Свойства литого алюминия

1. Управляющее резюме

Литой алюминий сочетает в себе низкую плотность, хорошая удельная прочность, превосходные литейные качества и коррозионная стойкость при широкой технологической гибкости.

Его свойства сильно зависят от химического состава сплава., метод литья и обработка после литья (НАПРИМЕР., термическая обработка, поверхностная отделка).

Понимание физических констант, микроструктурные драйверы, Взаимоотношения процесс-свойство и распространенные виды отказов имеют важное значение для выбора литого алюминия для долговечности., легкий, производственные компоненты.

2. Введение — почему литой алюминий важен

Алюминиевые отливки являются основой автомобилестроения., аэрокосмическая (некритические части), морской пехотинец, потребительская электроника, передача питания, теплообменники, и общепромышленное оборудование.

Дизайнеры выбирают литой алюминий при сложной геометрии., интегрированные функции, малый вес детали (удельная прочность/жесткость), и разумная коррозионная стойкость необходимы.

Привлекательность представляет собой сочетание физических показателей, производственная экономика в масштабе, и возможность вторичной переработки.

3. Физические свойства литого алюминия

4. Металлургия и микроструктура литого алюминия.

Бросать алюминиевые сплавы обычно основаны на алюминии (Ал) матрица с контролируемыми добавками:

• Семья Аль-Си (Силумин) является наиболее широко используемым семейством отливок, поскольку кремний улучшает текучесть., уменьшает усадку, и снижает диапазон плавления.
  Микроструктура: Дендритная матрица α-Al с эвтектическими частицами Si; морфология и распределение Si сильно влияют на прочность., пластичность и износ.
• Al–Si–Mg сплавы поддаются термической обработке (старение за счет выделений, таких как Mg₂Si).
• Al–Cu и Al–Zn литые сплавы обладают более высокой прочностью, но могут иметь пониженную коррозионную стойкость и требуют тщательной термической обработки..
• Интерметаллические (Фазы, богатые железом, Фазы C-To) формируются во время затвердевания и влияют на механические свойства и обрабатываемость.
  Контролируемая химия и обработка (НАПРИМЕР., Mn для модификации Fe) используются для ограничения вредных интерметаллических морфологий.
• Дендритная сегрегация присуще затвердеванию: первичные дендриты α-Al и междендритная эвтектика; более мелкое расстояние между дендритными плечами (быстрое охлаждение) обычно улучшает механические свойства.

Важные механизмы микроструктурного контроля:

• Уточнение зерна (Из, Добавки B или модификаторы для очистки зерна) уменьшает разрывы при нагревании и улучшает механические свойства.
• Модификация (НАПРИМЕР., Старший, Na для модификации Si) преобразует пластинчатый кремний в волокнистую/округлую структуру, улучшая пластичность и ударную вязкость.
• Дегазация и контроль водорода имеют решающее значение: растворенный водород вызывает пористость газа; дегазация и правильное обращение с расплавом уменьшают пористость и повышают усталость.

5. Механические свойства (сила, пластичность, твердость, усталость)

Прочность и пластичность

• Литые алюминиевые сплавы охватывают широкий спектр прочности и пластичности..
  Предел прочности при литье для обычных литейных сплавов Al-Si обычно находится в диапазоне от нижних до средних сотен МПа при термообработке.; неизмененный, грубая эвтектическая микроструктура и пористость, меньшая прочность и удлинение.
• Теплообразные обработки (Раствор лечение, утомить, искусственное старение — обычно называемое Т6) ускорить фазы упрочнения (НАПРИМЕР., Mg₂si) и может значительно увеличить предел текучести и предел прочности на разрыв..

Твердость

• Твердость коррелирует с легированием, первичное содержание Si, и термообработка. Заэвтектические сплавы Al–Si (высокий Si) и термообработанные сплавы обладают большей твердостью и износостойкостью..

Усталость

• Литой алюминий обычно имеет более низкие усталостные характеристики, чем у деформируемых сплавов одинаковой прочности на разрыв из-за дефектов литья (пористость, оксидные пленки, усадка) действуют как места зарождения трещин.
  Усталостная долговечность чрезвычайно чувствительна к качеству поверхности., пористость, и особенности выреза.
• Улучшение усталости: уменьшить пористость (дегазация, контролируемое затвердевание), улучшить микроструктуру, дробеструйная обработка или обработка поверхности, и используйте дизайн, чтобы минимизировать концентрацию стресса.

Ползучесть и повышенная температура

• Алюминиевые сплавы имеют ограниченную жаропрочность по сравнению со сталью.; ползучесть становится актуальной при температуре выше ~150–200 °C для многих литейных сплавов..
  Выбор для устойчивых повышенных температур требует использования специальных сплавов и допусков на проектирование..

6. Тепловые и электрические свойства

• Теплопроводность: Литой алюминий сохраняет хорошую теплопроводность по сравнению с большинством конструкционных металлов., что делает его благоприятным для радиаторов, корпуса и компоненты, для которых важна теплопередача.
  Однако, легирование, пористость и микроструктура снижают проводимость по сравнению с чистым Al.
• Тепловое расширение: Относительно высокий CTE (~22–24×10⁻⁶ К⁻¹) требует тщательного допуска и проектирования соединений с использованием материалов с более низким КТР. (сталь, керамика) во избежание термического стресса или нарушения герметичности.
• Электропроводность: В литых сплавах ниже, чем в чистом Al; до сих пор используется там, где важна проводимость по весу (НАПРИМЕР., автобусы, корпуса в сочетании с проводниками).

7. Коррозия и поведение в окружающей среде

• Родная оксидная защита: Алюминий самопроизвольно образует тонкую, липкая оксидная пленка Al₂O₃, обеспечивающая хорошую общую коррозионную стойкость во многих атмосферах..
• Питтинг в хлоридных средах: В агрессивных хлоридсодержащих средах (морской всплеск, антигололедные соли), может возникнуть локальная точечная или щелевая коррозия., особенно там, где интерметаллиды создают микрогальванические участки.
• Гальванические соображения: В сочетании с более благородными металлами (НАПРИМЕР., нержавеющая сталь), Алюминий является анодным и будет корродировать преимущественно при электрическом соединении в электролите..
• Защитные меры: Выбор сплава, покрытия (Анодирование, конверсионные покрытия, краски, порошковое покрытие), герметики на стыках и конструкция, позволяющая избежать щелей, улучшают долговременную защиту от коррозии.

8. Процессы литья и их влияние на свойства

Различные способы литья создают характерные микроструктуры., поверхностная отделка, допуски и механические свойства:

• Кастинг песка: Низкая стоимость инструмента, хорошая гибкость дизайна, более грубая микроструктура, более высокий риск пористости, грубая обработка поверхности. Типично для больших, Маленькие детали. Механические свойства обычно ниже, чем у литья под давлением..
• умереть (Высокое давление) кастинг: Тонкостенный, близкие допуски, отличное качество поверхности и высокая производительность.
  Быстрое затвердевание обеспечивает тонкую микроструктуру и хорошие механические свойства., но отливки часто содержат газ и усадочную пористость.; многие сплавы, отлитые под давлением, не поддаются термической обработке так же, как сплавы Al-Si-Mg, отлитые в песчаные формы..
• Литье в постоянную форму (гравитация): Улучшенная микроструктура по сравнению с литьем в песчаные формы (нижняя пористость, лучшие механические свойства), умеренная стоимость инструмента.
• Инвестиции (Потерянный восков) кастинг: Превосходное качество поверхности и сложная геометрия., используется для прецизионных деталей в умеренных объемах.
• Центробежный кастинг / сжимать кастинг: Полезно там, где требуется высокая целостность и направленное затвердевание. (цилиндрические детали, отливки для применений, работающих под давлением).

Компромисс процесса и свойства:

• Более быстрое охлаждение (умирать кастинг, постоянная плесень с ознобом) → меньшее расстояние между плечами дендритов → более высокая прочность и пластичность.
• Контроль пористости (дегазация, литье под давлением) → критично для приложений, чувствительных к усталости.
• Экономический выбор зависит от размера детали, сложность, Стоимость единицы продукции и требования к производительности.

9. Термическая обработка, легирование, и контроль микроструктуры

В этом разделе описывается, как химия сплавов, Практика литья и термическая обработка после литья взаимодействуют, определяя микроструктуру и, следовательно, механическую, усталостные и коррозионные свойства — литого алюминия.

Ключевые легирующие элементы и их влияние

Осадки (возраст) закаливание — механизмы и этапы

Многие литые сплавы Al-Si-Mg поддаются термической обработке путем дисперсионного твердения. (Семьи T-temp). Общая последовательность:

1. Раствор лечение — выдержка при повышенной температуре для растворения растворимых фаз (НАПРИМЕР., Mg₂si) в гомогенный пересыщенный твердый раствор.
   Типичные температуры растворения обычных литейных сплавов Al-Si достаточно высоки, чтобы приближаться к начальному плавлению, но не превышать его.; время зависит от толщины среза.
2. Утомить — быстрое охлаждение (утомить воду, закалка полимера) сохранять пересыщенный твердый раствор при комнатной температуре.
   Скорость закалки должна быть достаточной, чтобы избежать преждевременного выделения осадков, снижающих потенциал закалки..
3. Старение — контролируемый разогрев (Искусственное старение) для осаждения мелких упрочняющих частиц (НАПРИМЕР., Mg₂si) которые препятствуют движению дислокаций.
   Часто наблюдается состояние пиковой твердости. (пиковый возраст); дальнейшее старение приводит к огрублению и перестариванию (пониженная прочность, повышенная пластичность).

Стадии осадков обычно происходят в Гинье-Престоне. (врач общей практики) зоны (последовательный, очень хорошо) → полукогерентные мелкие осадки → некогерентные более крупные осадки.

Когерентные/полукогерентные выделения оказывают наиболее сильное упрочняющее действие..

Два распространенных обозначения закалки:

• T6 - обработанный раствором, закаленный и искусственно состаренный до максимальной прочности (общее для А356/Т6 и подобных сплавов).
• T4 - естественный (комнатная температура) старение после закалки (нет этапа искусственного старения) — дает различный баланс свойств и используется в определенных приложениях.

Практические последствия: термообрабатываемые литейные сплавы (Семейство Al-Si-Mg) могут существенно увеличиться прочность на разрыв и предел текучести при обработке Т6., часто за счет некоторой пластичности и повышенной чувствительности к дефектам литья. (утолить требования, искажение).

Передовые подходы и специальные методы лечения

• Регресс и повторное старение (РРА): используется в некоторых деформируемых сплавах для восстановления свойств после термических изменений.; менее распространено для отливок, но применимо в нишевых случаях.
• Двухэтапное старение или многоступенчатое старение: может оптимизировать баланс прочности и пластичности; специальные рецепты, настроенные на сплав и сечение.
• Микролегирование Zr/Sc/Be: в рабочих сплавах Zr или Sc образуют дисперсоиды, которые сдерживают рост зерен во время термообработки и улучшают высокотемпературную стабильность.; стоимость рассмотрения высока.
• Горячая изостатическая нажатия (БЕДРО): уменьшает внутреннюю пористость и может увеличить усталостную долговечность отливок высокой целостности. (инвестиционный кастинг, дорогостоящие детали для аэрокосмической отрасли).

10. Особенности обработки поверхности и соединения

• Анодирование: электрохимическое утолщение оксида на износ, коррозионная стойкость и косметическая отделка. Подходит для отливок, если рассчитан на равномерное распределение тока..
• Конверсионные покрытия (хроматные или нехромовые альтернативы): улучшить адгезию краски и устойчивость к коррозии; хроматы исторически использовались, но все чаще заменяются по экологическим причинам..
• Рисование / Порошковое покрытие: общее для эстетики и дополнительной защиты от коррозии; Поверхностная подготовка (уборка, травление) имеет решающее значение.
• Обработка: литой алюминий обычно хорошо обрабатывается, особенно сплавы Al-Si с легкообрабатываемыми марками, разработанными для литья под давлением.. Интерметаллиды и твердые частицы Si влияют на износ инструмента..
• Сварка: многие литые сплавы можно сваривать, но нужно быть осторожным: зоны термического воздействия могут привести к растрескиванию или пористости; ремонтная сварка часто требует предварительного нагрева, соответствующие присадочные металлы и послесварочная обработка.
  Некоторые литые сплавы с высоким содержанием Si трудно сваривать и лучше ремонтировать механически..

11. Устойчивость, Экономика, и соображения жизненного цикла

• Переработка: алюминий легко перерабатывается; переработан (второстепенный) алюминий значительно снижает потребление энергии по сравнению с первичным производством (часто упоминаемая экономия энергии до ~ 90% по сравнению с первичным алюминием).
• Затраты на жизненный цикл: меньший вес детали часто снижает рабочую энергию при транспортировке; первоначальные затраты на отливку должны быть сбалансированы с обслуживанием, покрытия и переработка по окончании срока службы.
• Округлость материала: литейные отходы и детали с истекшим сроком службы легко переплавляются; необходим тщательный контроль сплава, чтобы избежать накопления примесей. (Fe — обычная проблема).

12. Сравнительный анализ: Алюминий против. Конкуренты

13. Выводы

Литой алюминий это универсальный, ценный конструкционный материал, характеристики которого во многом определяются химия сплавов и постпроцессная обработка как и сам металл.

При правильном указании, производится и поддерживается, литой алюминий обеспечивает привлекательное сочетание низкая плотность, хорошая удельная прочность, Высокая теплопроводность, устойчивость к коррозии и отличная литейность— преимущества, которые делают его предпочтительным материалом для автомобильных корпусов., теплообменные компоненты, корпуса управления и многие бытовые и промышленные применения.

 

Часто задаваемые вопросы

Литой алюминий слабее кованого алюминия??

Не по своей сути; многие литейные сплавы могут достичь конкурентоспособной прочности, особенно после термообработки.

Однако, отливки более подвержены дефектам, характерным для отливок. (пористость, включения) которые снижают усталостные характеристики по сравнению с коваными, деформируемые сплавы.

Какой процесс литья дает наилучшие механические свойства?

Процессы, способствующие быстрому, контролируемое затвердевание и низкая пористость (Постоянная плесень, литье под давлением с надлежащей дегазацией, сжимать кастинг) обычно дают лучшие механические свойства, чем отливки из грубого песка.

Можно ли термообрабатывать литой алюминий?

Да, многие литейные сплавы Al-Si-Mg поддаются термической обработке. (Тип Т6) существенно увеличить прочность за счет обработки раствором, утомить, и старение.

Как предотвратить пористость отливок??

Уменьшить растворенный водород (дегазация), контролировать турбулентность расплава, используйте правильные ворота и стояки, применить фильтрацию, и оптимизировать температуру заливки и конструкцию формы.

Подходит ли литой алюминий для морской среды?

Алюминий обеспечивает хорошую общую коррозионную стойкость благодаря пассивному образованию оксидов, но уязвим к локальной точечной коррозии, вызванной хлоридами, и гальванической коррозии.; подходящий выбор сплава (морские сплавы), покрытия и дизайн необходимы для долгосрочной морской службы..