Табела садржаја
Схов
1. Извршни сажетак
Ливени алуминијум комбинује ниску густину, добра специфична снага, одлична способност ливења и отпорност на корозију са великом флексибилношћу процеса.
Његова својства у великој мери зависе од хемије легуре, метода ливења и третмани после ливења (Нпр., топлотни третман, дорада површине).
Разумевање физичких константи, микроструктурни покретачи, Односи процес-својство и уобичајени начини квара су од суштинског значаја за избор ливеног алуминијума за издржљивост, лаган, продуктивне компоненте.
2. Увод — зашто је ливени алуминијум важан
Алуминијумски одливци су темељ у аутомобилској индустрији, ваздухопловство (некритични делови), маринац, Потрошачка електроника, пренос снаге, Измењивачи топлоте, и општа индустријска опрема.
Дизајнери бирају ливени алуминијум када је сложена геометрија, интегрисане карактеристике, мала тежина дела (специфична снага/крутост), и потребна је разумна отпорност на корозију.
Привлачност је комбинација физичких перформанси, економија производње у обиму, и могућност рециклаже.
3. Физичка својства ливеног алуминијума
| Имовина | Типична вредност | (белешке) |
| Густина (р) | 2.70 г · цм⁻³ (≈2700 кг·м⁻³) | Отприлике једна трећина густине челика |
| Тачка топљења (чисти Ал) | 660.3 ° Ц | Легуре се топе у одређеном опсегу; Ал–Си еутектика ≈ 577 ° Ц |
| Јангов модул (Е) | ≈ 69 ГПА | Модул је релативно неосетљив на легирање |
| Топлотна проводљивост | Чисти Ал ≈ 237 В·м⁻¹·К⁻¹; ливене легуре ≈ 100–180 В·м⁻¹·К⁻¹ | Легиран, порозност и микроструктура смањују проводљивост у односу на чисти Ал |
| Коефицијент топлотног ширења (Цте) | ~22–24 ×10⁻⁶ К⁻¹ | Високо у односу на челик—важно за склопове од више материјала |
Електрична проводљивост (чисти Ал) |
≈ 37 ×10⁶ С·м⁻¹ | Ливене легуре имају нижу проводљивост; проводљивост опада са легирањем и порозношћу |
| Типична затезна чврстоћа као ливена | ~70–300 МПа | Широк опсег у зависности од легуре, начин ливења и порозност |
| Типично термички обрађено (Т6-тип) затезна чврстоћа | ~200–350+ МПа | Односи се на легуре Ал–Си–Мг за ливење које се могу термички обрадити након гашења раствора |
| Типично издужење (дуктилност) | ~1–12% | Јако варира у зависности од легуре, микроструктура и квалитет ливења |
| Тврдоћа (Бринелл) | ≈ 30–120 ХБ | Веома зависи од састава легуре, Садржај Си и топлотна обрада |
4. Металургија и микроструктура ливеног алуминијума
Лишити Алуминијумске легуре обично се заснивају на алуминијуму (Алтер) матрица са контролисаним додацима:
- Породица Ал-Си (Силумин) је најраспрострањенија породица ливења јер силицијум побољшава флуидност, смањује скупљање, и смањује опсег топљења.
Микроструктура: α-Ал дендритична матрица са еутектичким Си честицама; морфологија и дистрибуција Си снажно утичу на чврстоћу, дуктилност и хабање. - Ал–Си–Мг легуре се термички обрађују (стврдњавање старењем преко преципитата као што је Мг₂Си).
- Ал–Цу и Ал–Зн ливене легуре нуде већу чврстоћу, али могу имати смањену отпорност на корозију и захтевају пажљиву топлотну обраду.
- Интерметаллицс (Фазе богате Фе, Ц-То фазе) формирају током очвршћавања и утичу на механичка својства и обрадивост.
Контролисана хемија и лечење (Нпр., Мн за Фе модификацију) се користе за ограничавање штетних интерметалних морфологија. - Дендритска сегрегација је својствено учвршћивању: примарни α-Ал дендрити и интердендритски еутектик; финији размак кракова дендрита (брзо хлађење) генерално побољшава механичка својства.
Важни микроструктурни контролни механизми:
- Учињење зрна (Од, Б додаци или инокуланти за пречишћавање зрна) смањује вруће кидање и побољшава механичка својства.
- Модификација (Нпр., Ср, На за модификацију Си) трансформише плочасти Си у влакнасте/заобљене морфологије побољшавајући дуктилност и жилавост.
- Дегазација и контрола водоника су критични: растворени водоник изазива порозност гаса; дегазација и правилно руковање топљењем смањују порозност и побољшавају замор.
5. Механичка својства (снага, дуктилност, тврдоћа, умор)
Чврстоћа и дуктилност
- Легуре ливеног алуминијума обухватају широк спектар чврстоће/дуктилности.
Затезна чврстоћа као ливена за уобичајене легуре за ливење Ал-Си обично пада у распону од нижих до средњих стотина МПа када се термички обрађују; неизмењено, грубе еутектичке микроструктуре и порозност мање чврстоће и издужења. - Топлотни третмани (третман решења, угасити, вештачко старење - обично се назива Т6) преципитајте фазе јачања (Нпр., Мг₂си) и може значајно повећати принос и крајњу затезну чврстоћу.
Тврдоћа
- Тврдоћа је у корелацији са легирањем, примарни садржај Си, и топлотни третман. Хипереутектичке легуре Ал–Си (висок Си) а термички обрађене легуре показују већу тврдоћу и отпорност на хабање.
Умор
- Ливени алуминијум генерално има ниже перформансе замора од кованих легура сличне затезне чврстоће јер дефекти ливења (порозност, Оксидни филмови, скупљање) делују као места иницијације пукотина.
Заморни век је изузетно осетљив на квалитет површине, порозност, и карактеристике зареза. - Побољшање умора: смањити порозност (дегастирање, Контролирано учвршћивање), пречистити микроструктуру, схот пеен или површинска обрада, и користити дизајн за минимизирање концентрације стреса.
Пузање и повишена температура
- Легуре алуминијума имају ограничену чврстоћу на високим температурама у односу на челик; пузање постаје релевантно изнад ~150–200 °Ц за многе легуре за ливење.
Избор за трајне повишене температуре захтева специјалне легуре и дизајнерске додатке.
6. Топлотна и електрична својства
- Топлотна проводљивост: Ливени алуминијум задржава добру топлотну проводљивост у поређењу са већином конструкцијских метала, што га чини повољним за хладњаке, кућишта и компоненте код којих је важан пренос топлоте.
Међутим, легиран, порозност и микроструктура смањују проводљивост у поређењу са чистим Ал. - Топлотно ширење: Релативно висок ЦТЕ (~22–24×10⁻⁶ К⁻¹) захтева пажљиву толеранцију и дизајн спојева са нижим ЦТЕ материјалима (челик, керамика) да би се избегло топлотно оптерећење или квар заптивача.
- Електрична проводљивост: Мање у ливеним легурама од чистог Ал; и даље се користи тамо где је важна проводљивост специфична за тежину (Нпр., Буссбар, кућишта у комбинацији са проводницима).
7. Корозија и понашање у животној средини
- Природна заштита од оксида: Алуминијум спонтано формира танак, лепљиви Ал₂О₃ оксидни филм који обезбеђује добру општу отпорност на корозију у многим атмосферама.
- Питтинг у хлоридним срединама: У агресивним срединама које садрже хлорид (марине спласх, соли за одмрзавање), може доћи до локализоване корозије удубљења или пукотина, посебно тамо где интерметали стварају микрогалванска места.
- Галванска разматрања: Када се споји са племенитијим металима (Нпр., нерђајући челик), алуминијум је анодичан и првенствено ће кородирати ако је електрично повезан у електролит.
- Protective measures: Избор легуре, превлаке (Анодизиран, превлаке за конверзију, боје, премаз у праху), заптивачи на спојевима и дизајн који избегавају пукотине побољшавају дугорочне перформансе корозије.
8. Процеси ливења и како они утичу на својства
Различити путеви ливења производе карактеристичне микроструктуре, површинске завршне обраде, толеранције и механичка својства:
- Ливење песка: Низак алат, добра флексибилност дизајна, грубље микроструктуре, већи ризик од порозности, груба обрада површине. Типично за велике, Делови са ниским јачинама. Механичка својства су генерално нижа од ливења под притиском.
- Умри (под високим притиском) ливење: Танки зидан, блиске толеранције, одлична површинска обрада и високе стопе производње.
Брзо очвршћавање даје фину микроструктуру и добра механичка својства, али ливени под притиском често садрже порозност гаса и скупљања; многе легуре ливене под притиском нису термички обрађене на исти начин као легуре Ал–Си–Мг ливене у песку. - Трајно ливење у калуп (гравитација): Побољшана микроструктура у односу на ливење у песак (нижа порозност, боља механичка својства), умерени трошкови алата.
- Инвестиција (изгубљени восак) ливење: Одлична завршна обрада површине и сложене геометрије, користи се за прецизне делове при умереним запреминама.
- Центрифугално ливење / стисак ливења: Корисно тамо где је потребан висок интегритет и усмерено очвршћавање (цилиндрични делови, одливци за апликације које садрже притисак).
Компромиси између процеса и имовине:
- Брже хлађење (ливење, трајна буђ са језом) → финији размак кракова дендрита → већа чврстоћа и дуктилност.
- Контрола порозности (дегастирање, ливење под притиском) → критично за апликације осетљиве на замор.
- Економски избор зависи од величине дела, сложеност, захтеви за јединичну цену и перформансе.
9. Топлотни третман, легиран, и контролу микроструктуре
Овај одељак сумира како се хемија легуре, пракса ливења и термичка обрада после ливења међусобно делују како би се одредила микроструктура — а самим тим и механичка, својства замора и корозије — ливеног алуминијума.
Кључни легирајући елементи и њихови ефекти
| Легирајући елемент | Типичан опсег ливених Ал легура | Примарни металуршки ефекти | Бенефиције | Потенцијални недостаци / разматрања |
| Силицијум (И) | ~5–25 теж.% (Ал-Си легуре) | Формира Ал–Си еутектику; контролише течност и скупљање; утиче на морфологију Си честица | Одлична капитаљивост; смањено вруће пуцање; Побољшано отпорност на хабање | Груби плочасти Си смањује дуктилност осим ако се не модификује (Мр/На) |
| Магнезијум (Мг) | ~0,2–1,0 теж.% | Формира Мг₂Си; омогућава стврдњавање падавинама (Т6/Т5 темперамент) | Значајно повећање снаге; добра завариваност; побољшан одговор на старење | Прекомерно додавање повећава осетљивост на порозност; захтева добру контролу гашења |
| Бакар (Цу) | ~2–5 теж.% | Јачање преко Ал–Цу преципитата; повећава стабилност при високим температурама | Потенцијал високе чврстоће; добре перформансе на повишеним температурама | Смањена отпорност на корозију; повећан ризик од врућих суза; може утицати на течност |
| Iron (Фе) | Обично ≤0,6 теж.% (нечистоћа) | Формира интерметале богате Фе (β-АлФеСи, α-АлФеСи) | Неопходна толеранција за рециклирану сировину; побољшава руковање топљењем | Крхке фазе смањују дуктилност и век трајања замора; Мн додатака је често потребно |
| Манган (Мн) | ~0,2–0,6 теж.% | Модификује Фе интерметалике у бенигније морфологије | Побољшава дуктилност и жилавост; повећава толеранцију на нечистоће Фе | Вишак Мн може да формира муљ на ниским температурама; утиче на течност |
Никл (У) |
~0,5–3 теж.% | Формира интерметале богате Ни са добром термичком стабилношћу | Повећава чврстоћу на високим температурама и отпорност на хабање | Повећава ломљивост; Смањује отпорност на корозију; веће трошкове |
| Цинка (Зн) | ~0,5–6 теж.% | Доприноси стврдњавању са старењем у одређеним системима легура | Висока чврстоћа у системима Ал–Зн–Мг–Цу | Мање уобичајено у одливцима; може смањити отпорност на корозију |
| Титанијум (Од) + Борон (Б) (прерађивачи житарица) | Додато као матичне легуре | Промовишите фине, Структура двоструког зрна | Смањује вруће кидање; побољшава механичку униформност | Вишак може смањити течност; морају се пажљиво контролисати |
| Стронцијум (Ср), Натријум (На) (модификатори) | додаци на нивоу ппм | Модификовати еутектички Си из плочастог у влакнаст/заобљен | Драматично побољшава истезање и жилавост; боље понашање код умора | Вишак На изазива порозност; Ср захтева строгу контролу да би се избегло бледење |
| Цирконијум (Зр) / Скандијум (Одбити) (микролегирање) | ~0,05–0,3 теж.% (варира) | Формирају стабилне дисперзоиде који спречавају раст зрна током термичке обраде | Одлична стабилност на високим температурама; побољшана снага | Висока цена; користи се углавном у ваздухопловству или специјалним легурама |
Падавине (старост) каљење — механизми и фазе
Многе ливене легуре Ал–Си–Мг се могу термички обрађивати очвршћавањем (Т-темп породице). Општи редослед:
- Третман решења — држати на повишеној температури да би се раствориле фазе (Нпр., Мг₂си) у хомогени презасићени чврсти раствор.
Типичне температуре раствора за уобичајене легуре за ливење Ал-Си су довољно високе да се приближе, али не прелазе почетно топљење; времена зависе од дебљине пресека. - Угасити — брзо хлађење (утерати се, гашење полимера) да задржи презасићени чврсти раствор на собној температури.
Брзина гашења мора бити довољна да се избегне превремено таложење које смањује потенцијал очвршћавања. - Старење — контролисано догревање (вештачко старење) да исталожи фине честице ојачања (Нпр., Мг₂си) који ометају кретање дислокације.
Често постоји стање вршне тврдоће (врхунац старости); даље старење узрокује грубље и прекомерно старење (смањена снага, повећана дуктилност).
Фазе падавина обично иду од Гуиниер-Престона (ГП) зонама (кохерентан, врло у реду) → полукохерентни фини преципитати → некохерентни крупнији преципитати.
Кохерентни/полукохерентни преципитати производе најјачи ефекат јачања.
Две уобичајене ознаке темперамента:
- Т6 — третиран раствором, каљени и вештачки остарели до врхунске чврстоће (уобичајено за А356/Т6 и сличне легуре).
- Т4 — природни (собна температура) старење након гашења (нема корака вештачког старења) — даје различит баланс имовине и користи се у одређеним апликацијама.
Практична последица: ливене легуре које се могу термички обрађивати (Ал–Си–Мг породица) могу значајно повећати затезну чврстоћу и границу течења са Т6 обрадом, често по цену неке дуктилности и повећане осетљивости на дефекте ливења (гасити захтеве, дисторзија).
Напредни приступи и специјални третмани
- Ретрогресија и поновно старење (РРА): користи се у неким кованим легурама за обнављање својстава након термичких екскурзија; мање уобичајено за ливење, али применљиво у нишним случајевима.
- Старење у два корака или вишестепено старење: може оптимизовати равнотежу чврстоће и дуктилности; специфични рецепти подешени за легуре и пресеке.
- Микролегирање са Зр/Сц/Бе: у перформансним легурама Зр или Сц формирају дисперзоиде који причвршћују раст зрна током термичке обраде и побољшавају стабилност при високим температурама; разматрање трошкова је високо.
- Вруће изостатско прешање (Кук): смањује унутрашњу порозност и може побољшати век трајања одливака високог интегритета (Инвестициони ливење, ваздухопловних делова високе вредности).
10. Разматрање завршне обраде и спајања површина
- Анодизирање: електрохемијско згушњавање оксида за хабање, отпорност на корозију и козметичку завршну обраду. Добро за ливење ако је пројектовано за равномерну дистрибуцију струје.
- Конверзиони премази (хромиране или нехромиране алтернативе): побољшати пријањање боје и отпорност на корозију; хромати који се историјски користе, али се све више замењују из еколошких разлога.
- Сликање / превлака у праху: уобичајено за естетику и додатну заштиту од корозије; површински преп (чишћење, бакропис) је критично.
- Обрада: ливени алуминијум се углавном добро обрађује, посебно легуре Ал–Си са класама слободне обраде развијене за ливење под притиском. Интерметали и чврсте честице Си утичу на хабање алата.
- Заваривање: многе ливене легуре се могу заварити, али се мора пазити: зоне захваћене топлотом могу створити пукотине или порозност; поправка заваривања често захтева претходно загревање, одговарајућим додатним металима и третманима након заваривања.
Неке ливене легуре са високим садржајем Си су тешке за заваривање и боље се поправљају механички.
11. Одрживост, економија, и разматрања животног циклуса
- Рециклирање: алуминијум је веома рециклиран; рециклиран (секундаран) алуминијум драматично смањује потрошњу енергије у односу на примарну производњу (често наведена уштеда енергије до ~90% у поређењу са примарним алуминијумом).
- Трошкови животног циклуса: мања тежина дела често смањује радну енергију у транспортним апликацијама; почетни трошкови ливења морају бити уравнотежени са одржавањем, премази и рециклажа на крају животног века.
- Кружност материјала: отпаци од ливења и делови на крају животног века се лако претопљују; потребна је пажљива контрола легуре како би се избегло накупљање нечистоћа (Фе је чест проблем).
12. Упоредна анализа: Ливени алуминијум вс. Такмичари
| Имовина / Материјал | Ливени алуминијум | Ливено гвожђе (Сива & Војвода) | Ливени челик | Легуре за ливење магнезијума | Легуре за ливење цинка |
| Густина | ~2,65–2,75 г/цм³ | ~6,8–7,3 г/цм³ | ~7,7–7,9 г/цм³ | ~1,75–1,85 г/цм³ | ~6,6–7,1 г/цм³ |
| Типична снага ливења | 150-350 МПА (Т6: 250-350 МПА) | Сива: 150-300 МПА; Војвода: 350-600 МПА | 400–800+ МПа | 150-300 МПА | 250-350 МПА |
| Топлотна проводљивост | 100–180 В/м·К | 35-55 в / м · к | 40-60 в / м · к | 70-100 в / м · к | 90-120 в / м · к |
| Отпорност на корозију | Добри (оксидни филм) | Умерен; рђа без премаза | Умерено до лоше | Умерен; премази често потребни | Добри |
| Капитаљивост / Доношење | Одлична флуидност; одличан за сложене облике | Добро за ливење песка; мања течност | Виша тачка топљења, теже за бацање | Веома добар; идеално за ливење под високим притиском | Одличан за ливење под притиском; Висока прецизност |
Релативне трошкове |
Средњи | Низак | Средње висок | Средње висок | Ниски средњи |
| Кључне предности | Лагана; Отпоран на корозију; Одлична капитаљивост | Велика снага & пригушивање; ниска цена | Веома велика снага & жилавост | Најлакши конструкцијски метал; циклуси брзог ливења | Одлична тачност димензија; способност танких зидова |
| Ограничења кључа | Нижа крутост; ризик порозности | Тежак; слаба корозија без премаза | Тежак; потребна топлотна обрада | Нижа отпорност на корозију; запаљивост у топљењу | Тежак; ниска тачка топљења ограничава употребу на високим температурама |
13. Закључци
Ливени алуминијум је свестран, високо вредног инжењерског материјала чије перформансе одређују колико хемија легура и постпроцесни третмани како самим металом.
Када је правилно наведено, произведено и одржавано, ливени алуминијум пружа убедљиву комбинацију ниска густина, добра специфична снага, Висока топлотна проводљивост, отпорност на корозију и одлична способност ливења—предности које га чине изборним материјалом за аутомобилска кућишта, компоненте за размену топлоте, контролна кућишта и многе потрошачке и индустријске апликације.
Често постављана питања
Ливени алуминијум је слабији од кованог алуминијума?
Не инхерентно; многе ливене легуре могу постићи конкурентску снагу, посебно након топлотне обраде.
Међутим, одливци су подложнији дефектима специфичним за ливење (порозност, инклузије) који смањују перформансе замора у поређењу са кованим, коване и обликоване легуре.
Који процес ливења даје најбоља механичка својства?
Процеси који промовишу брзе, контролисано очвршћавање и ниска порозност (трајни калуп, ливење под притиском са одговарајућим дегазирањем, стисак ливења) обично дају боље механичке особине од ливења од крупног песка.
Може ли се ливени алуминијум термички обрађивати?
Да—многе легуре за ливење Ал–Си–Мг су термички обрађене (Т6-тип) да би се значајно повећала чврстоћа третманом раствором, угасити, и старење.
Како да спречим порозност одливака?
Смањите растворени водоник (дегастирање), контролише турбуленцију топљења, користите правилан гатинг и дизање, применити филтрацију, и оптимизују температуру изливања и дизајн калупа.
Да ли је ливени алуминијум добар за морска окружења?
Алуминијум нуди добру општу отпорност на корозију због формирања пасивног оксида, али је рањив на локализовану корозију изазвану хлоридима и галванску корозију; одговарајући избор легуре (легуре морског квалитета), премази и дизајн су потребни за дугорочну поморску службу.
