Leģējošie elementi no spieduma alumīnija

Ievads

Mirkšana uzliek ļoti konkrētus ierobežojumus: ātrs pildījums, augsts dzesēšanas ātrums, plānas sekcijas, un ārkārtēja jutība pret gāzēm, oksīdi un intermetāliski materiāli.

Dizaina draiveri parasti ietver: plānas sienas kastīgums, Izmēra precizitāte, statiskā izturība, Noguruma veiktspēja, izturība pret koroziju, nodilumizturība un termiskā stabilitāte.

Leģēšana nosaka kušanas/sacietēšanas izturēšanos un galīgo mikrostruktūru, un tāpēc tas ir pamatā katram no šiem virzītājiem.

Atsevišķu elementu efektu un to mijiedarbības izpratne ir būtiska metalurģiski pamatotai sakausējumu izvēlei.

Lietie alumīnija sakausējumi ir izgatavoti uz tīra alumīnija bāzes (viegls metāls ar īpatnējo svaru ~2,7 g/cm³), kam pēc būtības ir zema mehāniskā izturība, slikta castability, un ierobežota nodilumizturība,

padarot to nepiemērotu automobiļu strukturālajām vai funkcionālajām sastāvdaļām, avi kosmosa, hidraulisks, un elektroniskā rūpniecība.

Lai pārvarētu šos ierobežojumus, Galvenie sakausējuma elementi ir stratēģiski pievienoti, lai pielāgotu sakausējuma mikrostruktūru, liešanas uzvedība, un pakalpojumu veiktspēju.

Primārie leģējošie elementi ietver silīciju (Un), vara (Cu), un magnijs (Mg), kamēr dzelzs (Fe), mangāns (Nojaukšanās), cinks (Zn), un citi mikroelementi darbojas kā kontrolētas piedevas vai piemaisījumi, lai precizētu apstrādājamību un īpašības.

1. Primārie leģējošie elementi: Galvenās veiktspējas noteikšana

Primārie leģējošie elementi tiek pievienoti salīdzinoši augstā koncentrācijā (parasti ≥1 masas %) un ir atbildīgi par spiedlējuma pamata klasifikāciju un galvenajām īpašībām alumīnijs sakausējumi.

Silīcijs, vara, un magnijs ir vissvarīgākie, jo tie tieši regulē castability, izturība, un izturība pret koroziju — trīs galvenie sakausējuma izvēles kritēriji.

Silīcijs (Un): Castability stūrakmens

Silīcijs ir visizplatītākais leģējošais elements gandrīz visos komerciālajos alumīnija sakausējumos, ar tipisku koncentrāciju diapazonā no 7 līdz 18 svara %.

Tās galvenā loma ir krasi uzlabot kausējuma plūstamību un samazināt sacietēšanas defektus, vienlaikus veicinot spēku, stīvums, un izmēru stabilitāte, padarot to par neaizstājamu sarežģītu liešanai, plānas sienas komponenti.

Tas ir īpaši svarīgi augstspiediena liešanai (HPDC), kur izkausētam metālam jāaizpilda mikrodobumi (sienas biezums ≤0,6 mm) pie lieliem ātrumiem (2-5 m/s) bez aukstuma izslēgšanas vai nepareizas darbības.

Darbības mehānismi:

• Uzlabota plūstamība: Ja pazemina alumīnija šķidruma temperatūru (no 660 °C tīram Al līdz 570–600 °C Al-Si sakausējumiem) un samazina izkausēta metāla viskozitāti, samazinot atomu saistīšanas spēkus.
  Augstais Si kristalizācijas siltums arī pagarina izkausēto stāvokli, plūsmas garuma pagarināšana.
  Pēc NADCA testa datiem, hipoeutektisks Al-Si sakausējums (7-9 masas % Si, Piem., A380) sasniedz spirālveida plūstamību 380–450 mm pie 720 ° C,
  savukārt gandrīz eitektisks sakausējums (10.7–12,5 masas % Si, Piem., A413) sasniedz 450–520 mm — uzlabojums par 15–20% — un hipereutektisks sakausējums (14–16 masas % Si, Piem., B390) sasniedz 480–550 mm.
• Samazināta sacietēšanas saraušanās: Tīram alumīnijam cietēšanas laikā ir tilpuma saraušanās ~ 6,6%., kas izraisa saraušanās porainību un izmēru kropļojumus.
  Si samazina šo saraušanos līdz 4,5–5,5%, veidojot eitektiku (α-Al + Un) struktūra, kas vienmērīgi sacietē.
  Si tuvojoties eitektiskajam līmenim (11.7 masas % Al-Si binārajā sistēmā), sacietēšanas intervāls (šķidruma un cietās vielas temperatūras starpība) krasi sašaurinās — no 40–55 °C hipoeutektiskiem sakausējumiem līdz tikai 15 °C gandrīz eitektiskiem sakausējumiem (Piem., A413).
  Šis šaurais intervāls samazina laiku, ko sakausējums pavada trauslajā puscietajā “putrainajā zonā,”
  samazinot karsto asarošanu (karsts īsums) tendence: gandrīz eitektiskiem sakausējumiem ir karstā plīsuma atgrūšanas ātrums <0.3%, salīdzinot ar 1,5–3,0% hipoeutektiskiem sakausējumiem ar zemāku Si (Piem., A356, 6.5–7,5 masas % Si).
• Stiprināšana un stīvums: Si veido grūti, ar dispersiju stiprinātas daļiņas (eitektiskais Si vai primārais Si) mīkstajā α-Al matricā.
  Eutektiska si (Cietība ≈ 800 Īgns) iztur plastisko deformāciju, kamēr primārais Si (veidojas hipereutektiskos sakausējumos, Cietība ≈ 1000 Īgns) ievērojami uzlabo nodilumizturību.
  Si arī palielina elastības moduli (no 70 GPa tīram Al līdz 75–80 GPa Al-Si sakausējumiem) un samazina termiskās izplešanās koeficientu (Cte),
  uzlabot izmēru stabilitāti termiskās cikla laikā — tas ir ļoti svarīgi komponentiem, piemēram, siltuma izlietnēm un precīziem korpusiem.

Satura efekti un kompromisi:

• Hipoeutektisks (Si = 7–11,7 masas %): Sakausējumi, piemēram, A380 (7.5-9,5 masas% Si) un A360 (9.0–10,0 masas % Si) veido primāros α-Al graudus plus eitektiku (α-Al + Un).
  Viņi līdzsvaro spēku (UTS = 260–380 MPa) un elastība (pagarinājums = 2,0–5,0%) bet tiem ir zemāka plūstamība nekā gandrīz eitektiskiem sakausējumiem.
  Šie ir visplašāk izmantotie lietie sakausējumi, piemērots vispārējas nozīmes konstrukciju komponentiem (Piem., autobūves korpusi, iekavas).
• Gandrīz eitektisks (Un ≈ 11.7 WT%): Sakausējumi, piemēram, A413 (10.7–12,5 masas % Si) ir minimāls primārais α-Al, lielākā daļa mikrostruktūras sastāv no smalkas eitektikas.
  Viņiem ir vislabākā plūstamība, spiediena hermētiskumu (noplūdes noraidīšanas līmenis <0.5%), un izturība pret karstu plīsumu, padarot tos ideāli piemērotus komponentiem, kas saglabā spiedienu (Piem., hidrauliskās kolektori, vārstu ķermeņi) un īpaši plānām sienām detaļas (0.6–0,8 mm).
• Hipereitektisks (Si = 12–18 masas %): Sakausējumi, piemēram, B390 (14–16 masas % Si) veido rupjas primārās Si daļiņas plus eitektisko.
  Primārais Si krasi uzlabo nodilumizturību (piemērots dzinēja cilindriem, Virzuļi) bet samazina elastību (pagarināšana <2.0%) un apstrādājamība primāro Si daļiņu abrazīvās īpašības dēļ.
  Pārāk augsts Si (>18 WT%) izraisa smagu trauslumu un liešanas defektus.

Kopsavilkumā, Si ir alumīnija presliešanas “iespējotājs”., ļaujot ražot sarežģītus, komponenti bez defektiem, vienlaikus uzlabojot spiediena necaurlaidību un stingrību — izskaidro, kāpēc dominē Al-Si sakausējumi 90%+ komerciāliem lietiem alumīnija lietojumiem (NADCA statistika).

Varš (Cu): Primārais spēka pastiprinātājs

Varš tiek pievienots spiedienlietām alumīnija sakausējumiem koncentrācijā no 0,1 līdz 4,0 masas%., galvenokārt, lai palielinātu mehānisko izturību un cietību, pastiprinot cieto šķīdumu un sacietējot ar nokrišņiem.

Tas ir galvenais elements sakausējumiem, kuriem nepieciešama liela nestspēja, piemēram, automobiļu konstrukciju sastāvdaļas un lieljaudas kronšteini.

Saskaņā ar ASTM B85 standartiem, Cu saturs tiek stingri kontrolēts, lai līdzsvarotu izturību un citas īpašības.

Darbības mehānismi:

• Cieta šķīduma stiprināšana: Cu ir augsta šķīdība α-Al matricā (līdz 5.6 masas % at 548 ° C), izkropļojot seju centrētu kubiku (FCC) alumīnija režģis.
  Šis kropļojums palielina izturību pret plastisko deformāciju, ievērojami paaugstinot stiepes izturību un cietību.
  Piemēram, A380 (Al-Si-3,5 Cu) ir UTS ~ 324 MPa un Brinela cietība (HB) no 80–100, salīdzinot ar ~ 310 MPa un 75–95 HB A360 (Al-Si-0,5 Cu) un ~ 290 MPa un 70–90 HB A413 (Al-Si-0,05 Cu).
• Nokrišņu sacietēšana: Termiski apstrādājamos lietie sakausējumos (Piem., A201, Cu = 4,0–5,0 masas %), Cu veido smalkas Al₂Cu nogulsnes T5/T6 termiskās apstrādes laikā (Risinājumu rūdīšana + novecošanās), vēl vairāk palielinot spēku.
  Tomēr, lielākā daļa spiedienliešanas sakausējumu (Piem., A380, A413) netiek rūpnieciski termiski apstrādāti, jo HPDC laikā notiek strauja dzesēšana,
  kas aiztur Cu cietā šķīdumā — tomēr, ar cieto šķīdumu stiprinošo efektu vien pietiek lielākajai daļai augstas stiprības lietojumu.
• Augstas temperatūras spēks: Cu uzlabo stiprības saglabāšanu paaugstinātā temperatūrā (150–250 ° C) stabilizējot α-Al matricu un novēršot graudu augšanu,
  padarot to piemērotu komponentiem, kas pakļauti mērenam karstumam (Piem., motora kronšteini, izplūdes sistēmas daļas).

Kompromisi un ierobežojumi:

• Samazināta Castability: Cu paplašina Al-Si sakausējumu sacietēšanas intervālu — A380 ir a 40 °C intervāls vs. 15 °C A413 — palielinās karstās plīsuma tendence un saraušanās porainība.
  Rūpīgs vārtu/stāvvadu dizains, atdzesēšanas aplikācija, un procesa parametru regulēšana (Piem., mazāks iesmidzināšanas ātrums, augstāka presēšanas temperatūra) ir nepieciešami, lai mazinātu šos defektus.
• Stipri degradēta izturība pret koroziju: Cu veido galvaniskās šūnas ar alumīniju (Cu darbojas kā katods, Al kā anods), paātrinot punktveida koroziju mitrumā, sālsūdens, vai rūpnieciskā vidē.
  Pat neliels Cu līmenis (0.3–0,5 masas %) var veicināt lokālu koroziju, kamēr līmeņi >1.0 WT% (Piem., A380) padarīt sakausējumu nepiemērotu izmantošanai ārpus telpām vai jūrā bez virsmas apstrādes (Anodējošs, pulvera pārklājums).
  Turpretī, sakausējumi ar zemu Cu (<0.15 WT%, Piem., A413, A360) uzrāda izcilu izturību pret koroziju, ar kalpošanas laiku 3–5 reizes garāku par A380 ASTM B117 sāls izsmidzināšanas testos.
• Samazināta elastība: Cu veido trauslas intermetāliskas fāzes (Al₂cu, Al₅Cu₂Mg₈Si₆) pie graudu robežām, kas darbojas kā stresa izraisītāji un samazina elastību.
  A380 pagarinājums ir 2,0–3,0%, salīdzinājumā ar 3,5–6,0% A413 un 3,0–5,0% A360.

Būtībā, Cu ir “izturības pret koroziju” kompromisa elements: tas nodrošina augstas stiprības preslietas komponentus, bet rūpīgi jāapsver korozijas risks un liešanas procesa pielāgošana.

Magnijs (Mg): Sinerģiska izturība un korozijas kontrole

Magnijs tiek pievienots spiedienlietām alumīnija sakausējumiem koncentrācijā no 0,05 līdz 5,0 masas%., tā loma krasi atšķiras atkarībā no satura.

Lielākajā daļā Al-Si spiedienliešanas sakausējumu (Piem., A413, A380), Mg tiek uzturēts zemā līmenī (~0,05–0,1 masas %) lai piešķirtu prioritāti castability, kamēr specializētos sakausējumos (Piem., A360, 518), tas ir paaugstināts, lai uzlabotu izturību un izturību pret koroziju.

Darbības mehānismi:

• Nokrišņu sacietēšana caur Mg₂Si: Mg reaģē ar Si sakausējumā, veidojot Mg₂Si (Cietība ≈ 450 Īgns), ļoti efektīva stiprināšanas fāze.
  Mg₂Si fāze izgulsnējas cietēšanas vai termiskās apstrādes laikā, uzlabojot tecēšanas izturību un nodilumizturību.
  Piemēram, A360 (0.45–0,6 masas % Mg) tecēšanas robeža ir 160–190 MPa (tikpat ietērpts), salīdzinot ar 140–160 MPa nemodificētam A413.
  Termiski apstrādājamos sakausējumos, piemēram, A356 (0.25–0,45 masas % Mg), T6 termiskā apstrāde palielina Mg₂Si nokrišņu daudzumu, palielinot tecēšanas robežu līdz 310-350 MPa.
• Cieta šķīduma stiprināšana (Zems Mg saturs): Zemās koncentrācijās (0.05–0,1 masas %), Mg izšķīst α-Al matricā, nodrošinot nelielu cieto šķīdumu stiprināšanu, būtiski nepazeminot plūstamību.
  Tas arī palīdz veidot skaidas apstrādes laikā, uzlabojot apstrādājamību, samazinot griezējinstrumentu nogulsnēto malu.
• Pastiprināta izturība pret koroziju: Mg stabilizē dabisko Al2O3 pasīvo oksīda plēvi uz sakausējuma virsmas, padarot to blīvāku un lipīgāku.
  Tas ievērojami uzlabo izturību pret koroziju atmosfērā, saldūdens, un viegla sālsūdens vide.
  Sakausējums 518 (5-6 masas % Mg, Al-Mg sistēma) uzrāda vislabāko izturību pret koroziju no visiem izplatītajiem spiedienliešanas sakausējumiem, ar izcilu anodēšanas veiktspēju un izturību pret sprieguma korozijas plaisāšanu (SCC).
• Darba rūdīšanas spēja: Mg uzlabo alumīnija sacietēšanas ātrumu, ļauj veikt pēcliešanas formēšanas darbības (Piem., saliekšana, likšana) komponentiem, kuriem nepieciešama neliela forma.

Kompromisi un ierobežojumi:

• Samazināta liešanas spēja pie augsta Mg satura: Mg palielina izkausēta alumīnija viskozitāti un paplašina sacietēšanas intervālu.
  Vairāk nekā 0,3 masas %, plūstamība ievērojami samazinās, un palielinās karstuma plīsuma tendence.
  Sakausējums 518 (5-6 masas % Mg) ir ļoti vāja uzpildes spēja, padarot to nepiemērotu plānsienu HPDC detaļām un ierobežojot tās izmantošanu gravitācijas spiedlēšanai vai biezu sienu komponentu puscietai liešanai (Piem., jūras piederumi).
• Ūdeņraža jutība: Mg viegli reaģē ar mitrumu kausējumā (no izejvielām, krāsns instrumenti, vai pelējuma atbrīvošanas līdzekļi) veidot Mg(Ak,)₂ un ūdeņraža gāzi, palielinot porainību.
  Stingra kausējuma degazēšana (argona vai slāpekļa rotācijas degazēšana) ir nepieciešams Mg saturošiem sakausējumiem, lai samazinātu ūdeņraža saturu līdz <0.15 cc/100g Al (ASTM E259).
• Oksidācijas jutība: Mg ātri oksidējas augstā temperatūrā, veidojot vaļīgu MgO skalu, kas piesārņo kausējumu un izraisa liešanas defektus.
  Izkausētiem Mg saturošiem sakausējumiem nepieciešama aizsargājoša plūsma vai inerta gāze (argons) pārklājums, lai novērstu oksidēšanos.

2. Sekundārie leģējošie elementi: Mikrostruktūras un apstrādājamības regulēšana

Sekundārie leģējošie elementi tiek pievienoti nelielā koncentrācijā (0.1–1,5 masas %) un darbojas kā "mikrostruktūras modifikatori", lai mazinātu piemaisījumu kaitīgo ietekmi (Piem., Fe), Precizējiet graudus, novērstu pelējuma pielipšanu, un precizējiet īpašības.

Dzelzs, mangāns, un titāns ir vissvarīgākie, to lomas ir cieši savstarpēji atkarīgas.

Dzelzs (Fe): “Nepieciešamais piemaisījums” veidņu atbrīvošanai

Dzelzs parasti tiek uzskatīts par piemaisījumu alumīnija sakausējumos, bet liešanā, tas tiek apzināti kontrolēts 0,6–1,2 masas % apmērā (saskaņā ar NADCA ieteikumiem) lai novērstu pelējuma pielipšanu (lodēšana),

kritiska problēma HPDC, kur izkausēts alumīnijs pielīp pie tērauda veidnes virsmas, izraisot virsmas defektus (Piem., nikns) un samazinot pelējuma kalpošanas laiku.

Bez Fe, izkausēts alumīnijs piemetinātos pie tērauda veidnes, padarot liela mēroga ražošanu neiespējamu.

Darbības mehānismi:

• Pelējuma pielipšanas novēršana: Fe veido plānu, pielipušais Fe-Al intermetāliskais slānis (galvenokārt FeAl₃) veidnes un alumīnija saskarnē, darbojas kā šķērslis adhēzijai.
  Šis slānis samazina izkausēta alumīnija mitrināmību uz tērauda, novērš lodēšanu un pagarina veidņu kalpošanas laiku par 15–20%, salīdzinot ar sakausējumiem ar zemu Fe (<0.5 WT%).
• Karstās plīsuma samazināšana: Fe nedaudz samazina Al-Si sakausējumu eitektisko temperatūru, sašaurinot sacietēšanas intervālu un samazinot karstās plīsuma tendenci, papildinot Si efektu.
• Izmēru stabilitātes uzlabošana: Kontrolēts Fe saturs (0.8–1,0 masas %) samazina graudu augšanu cietēšanas laikā, uzlabo izmēru stabilitāti un samazina termisko ciklu kropļojumu.

Kaitīgā ietekme un to mazināšana:

• Trausls intermetālisks veidojums: Fe ir gandrīz nulles šķīdība cietā alumīnijā un veido cietu, adatveida β-Al₉Fe₂Si2 intermetāliski materiāli (Cietība ≈ 900 Īgns) mikrostruktūrā.
  Šīs adatām līdzīgās daļiņas darbojas kā plaisu ierosinātāji, krasi pazeminot elastību un stingrību — lieko Fe (>1.2 WT%) var samazināt pagarinājumu par 50% vai vairāk un izraisīt trauslu lūzumu ekspluatācijā.
• Spēka samazināšana: Vairāk nekā 0,5 masas %, Fe sāk samazināt stiepes izturību, veidojot rupjus intermetāliskus, kas izjauc α-Al matricu.
  Piemēram, Al-Si sakausējums ar 1.5 masas % Fe UTS ir par 10–15 % zemāks nekā tam pašam sakausējumam ar 0.8 masas % Fe.
• Seku mazināšana, izmantojot Mn/Cr: Mangāna pievienošana (Nojaukšanās) vai hroms (Krekls) pārveido adatveida β-Al₉Fe₂Si2 intermetāliskus kompaktos,
  Ķīniešu rakstības formas α-AlFeMnSi vai α-AlFeCrSi intermetāliski materiāli, kas ir mazāk kaitīgi elastībai un stingrībai.
  Optimālā Mn/Fe attiecība ir 0,5–0,8: Mn/Fe <0.5 rada nepilnīgas modifikācijas, kamēr Mn/Fe >0.8 veido rupjus Al₆Mn intermetāliskus, kas samazina elastību.

Mangāns (Nojaukšanās): Pārveido ar Fe-Rich Intermetallics

Mangānu pievieno gandrīz visiem spiedienlietiem alumīnija sakausējumiem koncentrācijā 0,1–0,5 %, tā vienīgā galvenā loma ir Fe kaitīgās ietekmes neitralizācija.

Atšķirībā no Cu vai Mg, Mn būtiski nemaina liejamību vai izturību pret koroziju, padarot to par "izdevīgu modifikatoru" ar minimāliem kompromisiem.

Darbības mehānismi:

• Fe-fāzes modifikācija: Mn kausējumā reaģē ar Fe un Si, veidojot intermetāliskus α-AlFeMnSi, kuriem ir kompakts, ne-acikulārā morfoloģija (Ķīniešu rakstība vai lodveida) salīdzinot ar trauslo adatveida β-Al₉Fe₂Si₂.
  Šī modifikācija samazina sprieguma koncentrāciju un novērš plaisu izplatīšanos, uzlabo elastību un stingrību par 20–30%.
  Piemēram, A413 (Fe ≤1,5 masas %, Mn ≤0,5 masas %), Mn pārveido β-AlFeSi par α-AlFeMnSi, pagarinājuma palielināšana no 1,5–2,5% (nepārveidots) līdz 3,5–6,0% (modificēts).
• Pieticīgs ciets šķīduma stiprināšana: Mn nedaudz izšķīst α-Al matricā (šķīdība ≈ 1.8 masas % at 658 ° C), nodrošinot nelielu cieta šķīduma nostiprināšanu bez ievērojamiem elastības zudumiem.
  Tas palielina stiepes izturību par 5–10%, salīdzinot ar nemodificētiem sakausējumiem.
• Graudu uzlabošana: Mn veido smalkus Al₆Mn intermetāliskus mazās koncentrācijās, kas darbojas kā neviendabīgas nukleācijas vietas α-Al graudiem, mikrostruktūras uzlabošana un īpašuma viendabīguma uzlabošana.

Satura kontrole: Mn ir stingri ierobežots līdz ≤0,5 masas % (Astma B85) jo Mn pārpalikums veido rupjus Al₆Mn intermetāliskus, kas darbojas kā stresa izraisītāji un samazina elastību.

Koncentrācijas <0.1 masas % ir nepietiekami, lai pilnībā pārveidotu ar Fe bagātus intermetāliskus materiālus, atstājot acicular β-Al₉Fe₂Si2 atlikumu.

Titāns (No): Graudu uzlabošana

Titānu pievieno spiedienlietām alumīnija sakausējumiem koncentrācijā 0,1–0,2 %, galvenokārt kā graudu rafinētājs, lai uzlabotu mikrostruktūras viendabīgumu, samazināt karsto asarošanu, un uzlabot mehāniskās īpašības.

To bieži lieto kopā ar boru (Bārts) efektīvākai pilnveidošanai.

Darbības mehānismi:

• Heterogēna kodolēšana: Ti reaģē ar Al, veidojot TiAl3 daļiņas, kuru kristāliskā struktūra ir līdzīga α-Al (FCC) un darbojas kā α-Al graudu kodēšanas vietas sacietēšanas laikā.
  Tas uzlabo α-Al graudu izmēru no 200 līdz 300 μm (nerafinēts) līdz 50–100 μm (Rafinētais), uzlabojot stiepes izturību par 10–15% un pagarinājumu par 20–30%.
• Karstās plīsuma samazināšana: Smalks, līdzvērtīgi graudi, ko veido Ti precizēšana, sacietēšanas laikā vienmērīgāk sadala stiepes spriegumu,
  samazina karstās plīsšanas tendenci par 40–50% — īpaši izdevīgi hipoeutektiskiem sakausējumiem ar plašiem sacietēšanas intervāliem (Piem., A356).
• Īpašuma vienveidības uzlabošana: Rafinēti graudi samazina mikrostrukturālo segregāciju, nodrošinot konsekventas mehāniskās īpašības visā lietajā detaļā — tas ir ļoti svarīgi precīziem komponentiem (Piem., elektroniskie apvalki, hidrauliskie vārsti).

Sinerģiska iedarbība ar boru (Bārts): Bora pievienošana (0.005–0,01 masas %) ar Ti veido TiB₂ daļiņas, kas ir stabilākas un efektīvākas kodēšanas vietas nekā TiAl3.

Al-5Ti-1B galvenais sakausējums tiek plaši izmantots rūpniecībā, pieļaujot zemāku Ti koncentrāciju (0.1 masas % Ti + 0.02 masas % B) lai sasniegtu tādu pašu izsmalcinātības efektu kā 0.2 masas % Ti vien.

3. Citi mikroelementi: Precīzās pielāgošanas īpašības un apstrādājamība

Mikroelementi (pievienots koncentrācijā ≤0,5 masas %) tiek izmantoti, lai precizētu konkrētas īpašības vai apstrādājamību, katrs elements pilda nišas lomu.

Niķelis (Iekšā), hroms (Krekls), stroncijs (Sr), svins (Pbe), un bismuts (Biplekāts) ir visizplatītākie.

Niķelis (Iekšā) un Chromium (Krekls): Augstas temperatūras stabilitāte

• Niķelis (Iekšā, ≤0,5 masas %): Ni uzlabo cietību augstā temperatūrā, šļūdes pretestība, un nodilumizturība, veidojot cietas intermetāliskas fāzes (Al₃Ni, AlNiSi).
  Tas arī samazina CTE, palielināt izmēru stabilitāti paaugstinātā temperatūrā (200–300 ° C).
  Sakausējumi, piemēram, B390 (14–16 masas % Si + 0.5 masas % no) tiek izmantoti augstam karstumam, nodilumizturīgi komponenti (Piem., dzinēja cilindri, virzuļu uzmavas).
  Tomēr, Ni nedaudz palielina blīvumu un samazina elastību, tāpēc tas tiek pievienots tikai tad, ja ir kritiska veiktspēja augstā temperatūrā.
• Hroms (Krekls, 0.1–0,5 masas %): Cr kontrolē graudu augšanu paaugstinātā temperatūrā, stiprības saglabāšanas uzlabošana augstā temperatūrā.
  Tas arī pārveido ar Fe bagātus intermetāliskus līdzīgi kā Mn, samazinot trauslumu. Cr bieži tiek izmantots kombinācijā ar Ni, lai nodrošinātu sinerģisku veiktspēju augstā temperatūrā.

Stroncija (Sr): Eitektiskā Si modifikācija

Sr pievieno nelielā koncentrācijā (0.015–0,03 masas %) lai modificētu eitektiskā Si morfoloģiju Al-Si sakausējumos.

Nemodificētos sakausējumos, eitektiskais Si aug kā rupjš, adatveida daļiņas, kas samazina elastību — Sr pārvērš tās smalkās, šķiedru daļiņas, pagarinājuma dubultošanās (Piem., no 1,5–2,5% līdz 3,5–6,0% A413).

Sr ir rūpnieciskais standarta modifikators HPDC, pateicoties tā ilgajai noturībai (līdz 60 protokols) un savietojamība ar ātriem liešanas cikliem.

Tomēr, tas ir saindēts ar fosforu (Pūtīt >0.001 WT%), kas veido AlP daļiņas, kas noliedz Si modifikāciju - efektīvai Sr modifikācijai ir nepieciešama stingra P kontrole.

Svins (Pbe) un Bismuts (Biplekāts): Bezmaksas mašīna

Pb un Bi pievieno 0,1–0,3 masas% koncentrācijā, lai uzlabotu apstrādājamību, veidojot fāzes ar zemu kušanas temperatūru (Pbe: 327 ° C, Biplekāts: 271 ° C) pie graudu robežām.

Šīs fāzes darbojas kā mikroshēmu lauzēji,” samazinot griešanas spēkus un instrumentu nodilumu.

Tomēr, tie padara sakausējumu nemetināmu un samazina elastību, tāpēc tos izmanto tikai komponentos, kam nepieciešama augsta apstrādājamība (Piem., vītņoti stiprinājumi, Precīzijas pārnesumi).

4. Apvienotā ietekme uz liešanu un mehānisko veiktspēju

Lieta alumīnija sakausējuma veiktspēju nenosaka atsevišķi elementi vien, bet ar to sinerģisko un antagonistisko mijiedarbību.

Sakausējuma dizaina mērķis ir līdzsvarot liejamību (šķidrums, karstā plīsuma izturība) un mehāniskā veiktspēja (izturība, elastība, cietība) pamatojoties uz pieteikuma prasībām.

Galveno elementu mijiedarbība un to praktiskās sekas

Silīcijs × Magnijs (Si-Mg)

• Metalurģiskā mijiedarbība: Mg savienojas ar Si, veidojot Mg₂Si nogulsnes pēc šķīduma termiskās apstrādes un novecošanas.
  Si klātbūtne arī kontrolē to, cik daudz Mg paliek cietā šķīdumā, salīdzinot ar sadalīšanos intermetālos sacietēšanas laikā..
• Castability efekts: Gandrīz eitektiskais Si uzlabo plūstamību un samazina sasalšanas diapazonu, atvieglojot plānsienu pildījumu.
  Mg palielināšana virs pieticīga līmeņa samazina plūstamību un paplašina efektīvo sasalšanas intervālu, palielinot karstu asaru risku.
• Mehāniskais kompromiss: Un + Mg nodrošina termiski apstrādājamas stiprības (caur Mg₂Si) vienlaikus saglabājot saprātīgu stingrību un termisko stabilitāti.
  Labākais kompromiss ir gandrīz eitektisks Si ar kontrolētu Mg, lai nodrošinātu gan liešanu, gan nostiprināšanu pēc liešanas..

Silīcijs × varš (Un - Ar)

• Metalurģiskā mijiedarbība: Ar nogulsnēm (Al-Cu fāzes) veidojas novecošanās laikā un palielina izturību, bet darbojas neatkarīgi no Si bagātajām eitektiskajām struktūrām.
• Castability efekts: Cu būtiski neuzlabo plūstamību; pārmērīgs Cu var palielināt karstuma un starpgranulu plaisāšanas tendenci, ja sacietēšanas ceļš kļūst sarežģīts.
• Mehāniskais kompromiss: Cu piedāvā spēcīgu UTS pieaugumu un augstas temperatūras saglabāšanu, bet tiek apdraudēta jutība pret koroziju un dažkārt samazināta elastība, ja to apvieno ar rupjām eitektiskām struktūrām.

Varš × magnijs (Cu – Mg)

• Metalurģiskā mijiedarbība: Abi veicina novecošanās sacietēšanu dažos Al-Si-Cu-Mg sakausējumos, izmantojot atsevišķas nogulšņu ķīmiskās vielas; mijiedarbība starp nogulšņu populācijām var ietekmēt uzvedību vecumā.
• Veiktspējas efekts: Neliela Cu un Mg apvienošana nodrošina plašāku stiprības un stingrības regulēšanas diapazonu, bet palielina prasības termiskās apstrādes kontrolei un var pastiprināt mikrogalvanisko koroziju, ja virsmas apdare ir slikta..

Dzelzs × mangāns / Hroms (Fe–Mn/Cr)

• Metalurģiskā mijiedarbība: Fe veido cietus Al-Fe-Si intermetālus, kas ir trausli.
  Mn un Cr pārvērš adatveida/adatas β-fāzes kompaktākās, “ķīniešu rakstība” vai lodveida morfoloģijas, kas ir daudz mazāk kaitīgas.
• Liejamība un mehāniskā iedarbība: Kontrolēta Fe ar Mn/Cr modifikāciju samazina plaisāšanas rašanos pie intermetāliem, izturības un noguruma kalpošanas laika uzlabošana ar nenozīmīgu negatīvu ietekmi uz plūstamību.
  Šī ir klasiska “bojājumu kontroles” stratēģija, kad lūžņi vai procesa ierobežojumi rada neizbēgamu Fe.

Hipereitektiskais Si, Niķelis un nodiluma/augstas temperatūras piedevas

• Metalurģiskā mijiedarbība: Augsts Si saturs rada primārās Si daļiņas. Ni un daži Mo / Cr papildinājumi stabilizē intermetāliskos tīklus paaugstinātā temperatūrā.
• Kompromisi: Šīs kombinācijas nodrošina izcilu nodiluma un termisko stabilitāti, taču ievērojami samazina elastību un sarežģī apstrādi un presformu pildīšanu. Izmantojiet tikai tad, ja dominē nodilumizturība vai termiskā šļūdes izturība.

Cinka mijiedarbība

• Metalurģiskā mijiedarbība: Zn nelielos daudzumos var nedaudz paaugstināt izturību; augstākos līmeņos tas paplašina sacietēšanas diapazonu un palielina jutību pret karstām asarām.
• Praktiska piezīme: Zn parasti ir ierobežots līdz zemam līmenim preslietā Al, lai izvairītos no liešanas problēmām.

Tipiski sakausējumu veiktspējas salīdzinājumi (HPDC, Tikpat ietērpts):

5. Izturība pret koroziju un termiskā stabilitāte

Sakausējuma sastāvs ir galvenais noteicošais faktors, kas nosaka izturību pret koroziju un veiktspēju augstā temperatūrā — divas būtiskas īpašības komponentiem, kas pakļauti skarbai videi vai ilgstošam karstumam..

Galvenie elementi ir atšķirīgi, bieži vien ir pretēja ietekme uz šiem veiktspējas rādītājiem, kas prasa rūpīgu balansēšanu sakausējuma projektēšanas laikā.

Izturība pret koroziju

• Ar ir Kaitīgs: Cu ir galvenais elements, kas samazina izturību pret koroziju, jo tas veido galvaniskās šūnas ar Al.
  Sakausējumi ar Cu >1.0 WT% (Piem., A380) nepieciešama virsmas apstrāde, lai izvairītos no punktveida korozijas.
  Zema Cu satura sakausējumi (<0.15 WT%, Piem., A413, A360) uzrāda izcilu izturību pret koroziju, padarot tos piemērotus izmantošanai ārpus telpām.
• Mg ir labvēlīgs: Mg stabilizē Al₂O3 pasīvo plēvi, Korozijas pretestības uzlabošana.
  Sakausējums 518 (augsts Mg) ir korozijizturīgākais parastais lietie sakausējums, piemērots izmantošanai jūrā un ārpus telpām, kur mitruma vai sālsūdens iedarbība ir neizbēgama.
• Si ir neitrāla pret izdevīgumu: Si līdz ~ 12 masas % uzlabo izturību pret koroziju, veidojot stabilāku oksīda plēvi. Hipereitektiskais Si (>12 WT%) var nedaudz samazināt izturību pret koroziju rupju primāro Si daļiņu dēļ, kas darbojas kā korozijas vietas.
• Mn ir neitrāls: Mn ir maza tieša ietekme uz koroziju, bet uzlabo viendabīgumu, lokālu korozijas plankumu samazināšana, kas var izraisīt priekšlaicīgu bojājumu.

ASTM B117 sāls aerosola testi apstiprina šīs tendences: Pēc A413 nav redzama būtiska bedre 1000 laiks, savukārt A380 pēc tam ir smagas bedres 200 stundas — uzsverot Cu satura kritisko lomu korozijas veiktspējā.

Termiskā stabilitāte

• Augstas temperatūras spēks: Cu un N Ni uzlabo atjaunošanos un 150–300 °C.
  Ni saturoši sakausējumi (Piem., B390) tiek izmantoti augstas temperatūras komponentiem, jo tie saglabā cietību un izturību pat ilgstoši pakļaujoties paaugstinātai temperatūrai.
  Cr arī palīdz saglabāt izturību augstā temperatūrā, kontrolējot graudu augšanu.
• Izmēra stabilitāte: Si un Ni/Cr samazina CTE, uzlabojot izmēru stabilitāti termiskā cikla laikā.
  Sakausējumi ar augstu Si saturu (Piem., A413, B390) CTE ir 21,0–22,5 × 10⁻⁶ /°C, salīdzinot ar 22,0–23,5 × 10⁻⁶ /°C sakausējumiem ar zemu Si (Piem., 518)— padarot tos ideāli piemērotus precīzām sastāvdaļām, kurām jāsaglabā forma temperatūras svārstību apstākļos.
• Šļūdes pretestība: Ni un Cr uzlabo šļūdes pretestību (deformācija ilgstošas ​​spriedzes apstākļos paaugstinātā temperatūrā), kritiski svarīgi dzinēja komponentiem un hidrauliskajiem vārstiem, kas darbojas pastāvīgā slodzē un karstumā.

6. Sakausējumu sistēmas: Al-Si, Al-MG, un Beyond

Komerciālie lietie alumīnija sakausējumi iedalās trīs primārajās sistēmās, ar Al-Si sistēmu dominējošā, pateicoties tās līdzsvarotai liešanai un veiktspējai.

Katra sistēma ir pielāgota konkrētām lietojumprogrammu vajadzībām, ar sakausējuma sastāvu, kas optimizēts, lai apmierinātu galvenās veiktspējas prasības.

Al-Si sistēma (300 un 400 Sērija)

Šī sistēma veido vairāk nekā 90% lieti alumīnija lietojumiem, ar sakausējumiem, kas satur 6–18 masas% Si un dažādas Cu/Mg koncentrācijas.

Galvenās apakškategorijas nosaka to Si saturs attiecībā pret eitektisko punktu (11.7 WT%):

• Hipoeutektisks (300 Sērija): A380, A360, A383, A384 (Si=7–11,7 masas %).
  Šie sakausējumi līdzsvaro liejamību un izturību, piemērots vispārējas nozīmes konstrukciju komponentiem (Piem., autobūves korpusi, iekavas) kur nepieciešama gan apstrādājamība, gan veiktspēja.
• Gandrīz eitektisks (400 Sērija): A413 (Si=10,7–12,5 masas %).
  Šiem sakausējumiem ir vislabākā plūstamība un spiediena necaurlaidība, ideāli piemērots plānām sienām, noplūdēm kritiskās sastāvdaļas (Piem., hidrauliskās kolektori, vārstu ķermeņi).
• Hipereitektisks (B sērija): B390 (Si = 14–16 masas %).
  Šie sakausējumi nodrošina augstu nodilumizturību rupju primāro Si daļiņu dēļ, piemērots dzinēja cilindriem un virzuļiem, kur nodilums ir galvenā problēma.

Al-Mg sistēma

Pārstāv galvenokārt ar sakausējumu 518 (Al-5% Mg), šai sistēmai trūkst ievērojama Si vai Cu.

Tam ir vislabākā izturība pret koroziju un elastība starp visiem parastajiem spiedienliešanas sakausējumiem, taču tam ir ļoti slikta liejamība (zema plūstamība, augsta karstuma plīsuma tendence).

Rezultātā, tas attiecas tikai uz gravitācijas liešanu vai puscietu biezu sienu lējumu, pret koroziju jutīgas sastāvdaļas (Piem., jūras piederumi, arhitektūras daļas) kur izturība pret koroziju ir prioritāra, nevis liejamība.

Al-Zn sistēma

Šajā sistēmā nav plaši lietotu spiedienlietu sakausējumu, kā Zn dominējošie sakausējumi (7XXX sērija) parasti tiek kaltas (nav liets).

Zn parādās tikai kā neliela piedeva (0.5–3,0 masas%) spiedienliešanas sakausējumos (Piem., ADC12/A383) lai uzlabotu apstrādājamību un mērenu izturību, bet augsts Zn veicina karsto plaisāšanu un samazina izturību pret koroziju, ierobežojot tā izmantošanu nišas lietojumos.

7. Ietekme uz dažādiem liešanas procesiem

Sakausējuma izvēle ir cieši saistīta ar liešanas procesu, jo katram procesam ir atšķirīgas prasības attiecībā uz plūstamību, sacietēšanas ātrums, un kausējuma reaktivitāte.

Sakausējuma pielāgošana procesam nodrošina optimālu liešanas kvalitāti un komponentu veiktspēju.

Augsta spiediena liešana (HPDC)

HPDC nepieciešama ātra veidņu piepildīšana (2-5 m/s) no plānām sekcijām (≤1,0 mm), dod priekšroku sakausējumiem ar augstu Si saturu ar izcilu plūstamību un šauriem sacietēšanas intervāliem.

Galvenie sakausējumi ietver A380, A383, A384 (hipoeitektisks Si) un A413 (gandrīz eitektiskais Si).

Šie sakausējumi ātri aizpilda sarežģītas veidnes, un tiem ir zema karstuma plīsuma tendence, padarot tos piemērotus sarežģītu komponentu liela apjoma ražošanai.

Zema Cu satura sakausējumi (A360, A413) tiek izmantoti, ja pelējuma pielipšana rada bažas, savukārt Mg bagāti sakausējumi (518) parasti nav piemēroti HPDC sliktas plūstamības dēļ.

Zemspiediena un gravitācijas liešana

Šie procesi ļauj lēnāk pildīt (0.1–0,5 m/s) un biezākas sadaļas (3–10 mm), ļaujot izmantot sakausējumus ar zemāku plūstamību, bet labākām ekspluatācijas īpašībām.

Sakausējumi, piemēram, A360 (līdzsvarota izturība/korozija) un 518 (lieliska korozija/elastība) tiek izmantoti šeit, jo lēnāka pildīšana samazina turbulenci un porainību, uzlabojot komponentu kvalitāti.

Maigāka sacietēšana arī samazina karsto plīsumu sakausējumos, kas bagāti ar Mg, paplašinot to piemērojamību.

Pusciets liešana

Šajā procesā tiek izmantota puscieta virca (50-60% ciets) veidņu pildīšanai, dod priekšroku sakausējumiem ar smalkām mikrostruktūrām (Piem., A356, A360) ko var viegli tiksocast.

Graudu rafinētāji (Jūs/B) bieži izmanto, lai uzlabotu vircas viendabīgumu, savukārt Mg un Cu tiek kontrolēti, lai līdzsvarotu izturību un apstrādājamību, padarot šo procesu piemērotu augstas precizitātes nodrošināšanai, Augstas stiprības komponenti.

8. Secinājumi

Leģējošie elementi ir alumīnija sakausējuma veiktspējas pamats, kas regulē mikrostruktūras evolūciju, liešanas apstrādājamība, un pakalpojumu īpašības.

Viņu lomas nosaka skaidri metalurģijas mehānismi un savstarpējā atkarība: Si nodrošina liešanu un spiediena necaurlaidību, Cu uzlabo izturību uz izturības pret koroziju rēķina, Mg līdzsvaro izturību un izturību pret koroziju, Fe novērš pelējuma pielipšanu (ar Mn mazināšanu), un mikroelementi precizē specifiskas īpašības.

Veiksmīgas sakausējuma izvēles un dizaina atslēga ir šo elementu sinerģiskās un antagonistiskās iedarbības līdzsvarošana, lai atbilstu īpašajām uzklāšanas un liešanas procesa prasībām..

Par sarežģītu, spiediena necaurlaidīgas sastāvdaļas, gandrīz eitektiskie Al-Si sakausējumi (Piem., A413) ir ideāli; augstas stiprības konstrukcijas daļām, hipoeutektiskie Al-Si-Cu sakausējumi (Piem., A380) dod priekšroku; pret koroziju jutīgām sastāvdaļām, zema Cu Al-Si-Mg vai Al-Mg sakausējumi (Piem., A360, 518) tiek izvēlēti.

Kā viegla ražošana, elektriskie transportlīdzekļi, un precīzas liešanas priekšmets, sakausējuma elementu dizains turpinās attīstīties, koncentrējoties uz zemu Cu, zemu piemaisījumu, un ar retzemju modificētiem sakausējumiem, kas nodrošina uzlabotu ilgtspējību, izturība pret koroziju, un augstas temperatūras veiktspēja.