캐스트 알루미늄의 특성

1. 요약

주조 알루미늄은 저밀도를 결합합니다., 좋은 비강도, 폭넓은 공정 유연성으로 우수한 주조성 및 내식성.

그 특성은 합금 화학에 크게 의존합니다., 주조 방법 및 주조 후 처리 (예를 들어, 열처리, 표면 마감).

물리 상수 이해, 미세 구조 드라이버, 내구성을 위해 주조 알루미늄을 선택하려면 공정-속성 관계 및 일반적인 고장 모드가 필수적입니다., 가벼운 중량, 제조 가능한 부품.

2. 소개 — 주조 알루미늄이 중요한 이유

알루미늄 주물은 자동차 산업의 기초입니다., 항공우주 (중요하지 않은 부품), 선박, 소비자 전자 장치, 전력 전송, 열교환 기, 일반 산업 장비.

설계자는 복잡한 형상이 있을 때 주조 알루미늄을 선택합니다., 통합 기능, 낮은 부품 무게 (특정 강도/강성), 합리적인 내식성이 필요합니다..

매력은 신체적 성능의 조합입니다, 대규모 제조업 경제, 재활용 가능성.

3. 캐스트 알루미늄의 물리적 특성

4. 주조 알루미늄의 야금 및 미세 구조

깁스 알루미늄 합금 일반적으로 알루미늄을 기반으로 합니다. (알) 추가가 통제된 매트릭스:

• 알시족 (실루민) 실리콘이 유동성을 향상시키기 때문에 가장 널리 사용되는 주조 제품군입니다., 수축을 줄입니다, 용융 범위를 낮추고.
  미세 구조: 공융 Si 입자를 포함하는 α-Al 수지상 매트릭스; Si의 형태와 분포는 강도에 큰 영향을 미칩니다, 연성 및 마모.
• 알–시–Mg 합금은 열처리가 가능합니다 (Mg₂Si 등의 침전물을 통한 시효경화).
• Al-Cu 및 Al-Zn 주조 합금은 강도는 더 높지만 내식성이 감소할 수 있으며 주의 깊은 열처리가 필요합니다..
• 금속 간 (철이 풍부한 단계, C-To 단계) 응고 중에 형성되어 기계적 특성과 기계 가공성에 영향을 미칩니다..
  통제된 화학 및 처리 (예를 들어, Fe 개질의 경우 Mn) 유해한 금속간 형태를 제한하는 데 사용됩니다..
• 수지상 분리 응고에 내재되어 있습니다: 1차 α-Al 수상돌기 및 수지상간 공융; 미세한 수상돌기 암 간격 (빠른 냉각) 일반적으로 기계적 성질을 향상시킵니다..

중요한 미세구조 제어 메커니즘:

• 곡물 정제 (의, B 첨가물 또는 곡물 정제 접종제) 열간 찢어짐을 줄이고 기계적 특성을 향상시킵니다..
• 가감 (예를 들어, SR, Si 수정에 대한 Na) 판형 Si를 섬유질/둥근 형태로 변환하여 연성 및 인성을 향상시킵니다..
• 탈기 및 수소 제어 중요합니다: 용해된 수소는 가스 다공성을 유발합니다; 탈기 및 적절한 용융 처리로 다공성을 줄이고 피로를 개선합니다..

5. 기계적 특성 (힘, 연성, 경도, 피로)

강도와 연성

• 주조 알루미늄 합금은 광범위한 강도/연성 스펙트럼에 걸쳐 있습니다..
  일반적인 Al-Si 주조 합금의 주조 인장 강도는 일반적으로 열처리 시 수백 MPa 중하위 범위에 속합니다.; 수정되지 않은, 거친 공융 미세구조 및 다공성 낮은 강도 및 연신율.
• 열처리 (솔루션 처리, 끄다, 인공 노화 - 일반적으로 T6라고 함) 침전 강화 단계 (예를 들어, mg₂si) 수율과 최대 인장 강도를 크게 증가시킬 수 있습니다..

경도

• 경도는 합금화와 상관관계가 있습니다, 주요 Si 함량, 열처리. 과공정 Al-Si 합금 (높은 Si) 열처리된 합금은 더 높은 경도와 내마모성을 나타냅니다..

피로

• 주조 알루미늄은 일반적으로 단조 합금보다 피로 성능이 낮음 주조 결함으로 인해 인장 강도가 비슷함 (다공성, 산화물 필름, 수축) 균열 발생 장소로 작용.
  피로 수명은 표면 품질에 매우 민감합니다., 다공성, 그리고 노치 기능.
• 피로 개선: 다공성을 줄이다 (degassing, 통제 된 응고), 미세구조를 개선하다, 샷 핀 또는 표면 마감, 응력 집중을 최소화하는 설계를 사용합니다..

크리프 및 온도 상승

• 알루미늄 합금은 강철에 비해 고온 강도가 제한적입니다.; 많은 주조 합금의 경우 ~150~200°C 이상에서 크리프가 발생합니다..
  지속적인 상승 온도를 선택하려면 특수 합금 및 설계 허용치가 필요합니다..

6. 열적 및 전기적 특성

• 열전도율: 주조 알루미늄은 대부분의 구조용 금속에 비해 우수한 열 전도성을 유지합니다., 방열판에 유리하게 만듭니다., 열 전달이 중요한 하우징 및 부품.
  하지만, 합금, 다공성 및 미세 구조로 인해 순수 Al에 비해 전도성이 감소합니다..
• 열팽창: 상대적으로 높은 CTE (~22–24×10⁻⁶ K⁻¹) CTE가 낮은 재료를 사용한 신중한 공차 및 조인트 설계가 필요합니다. (강철, 도예) 열 응력이나 밀봉 실패를 방지하기 위해.
• 전기 전도성: 순수 Al보다 주조 합금 함량이 낮음; 중량별 전도도가 중요한 곳에서는 여전히 사용됩니다. (예를 들어, 버스 바, 도체와 결합된 하우징).

7. 부식 및 환경적 행동

• 자연 산화물 보호: 알루미늄은 자발적으로 얇은 층을 형성합니다., 다양한 분위기에서 우수한 일반 내식성을 제공하는 접착력이 있는 Al₂O₃ 산화 피막.
• 염화물 환경에서의 피팅: 공격적인 염화물 함유 환경에서 (해양 스플래시, 제빙염), 국부적인 구멍이나 틈새 부식이 발생할 수 있습니다., 특히 금속간 화합물이 미세 갈바닉 사이트를 생성하는 경우.
• 갈바닉 고려사항: 더 많은 귀금속과 결합할 때 (예를 들어, 스테인레스 스틸), 알루미늄은 양극성이므로 전해질에 전기적으로 연결되면 우선적으로 부식됩니다..
• 보호 조치: 합금 선택, 코팅 (양극화, 변환 코팅, 그림 물감, 파우더 코팅), 틈새를 방지하기 위한 조인트 및 설계의 실런트로 장기적인 부식 성능이 향상됩니다..

8. 주조 공정 및 특성에 미치는 영향

다양한 주조 경로로 인해 특징적인 미세 구조가 생성됩니다., 표면 마감, 공차 및 기계적 성질:

• 모래 주조: 툴링 비용이 낮습니다, 좋은 디자인 유연성, 더 거친 미세구조, 다공성 위험이 더 높음, 거친 표면 마무리. 대형의 경우 일반적, 저용량 부품. 일반적으로 다이캐스팅보다 기계적 성질이 낮음.
• 주사위 (고압) 주조: 얇은 벽, 가까운 공차, 우수한 표면 조도와 높은 생산율.
  신속한 응고로 미세한 미세 구조와 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있습니다., 그러나 다이캐스팅에는 종종 가스와 수축 다공성이 포함되어 있습니다.; 많은 다이캐스트 합금은 샌드캐스트 Al-Si-Mg 합금과 같은 방식으로 열처리할 수 없습니다..
• 영구주형주조 (중력): 개선된 미세 구조 대 모래 주조 (더 낮은 다공성, 더 나은 기계적 특성), 적당한 도구 비용.
• 투자 (잃어버린 왁스) 주조: 뛰어난 표면 조도와 복잡한 기하학적 구조, 적당한 양의 정밀 부품에 사용됨.
• 원심 캐스팅 / 캐스팅을 짜십시오: 높은 무결성과 방향성 응고가 필요한 곳에 유용합니다. (원통형 부품, 압력 함유 응용 분야용 주물).

프로세스-속성 절충:

• 더 빠른 냉각 (다이 캐스팅, 오한이 있는 영구 곰팡이) → 더 미세한 수상돌기 암 간격 → 더 높은 강도 및 연성.
• 다공성 제어 (degassing, 가압 주조) → 피로에 민감한 응용 분야에 중요.
• 경제적인 선택은 부품 크기에 따라 달라집니다., 복잡성, 단가 및 성능 요구 사항.

9. 열처리, 합금, 및 미세구조 제어

이 섹션에서는 합금 화학이 어떻게 이루어지는지 요약합니다., 주조 작업과 주조 후 열 처리가 상호 작용하여 미세 구조를 결정하므로 기계적 특성도 결정됩니다., 피로 및 부식 특성 - 주조 알루미늄의.

주요 합금 원소 및 그 효과

강수량 (나이) 경화 — 메커니즘 및 단계

많은 주조 Al-Si-Mg 합금은 석출 경화를 통해 열처리가 가능합니다. (T-temp 제품군). 일반적인 순서:

1. 솔루션 처리 - 용해성 상을 용해시키기 위해 높은 온도에서 유지 (예를 들어, mg₂si) 균일한 과포화 고용체로.
   일반적인 Al-Si 주조 합금의 일반적인 용액 온도는 초기 용융에 근접할 정도로 높지만 이를 초과하지는 않습니다.; 시간은 단면 두께에 따라 다릅니다..
2. 끄다 — 급속 냉각 (물 담금질, 폴리머 담금질) 실온에서 과포화 고용체를 유지하기 위해.
   담금질 속도는 경화 가능성을 감소시키는 조기 침전을 피하기에 충분해야 합니다..
3. 노화 — 통제된 재가열 (인공 노화) 미세한 강화입자를 침전시키는 것 (예를 들어, mg₂si) 탈구 운동을 방해하는.
   피크 경도 조건이 있는 경우가 많습니다. (성수기); 노화가 더 진행되면 거칠어지고 과노화가 발생합니다. (힘 감소, 증가된 연성).

강수 단계는 일반적으로 Guinier-Preston에서 진행됩니다. (GP) 구역 (일관성 있는, 아주 괜찮습니다) → 반 응집성 미세 침전물 → 비일관성 거친 침전물.

응집성/반 응집성 침전물은 가장 강력한 강화 효과를 나타냅니다..

두 가지 일반적인 성질 지정:

• T6 — 용액 처리, 최고 강도까지 담금질 및 인위적으로 노화됨 (A356/T6 및 유사 합금에 공통).
• T4 - 자연스러운 (실온) 담금질 후 노화 (인공적인 노화 단계 없음) — 다양한 속성 균형을 제공하며 특정 응용 프로그램에 사용됩니다..

실질적인 결과: 열처리 가능한 주조 합금 (Al–Si–Mg 계열) T6 가공을 통해 인장강도와 항복강도가 크게 증가할 수 있습니다., 종종 약간의 연성을 희생하고 주조 결함에 대한 민감도가 높아집니다. (수요를 해소하다, 왜곡).

고급 접근 방식 및 전문 치료

• 퇴행과 재노화 (RRA): 열 이탈 후 특성을 회복하기 위해 일부 단조 합금에 사용됩니다.; 주조에는 덜 일반적이지만 틈새 시장에는 적용 가능.
• 2단계 노화 또는 다단계 노화: 강도-연성 균형을 최적화할 수 있습니다.; 합금 및 단면에 맞게 조정된 특정 레시피.
• Zr/Sc/Be를 이용한 미세합금: 성능 합금에서 Zr 또는 Sc는 열처리 중 입자 성장을 고정하고 고온 안정성을 향상시키는 분산질을 형성합니다.; 비용 고려가 높다.
• 뜨거운 등방성 프레스 (잘 알고 있기): 내부 다공성을 줄이고 무결성 주조의 피로 수명을 향상시킬 수 있습니다. (투자 캐스팅, 고부가가치 항공우주 부품).

10. 표면 마감 및 접합 고려사항

• 양극화: 마모를 위한 산화물의 전기화학적 농축, 내식성 및 미용 마감. 균일한 전류 분포를 위해 설계된 경우 주조에 적합.
• 전환 코팅 (크롬산염 또는 비크롬 대체품): 페인트 접착성 및 내식성 향상; 크롬산염은 역사적으로 사용되었지만 환경적인 이유로 점점 더 많이 교체되고 있습니다..
• 그림 / 분말 코팅: 미적 측면과 부식 방지 기능 강화에 공통; 표면 준비 (청소, 에칭) 중요합니다.
• 가공: 주조 알루미늄은 일반적으로 기계 가공이 잘됩니다., 특히 다이캐스팅용으로 개발된 쾌삭 등급의 Al-Si 합금. 금속간 화합물과 단단한 Si 입자는 공구 마모에 영향을 미칩니다.
• 용접: 많은 주조 합금을 용접할 수 있습니다., 하지만 조심해야 해: 열 영향을 받는 부분에서는 균열이나 다공성이 발생할 수 있습니다.; 수리 용접에는 종종 예열이 필요합니다., 적절한 용가재 및 용접 후 처리.
  일부 고Si 주조 합금은 용접하기 어렵고 기계적으로 더 잘 수리됩니다..

11. 지속 가능성, 경제학, 및 수명주기 고려 사항

• 재활용: 알루미늄은 재활용성이 뛰어나다; 재활용 (반성) 알루미늄은 1차 생산에 비해 에너지 사용을 크게 줄입니다. (일반적으로 언급되는 1차 알루미늄 대비 최대 90%의 에너지 절감 효과).
• 수명주기 비용: 부품 무게가 가벼워지면 운송 분야에서 작동 에너지가 줄어드는 경우가 많습니다.; 초기 주조 비용은 유지 관리와 균형을 이루어야 합니다., 코팅 및 수명이 다한 재활용.
• 소재 순환성: 주조 스크랩 및 수명이 다한 부품은 쉽게 재용해됩니다.; 불순물 축적을 방지하려면 신중한 합금 관리가 필요합니다. (Fe는 일반적인 문제입니다.).

12. 비교 분석: 캐스트 알루미늄 대. 경쟁사

13. 결론

캐스트 알루미늄 다재다능합니다, 성능이 결정되는 고부가가치 엔지니어링 소재 합금 화학 및 후처리 처리 금속 자체와 마찬가지로.

올바르게 지정되면, 생산 및 유지 관리, 주조 알루미늄은 다음과 같은 강력한 조합을 제공합니다. 저밀도, 좋은 비강도, 높은 열전도율, 내식성 및 우수한 주조성- 자동차 하우징 소재로 선택되는 장점, 열교환 부품, 제어 인클로저 및 다양한 소비자 및 산업용 애플리케이션.

 

FAQ

주조 알루미늄은 단조 알루미늄보다 약합니다?

본질적으로 그렇지 않음; 많은 주조 합금이 경쟁력을 확보할 수 있습니다., 특히 열처리 후에.

하지만, 주물은 주조 관련 결함에 더 취약합니다. (다공성, 포함) 단조에 비해 피로 성능을 감소시키는, 단조 합금.

최고의 기계적 특성을 제공하는 주조 공정?

신속한 촉진을 위한 프로세스, 제어된 응고 및 낮은 다공성 (영구 곰팡이, 적절한 탈기를 통한 다이캐스팅, 캐스팅을 짜십시오) 일반적으로 거친 모래 주조보다 더 나은 기계적 특성을 나타냅니다..

주조 알루미늄을 열처리할 수 있음?

예. 많은 Al-Si-Mg 주조 합금이 열처리 가능합니다. (T6형) 용체화 처리를 통해 강도를 대폭 향상, 끄다, 그리고 노화.

주물에서 다공성을 방지하는 방법?

용존수소 감소 (degassing), 용융 난류 제어, 적절한 게이팅 및 라이징 사용, 여과를 적용하다, 주입 온도 및 금형 설계 최적화.

주조 알루미늄은 해양 환경에 적합합니까??

알루미늄은 수동 산화물 형성으로 인해 일반적인 내식성이 우수하지만 국부적인 염화물 유발 피팅 및 갈바닉 부식에 취약합니다.; 적절한 합금 선택 (해양 등급 합금), 장기적인 해상 서비스를 위해서는 코팅과 디자인이 필요합니다.