Aliatges d'alumini d'alta resistència essencials per a la fundició en motlle

TL;DR

Seleccionar aliatges d'alumini d'alta resistència per a l'embolcall per injecció comporta un compromís entre la resistència màxima i la facilitat de fabricació. Per assolir la màxima resistència mecànica, els aliatges de la sèrie 200 i els aliatges de zinc-alumini com el ZA-27 són les opcions més destacables. Tanmateix, aliatges com l'A360 ofereixen un millor equilibri entre resistència a temperatures elevades i resistència a la corrosió, mentre que el B390 proporciona una excepcional resistència a l'ús. Les propietats finals sovint es milloren significativament mitjançant tractaments tèrmics com el T6.

Comprendre les famílies d'aliatges d'alumini per a l'embolcall per injecció

Abans de seleccionar una aliatge concret, és essencial comprendre les famílies principals d'aliatges d'alumini, o sèries, utilitzades en la col·locació per injecció. Designades per l'Aluminum Association, aquestes sèries agrupen els aliatges segons els seus elements d'aliatge principals, que determinen les seves característiques fonamentals. El procés de selecció d'un enginyer sovint comença a aquest nivell per reduir opcions segons els requisits bàsics de l'aplicació.

Cada sèrie ofereix una combinació diferent de propietats mecàniques, característiques de colada i costos. Per exemple, mentre que una sèrie pot oferir una resistència extrema, podria ser més difícil i costosa de colar que una sèrie més comuna i d'ús general. Comprendre aquestes diferències fonamentals és clau per prendre una decisió informada.

Les sèries més comunes en la col·locació per injecció aporten avantatges ben definits:

• sèrie 2xx.x (Coure): Conegut per tenir la màxima resistència entre les ales d'alumini, la sèrie 200 pot assolir propietats mecàniques gairebé el doble que la més comuna sèrie 300. Tanmateix, aquesta resistència comporta una menor resistència a la corrosió i una major dificultat en la colada.
• sèrie 3xx.x (Silici + Coure/Magnesi): Aquesta és la sèrie més popular i utilitzada en la colada a pressió, sent l'A380 l'element fonamental de la indústria. Aquestes ales ofereixen una excel·lent combinació de bona capacitat de colada, resistència moderada i cost eficaç, fet que les fa adequades per a una àmplia gamma d'aplicacions.
• sèrie 4xx.x (Silici): Aquestes ales, com ara la 413, són valorades per la seva excel·lent fluïdesa en colada i estanqueïtat a pressió. Això les converteix en una opció ideal per a peces complexes o components que han de contenir líquids o gasos sense fugues, com ara cilindres hidràulics.
• sèrie 5xx.x (Magnesi): La sèrie 500, que inclou aliatges com el 518, es distingeix per la seva excel·lent resistència a la corrosió, especialment en ambients marins, i per les seves superiors característiques d'acabat superficial. És una opció destacada per a peces que requereixen anodització amb finalitats estètiques o protectores, tot i que pot ser més propensa a la fissuració a alta temperatura durant la colada.

Els principals aliatges d'alta resistència: una comparació detallada

Encara que l'aliatge 380 sigui l'opció més habitual per a aplicacions generals, diversos aliatges especialitzats ofereixen característiques de resistència i rendiment superiors necessàries per a funcions més exigents. Aquests materials es trien quan els aliatges estàndard no poden satisfer les necessitats mecàniques, tèrmiques o de resistència al desgast del component. La selecció comporta un anàlisi cuidadós dels compromisos entre la resistència màxima, la capacitat de colat i altres propietats crítiques.

Les opcions més resistents provenen sovint de la sèrie 200 o de famílies especialitzades de zinc-alumini (ZA). Segons Servei general de fosa , les aleacions de la sèrie 200 són conegudes per la seva resistència molt elevada. Alhora, les aleacions ZA com la ZA-27 ofereixen una resistència a la tracció que pot ser significativament més elevada que la de les aleacions d'alumini tradicionals. A continuació es mostra una comparació dels principals candidats per a aplicacions de fundició a pressió d'alta resistència.

En comparar aquestes opcions, sovint es tria l'A360 quan una peça ha d'operar en un entorn agressiu o a temperatures elevades sense fallar. Com es va assenyalar per Rapid Axis , combina resistència, ductilitat i resistència a la corrosió, tot i que la seva dificultat de colada implica que cal considerar la geometria de la peça. El B390 és l'opció més indicada per a aplicacions definides per l'ús i la fricció. El seu alt contingut de silici li confereix una duresa que li permet suportar forces abrasives, cosa que el fa ideal per a components de motors de combustió interna. Per a aplicacions que exigeixen la màxima resistència absoluta, les sèries 200 i el ZA-27 són els candidats principals, tot i que requereixen una expertesa més especialitzada en la colada i poden comportar costos més elevats.

El secret de la resistència extrema: el paper del tractament tèrmic

Simplement triar una aleació d'alta resistència és només part de l'equació. Per a moltes aleacions d'alumini, especialment aquelles de les sèries 200 i 300 com les aleacions de fosa 356 i 357, les seves propietats mecàniques finals es desbloquegen mitjançant tractaments tèrmics. Aquest procés metal·lúrgic implica escalfament i refredament controlats per modificar la microestructura del metall, resultant en augmentos significatius de duresa, resistència a la tracció i límit elàstic.

El tractament tèrmic pot estabilitzar les dimensions d'un component, alliberar tensions internes procedents del procés de fosa i optimitzar el seu rendiment per a l'aplicació final. Comprendre les diferents condicions de tractament tèrmic, o estats, és essencial per a qualsevol enginyer que especifiqui una peça fosada d'alt rendiment. Aquests estats es designen amb una 'T' seguida d'un número.

Els estats més comuns per millorar la resistència en foses d'alumini inclouen:

• F (Com fos): L'estat de la peça colada just després de la solidificació, sense cap tractament tèrmic posterior. Les propietats són bàsiques i poden canviar amb el temps degut a l'envelliment natural.
• T5 (Envelat artificialment): La peça colada es refreda des de la temperatura de colada i després es sotmet a un procés d'enveliment a baixa temperatura. Això proporciona una bona estabilitat dimensional i un augment moderat de la resistència.
• T6 (Tractat tèrmicament en solució i envelat artificialment): Aquest és un procés en dos passos per assolir la màxima resistència. Primer es calenta la peça colada a alta temperatura per dissoldre els elements d'aliatge en una solució sòlida, i després es templa ràpidament en un líquid per bloquejar-los en aquesta posició. Posteriorment, es sotmet a un enveliment artificial a una temperatura més baixa per fer precipitar aquests elements, fet que endureix i reforça significativament el material.
• T7 (Tractat tèrmicament en solució i estabilitzat): Similar al T6, però el procés final d’envelliment es realitza a una temperatura més elevada o durant més temps. Això porta l’aliatge més enllà de la seva duresa màxima per oferir una millor estabilitat dimensional i relaxació de tensions, tot i amb una lleugera reducció de la resistència última comparat amb el T6.

En especificar un tractament tèrmic T6, un enginyer pot transformar una peça moderadament resistent feta d’un aliatge com el 356 en un component estructural d’alt rendiment capaç de suportar càrregues molt més grans.

Més enllà de la resistència: factors crítics en la selecció d’aliatges

Tot i que la resistència a la tracció és una preocupació fonamental, rarament és l’únic factor que determina l’èxit d’un aliatge. És crucial adoptar una aproximació holística a la selecció del material, ja que centrar-se únicament en la resistència pot portar a fallades relacionades amb la fabricació o l’exposició ambiental. Diverses altres propietats han de ser avaluades cuidadosament per assegurar que l’aliatge escollit sigui adequat tant per al procés de producció com per a l’aplicació final.

Clau entre aquestes propietats és capacitat de colada , que fa referència a la facilitat amb què una aliatge es pot transformar en una peça de qualitat. Això inclou la resistència a defectes com la fissuració per calor (esquinçaments que es formen durant la solidificació) i la soldadura del motlle (l'aliatge s'enganxa al motlle). Tal com detallen experts a Gabrian , les aliatges amb mala colabilitat poden provocar taxes més elevades de rebuig i un augment dels costos de producció. Un altre factor essencial és resistència a la corrosió . L'entorn operatiu de la peça determina el nivell de resistència necessari. Per exemple, l'A360 té una excel·lent resistència a la corrosió, cosa que el fa adequat per a aplicacions exteriors o marines, mentre que l'A380 és només acceptable en aquest aspecte.

Altres propietats com la estanquitat a pressió (fonamental per a components hidràulics), resistència al desgast (per a peces en contacte mòbil) i maquinabilitat han de ser també valorades. Per orientar aquesta decisió complexa, els dissenyadors haurien de considerar les preguntes següents:

• Quina és la temperatura màxima de funcionament a què estarà sotmès el component?
• Estarà la peça exposada a elements corrosius com aigua salada, productes químics o sal de carretera?
• Ha de ser estància el component per contenir líquids o gasos?
• Quines operacions secundàries d'acabat, com ara anodització o pintura, es requereixen?
• Quines són les restriccions de cost del projecte?

Encara que la fundició en motlle oferixi un excel·lent equilibri entre resistència, complexitat i velocitat de producció, algunes aplicacions, especialment al sector automobilístic exigent, poden requerir una resistència o resistència a la fatiga encara més elevades, cosa que empeny els dissenyadors cap a altres processos com la forja. Per exemple, especialistes en peces forjades automobilístiques, com Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , utilitzen processos com la forja a calent per produir components robustos quan la màxima integritat del material és l'absoluta prioritat.

Preguntes freqüents

1. Quin és l'alumini més resistent per a la fundició en motlle?

Les aliatges d'alumini més resistents per a la col·locació són generalment les de la sèrie 200 (alumini-coure), que es poden tractar tèrmicament per assolir propietats mecàniques molt elevades. A més, les aliatges de zinc-alumini, específicament la ZA-27, són conegudes per ser increïblement resistents, amb una resistència a la tracció que pot ser significativament superior a la de les aliatges d'alumini habituals per a col·locació. Tanmateix, ambdues opcions són més difícils de col·locar i es reserven per a aplicacions d'alt rendiment on la màxima resistència és essencial.

2. Es pot utilitzar l'alumini 6061 en col·locació?

Tot i que el 6061 és una aliatge d'alumini molt popular i resistent, normalment no s'utilitza en col·locació a alta pressió. La seva composició química i les característiques de solidificació el fan propens a defectes com la fissuració en calent en les condicions de refredament ràpid de la col·locació a alta pressió. No obstant això, s'utilitza habitualment en altres processos de col·locació com la col·locació per gravetat i la col·locació en motlle de sorra, on les velocitats de refredament són més lentes i controlades.