1. Вступ
Cast aluminum is a versatile material created by pouring molten aluminum alloy into a mold and allowing it to solidify.
Widely used across industries, it offers a blend of lightweight properties, хороша сила, і корозійна стійкість.
From automotive engines to aerospace components, cast aluminum plays a crucial role in modern manufacturing.
2. Що таке литий алюміній?
Cast aluminum refers to parts produced by pouring molten aluminum into a mold cavity, allowing the metal to solidify and then extracting a near‑net‑shape component.
На відміну від кованого алюмінію, which forms through rolling, екструзія, або кування, casting unlocks complex geometries, інтегровані ребра, and internal cavities in a single pour.
Core Terminology
| Термін | Визначення |
|---|---|
| Зразок | A positive replica of the part—made from wood, пластик, or metal—used to form the mold cavity. |
| Пластир | The negative cavity (пісок, метал, або керамічний) that shapes the casting. |
| Gating System | Network of sprue, бігуни, and gates that transports molten aluminum from the pouring basin to the mold. |
| Підйомник (Годівниця) | Reservoir of liquid metal connected to the cavity; it supplies molten metal during solidification shrinkage. |
| Скорочення допомоги | Extra material (usually 1–2 %) added to the pattern dimensions to compensate for metal contraction. |
| Core | A sand or ceramic insert placed inside the mold to create internal cavities or undercuts in the casting. |
3. Key Aluminum Casting Processes
Aluminum’s versatility shines through the variety of casting methods available. Each process suits different part geometries, обсяги виробництва, and property requirements.
Sand Casting Aluminum
Пісочний кастинг is one of the most versatile casting processes.
It is well-suited for producing large or complex shapes, such as engine blocks for heavy machinery or custom architectural components.
The process is relatively inexpensive for low to medium production runs since the sand molds can be easily created and modified.
Однак, it typically results in a rougher surface finish and less precise dimensions compared to other methods.
Die Casting Aluminum
Кастинг is the go-to process for high-volume production of parts with tight tolerances. It involves injecting molten aluminum under high pressure into a metal die.
This allows for rapid production cycles, often as short as a few seconds per part.
Die-cast parts have excellent surface finishes and can achieve very precise dimensions, making them ideal for automotive components like transmission cases, кріплення двигуна, and decorative trim.
Investment Casting Aluminum
Лиття по моделлю, також відомий як процес загубленого воску, excels in creating parts with intricate details and high surface quality.
It is commonly used in the aerospace industry for manufacturing turbine blades, in the jewelry industry for detailed designs, and in medical device manufacturing for components with complex geometries.
The process enables the production of parts with extremely fine features and tight tolerances.
Permanent-Mold Casting Aluminum
Permanent-mold casting offers better control over the microstructure of the cast part.
Since the metal mold can be preheated and cooled precisely, it results in more consistent mechanical properties and reduced porosity.
This method is suitable for producing parts with relatively simple geometries in medium to high volumes, such as certain types of automotive pistons and pump housings.
Emerging and Hybrid Methods
- Вакуумна кастинг: By performing the casting process in a vacuum environment, it reduces the presence of gases in the molten metal, minimizing porosity and improving the quality of the casting.
- Стиснути кастинг: Applies external pressure during the solidification process, enhancing the density and strength of the casting.
This method is useful for producing parts that require high mechanical performance. - Semi-Solid Casting: Involves casting a partially solidified aluminum alloy, which offers unique advantages in terms of formability and the ability to produce parts with enhanced mechanical properties.
| Обробка | Обсяг | Толерантність | Сильні сторони | Обмеження |
|---|---|---|---|---|
| Пісочний кастинг | Низькосмуговий | ± 0.5–1.5% | Великі частини (up to 50 t), низька вартість інструменту | Груба обробка (РА 6–12 мкм), slower cycle |
| Кастинг | Високий | ± 0.1–0.3% | Fast cycles, Тісні допуски, гладка обробка (Ra 1–3 µm) | High die cost ($10 k–$100 k) |
| Інвестиційне кастинг | Низькосмуговий | ± 0.1–0.3% | Складна геометрія, тонка деталь (Ra ≤ 1 µm) | Expensive tooling, slower throughput |
| Permanent‑Mold Casting | Середній | ± 0.2–0.5% | Controlled microstructure, хороша сила | Mold wear limits complexity |
| Semisolid/Squeeze/Vacuum | Що виникає | ± 0.1–0.3% | Зменшена пористість, high integrity | Спеціалізоване обладнання |
4. Alloy Selection of Cast Aluminum
Choosing the right алюмінієвий сплав for casting hinges on balancing механічна міцність, Корозійна стійкість, плинність, і thermal properties.
Silicon‑Rich Alloys (3xx.x Series)
These alloys offer excellent fluidity, Низька усадка, and good corrosion resistance—ideal for die and sand casting.
| Сплав | Ключовий склад | Сила на розрив | Типове використання |
|---|---|---|---|
| A380 | 8–12% Si, 3–4% Cu | 180–240 MPa | Die‑cast housings, small intricate parts |
| A383 | 9–12% Si, 1–2% Cu | 190–240 MPa | Die‑cast valve bodies, насосні корпуси |
| A413 | 10–13% Si, 0.8–1.5% Cu | 210–260 MPa | High‑pressure die‑cast gearbox cases |
| A360 | 7–11% Si, <1% Мг | 150–220 MPa | Thin‑wall die‑cast components |
Copper‑Bearing Alloys (4xx.x Series)
Copper strengthens the alloy and improves machinability, at some cost to corrosion resistance.
| Сплав | Ключовий склад | Сила на розрив | Типове використання |
|---|---|---|---|
| A319 | 3–5% Cu, 5–7% Si | 240–280 MPa | Engine cylinder heads, випадки передачі |
| A356 - T6 | 7% І, 0.3% Мг | 260–320 MPa | Автомобільні колеса, насосні корпуси |
| A357 - T6 | 7% І, 0.5% Мг | 280–330 MPa | High‑stress automotive parts |
| A354 | 3–5% Cu, 8–12% Si | 220–270 MPa | General die‑castings requiring strength |
Magnesium‑Alloyed Casts (5xx.x Series)
Magnesium provides solid‑solution strengthening and excellent corrosion resistance in marine environments.
| Сплав | Ключовий склад | Сила на розрив | Типове використання |
|---|---|---|---|
| A535 | 5–6% Mg, 0.3% Мн | 290–340 MPa | Морське обладнання, Судна тиску |
| A356.2‑T6 | 7% І, 0.3% Мг | 260–320 MPa | Аерокосмічні кастинги, Структурні дужки |
Specialty and High‑Performance Alloys
These alloys push the envelope for strength, термічна стабільність, or precision.
| Сплав | Ключовий склад | Сила на розрив | Типове використання |
|---|---|---|---|
| A206‑T7 | 6% Куточок, 4% У, 0.5% V | 300–350 MPa | Aerospace forging replacements |
| A390 | 17–21% Si, 3–4% Cu | 260–300 MPa | Гальмові компоненти, wear‑resistant castings |
| ADC12 (Він є) | 10–13% Si, 2–4% Cu | 200–260 MPa | Japanese die‑cast electronics enclosures |
5. Physical and Mechanical Properties of Cast Aluminum
Cast aluminum offers a compelling blend of lightweight structure, good thermal characteristics,
and moderate-to-high mechanical strength, making it ideal for a wide array of industrial, автомобільний, та аерокосмічні компоненти.
Однак, its properties vary significantly depending on alloy composition, методом лиття, and post-casting treatment.
Фізичні властивості литого алюмінію
| Власність | Типове значення (Діапазон) | Нотатки |
|---|---|---|
| Щільність | 2.63–2,80 г/см³ | ~1/3 the density of steel |
| Точка плавлення | 565–770 °C | Varies by alloying elements (І, Куточок, Мг) |
| Теплопровідність | 80–170 W/m·K | High in pure aluminum, lower with added alloying elements |
| Коефіцієнт теплового розширення | 21–25 × 10⁻⁶ /k | Important in joint design (expansion mismatch) |
| Електропровідність | 20–45% IACS | Much lower than pure aluminum due to alloying |
Mechanical Properties of Cast Aluminum
Mechanical performance varies with alloy, методом лиття, і термічна обробка. The table below outlines the typical tensile, похід, and fatigue properties of selected alloys.
| Сплав | Обробка | Сила на розрив (MPA) | Похідна сила (MPA) | Подовження (%) | Обмеження втоми (MPA) |
|---|---|---|---|---|---|
| A356 (неухильний) | Пісочний кастинг | 180–220 | 120–160 | 3–5 | ~ 50 |
| A356-T6 | Пісочний кастинг + термічно обробляється | 250–310 | 170–230 | 5–10 | 90–110 |
| A319 | Кастинг | 210–260 | 140–180 | 2–4 | ~ 60 |
| A380 | Кастинг | 180–240 | 120–170 | 1–3 | ~ 50 |
| A206-T7 | Постійна цвіль | 320–370 | 250–300 | 3–5 | 100+ |
Твердість і знос
Hardness is typically measured using the Brinell Hardness Number (Бнн).
| Сплав | Твердість (Бнн) | Опір зносу |
|---|---|---|
| A356 (неухильний) | 65–75 | Помірний |
| A356-T6 | 80–90 | Добрий |
| A390 | 100–120 | Відмінний (high Si content) |
| A206-T7 | 100–110 | Добрий |
6. Advantages and Limitations of Cast Aluminum
Cast aluminum has become a cornerstone material in modern manufacturing due to its unique combination of lightweight characteristics, Формування, і сила.
Переваги литого алюмінію
Complex Geometries with Minimal Machining
Casting allows for the creation of intricate shapes—including internal cavities, плавники, and ribs—that would be costly or impossible to produce using subtractive methods.
This significantly reduces machining time and material waste.
Легкість і високе співвідношення міцності до ваги
With a density of ~2.7 g/cm³, cast aluminum components can reduce structural weight by up to 60% compared to cast iron,
while maintaining respectable strength (Напр., A356-T6: 260–310 MPa tensile strength).
Cost Efficiency at Medium-to-High Volumes
Processes like high-pressure die casting (HPDC) and permanent mold casting offer low per-part costs when scaled. Die life in HPDC can exceed 100,000 cycles with proper maintenance.
Відмінна теплова та електрична провідність
Ideal for components like heat sinks, корпус, та деталі електромоторів - термічна провідність коливається від 90–170 Вт/м · К залежно від сплаву.
Корозійна стійкість
Алюміній природним чином утворює захисний оксидний шар. Сплави з кремнієм та магнієм (Напр., A356) Проявіть хорошу резистентність до корозії навіть у морських умовах.
Compatibility with Post-Processing
Cast Aluminium приймає широкий спектр поверхневих процедур та покриттів (Анодування, порошкове покриття) і можна обробити тепло (T5, T6) Для збільшення сили та твердості.
Limitations of Cast Aluminum
Пористість та усадка
Захоплення газу, розчинність водню, а усадка затвердіння часто викликає мікропористок - редукцію механічної сили та спроможності герметизації.
Навіть з дегазацією та оптимізацією дизайну цвілі, Деяка пористість притаманна кастингу.
Lower Ductility Compared to Wrought Alloys
Кастингові структури демонструють грубі дендритні зерна та обмежене подовження (типово <10%). Наприклад, A356-T6 має подовження ~ 5–9%, в той час як 20061-T6 досягає ~ 12–17%.
Dimensional Tolerance Challenges
Порівняно з обробленими або кованими деталями, cast aluminum components may have wider dimensional tolerances due to mold wear, Теплове розширення, and mold fill variations—especially in sand casting.
Wall Thickness and Flow Limitations
Die-cast aluminum typically requires a minimum wall thickness of 1.5–2.5 mm to ensure full mold fill and structural integrity.
Thin walls in complex parts may cause incomplete filling or cold shuts.
Limited Fatigue and Impact Resistance
Surface defects, пори, and coarse grain structures reduce fatigue life. Cast aluminum fatigue strength is generally 25–40% lower than forged or wrought equivalents.
Alloy Restrictions by Process
Not all aluminum alloys are suitable for every casting method.
Наприклад, 7075 і 2024 high-strength wrought alloys cannot be die cast due to their poor fluidity and hot-cracking tendency.
7. Surface Finishes and Post‑Casting Treatments
Теплове лікування
- T5 Aging: Involves artificial aging after air cooling from the casting temperature.
This process improves the strength and hardness of the casting by promoting the precipitation of alloying elements. - T6 Aging: Consists of solution heat treatment (heating the casting to a specific temperature and holding it for a period), followed by quenching (Швидке охолодження) і штучне старіння.
T6 aging results in even higher strength and hardness compared to T5 aging.
Очищення поверхні
- Вибух: Uses small pellets (such as steel shot or glass beads) propelled at high speed to blast the surface of the casting.
This process removes scale, іржавий, та інші забруднення, and can also improve the surface roughness for better adhesion of coatings. - Chemical Etch: Involves immersing the casting in a chemical solution that etches away the surface layer, removing oxidation and other impurities.
- De-oxidation: Specific treatments to remove the natural oxide layer on the aluminum surface, preparing it for further processing or coating.
Coatings and Machining
- Анодування: Creates a protective oxide layer on the surface of the aluminum, enhancing corrosion resistance and providing an aesthetic finish.
The thickness of the anodized layer can vary depending on the application. - Порошкове покриття: Applies a dry powder coating to the surface, which is then cured under heat to form a durable, захисний, and decorative finish.
- Малювання: Can be used to provide both protection and a custom color or appearance.
- Обробка: Operations such as milling, обертання, and drilling are performed to achieve tight tolerances and the desired surface finish,
especially for parts with critical dimensions or functional surfaces.
8. Застосування литого алюмінію
Cast aluminum plays a pivotal role across a wide range of industries, thanks to its lightweight, Корозійна стійкість, good thermal properties, and ability to be formed into complex shapes.
Автомобільна промисловість
The automotive sector is the largest consumer of cast aluminum globally.
As manufacturers strive to reduce vehicle weight for better fuel efficiency and lower emissions, aluminum casting is the go-to material for numerous critical components.
Ключові програми:
- Блоки двигуна – Traditionally made from A319 or A356 alloys; offer weight reduction of 40–50% compared to cast iron.
- Курсинг передачі – Benefit from aluminum’s thermal conductivity and resistance to corrosion.
- Колеса (alloy wheels) – Produced via low-pressure or gravity die casting for performance and aesthetics.
- Компоненти підвіски – Control arms, костяк, and brackets cast in aluminum reduce unsprung mass.
- Електричний транспортний засіб (ЕВ) обстріл – Cast aluminum battery enclosures and motor housings provide thermal and crash protection.
Аерокосмічна та авіація
Ключові програми:
- КОМПЛУЦІЇ ТА КОМПАНІЯ КАПАНІВ
- Instrument enclosures and avionics covers
- Компоненти посадки (in specific alloy configurations)
- Heat exchangers and cooling systems
Побутова електроніка та техніка
Ключові програми:
- Laptop and smartphone casings – Durable yet lightweight, often sand-blasted and anodized for finish.
- Television frames and internal brackets
- Heat sinks for CPUs and power electronics
- Blenders, vacuum cleaners, fans, і змішувачі – Commonly use die-cast aluminum for durability.
Промислова техніка
Ключові програми:
- Корпуси коробки передач
- Pump bodies and impellers
- Compressor frames
- Motor casings and junction boxes
- Conveyor system components
Renewable Energy and Electric Infrastructure
Ключові програми:
- Solar panel mounting systems and brackets
- Wind turbine electrical enclosures
- Battery frames and support housings
- Charging station casings
Architecture and Building Systems
Ключові програми:
- Освітлювальні світильники
- Balustrades and curtain wall brackets
- Facade panels and signage
- Custom architectural trims
Нові сектори
Електромобілі (EVS): Акумулятор, power electronics housings, and high-voltage cable connectors are increasingly cast from aluminum.
Виробництво добавок + Кастинг: Hybrid casting processes now incorporate 3D-printed sand molds for complex geometries.
Робототехніка: Lightweight and impact-resistant parts for drones, exoskeletons, and unmanned vehicles.
9. Литий алюміній проти. Forged Aluminum vs. CNC Aluminum
When selecting aluminum for industrial components or structural applications, литий алюміній, підроблений алюміній,
and CNC Machining aluminum are often compared due to their differing mechanical properties, Методи виробництва, та характеристики продуктивності.
| Критерії | Литий алюміній | Підроблений алюміній | ЧПК (Machined) Алюміній |
|---|---|---|---|
| Production Method | Molten aluminum poured into molds (Напр., пісок, загинути, або лиття по моделлю) | Solid billet deformed under high pressure without melting | Subtractive process using CNC tools to carve parts from solid aluminum stock |
| Material Structure | Often contains porosity; random grain orientation | Густий, aligned grain structure with no internal voids | Depends on raw material (usually wrought); minimal defects if properly sourced |
Механічна міцність |
Низький до помірного (150–300 MPa tensile strength) | Високий (до 550 MPA на розрив MPA) | Varies by alloy and temper; typically strong if machined from 6xxx/7xxx series |
| Втома | Moderate to low due to casting defects | Excellent due to grain alignment and density | Добрий, especially with high-quality wrought aluminum |
| Розмірна точність | Помірний; може зажадати після міхура | Good with secondary machining | Відмінний; precision up to ±0.01 mm |
Складність проектування |
High – supports intricate, порожній, and organic geometries | Moderate – limited by forging die design | Low to moderate – limited by cutting tool access and geometry |
| Поверхнева обробка | Справедливий до добра (improved with polishing or coatings) | Fair – typically needs finishing | Excellent – smooth surface, ready for anodizing or coating |
| Common Alloys Used | A356, A319, 380, 535 | 6061, 7075, 2011 | 6061-T6, 7075-T6, 2024 |
| Tooling/Setup Cost | Low for sand casting; high for die casting | High – expensive dies | Moderate – mostly CAD/CAM setup and tooling cost |
Придатність обсягу виробництва |
Ideal for medium to high volume (Особливо вмирати кастинг) | Найкраще для великого обсягу, Високосильні програми | Suitable for low to medium volume or custom one-off production |
| Заявки | Блоки двигуна, насосні корпуси, complex covers | Підвісні руки, aircraft fittings, load-bearing joints | Аерокосмічні кронштейни, precision enclosures, прототипи, Спеціальні компоненти |
| Cost per Unit | Низький (in high volume) | Середній до високого | Високий (especially for low quantity) |
| Час | Moderate to long depending on mold preparation | Long – forging dies require time | Short – especially for low-run or prototyping |
| Корозійна стійкість | Добрий (especially with Si-rich casting alloys) | Varies – may require coatings or anodizing | Excellent with proper alloy and anodizing |
10. Висновок
Cast aluminum—rooted in ancient craftsmanship yet propelled by cutting‑edge methods—remains indispensable across industries.
By mastering casting fundamentals, selecting optimal alloys, and enforcing strict quality controls, engineers produce lightweight, вигідний, and high‑performance components.
As advances in digital process control, sustainable binders, and additive mold production emerge, cast aluminum will continue driving innovation in tomorrow’s vehicles, літак, та електронні пристрої.
В Ланге, Ми готові співпрацювати з вами у використанні цих вдосконалених прийомів для оптимізації конструкцій компонентів, Вибір матеріалу, та виробничі робочі процеси.
Забезпечення того, що ваш наступний проект перевищує кожну оцінку ефективності та стійкості.
