• کاهش انقباض انجماد: آلومینیوم خالص در طول انجماد، انقباض حجمی ~6.6٪ را نشان می دهد, که باعث تخلخل انقباض و اعوجاج ابعادی می شود.
  Si این انقباض را با تشکیل یوتکتیک به 4.5-5.5٪ کاهش می دهد (α-Al + وت) ساختاری که به طور یکنواخت جامد می شود.
  همانطور که Si به سطح یوتکتیک نزدیک می شود (11.7 wt% در سیستم باینری Al-Si), فاصله انجماد (اختلاف دمای مایع و جامد) به شدت کاهش می یابد - از 40 تا 55 درجه سانتیگراد برای آلیاژهای هیپوئوتکتیک فقط به 15 درجه سانتی گراد برای آلیاژهای نزدیک به یوتکتیک (به عنوان مثال, A413).
  این فاصله باریک زمان سپری کردن آلیاژ در منطقه نیمه جامد شکننده را به حداقل می رساند.,”
  کاهش پارگی داغ (کوتاهی گرم) گرایش: آلیاژهای نزدیک به یوتکتیک دارای نرخ رد پاره شدن داغ هستند <0.3%, در مقایسه با 1.5-3.0٪ برای آلیاژهای هیپویوتکتیک با Si کمتر (به عنوان مثال, A356, 6.5-7.5 درصد وزنی Si).
• تقویت و سفتی: سی سخت تشکیل می شود, ذرات تقویت شده با پراکندگی (Si یوتکتیک یا Si اولیه) در ماتریس نرم α-Al.
  eutectic si (سختی 800 HV) در برابر تغییر شکل پلاستیک مقاومت می کند, در حالی که Si اولیه (در آلیاژهای هایپریوتکتیک تشکیل شده است, سختی 1000 HV) مقاومت در برابر سایش را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد.
  Si همچنین مدول الاستیسیته را افزایش می دهد (از 70 GPa برای Al خالص تا 75-80 GPa برای آلیاژهای Al-Si) و ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد (CTE),
  افزایش پایداری ابعادی تحت چرخه حرارتی - برای قطعاتی مانند هیت سینک و محفظه های دقیق بسیار مهم است.

اثرات محتوا و مبادلات:

• Hypoeutectic (Si = 7-11.7 درصد وزنی): آلیاژهایی مانند A380 (7.5-9.5 درصد وزنی Si) و A360 (9.0-10.0 درصد وزنی Si) دانه های آلفا آلفا اولیه به علاوه یوتکتیک را تشکیل می دهند (α-Al + وت).
  آنها قدرت را متعادل می کنند (UTS = 260-380 مگاپاسکال) و انعطاف پذیری (ازدیاد طول = 2.0-5.0٪) اما سیالیت کمتری نسبت به آلیاژهای نزدیک به یوتکتیک دارند.
  اینها پرمصرف ترین آلیاژهای دایکاست هستند, مناسب برای اجزای ساختاری همه منظوره (به عنوان مثال, محاصره خودرو, براکت).
• نزدیک به یوتکتیک (و ≈ 11.7 وزنی ٪): آلیاژهایی مانند A413 (10.7-12.5 درصد وزنی Si) حداقل α-Al اولیه دارند, بیشتر ریزساختار از یوتکتیک ظریف تشکیل شده است.
  آنها بهترین سیالیت را نشان می دهند, سفتی فشار (نرخ رد نشت <0.5%), و مقاومت در برابر پارگی گرم - آنها را برای قطعات نگهدارنده فشار ایده آل می کند (به عنوان مثال, منیفولدهای هیدرولیکی, بدنهای) و قطعات فوق نازک (0.6-0.8 میلی متر).
• هایپروتکتیک (Si = 12-18 درصد وزنی): آلیاژهایی مانند B390 (14-16 درصد وزنی Si) ذرات Si اولیه درشت به اضافه یوتکتیک را تشکیل می دهند.
  Si اولیه به شدت مقاومت سایش را بهبود می بخشد (مناسب برای سیلندر موتور, پیستون) اما شکل پذیری را کاهش می دهد (کشیدگی <2.0%) و قابلیت ماشینکاری به دلیل ماهیت ساینده ذرات اولیه Si.
  Si بیش از حد بالا (>18 وزنی ٪) باعث شکنندگی شدید و عیوب ریختگی می شود.

به طور خلاصه, Si "فعال کننده" ریخته گری برای آلومینیوم است, امکان تولید پیچیده را فراهم می کند, اجزای بدون عیب در حالی که سفتی و سفتی فشار را افزایش می دهند - توضیح می دهد که چرا آلیاژهای Al-Si غالب هستند 90%+ کاربردهای تجاری آلومینیوم دایکاست (آمار NADCA).

مس (مس): تقویت کننده قدرت اولیه

مس به آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری در غلظت های بین 0.1 تا 4.0 درصد وزنی اضافه می شود., در درجه اول برای افزایش استحکام مکانیکی و سختی از طریق تقویت محلول جامد و سخت شدن بارش.

این عنصر کلیدی برای آلیاژهایی است که به ظرفیت باربری بالا نیاز دارند, مانند اجزای ساختاری خودرو و براکت های سنگین.

طبق استانداردهای ASTM B85, محتوای مس به شدت کنترل می شود تا قدرت و سایر خواص متعادل شود.

مکانیسم های عمل:

• تقویت محلول جامد: مس در ماتریس α-Al حلالیت بالایی دارد (تا 5.6 wt% در 548 درجه سانتیگراد), تحریف مکعب در مرکز صورت (FCC) شبکه آلومینیومی.
  این اعوجاج باعث افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک می شود, استحکام کششی و سختی را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
  به عنوان مثال, A380 (Al–Si–3.5Cu) دارای UTS ~ 324 مگاپاسکال و سختی برینل (HB) از 80-100, در مقایسه با ~310 مگاپاسکال و 75-95 HB برای A360 (Al–Si–0.5Cu) و ~290 مگاپاسکال و 70-90 HB برای A413 (Al–Si–0.05Cu).
• سخت شدن: در آلیاژهای دایکاست قابل عملیات حرارتی (به عنوان مثال, A201, مس = 4.0-5.0 درصد وزنی), مس در طی عملیات حرارتی T5/T6 رسوب Al2Cu ریز می دهد (بازپخت راه حل + پیری), افزایش بیشتر قدرت.
  هر چند, اکثر آلیاژهای دایکاست (به عنوان مثال, A380, A413) به دلیل خنک شدن سریع در طول HPDC، به صورت صنعتی عملیات حرارتی نمی شوند,
  که مس را در محلول جامد به دام می اندازد - با این وجود, اثر تقویت کننده محلول جامد به تنهایی برای اکثر کاربردهای با مقاومت بالا کافی است.
• قدرت درجه حرارت بالا: مس حفظ استحکام را در دماهای بالا بهبود می بخشد (150-250 درجه سانتیگراد) با تثبیت ماتریس α-Al و جلوگیری از رشد دانه,
  آن را برای قطعاتی که در معرض حرارت متوسط ​​قرار دارند مناسب می کند (به عنوان مثال, براکت های موتور, قطعات سیستم اگزوز).

معاملات و محدودیت ها:

• کاهش قابلیت ریخته گری: مس فاصله انجماد آلیاژهای Al-Si را افزایش می دهد - A380 دارای a 40 فاصله درجه سانتی گراد در مقابل. 15 درجه سانتی گراد برای A413 - افزایش تمایل به پارگی داغ و تخلخل انقباض.
  طراحی دقیق دروازه/بالا, برنامه خنک, و تنظیم پارامتر فرآیند (به عنوان مثال, سرعت تزریق پایین تر, دمای قالب بالاتر) برای رفع این عیوب مورد نیاز است.
• مقاومت در برابر خوردگی به شدت تخریب شده: مس با آلومینیوم سلول های گالوانیکی را تشکیل می دهد (مس به عنوان یک کاتد عمل می کند, Al به عنوان آند), تسریع خوردگی حفره ای در مرطوب, آب شور, یا محیط های صنعتی.
  حتی سطوح مس کوچک (0.3-0.5 درصد وزنی) می تواند باعث ایجاد خوردگی موضعی شود, در حالی که سطوح >1.0 وزنی ٪ (به عنوان مثال, A380) آلیاژ را برای کاربردهای خارجی یا دریایی بدون عملیات سطحی نامناسب می کند (بوی, روکش پودری).
  در مقابل, آلیاژهایی با مس کم (<0.15 وزنی ٪, به عنوان مثال, A413, A360) مقاومت در برابر خوردگی عالی را نشان می دهد, با عمر مفید 3 تا 5 برابر بیشتر از A380 در تست های اسپری نمک ASTM B117.
• شکل پذیری کاهش یافته: مس فازهای بین فلزی شکننده را تشکیل می دهد (al₂cu, Al5Cu2Mg8Si6) در مرزهای دانه, که به عنوان افزایش دهنده تنش عمل می کنند و شکل پذیری را کاهش می دهند.
  A380 دارای کشیدگی 2.0-3.0٪, در مقایسه با 3.5-6.0٪ برای A413 و 3.0-5.0٪ برای A360.

در اصل, مس یک عنصر مبادله "قدرت در برابر خوردگی" است: اجزای دایکاست با استحکام بالا را فعال می کند، اما نیاز به بررسی دقیق خطرات خوردگی و تنظیمات فرآیند ریخته گری دارد..

منیزیم (مگس): استحکام سینرژیک و کنترل خوردگی

منیزیم به آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری در غلظت های بین 0.05-5.0 درصد وزنی اضافه می شود., با نقش آن به طور چشمگیری بر اساس محتوا متفاوت است.

در اکثر آلیاژهای ریخته گری Al-Si (به عنوان مثال, A413, A380), Mg پایین نگه داشته می شود (~0.05-0.1 درصد وزنی) برای اولویت بندی ریخته گری, در حالی که در آلیاژهای تخصصی (به عنوان مثال, A360, 518), برای افزایش استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالا می رود.

مکانیسم های عمل:

• سخت شدن بارش از طریق Mg2Si: Mg با Si در آلیاژ واکنش می دهد و Mg2Si را تشکیل می دهد (سختی 450 HV), مرحله تقویت بسیار موثر.
  فاز Mg2Si در طی انجماد یا عملیات حرارتی رسوب می کند, بهبود استحکام تسلیم و مقاومت در برابر سایش.
  به عنوان مثال, A360 (0.45-0.6 درصد وزنی Mg) دارای قدرت تسلیم 160-190 مگاپاسکال است (دارای بازار بی نظیر), در مقایسه با 140-160 مگاپاسکال برای A413 اصلاح نشده.
  در آلیاژهای قابل عملیات حرارتی مانند A356 (0.25-0.45 درصد وزنی Mg), عملیات حرارتی T6 بارش Mg2Si را به حداکثر می رساند, افزایش قدرت تسلیم به 310-350 مگاپاسکال.
• تقویت محلول جامد (محتوای منیزیم کم): در غلظت های پایین (0.05-0.1 درصد وزنی), Mg در ماتریس α-Al حل می شود, ارائه تقویت کننده محلول جامد متوسط ​​بدون کاهش قابل توجه سیالیت.
  همچنین به تشکیل تراشه در حین ماشینکاری کمک می کند, بهبود قابلیت ماشینکاری با کاهش لبه های ساخته شده روی ابزارهای برش.
• مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته: Mg فیلم اکسید غیرفعال Al2O3 را روی سطح آلیاژ تثبیت می کند, آن را متراکم تر و چسبنده تر می کند.
  این به طور قابل توجهی مقاومت در برابر خوردگی در اتمسفر را بهبود می بخشد, آب شیرین, و محیط های آب شور ملایم.
  الیاژ 518 (5-6 درصد وزنی Mg, سیستم Al-Mg) بهترین مقاومت در برابر خوردگی را نسبت به آلیاژهای دایکاست معمولی نشان می دهد, با عملکرد عالی آندایزینگ و مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از استرس (SCC).
• قابلیت کار سخت شدن: Mg سرعت کار سخت شدن آلومینیوم را افزایش می دهد, اجازه دادن به عملیات شکل دهی پس از ریخته گری (به عنوان مثال, خم, شرط بندی) برای اجزایی که نیاز به شکل دهی جزئی دارند.

معاملات و محدودیت ها:

• کاهش قابلیت ریختگی در محتوای منیزیم بالا: Mg ویسکوزیته آلومینیوم مذاب را افزایش می دهد و فاصله انجماد را افزایش می دهد.
  فراتر از ~0.3 درصد وزنی, سیالیت به میزان قابل توجهی کاهش می یابد, و تمایل به پارگی گرم افزایش می یابد.
  الیاژ 518 (5-6 درصد وزنی Mg) ظرفیت پر کردن قالب بسیار ضعیفی دارد, نامناسب ساختن آن برای قطعات دیواره نازک HPDC و محدود کردن استفاده از آن به ریخته گری گرانشی یا ریخته گری نیمه جامد قطعات دیواره ضخیم (به عنوان مثال, اتصالات دریایی).
• حساسیت به هیدروژن: Mg به راحتی با رطوبت موجود در مذاب واکنش می دهد (از مواد خام, ابزار کوره, یا عوامل آزاد کننده کپک) برای تشکیل Mg(اوه)2 و گاز هیدروژن, افزایش تخلخل.
  گاز زدایی شدید مذاب (گاززدایی چرخشی آرگون یا نیتروژن) برای آلیاژهای حاوی منیزیم برای کاهش محتوای هیدروژن مورد نیاز است <0.15 سی سی/100 گرم ال (ASTM E259).
• حساسیت به اکسیداسیون: Mg در دماهای بالا به سرعت اکسید می شود, تشکیل یک مقیاس شل MgO که مذاب را آلوده می کند و باعث ایجاد نقص در ریخته گری می شود.
  آلیاژهای مذاب حاوی منیزیم به شار محافظ یا گاز بی اثر نیاز دارند (آرگون) پوشش برای جلوگیری از اکسیداسیون.

2. عناصر آلیاژی ثانویه: تنظیم ریزساختار و فرآیند پذیری

عناصر آلیاژی ثانویه در غلظت های پایین اضافه می شوند (0.1-1.5 درصد وزنی) و به عنوان "اصلاح کننده های ریز ساختار" برای کاهش اثرات مضر ناخالصی ها عمل می کنند (به عنوان مثال, با), غلات, جلوگیری از چسبیدن قالب, و خواص تنظیم دقیق.

اتو کردن, منگنز, و تیتانیوم بحرانی ترین هستند, با نقش هایشان که کاملاً به یکدیگر وابسته هستند.

اتو کردن (با): یک "ناخالصی ضروری" برای رهاسازی قالب

آهن معمولاً به عنوان یک ناخالصی در آلیاژهای آلومینیوم در نظر گرفته می شود, اما در دایکستینگ, به طور عمدی در 0.6-1.2 درصد وزنی کنترل می شود (طبق توصیه های NADCA) برای جلوگیری از چسبیدن قالب (لحیم کاری),

یک مسئله مهم در HPDC که در آن آلومینیوم مذاب به سطح قالب فولادی می‌چسبد, ایجاد عیوب سطحی (به عنوان مثال, چلیک) و کاهش عمر قالب.

بدون Fe, آلومینیوم مذاب به قالب فولادی جوش می شود, تولید در مقیاس بزرگ را غیرممکن می کند.

مکانیسم های عمل:

• جلوگیری از چسبیدن کپک: آهن یک نازک را تشکیل می دهد, لایه بین فلزی چسبنده Fe-Al (در درجه اول FeAl3) در رابط قالب و آلومینیوم, به عنوان مانعی برای چسبندگی عمل می کند.
  این لایه ترشوندگی آلومینیوم مذاب روی فولاد را کاهش می دهد, جلوگیری از لحیم کاری و افزایش عمر قالب به میزان 15 تا 20 درصد در مقایسه با آلیاژهای کم آهن (<0.5 وزنی ٪).
• کاهش پارگی داغ: Fe دمای یوتکتیک آلیاژهای Al-Si را اندکی کاهش می دهد, باریک کردن فاصله انجماد و کاهش تمایل به پارگی داغ - تکمیل کننده اثر Si.
• بهبود ثبات ابعادی: محتوای آهن کنترل شده (0.8-1.0 درصد وزنی) رشد دانه را در طول انجماد کاهش می دهد, افزایش پایداری ابعادی و کاهش اعوجاج چرخه حرارتی.

اثرات مضر و کاهش:

• سازند بین فلزی شکننده: آهن در آلومینیوم جامد حلالیت تقریباً صفر دارد و سخت تشکیل می شود, بین فلزی β-Al2Fe2Si2 سوزنی (سختی 900 HV) در ریزساختار.
  این ذرات سوزنی مانند به عنوان آغازگر ترک عمل می کنند, انعطاف پذیری و چقرمگی را به شدت کاهش می دهد - آهن اضافی (>1.2 وزنی ٪) می تواند ازدیاد طول را کاهش دهد 50% یا بیشتر و باعث شکستگی شکننده در سرویس شود.
• کاهش قدرت: فراتر از ~0.5 درصد وزنی, آهن با تشکیل مواد بین فلزی درشتی که ماتریس α-Al را مختل می کند شروع به کاهش استحکام کششی می کند..
  به عنوان مثال, یک آلیاژ Al-Si با 1.5 درصد وزنی آهن دارای UTS 10 تا 15 درصد کمتر از همان آلیاژ است 0.8 درصد وزنی Fe.
• کاهش از طریق Mn/Cr: افزودن منگنز (منگنه) یا کروم (کلوچه) ترکیبات بین فلزی β-Al3Fe2Si2 سوزنی شکل را به فشرده تغییر می دهد.,
  بین فلزی α-AlFeMnSi یا α-AlFeCrSi شکل چینی, که برای شکل پذیری و چقرمگی ضرر کمتری دارند.
  نسبت بهینه منگنز به آهن 0.5-0.8 است: منگنز/آهن <0.5 منجر به اصلاح ناقص می شود, در حالی که منگنز / آهن >0.8 مواد بین فلزی درشت Al6Mn را تشکیل می دهد که شکل پذیری را کاهش می دهد.

منگنز (منگنه): اصلاح مواد بین فلزی غنی از آهن

منگنز تقریباً به تمام آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری شده در غلظت های 0.1 تا 0.5 درصد وزنی اضافه می شود., تنها نقش اصلی آن خنثی کردن اثرات مضر آهن است.

برخلاف مس یا منیزیم, منگنز به طور قابل توجهی قابلیت ریخته گری یا مقاومت در برابر خوردگی را تغییر نمی دهد, آن را به یک "اصلاح کننده سودمند" با حداقل مبادلات تبدیل می کند.

مکانیسم های عمل:

• اصلاح فاز Fe: منگنز با آهن و سی در مذاب واکنش می دهد و مواد بین فلزی α-AlFeMnSi تشکیل می دهد., که دارای جمع و جور هستند, مورفولوژی غیر سوزنی (خط چینی یا کروی) در مقایسه با سوزنی شکننده β-Al9Fe2Si2.
  این اصلاح تمرکز تنش را کاهش می دهد و از انتشار ترک جلوگیری می کند, بهبود شکل پذیری و چقرمگی 20 تا 30 درصد.
  به عنوان مثال, در A413 (Fe ≤1.5 درصد وزنی, منگنز ≤0.5 درصد وزنی), منگنز β-AlFeSi را به α-AlFeMnSi تغییر می دهد, افزایش طول از 1.5-2.5٪ (اصلاح نشده) به 3.5-6.0٪ (اصلاح شده است).
• تقویت کننده محلول جامد متوسط: منگنز کمی در ماتریس α-Al حل می شود (حلالیت ≈ 1.8 wt% در 658 درجه سانتیگراد), ارائه استحکام محلول جامد متوسط ​​بدون از دست دادن شکل پذیری قابل توجه.
  این استحکام کششی را در مقایسه با آلیاژهای اصلاح نشده 5 تا 10 درصد افزایش می دهد.
• پالایش غلات: منگنز در غلظت‌های پایین، مواد بین‌فلزی Al6Mn را تشکیل می‌دهد, که به عنوان مکان های هسته زایی ناهمگن برای دانه های α-Al عمل می کنند, پالایش ریزساختار و بهبود یکنواختی خواص.

کنترل محتوا: منگنز به شدت به ≤0.5 درصد وزنی محدود شده است (آسم B85) زیرا منگنز اضافی، بین فلزات درشت Al6Mn را تشکیل می دهد, که به عنوان افزایش دهنده تنش عمل می کنند و شکل پذیری را کاهش می دهند.

غلظت ها <0.1 درصد وزنی برای اصلاح کامل بین فلزات غنی از آهن کافی نیست, β-Al₉Fe2If2.

تیتانیوم (از): پالایش غلات

تیتانیوم به آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری در غلظت های 0.1 تا 0.2 درصد وزنی اضافه می شود., در درجه اول به عنوان یک تصفیه کننده دانه برای بهبود یکنواختی ریزساختار, کاهش پارگی داغ, و خواص مکانیکی را افزایش می دهد.

اغلب در ترکیب با بور استفاده می شود (شرح) برای پالایش موثرتر.

مکانیسم های عمل:

• هسته زایی ناهمگن: Ti با Al واکنش می دهد و ذرات TiAl3 را تشکیل می دهد, که ساختار کریستالی شبیه α-Al دارند (FCC) و در طول انجماد به عنوان محل هسته برای دانه های α-Al عمل می کنند.
  این اندازه دانه α-Al را از 200 تا 300 میکرومتر اصلاح می کند (تصفیه نشده) تا 50-100 میکرومتر (تصفیه شده), بهبود استحکام کششی 10-15٪ و ازدیاد طول 20-30٪.
• کاهش پارگی داغ: خوب, دانه های هم محور که توسط پالایش Ti ایجاد می شوند، تنش کششی را به طور یکنواخت در طول انجماد توزیع می کنند,
  کاهش تمایل به پارگی داغ به میزان 40 تا 50 درصد - به ویژه برای آلیاژهای هیپویوتکتیک با فواصل انجماد گسترده مفید است. (به عنوان مثال, A356).
• بهبود یکنواختی املاک: دانه های تصفیه شده جداسازی ریزساختاری را کاهش می دهند, حصول اطمینان از خواص مکانیکی ثابت در سراسر اجزای ریختگی - برای اجزای دقیق بسیار مهم است (به عنوان مثال, محوطه الکترونیکی, شیرهای هیدرولیک).

اثر هم افزایی با بور (شرح): افزودن بور (0.005-0.01 درصد وزنی) با Ti ذرات TiB2 را تشکیل می دهد, که مکان های هسته زایی پایدارتر و موثرتر از TiAl3 هستند.

آلیاژ اصلی Al-5Ti-1B به طور گسترده در صنعت استفاده می شود, اجازه می دهد برای غلظت کمتر Ti (0.1 wt% Ti + 0.02 wt% B) برای دستیابی به همان اثر پالایش 0.2 wt% Ti به تنهایی.

3. سایر عناصر کمیاب: ویژگی های تنظیم دقیق و پردازش پذیری

عناصر کمیاب (اضافه شده در غلظت ≤0.5 درصد وزنی) برای تنظیم دقیق خواص خاص یا پردازش پذیری استفاده می شود, هر عنصر نقش مهمی را ایفا می کند.

نیکل (در), کروم (کلوچه), استرانسیوم (SR), رهبری (پب), و بیسموت (دو) رایج ترین هستند.

نیکل (در) و کرومیوم (کلوچه): ثبات در دمای بالا

• نیکل (در, ≤0.5 درصد وزنی): نیکل سختی در دمای بالا را بهبود می بخشد, مقاومت در برابر خزش, و مقاومت در برابر سایش با تشکیل فازهای سخت بین فلزی (ال₃نی, AlNiSi).
  همچنین CTE را کاهش می دهد, افزایش پایداری ابعادی در دماهای بالا (200-300 درجه سانتیگراد).
  آلیاژهایی مانند B390 (14-16 درصد وزنی Si + 0.5 wt% از) برای گرمای زیاد استفاده می شود, اجزای مقاوم در برابر سایش (به عنوان مثال, سیلندرهای موتور, آستین های پیستون).
  هر چند, نیکل چگالی را اندکی افزایش می دهد و شکل پذیری را کاهش می دهد, بنابراین فقط زمانی اضافه می شود که عملکرد دمای بالا حیاتی باشد.
• کروم (کلوچه, 0.1-0.5 درصد وزنی): کروم رشد دانه را در دماهای بالا کنترل می کند, بهبود حفظ استحکام در دمای بالا.
  همچنین بین فلزات غنی از آهن را مشابه منگنز اصلاح می کند, کاهش شکنندگی. کروم اغلب در ترکیب با نیکل برای عملکرد هم افزایی در دمای بالا استفاده می شود.

استرانتیوم (SR): اصلاح سی یوتکتیک

Sr در غلظت های کمی اضافه می شود (0.015-0.03 درصد وزنی) برای اصلاح مورفولوژی یوتکتیک Si در آلیاژهای Al-Si.

در آلیاژهای اصلاح نشده, سی یوتکتیک به صورت درشت رشد می کند, ذرات سوزنی شکل که شکل پذیری را کاهش می دهند - Sr این ذرات را به ریز تبدیل می کند, ذرات فیبری, افزایش طول دو برابر (به عنوان مثال, از 1.5-2.5٪ به 3.5-6.0٪ برای A413).

Sr به دلیل ماندگاری طولانی، اصلاح کننده استاندارد صنعتی برای HPDC است (تا 60 دقایقی) و سازگاری با چرخه های ریخته گری سریع.

هر چند, با فسفر مسموم می شود (پ >0.001 وزنی ٪), که ذرات AlP را تشکیل می دهد که اصلاح Si را نفی می کند - کنترل دقیق P برای اصلاح موثر Sr لازم است.

رهبری (پب) و بیسموت (دو): ماشین سازی

سرب و بی در غلظت‌های 0.1 تا 0.3 درصد وزنی برای بهبود ماشین‌کاری با تشکیل فازهای با نقطه ذوب پایین اضافه می‌شوند. (پب: 327 درجه سانتیگراد, دو: 271 درجه سانتیگراد) در مرزهای دانه.

این فازها به عنوان "تراشه شکن" عمل می کنند,” کاهش نیروهای برشی و سایش ابزار.

هر چند, آنها آلیاژ را غیر قابل جوش می کنند و شکل پذیری را کاهش می دهند, بنابراین فقط در قطعاتی که نیاز به ماشین کاری بالایی دارند استفاده می شود (به عنوان مثال, اتصال دهنده های نخ شده, چرخ دنده های دقیق).

4. اثرات ترکیبی بر قابلیت ریخته گری و عملکرد مکانیکی

عملکرد یک آلیاژ آلومینیوم دایکاست به تنهایی توسط عناصر جداگانه تعیین نمی شود, اما با تعاملات هم افزایی و متضاد آنها.

هدف از طراحی آلیاژ ایجاد تعادل در قابلیت ریخته گری است (سیالیت, مقاومت در برابر پارگی گرم) و عملکرد مکانیکی (قدرت, انعطاف پذیری, سختی) بر اساس الزامات برنامه.

تعاملات عناصر کلیدی و پیامدهای عملی آنها

سیلیکون × منیزیم (Si–Mg)

• تعامل متالورژیکی: Mg با Si ترکیب می شود و پس از عملیات حرارتی محلول و پیری، رسوب Mg2Si را تشکیل می دهد.
  حضور Si همچنین مقدار منیزیم را در محلول جامد در مقابل تقسیم به بین فلزات در طول انجماد کنترل می کند..
• اثر ریختگی: Si نزدیک به یوتکتیک سیالیت را بهبود می بخشد و محدوده انجماد را کاهش می دهد, تسهیل پر کردن دیواره نازک.
  افزایش منیزیم بیش از سطوح متوسط ​​باعث کاهش سیالیت و افزایش فاصله موثر انجماد می شود, افزایش خطر پارگی داغ.
• معاوضه مکانیکی: وت + Mg استحکام قابل عملیات حرارتی را امکان پذیر می کند (از طریق Mg2Si) در حالی که سفتی معقول و پایداری حرارتی را حفظ می کند.
  بهترین مصالحه، سی نزدیک به یوتکتیک با منیزیم کنترل شده است تا هم قابلیت ریخته گری و هم تقویت پس از ریختگی را فراهم کند..

سیلیکون × مس (و – با)

• تعامل متالورژیکی: با رسوبات (فازهای Al-Cu) در طول پیری شکل می گیرد و قدرت را افزایش می دهد اما مستقل از ساختارهای یوتکتیک غنی از Si عمل می کند.
• اثر ریختگی: مس به طور قابل توجهی سیالیت را بهبود نمی بخشد; اگر مسیر انجماد پیچیده شود، مس بیش از حد می تواند تمایل به کوتاهی گرم و ترک بین دانه ای را افزایش دهد..
• معاوضه مکانیکی: مس باعث افزایش شدید UTS و حفظ دمای بالا می شود, اما با جریمه حساسیت به خوردگی و گاهی کاهش شکل پذیری در ترکیب با ساختارهای یوتکتیک درشت.

مس × منیزیم (Cu–Mg)

• تعامل متالورژیکی: هر دو به سخت شدن سن در برخی از آلیاژهای Al-Si-Cu-Mg از طریق شیمی رسوب جداگانه کمک می کنند.; فعل و انفعالات بین جمعیت های رسوبی می تواند بر رفتار در سنین بالا تأثیر بگذارد.
• اثر عملکرد: ترکیب مس و منیزیم متوسط، محدوده تنظیم گسترده‌تری برای استحکام و چقرمگی ایجاد می‌کند، اما نیاز به کنترل عملیات حرارتی را افزایش می‌دهد و در صورت ضعیف بودن سطح، می‌تواند خوردگی میکروگالوانیکی را تشدید کند..

آهن × منگنز / کروم (Fe-Mn/Cr)

• تعامل متالورژیکی: Fe مواد بین فلزی سخت Al-Fe-Si را تشکیل می دهد که شکننده هستند.
  منگنز و کروم فازهای بتا سوزنی/سوزن را به فشرده‌تر تبدیل می‌کنند, مورفولوژی های "خط چینی" یا کروی که بسیار کمتر مضر هستند.
• قابلیت ریخته گری و اثر مکانیکی: آهن کنترل شده با اصلاح منگنز / کروم شروع ترک خوردگی را در بین فلزات کاهش می دهد, بهبود سختی و زندگی خستگی با تأثیر منفی ناچیز بر سیالیت.
  این یک استراتژی کلاسیک "کنترل آسیب" است، زمانی که ضایعات یا محدودیت های فرآیند باعث ایجاد آهن غیرقابل اجتناب می شود.

Hypereutectic Si, نیکل و سایش/افزودنی های با دمای بالا

• تعامل متالورژیکی: محتوای Si بالا ذرات Si اولیه را تولید می کند. نیکل و برخی افزودنی‌های Mo/Cr شبکه‌های بین فلزی را در دمای بالا تثبیت می‌کنند.
• مبادلات: این ترکیبات سایش و پایداری حرارتی عالی ایجاد می‌کنند، اما به طور چشمگیری شکل‌پذیری را کاهش می‌دهند و ماشین‌کاری و پر کردن قالب را پیچیده می‌کنند.. فقط زمانی استفاده کنید که مقاومت در برابر سایش یا استحکام خزش حرارتی غالب است.

فعل و انفعالات روی

• تعامل متالورژیکی: روی در مقادیر کم می تواند استحکام را کمی افزایش دهد; در سطوح بالاتر، دامنه انجماد را گسترش می دهد و حساسیت به پارگی گرم را افزایش می دهد.
• نکته کاربردی: روی معمولاً برای جلوگیری از مشکلات ریخته‌گری به سطوح پایین در آلیاژهای ریخته‌گری محدود می‌شود.

مقایسه عملکرد آلیاژهای معمولی (HPDC, دارای بازار بی نظیر):

5. مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی

ترکیب آلیاژ یک عامل تعیین کننده اصلی مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد در دمای بالا است - دو ویژگی مهم برای اجزای در معرض محیط های خشن یا گرمای طولانی مدت.

عناصر کلیدی متمایز هستند, اغلب اثرات متضاد بر این معیارهای عملکرد, نیاز به تعادل دقیق در طول طراحی آلیاژ.

مقاومت در برابر خوردگی

• با مضر است: مس عنصر اصلی کاهش دهنده مقاومت در برابر خوردگی است, همانطور که سلول های گالوانیکی را با Al تشکیل می دهد.
  آلیاژهای مس >1.0 وزنی ٪ (به عنوان مثال, A380) برای جلوگیری از خوردگی حفره ای نیاز به عملیات سطحی دارند.
  آلیاژهای کم مس (<0.15 وزنی ٪, به عنوان مثال, A413, A360) مقاومت در برابر خوردگی عالی را نشان می دهد, آنها را برای کاربردهای فضای باز مناسب می کند.
• Mg مفید است: Mg فیلم غیرفعال Al2O3 را تثبیت می کند, بهبود مقاومت در برابر خوردگی.
  الیاژ 518 (Mg بالا) مقاوم ترین آلیاژ معمولی در برابر خوردگی است, مناسب برای کاربردهای دریایی و فضای باز که قرار گرفتن در معرض رطوبت یا آب شور اجتناب ناپذیر است.
• Si خنثی به سودمند است: سی تا 12 درصد وزنی با تشکیل یک لایه اکسیدی پایدارتر، مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد. Hypereutectic Si (>12 وزنی ٪) ممکن است مقاومت در برابر خوردگی را به دلیل ذرات درشت Si اولیه کمی کاهش دهد, که به عنوان محل خوردگی عمل می کنند.
• Mn خنثی است: منگنز تأثیر مستقیم کمی بر خوردگی دارد اما یکنواختی را بهبود می بخشد, کاهش نقاط خوردگی موضعی که می تواند منجر به شکست زودرس شود.

آزمایشات اسپری نمک ASTM B117 این روندها را تایید می کند: A413 هیچ حفره قابل توجهی را بعد از آن نشان نمی دهد 1000 ساعت, در حالی که A380 بعد از آن حفره شدید نشان می دهد 200 ساعت - برجسته کردن نقش حیاتی محتوای مس در عملکرد خوردگی.

ثبات حرارتی

• قدرت درجه حرارت بالا: مس و نیتروژن باعث بهبود حالت استراحت و 150 تا 300 درجه سانتیگراد می شوند.
  آلیاژهای حاوی نیکل (به عنوان مثال, B390) برای قطعات با حرارت بالا استفاده می شود, زیرا آنها سختی و استحکام را حتی تحت قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا حفظ می کنند.
  کروم همچنین با کنترل رشد دانه به حفظ استحکام در دمای بالا کمک می کند.
• ثبات ابعادی: Si و Ni/Cr CTE را کاهش می دهند, افزایش پایداری ابعادی تحت سیکل حرارتی.
  آلیاژهای با Si بالا (به عنوان مثال, A413, B390) دارای CTE 21.0-22.5 × 10-6 /°C, در مقایسه با 22.0-23.5 × 10-6 / ° C برای آلیاژهای کم Si (به عنوان مثال, 518)- آنها را برای اجزای دقیقی که باید تحت نوسانات دما شکل خود را حفظ کنند، ایده آل می کند.
• مقاومت در برابر خزش: Ni و Cr مقاومت در برابر خزش را بهبود می بخشند (تغییر شکل تحت تنش طولانی مدت در دماهای بالا), برای اجزای موتور و سوپاپ های هیدرولیک که تحت بار و حرارت ثابت کار می کنند بسیار مهم است.

6. سیستم های آلیاژ: ال سی, ال مگ, و فراتر از

آلیاژهای آلومینیوم دایکاست تجاری در سه سیستم اصلی قرار می گیرند, سیستم Al-Si به دلیل قابلیت ریخته گری و عملکرد متعادل آن غالب است.

هر سیستم برای نیازهای کاربردی خاص طراحی شده است, با ترکیب آلیاژی که برای رفع الزامات عملکرد کلیدی بهینه شده است.

سیستم السی (300 وت 400 سری)

این سیستم برای بیش از 90% کاربردهای آلومینیوم دایکاست, با آلیاژهای حاوی 6-18 درصد وزنی Si و غلظت‌های مختلف Cu/Mg.

زیرمجموعه های کلیدی با محتوای Si آنها نسبت به نقطه یوتکتیک تعریف می شوند (11.7 وزنی ٪):

• Hypoeutectic (300 سری): A380, A360, A383, A384 (Si=7–11.7% وزنی).
  این آلیاژها قابلیت ریخته گری و استحکام را متعادل می کنند, مناسب برای اجزای ساختاری همه منظوره (به عنوان مثال, محاصره خودرو, براکت) جایی که هم پردازش پذیری و هم عملکرد مورد نیاز است.
• نزدیک به یوتکتیک (400 سری): A413 (Si=10.7-12.5% ​​وزنی).
  این آلیاژها بهترین سیالیت و سفتی فشار را از خود نشان می دهند, ایده آل برای دیوار نازک, اجزای مهم نشت (به عنوان مثال, منیفولدهای هیدرولیکی, بدنهای).
• هایپروتکتیک (سری B): B390 (Si=14-16 درصد وزنی).
  این آلیاژها به دلیل ذرات درشت Si اولیه مقاومت سایش بالایی دارند, مناسب برای سیلندرها و پیستون های موتور که در آن سایش نگرانی اصلی است.

سیستم المگ

در درجه اول توسط آلیاژ نشان داده می شود 518 (Al-5٪ Mg), این سیستم فاقد Si یا Cu قابل توجهی است.

بهترین مقاومت در برابر خوردگی و شکل پذیری را نسبت به آلیاژهای دایکاست معمولی نشان می دهد، اما ریخته گری بسیار ضعیفی دارد. (سیالیت کم, تمایل بالا به پارگی داغ).

در نتیجه, این به ریخته گری گرانشی یا ریخته گری نیمه جامد دیواره ضخیم محدود می شود, اجزای حساس به خوردگی (به عنوان مثال, اتصالات دریایی, قسمتهای معماری) که در آن مقاومت در برابر خوردگی بر قابلیت ریخته گری اولویت دارد.

سیستم الذن

در این سیستم آلیاژهای دایکاست پرکاربرد وجود ندارد, به عنوان آلیاژهای غالب روی (7سری xxx) به طور معمول ساخته می شوند (دایکست نیست).

روی فقط به عنوان یک افزودنی جزئی ظاهر می شود (0.5-3.0 درصد وزنی) در آلیاژهای دایکاست (به عنوان مثال, ADC12/A383) برای بهبود ماشینکاری و استحکام متوسط, اما روی بالا باعث افزایش ترک خوردگی و کاهش مقاومت در برابر خوردگی می شود و استفاده از آن را به کاربردهای خاص محدود می کند..

7. اثرات بر روی فرآیندهای مختلف ریخته گری

انتخاب آلیاژ ارتباط نزدیکی با فرآیند دایکاست دارد, زیرا هر فرآیند دارای الزامات متمایزی برای سیالیت است, میزان جامد سازی, و واکنش مذاب.

تطبیق آلیاژ با فرآیند، کیفیت بهینه ریخته گری و عملکرد اجزا را تضمین می کند.

ریخته گری با فشار بالا (HPDC)

HPDC نیاز به پر شدن سریع قالب دارد (2-5 متر بر ثانیه) از مقاطع نازک (≤1.0 میلی متر), ترجیح دادن آلیاژهای با Si بالا با سیالیت عالی و فواصل انجماد باریک.

آلیاژهای کلیدی شامل A380 است, A383, A384 (Hypoeutectic Si) و A413 (سی نزدیک به یوتکتیک).

این آلیاژها به سرعت قالب های پیچیده را پر می کنند و تمایل به پاره شدن داغ دارند, آنها را برای تولید قطعات پیچیده در حجم بالا مناسب می کند.

آلیاژهای کم مس (A360, A413) زمانی استفاده می شود که چسبیدن قالب نگران کننده باشد, در حالی که آلیاژهای غنی از منیزیم (518) عموماً به دلیل سیالیت ضعیف برای HPDC نامناسب هستند.

ریخته گری فشار کم و جاذبه

این فرآیندها پر شدن کندتر را امکان پذیر می کند (0.1-0.5 متر بر ثانیه) و مقاطع ضخیم تر (3-10 میلی متر), اجازه استفاده از آلیاژهایی با سیالیت کمتر اما خواص خدماتی بهتر.

آلیاژهایی مانند A360 (استحکام / خوردگی متعادل) وت 518 (خوردگی / شکل پذیری عالی) در اینجا استفاده می شوند, از آنجایی که پر شدن کندتر باعث کاهش تلاطم و تخلخل می شود و کیفیت قطعه را بهبود می بخشد.

انجماد ملایم تر همچنین پارگی داغ را در آلیاژهای غنی از منیزیم به حداقل می رساند, گسترش کاربرد آنها.

ریخته گری نیمه جامد

در این فرآیند از دوغاب نیمه جامد استفاده می شود (50-60 درصد جامد) برای پر کردن قالب ها, آلیاژهای با ریزساختار خوب را ترجیح می دهند (به عنوان مثال, A356, A360) که می توان به راحتی تیکسو کاست.

تصفیه کننده غلات (شما/ب) اغلب برای بهبود یکنواختی دوغاب استفاده می شود, در حالی که منیزیم و مس برای متعادل کردن قدرت و پردازش پذیری کنترل می شوند و این فرآیند را برای دقت بالا مناسب می کند, اجزای با استحکام بالا.

8. نتیجه گیری

عناصر آلیاژی پایه و اساس عملکرد آلیاژ آلومینیوم دایکاست هستند, حاکم بر تکامل ریزساختار, پردازش پذیری ریخته گری, و خواص خدماتی.

نقش آنها با مکانیسم های متالورژیکی و وابستگی های متقابل مشخص تعریف می شود: Si امکان ریخته گری و سفتی فشار را فراهم می کند, مس به قیمت مقاومت در برابر خوردگی استحکام را افزایش می دهد, Mg استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را متعادل می کند, آهن از چسبیدن قالب جلوگیری می کند (با کاهش منگنز), و عناصر کمیاب خواص خاص را به خوبی تنظیم می کنند.

کلید انتخاب و طراحی موفق آلیاژ، متعادل کردن اثرات هم افزایی و متضاد این عناصر برای برآورده ساختن الزامات خاص فرآیند کاربرد و ریخته گری است..

برای پیچیده, قطعات ضد فشار, آلیاژهای نزدیک به یوتکتیک Al-Si (به عنوان مثال, A413) ایده آل هستند; برای قطعات ساختاری با مقاومت بالا, آلیاژهای Hypoeutectic Al-Si-Cu (به عنوان مثال, A380) ترجیح داده می شوند; برای اجزای حساس به خوردگی, آلیاژهای کم مس Al-Si-Mg یا Al-Mg (به عنوان مثال, A360, 518) انتخاب می شوند.

به عنوان تولید سبک وزن, وسایل نقلیه برقی, و پیشروی ریخته گری دقیق, طراحی عناصر آلیاژی با تمرکز بر مس کم به تکامل ادامه خواهد داد, کم ناخالصی, و آلیاژهای کمیاب اصلاح شده در زمین که پایداری بهتری را ارائه می دهند, مقاومت در برابر خوردگی, و عملکرد درجه حرارت بالا.