Liejamo aliuminio savybės

1. Santrauka

Lietas aliuminis derina mažą tankį, geras specifinis stiprumas, puikus liejamumas ir atsparumas korozijai bei platus proceso lankstumas.

Jo savybės labai priklauso nuo lydinio chemijos, liejimo metodas ir apdorojimas po liejimo (Pvz., terminis apdorojimas, paviršiaus apdaila).

Fizinių konstantų supratimas, mikrostruktūriniai vairuotojai, Proceso ir savybių santykiai ir bendri gedimų režimai yra labai svarbūs renkantis aliuminį kaip patvarų, lengvas, gaminami komponentai.

2. Įvadas – kodėl aliuminio liejimas yra svarbus

Aliuminio liejiniai yra automobilių pramonės pagrindas, kosmoso (nekritinės dalys), jūrų, Vartojimo elektronika, Galios perdavimas, Šilumokaičiai, ir bendra pramoninė įranga.

Dizaineriai renkasi lietinį aliuminį, kai sudėtinga geometrija, integruotos funkcijos, mažas dalies svoris (specifinis stiprumas / standumas), ir reikalingas pagrįstas atsparumas korozijai.

Apeliacija yra fizinio pajėgumo derinys, gamybos ekonomika mastu, ir perdirbamumą.

3. Fizinės lietinio aliuminio savybės

4. Lieto aliuminio metalurgija ir mikrostruktūra

Aktoriai aliuminio lydiniai paprastai yra pagaminti iš aliuminio (Al) matrica su kontroliuojamais priedais:

• Al-Si šeima (Siluminas) yra plačiausiai naudojama liejinių šeima, nes silicis pagerina sklandumą, sumažina susitraukimą, ir sumažina lydymosi diapazoną.
  Mikrostruktūra: α-Al dendritinė matrica su eutektinėmis Si dalelėmis; Si morfologija ir pasiskirstymas stipriai veikia stiprumą, plastiškumas ir susidėvėjimas.
• Al-Si-Mg lydiniai yra termiškai apdorojami (senėjimo sukietėjimas per nuosėdas, tokias kaip Mg2Si).
• Al-Cu ir Al-Zn Lieti lydiniai pasižymi didesniu stiprumu, tačiau gali būti mažesnio atsparumo korozijai ir reikalauja kruopštaus terminio apdorojimo.
• Intermetallics (Fe turtingos fazės, C-To fazės) formuojasi kietėjimo metu ir turi įtakos mechaninėms savybėms bei apdirbamumui.
  Kontroliuojama chemija ir gydymas (Pvz., Mn Fe modifikacijai) yra naudojami žalingoms intermetalinėms morfologijoms apriboti.
• Dendritinė segregacija būdingas kietėjimui: pirminiai α-Al dendritai ir interdendritinė eutektika; smulkesnis dendrito rankų tarpas (greitas aušinimas) apskritai pagerina mechanines savybes.

Svarbūs mikrostruktūros valdymo mechanizmai:

• Grūdų tobulinimas (Iš, B priedai arba grūdus rafinuojantys inokuliantai) sumažina karštą plyšimą ir pagerina mechanines savybes.
• Modifikacija (Pvz., Sr, Na Si modifikacijai) paverčia plokštelinį Si į pluoštinę/apvalią morfologiją, pagerinančią lankstumą ir kietumą.
• Degazavimas ir vandenilio valdymas yra kritiški: ištirpęs vandenilis sukelia dujų poringumą; degazavimas ir tinkamas lydalo tvarkymas sumažina poringumą ir pagerina nuovargį.

5. Mechaninės savybės (stiprybė, ausmingumas, kietumas, nuovargis)

Stiprumas ir lankstumas

• Lieto aliuminio lydiniai apima platų stiprumo / lankstumo spektrą.
  Įprastų Al-Si liejinių lydinių tempiamasis stipris paprastai būna nuo apatinio iki vidurio šimtų MPa, kai jis apdorojamas termiškai.; nepakeistas, stambios eutektinės mikrostruktūros ir poringumas sumažina stiprumą ir pailgėjimą.
• Šilumos procedūros (Gydymas tirpalu, gesinimas, dirbtinis senėjimas - paprastai vadinamas T6) nuosėdų stiprinimo fazės (Pvz., Mg₂si) ir gali žymiai padidinti išeigą ir ribinį tempimo stiprumą.

Kietumas

• Kietumas koreliuoja su legiravimu, pirminis Si kiekis, ir terminis apdorojimas. Hipereutektiniai Al-Si lydiniai (aukštas Si) o termiškai apdoroti lydiniai pasižymi didesniu kietumu ir atsparumu dilimui.

Nuovargis

• Lietas aliuminis paprastai turi mažesnės nuovargio savybės nei kaltų lydinių panašaus tempimo stiprumo, nes liejimo defektai (poringumas, Oksido plėvelės, susitraukimas) veikia kaip įtrūkimų atsiradimo vietos.
  Nuovargio trukmė yra labai jautri paviršiaus kokybei, poringumas, ir įpjovos ypatybės.
• Nuovargio gerinimas: sumažinti poringumą (Degazavimas, kontroliuojamas kietėjimas), tobulinti mikrostruktūrą, šratai arba paviršiaus apdaila, ir naudokite dizainą, kad sumažintumėte streso koncentraciją.

Šliaužimas ir pakilusi temperatūra

• Aliuminio lydinių atsparumas aukštai temperatūrai yra ribotas, palyginti su plienu; valkšnumas tampa aktualus virš ~150–200 °C daugeliui liejinių lydinių.
  Norint pasirinkti nuolat aukštesnes temperatūras, reikalingi specialūs lydiniai ir konstrukcijos nuolaidos.

6. Šiluminės ir elektrinės savybės

• Šilumos laidumas: Lietas aliuminis išlaiko gerą šilumos laidumą, lyginant su dauguma konstrukcinių metalų, todėl jis yra palankus šilumos šalintuvams, korpusai ir komponentai, kuriuose svarbus šilumos perdavimas.
  Tačiau, Lydimas, poringumas ir mikrostruktūra sumažina laidumą, palyginti su grynu Al.
• Šiluminis plėtimasis: Santykinai aukštas CTE (~22–24×10⁻⁶ K⁻¹) reikalauja kruopštaus tolerancijos ir sujungimo su mažesnio CTE medžiagų dizaino (plienas, keramika) kad būtų išvengta šiluminės įtampos arba sandariklio gedimo.
• Elektrinis laidumas: Mažesnis liejinių lydinių nei gryno Al; vis dar naudojamas ten, kur svarbus svorio savitasis laidumas (Pvz., Busbarai, korpusai sujungti su laidininkais).

7. Korozija ir elgesys aplinkoje

• Natūrali oksidų apsauga: Aliuminis spontaniškai sudaro ploną, prilipusi Al2O3 oksido plėvelė, užtikrinanti gerą bendrą atsparumą korozijai daugelyje atmosferų.
• Duobės chloridinėje aplinkoje: Agresyvioje aplinkoje, kurioje yra chlorido (jūrinis purslas, ledą tirpinančios druskos), gali atsirasti vietinė duobių ar plyšių korozija, ypač ten, kur intermetalinės medžiagos sukuria mikrogalvanines vietas.
• Galvaniniai svarstymai: Sujungus su tauresniais metalais (Pvz., Nerūdijantis plienas), aliuminis yra anodinis ir pirmiausia koroduoja, jei elektra prijungiamas prie elektrolito.
• Apsaugos priemonės: Lydinio pasirinkimas, dangos (Anodavimas, konversijos dangos, dažai, miltelinis sluoksnis), sandarikliai jungtyse ir konstrukcija, kad būtų išvengta įtrūkimų, pagerina ilgalaikes korozijos savybes.

8. Liejimo procesai ir kaip jie veikia savybes

Skirtingi liejimo būdai sukuria būdingas mikrostruktūras, paviršiaus apdaila, tolerancijos ir mechaninės savybės:

• Smėlio liejimas: Mažos įrankių kainos, geras dizaino lankstumas, grubesnė mikrostruktūra, didesnė poringumo rizika, grubus paviršiaus apdaila. Tipiškas dideliems, Mažos tūrio dalys. Mechaninės savybės paprastai yra žemesnės nei liejimo slėginiu būdu.
• Mirk (aukšto slėgio) liejimas: Plonos sienos, artimi nuokrypiai, puiki paviršiaus apdaila ir didelis gamybos tempas.
  Greitas kietėjimas suteikia smulkią mikrostruktūrą ir geras mechanines savybes, tačiau liejiniuose dažnai būna dujų ir susitraukimo poringumo; daugelis liejinių lydinių nėra termiškai apdorojami taip pat, kaip ir smėliu Al-Si-Mg lydiniai.
• Liejimas nuolatiniu būdu (gravitacija): Patobulinta mikrostruktūra, palyginti su smėlio liejimu (apatinis poringumas, geresnės mechaninės savybės), vidutinė įrankių kaina.
• Investicija (Pamiršta vaškas) liejimas: Puiki paviršiaus apdaila ir sudėtingos geometrijos, naudojamas vidutinio tūrio tikslioms dalims.
• Išcentrinis liejimas / išspauskite liejimą: Naudinga ten, kur reikalingas didelis vientisumas ir kryptingas kietėjimas (cilindrinės dalys, liejiniai, skirti naudoti su slėgiu).

Proceso ir nuosavybės kompromisai:

• Greitesnis aušinimas (liejimas štampuojant, nuolatinis pelėsis su šaltkrėtis) → smulkesnis dendrito pečių atstumas → didesnis stiprumas ir lankstumas.
• Poringumo kontrolė (Degazavimas, slėginis liejimas) → labai svarbus nuovargiui jautrioms programoms.
• Ekonominis pasirinkimas priklauso nuo dalies dydžio, Sudėtingumas, vieneto kainos ir našumo reikalavimai.

9. Terminis apdorojimas, Lydimas, ir mikrostruktūros valdymas

Šiame skyriuje apibendrinama, kaip lydinio chemija, liejimo praktika ir terminis apdorojimas po liejimo sąveikauja, kad nustatytų mikrostruktūrą, taigi ir mechaninę, nuovargio ir korozijos savybės – aliuminio lydinio.

Pagrindiniai legiravimo elementai ir jų poveikis

Krituliai (amžiaus) grūdinimas — mechanizmai ir etapai

Daugelis Al-Si-Mg lydinių yra termiškai apdorojami grūdinant krituliais (T-temp šeimos). Bendra seka:

1. Gydymas tirpalu — palaikykite aukštesnėje temperatūroje, kad ištirptų tirpios fazės (Pvz., Mg₂si) į homogeninį persotintą kietą tirpalą.
   Įprastų Al-Si lydinių tirpalo temperatūra yra pakankamai aukšta, kad priartėtų, bet neviršytų pradinio lydymosi; laikas priklauso nuo sekcijos storio.
2. Gesinimas - greitas aušinimas (Vandens gesinimas, polimerinis gesinimas) išlaikyti persotintą kietą tirpalą kambario temperatūroje.
   Gesinimo greitis turi būti pakankamas, kad būtų išvengta priešlaikinių kritulių, kurie sumažina kietėjimo potencialą.
3. Senėjimas - kontroliuojamas pakartotinis šildymas (dirbtinis senėjimas) nusodinti smulkias stiprinančias daleles (Pvz., Mg₂si) kurios trukdo dislokacijos judėjimui.
   Dažnai būna didžiausias kietumas (didžiausias amžius); tolesnis senėjimas sukelia šiurkštumą ir per didelį senėjimą (sumažintas stiprumas, padidėjęs lankstumas).

Kritulių etapai paprastai vyksta iš Guinier-Preston (GP) zonos (nuoseklus, Labai gerai) → pusiau koherentinės smulkios nuosėdos → nerišlios stambesnės nuosėdos.

Ryškios/pusiau koherentinės nuosėdos sukuria stipriausią stiprinamąjį poveikį.

Du bendri temperamento pavadinimai:

• T6 - apdorotas tirpalu, gesinamas ir dirbtinai brandinamas iki didžiausio stiprumo (įprastas A356/T6 ir panašiems lydiniams).
• T4 – natūralus (kambario temperatūra) senėjimas po gesinimo (nėra dirbtinio senėjimo žingsnio) — suteikia skirtingą nuosavybės balansą ir yra naudojamas tam tikrose srityse.

Praktinė pasekmė: termiškai apdorojami liejiniai lydiniai (Al-Si-Mg šeima) Apdorojant T6, jų tempiamasis stipris ir takumo riba gali žymiai padidėti, dažnai tam tikro lankstumo ir padidėjusio jautrumo liejimo defektams kaina (numalšinti poreikius, iškraipymas).

Pažangūs metodai ir specialūs gydymo būdai

• Retrogresija ir pakartotinis senėjimas (RRA): naudojamas kai kuriuose kaltiniuose lydiniuose savybėms atkurti po šiluminių ekskursų; mažiau paplitusi liejiniams, bet taikoma nišiniams atvejams.
• Dviejų pakopų senėjimas arba daugiapakopis senėjimas: gali optimizuoti stiprumo ir lankstumo balansą; konkretūs receptai, pritaikyti lydiniui ir skyriui.
• Mikrolydymas su Zr/Sc/Be: efektyviuose lydiniuose Zr arba Sc sudaro dispersoidus, kurie stabdo grūdų augimą terminio apdorojimo metu ir pagerina stabilumą aukštoje temperatūroje; išlaidų įvertinimas yra didelis.
• Karštas izostatinis presavimas (Hip): sumažina vidinį poringumą ir gali pagerinti didelio vientisumo liejinių naudojimo trukmę nuovargiui (Investicijų liejimas, didelės vertės aviacijos ir kosmoso dalys).

10. Paviršiaus apdaila ir sujungimas

• Anodavimas: elektrocheminis oksido sutirštinimas susidėvėjimui, atsparumas korozijai ir kosmetinė apdaila. Tinka liejiniams, jei jie skirti vienodam srovės paskirstymui.
• Konversinės dangos (chromatinės arba nechrominės alternatyvos): pagerinti dažų sukibimą ir atsparumą korozijai; chromatai naudojami istoriškai, bet vis dažniau keičiami dėl aplinkosaugos priežasčių.
• Tapyba / miltelių danga: bendra estetika ir papildoma apsauga nuo korozijos; paviršiaus paruošimas (valymas, ofortas) yra kritiškas.
• Apdirbimas: Lietas aliuminis paprastai gerai apdirbamas, ypač Al-Si lydiniai su laisvo apdirbimo klasėmis, sukurtomis liejimui slėgiu. Intermetalinės medžiagos ir kietosios Si dalelės turi įtakos įrankių nusidėvėjimui.
• Suvirinimas: galima suvirinti daug liejinių lydinių, bet reikia būti atsargiems: karščio paveiktose zonose gali atsirasti įtrūkimų ar poringumo; remontinis suvirinimas dažnai reikalauja išankstinio pašildymo, tinkami užpildai ir apdorojimas po suvirinimo.
  Kai kuriuos lydinius, kuriuose yra daug Si, sunku suvirinti ir geriau taisyti mechaniškai.

11. Tvarumas, Ekonomika, ir gyvavimo ciklo aspektus

• Perdirbimas: aliuminis yra labai perdirbamas; perdirbtas (antrinis) aliuminis žymiai sumažina energijos suvartojimą, palyginti su pirmine gamyba (dažniausiai minimas energijos sutaupymas iki ~90%, palyginti su pirminiu aliuminiu).
• Gyvenimo ciklo išlaidos: mažesnis dalies svoris dažnai sumažina eksploatacinę energiją transporto srityse; pradinės liejimo išlaidos turi būti subalansuotos su priežiūra, dangos ir eksploatavimo pabaigos perdirbimas.
• Medžiagos apvalumas: liejimo atraižos ir nebenaudojamos dalys lengvai išlydomos; Siekiant išvengti priemaišų kaupimosi, reikia atidžiai kontroliuoti lydinį (Fe yra dažna problema).

12. Lyginamoji analizė: Leiskite aliuminį vs.. Konkurentai

13. Išvados

Leiskite aliuminį yra universalus, didelės vertės inžinerinė medžiaga, kurios veikimą lemia tiek pat lydinių chemija ir apdorojimas po apdorojimo kaip ir pats metalas.

Kai tinkamai nurodyta, gaminamas ir prižiūrimas, Lietas aliuminis suteikia įtikinamą derinį mažas tankis, geras specifinis stiprumas, didelis šilumos laidumas, atsparumas korozijai ir puikus liejimas-privalumai, dėl kurių ji yra tinkamiausia automobilių korpusų medžiaga, šilumos mainų komponentai, valdymo korpusai ir daugelis vartotojų bei pramoninių pritaikymų.

 

DUK

Lietas aliuminis yra silpnesnis nei kaltas aliuminis?

Ne iš prigimties; daugelis lietų lydinių gali pasiekti konkurencinių pranašumų, ypač po terminio apdorojimo.

Tačiau, liejiniai yra jautresni liejiniams būdingiems defektams (poringumas, intarpai) kurie sumažina nuovargio charakteristikas, palyginti su kaltu, kaltiniai lydiniai.

Kuris liejimo procesas suteikia geriausias mechanines savybes?

Procesai, skatinantys greitą, kontroliuojamas kietėjimas ir mažas poringumas (Nuolatinis pelėsis, liejimas su tinkamu degazavimu, išspauskite liejimą) paprastai pasižymi geresnėmis mechaninėmis savybėmis nei stambaus smėlio liejiniai.

Lietas aliuminis gali būti termiškai apdorotas?

Taip – ​​daugelis Al-Si-Mg liejinių lydinių yra termiškai apdorojami (T6 tipo) žymiai padidinti stiprumą apdorojant tirpalu, gesinimas, ir senėjimas.

Kaip išvengti poringumo liejiniuose?

Sumažinkite ištirpusio vandenilio kiekį (Degazavimas), kontroliuoti lydalo turbulenciją, naudokite tinkamą užtvarą ir pakėlimą, taikyti filtravimą, ir optimizuoti liejimo temperatūrą bei formos dizainą.

Lietas aliuminis tinka jūrinei aplinkai?

Aliuminis pasižymi geru bendru atsparumu korozijai dėl pasyvaus oksido susidarymo, tačiau yra pažeidžiamas vietinių chlorido sukeltų duobių ir galvaninės korozijos; tinkamas lydinio pasirinkimas (jūrinės klasės lydiniai), dangos ir dizainas būtini ilgalaikiam jūriniam aptarnavimui.