Vigtige højstyrke aluminiumslegeringer til støbning

TL;DR

Valg af højstyrkealuminiumslegeringer til støbning indebærer et kompromis mellem maksimal styrke og producibilitet. For maksimal mekanisk styrke er legeringer fra 200-serien og zink-aluminiumslegeringer som ZA-27 de bedste muligheder. Imidlertid tilbyder legeringer som A360 en bedre balance mellem styrke ved forhøjede temperaturer og korrosionsbestandighed, mens B390 giver ekstraordinær slidstyrke. De endelige egenskaber forbedres ofte betydeligt gennem varmebehandlinger som T6.

Forståelse af familier af aluminiumslegeringer til støbning

Før du vælger en specifik legering, er det vigtigt at forstå de primære familier eller serier af aluminiumslegeringer, der anvendes i trykstøbning. Disse serier, som er defineret af The Aluminum Association, grupperer legeringer ud fra deres primære legeringselementer, hvilket afgør deres grundlæggende egenskaber. En ingeniørs valgproces starter ofte på dette niveau for at indsnævre mulighederne ud fra applikationens kernekrav.

Hver serie tilbyder en anden kombination af mekaniske egenskaber, støbeegenskaber og omkostninger. Mens en serie for eksempel kan give ekstrem styrke, kan den være mere udfordrende og dyrere at støbe end en mere almindelig serie til generelle formål. At forstå disse grundlæggende forskelle er nøglen til at træffe et velovervejet valg.

De mest almindelige serier i trykstøbning har hver deres tydelige fordele:

• 2xx.x Serie (Kobber): Kendt for at have den højeste styrke blandt aluminiumslegeringerne kan 200-serien opnå mekaniske egenskaber, der er næsten dobbelt så store som de mere almindelige 300-serier. Denne styrke opnås dog til en pris i form af lavere korrosionsbestandighed og vanskeligere støbning.
• 3xx.x-serien (Silicium + Kobber/Magnesium): Dette er den mest populære og udbredte serie til trykstøbning, hvor A380 er industrians standardarbejdshest. Disse legeringer tilbyder en fremragende kombination af god støbbarhed, moderat styrke og omkostningseffektivitet, hvilket gør dem velegnede til et meget bredt spektrum af anvendelser.
• 4xx.x-serien (Silicium): Disse legeringer, såsom 413, prisbelønnes for deres fremragende støbningsevne og tryktæthed. Dette gør dem til et ideelt valg til indviklede dele eller komponenter, der skal indeholde væsker eller gasser uden at lække, såsom hydrauliske cylindre.
• 5xx.x-serien (Magnesium): 500-serien, herunder legeringer som 518, adskiller sig ved fremragende korrosionsbestandighed, især i marine miljøer, samt overlegne overfladeafgøringsegenskaber. Den er et topvalg til dele, der kræver anodisering af æstetiske eller beskyttende årsager, selvom den kan være mere udsat for varmrevner under støbning.

De bedste højstyrkelegeringer: En detaljeret sammenligning

Selvom 380-legeringen er det mest almindelige valg til generelle applikationer, findes der adskillige speciallegeringer, der tilbyder overlegne styrke- og ydeevneparametre, som kræves i mere krævende anvendelser. Disse materialer vælges, når standardlegeringer ikke kan opfylde komponentens behov for mekanisk holdbarhed, varme- eller slidestyrke. Valget indebærer en omhyggelig analyse af kompromisserne mellem brudstyrke, formbarhed og andre kritiske egenskaber.

De stærkeste muligheder kommer ofte fra 200-serien eller specialiserede zink-aluminium (ZA) familier. Ifølge Generel støberitjeneste , er 200-serien legeringer kendt for meget høj styrke. Samtidig tilbyder ZA-legeringer som ZA-27 trækstyrker, der kan være betydeligt højere end traditionelle aluminiumslegeringer. Nedenfor ses en sammenligning af de førende kandidater til højstyrke die-casting anvendelser.

Når disse muligheder sammenlignes, vælges A360 ofte, når en del skal fungere i et barskt miljø eller ved forhøjede temperaturer uden at svigte. Som bemærket af Rapid Axis , kombinerer det styrke, sejhed og korrosionsbestandighed, selvom dets vanskelighed ved støbning betyder, at delgeometrien skal tages i betragtning. B390 er det foretrukne valg for anvendelser præget af slid og friktion. Dets høje indhold af silicium giver en hårdhed, der gør det i stand til at modstå abrasive kræfter, hvilket gør det ideelt til komponenter i forbrændingsmotorer. For applikationer, der kræver den absolut højeste styrke, er 200-serien og ZA-27 de primære kandidater, selvom de kræver mere specialiseret ekspertise inden for støbning og muligvis medfører højere omkostninger.

Hemmeligheden bag yderste styrke: Varmebehandlingens rolle

At vælge en højstyrkelegering er kun en del af løsningen. For mange aluminiumslegeringer, især støbelegeringer i 200- og 300-serien som 356 og 357, frigøres deres maksimale mekaniske egenskaber gennem varmebehandling. Denne metallurgiske proces indebærer kontrolleret opvarmning og afkøling for at ændre metallets mikrostruktur, hvilket resulterer i markante forbedringer af hårdhed, brudstyrke og flydestyrke.

Varmebehandling kan stabilisere en komponents dimensioner, fjerne indre spændinger fra støbeprocessen og optimere dets ydeevne til den endelige anvendelse. Det er afgørende for enhver ingeniør, der specificerer en højtydende støbte del, at forstå de forskellige varmebehandlingsbetingelser, også kaldet tempers. Disse betegnes med et 'T' efterfulgt af et tal.

De mest almindelige tempers til øget styrke i aluminiumsstøbninger inkluderer:

• F (As-Cast): Tilstanden af støbningen umiddelbart efter fastfrysning, uden efterfølgende varmebehandling. Egenskaberne er basisniveau og kan ændre sig over tid pga. naturlig aldring.
• T5 (Kunstigt alderet): Støbningen afkøles fra støbetemperaturen og udsættes derefter for en lavtemperatur-aldringsproces. Dette giver god dimensionsstabilitet og en moderat styrkeforøgelse.
• T6 (opløsningsvarmebehandlet og kunstigt alderet): Dette er en totrinsproces til opnåelse af maksimal styrke. Først opvarmes støbningen til en høj temperatur for at opløse legeringselementerne i en fast løsning, hvorefter den hurtigt køles i en væske for at låse dem på plads. Derefter alderes den kunstigt ved en lavere temperatur for at udfælde disse elementer, hvilket hærdner og forstærker materialet betydeligt.
• T7 (opløsningsvarmebehandlet og stabiliseret): Lignende T6, men den endelige aldringsproces udføres ved en højere temperatur eller i længere tid. Dette fører legeringen forbi dens maksimale hårdhed for at opnå bedre dimensionel stabilitet og spændingsfrihed, selvom det sker med en let nedsættelse af den ultimative styrke i forhold til T6.

Ved at specificere en varmebehandling af type T6 kan en ingeniør omforme en moderat stærk del fremstillet af en legering som 356 til en højtydende konstruktionskomponent, der kan klare langt større belastninger.

Ud over styrke: afgørende faktorer ved valg af legering

Selvom brudstyrke er en primær overvejelse, er det sjældent den eneste faktor, der afgør en legerings succes. Et helhedsorienteret materialevalg er afgørende, da et fokus udelukkende på styrke kan føre til fejl relateret til produktion eller miljøpåvirkning. Flere andre egenskaber skal nøje vurderes for at sikre, at den valgte legering er velegnet for både produktionsprocessen og den endelige anvendelse.

Afgørende blandt disse er støbeegenskaber , hvilket henviser til, hvor let en legering kan formes til en kvalitetsdel. Dette inkluderer modstand mod defekter som varmrevner (revner, der opstår under stivnинг) og formplastering (hvor legeringen sidder fast i formen). Som beskrevet af eksperter på Gabrian , kan legeringer med dårlig formbarhed føre til højere scraprate og øgede produktionsomkostninger. En anden afgørende faktor er korrosionsbestandighed . Den driftsmiljø, delen opererer i, dikterer det nødvendige niveau af modstand. For eksempel har A360 fremragende korrosionsmodstand, hvilket gør den velegnet til udendørs- eller marine anvendelser, mens A380 kun er middelmådig i denne henseende.

Andre egenskaber såsom trygtæthed (afgørende for hydrauliske komponenter), slidstyrke (for dele i bevægelig kontakt), og bearbejdelighed skal også tages i betragtning. For at vejlede dette komplekse valg, bør konstruktører overveje følgende spørgsmål:

• Hvad er den maksimale driftstemperatur, som komponenten vil opleve?
• Vil delen blive udsat for ætsende stoffer som saltvand, kemikalier eller vejisolering?
• Skal komponenten være tryktæt for at indeholde væsker eller gasser?
• Hvilke sekundære efterbehandlingsoperationer, såsom anodisering eller malet, er påkrævet?
• Hvad er omkostningsbegrænsningerne for projektet?

Selvom trykstøbning tilbyder en fremragende balance mellem styrke, kompleksitet og produktionshastighed, kan nogle anvendelser, især i den krævende bilindustri, kræve endnu større styrke eller bedre udmattelsesbestandighed, hvilket får konstruktører til at vælge andre processer som smedning. For eksempel bruger specialister i bilrelaterede smedeemner som Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , processer som varmsmedning til produktion af robuste komponenter, når maksimal materialeintegritet er absolut prioritet.

Ofte stillede spørgsmål

1. Hvad er den stærkeste aluminium til trykstøbning?

De stærkeste aluminiumslegeringer til trykstøbning findes generelt i 200-serien (aluminium-kobber), som kan varmebehandles for at opnå meget høje mekaniske egenskaber. Desuden kendes zink-aluminiumslegeringer, specielt ZA-27, for at være ekstremt stærke, med trækstyrke, der kan være betydeligt højere end almindelige aluminiumslegeringer til trykstøbning. Begge disse muligheder er dog vanskeligere at støbe og anvendes typisk kun i højtydende applikationer, hvor maksimal styrke er afgørende.

2. Kan 6061-aluminium trykstøbes?

Selvom 6061 er en meget udbredt og stærk aluminiumslegering, bruges den typisk ikke til trykstøbning under højt tryk. Dens kemiske sammensætning og størkningsegenskaber gør den modtagelig for fejl som varmrevner under de hurtige afkølingsforhold, der kendetegner trykstøbning under højt tryk. Den anvendes derimod ofte i andre støbeprocesser som gravitationsstøbning og sandstøbning, hvor afkølingshastighederne er langsommere og mere kontrollerede.