Bitni aluminijski slitine visoke čvrstoće za odljeve iz kalupa

KRATKO

Odabir visokovrijednih aluminijevih slitina za kalupljenje podrazumijeva kompromis između maksimalne čvrstoće i obradivosti. Za najveću mehaničku čvrstoću, slitine serije 200 i cink-aluminijeve slitine poput ZA-27 su najbolji kandidati. Međutim, slitine poput A360 nude bolju ravnotežu čvrstoće na povišenim temperaturama i otpornosti na koroziju, dok B390 pruža izuzetnu otpornost na habanje. Konačna svojstva često se znatno poboljšavaju toplinskom obradom poput T6.

Razumijevanje obitelji aluminijevih slitina za kalupljenje

Prije odabira određene legure, važno je razumjeti glavne obitelji ili serije legura aluminija koje se koriste u postupku pod tlakom. Ove serije, koje je utvrdila Udruženja za aluminij, grupiraju legure na temelju njihovih glavnih legirnih elemenata koji određuju njihova osnovna svojstva. Inženjerov postupak odabira često započinje na ovoj razini kako bi se suzile opcije prema osnovnim zahtjevima primjene.

Svaka serija nudi drugačiju kombinaciju mehaničkih svojstava, karakteristika lijevanja i troškova. Na primjer, dok jedna serija može pružiti izuzetnu čvrstoću, može biti teža za obradu i skuplja od uobičajene, univerzalne serije. Razumijevanje ovih temeljnih razlika ključno je za donošenje obrazložene odluke.

Najčešće korištene serije u postupku pod tlakom donose jasne prednosti:

• 2xx.x serija (Bakar): Poznati po najvećoj čvrstoći među aluminijevim legurama, 200-serija može postići mehanička svojstva gotovo dvostruko veća od uobičajenije 300-serije. Međutim, ova čvrstoća postiže se na račun niže otpornosti na koroziju i težeg lijevanja.
• 3xx.x serija (Silicij + Bakar/Magnezij): Ovo je najpopularnija i najčešće korištena serija za precizno lijevanje pod tlakom, a A380 je industrijski standard. Ove legure nude izvrsnu kombinaciju dobre ljevnosti, umjerene čvrstoće i ekonomičnosti, zbog čega su pogodne za širok spektar primjena.
• 4xx.x serija (Silicij): Ove legure, poput 413, cijene se zbog izvrsne fluidnosti pri lijevanju i otpornosti na pritisak. To ih čini idealnim izborom za složene dijelove ili komponente koje moraju zadržavati tekućine ili plinove bez curenja, kao što su hidraulični cilindri.
• 5xx.x serija (Magnezij): Serija 500, uključujući legure poput 518, ističe se izvrsnom otpornošću na koroziju, posebno u morskim okruženjima, te odličnim karakteristikama obrade površine. To je vrhunski izbor za dijelove koji zahtijevaju anodizaciju radi estetskog ili zaštitnog efekta, iako može biti sklonija pucanju uslijed vrućine tijekom lijevanja.

Najjače legure: detaljna usporedba

Iako je legura 380 najčešći izbor za opće primjene, nekoliko specijaliziranih legura nudi superiornu čvrstoću i radne karakteristike potrebne za zahtjevnije uloge. Ovi materijali biraju se kada standardne legure ne mogu zadovoljiti mehaničke, toplinske ili otpornosti na habanje potrebe komponente. Odabir uključuje pažljivu analizu kompromisa između konačne čvrstoće, obradivosti i drugih ključnih svojstava.

Najjače opcije često dolaze iz serije 200 ili specijaliziranih obitelji cink-aluminij (ZA). Prema General Foundry Service , slitine serije 200 poznate su po vrlo visokoj čvrstoći. Istovremeno, ZA slitine poput ZA-27 nude vlačnu čvrstoću koja može biti znatno veća od one kod tradicionalnih aluminijastih slitina. U nastavku je usporedba najjačih kandidata za primjene u visokotlačnom lijevanju.

Prilikom usporedbe ovih opcija, A360 se često odabire kada dio mora raditi u agresivnom okolišu ili pri povišenim temperaturama bez otkazivanja. Kako je istaknuo Rapid Axis , kombinira čvrstoću, duktilnost i otpornost na koroziju, iako zbog teškoća s lijevanjem treba uzeti u obzir geometriju dijela. B390 je standardni izbor za primjene koje karakteriziraju habanje i trenje. Visok sadržaj silicija daje mu tvrdoću koja mu omogućuje da izdrži abrazivne sile, što ga čini idealnim za komponente motora s unutarnjim izgaranjem. Za primjene koje zahtijevaju apsolutno najveću čvrstoću, glavni kandidati su serija 200 i ZA-27, iako za njih treba više stručnosti u lijevanju i moguće veće troškove.

Tajna ultimate čvrstoće: Uloga termičke obrade

Jednostavno odabiranje legure visoke čvrstoće je samo dio jednadžbe. Za mnoge aluminijске legure, posebno one iz serije 200 i 300 poput livenih legura 356 i 357, konačna mehanička svojstva postižu se toplinskom obradom. Ovaj metalurški proces uključuje kontrolirano zagrijavanje i hlađenje kako bi se promijenila mikrostruktura metala, što rezultira značajnim povećanjem tvrdoće, vlačne čvrstoće i granice razvlačenja.

Toplinskom obradom mogu se stabilizirati dimenzije komponente, ukloniti unutarnji napon nastao tijekom procesa lijevanja te optimizirati njezina svojstva za konačnu primjenu. Razumijevanje različitih stanja toplinske obrade, odnosno oplemenjenja, ključno je za svakog inženjera koji specificira visokoučinkoviti liveni dio. Ova oplemenjenja označena su slovom 'T' iza kojeg slijedi broj.

Najčešća oplemenjenja za povećanje čvrstoće aluminijских ljevova uključuju:

• F (As-Cast): Stanje odljevka odmah nakon stvrdnjavanja, bez daljnjeg toplinskog tretmana. Svojstva su temeljna i mogu se mijenjati tijekom vremena prirodnom starjenjem.
• T5 (Umjetno starenje): Odljevak se hladi s temperature lijevanja, a zatim podvodi niskotemperaturnom procesu starenja. To osigurava dobru dimenzijsku stabilnost i umjereno povećanje čvrstoće.
• T6 (Toplotno obrađen rješenjem i umjetno staren): Ovo je dvostupanjski postupak za postizanje maksimalne čvrstoće. Odljevak se prvo zagrije na visoku temperaturu kako bi se legirajući elementi otopili u čvrstu otopinu, a zatim brzo gašen u tekućini kako bi se fiksirali na mjestu. Zatim se podvodi umjetnom starenju na nižoj temperaturi kako bi se ti elementi taložili, što znatno očvršćuje i pojačava materijal.
• T7 (Toplotno obrađen rješenjem i stabiliziran): Slično T6, ali se konačni proces starenja provodi na višoj temperaturi ili dulje vrijeme. Time se legura dovodi izvan maksimalne tvrdoće kako bi se postigla poboljšana dimenzijska stabilnost i smanjenje naprezanja, iako uz blago smanjenje konačne čvrstoće u usporedbi s T6.

Određivanjem toplinske obrade T6, inženjer može pretvoriti umjereno čvrsti dio izrađen od legure poput 356 u visokootpornu strukturnu komponentu sposobnu podnijeti znatno veća opterećenja.

Iznad čvrstoće: Ključni čimbenici pri odabiru legure

Iako je vlačna čvrstoća primarni faktor, rijetko je jedini koji određuje uspjeh legure. Potrebno je sveobuhvatno razmatrati odabir materijala, jer isključivo usredotočenje na čvrstoću može dovesti do otkazivanja vezanih uz proizvodnju ili izloženost okolišu. Nekoliko drugih svojstava mora se pažljivo procijeniti kako bi se osiguralo da odabrana legura odgovara i proizvodnom procesu i konačnoj primjeni.

Ključno među njima je lijevanost , što se odnosi na to koliko je lako leguru oblikovati u kvalitetan dio. Uključuje otpornost na greške poput pucanja pri zagrijavanju (pukotine koje nastaju tijekom kristalizacije) i zalepljivanja kalupa (privlačenje legure kalupu). Kao što detaljno objašnjavaju stručnjaci na Gabrian , loša livkost legura može dovesti do većeg postotka otpada i povećanih proizvodnih troškova. Drugi važan čimbenik je otpornost na koroziju . Radno okruženje dijela određuje potrebnu razinu otpornosti. Na primjer, A360 ima izvrsnu otpornost na koroziju, zbog čega je pogodan za vanjske ili morske primjene, dok je A380 u tom pogledu samo prosječan.

Druge osobine poput čvrstoće pod tlakom (važno za hidraulične komponente), otpornost na trošenje (za dijelove u pokretnom kontaktu) i obradivost moraju se također uzeti u obzir. Kako bi se olakšala ova složena odluka, dizajneri bi trebali razmotriti sljedeća pitanja:

• Koja je maksimalna radna temperatura kojoj će biti izložen dio?
• Bit će li dio izložen korozivnim elementima poput slane vode, kemikalija ili cestnog soli?
• Mora li komponenta biti hermetički zatvorena kako bi sadržavala tekućine ili plinove?
• Koje dodatne završne obrade, poput anodizacije ili farbanja, su potrebne?
• Koji su ograničeni troškovi za projekt?

Iako brizganje pruža izvrsnu ravnotežu između čvrstoće, složenosti i brzine proizvodnje, neke primjene, posebno u zahtjevnom automobilskom sektoru, mogu zahtijevati još veću čvrstoću ili otpornost na umor, što potiskuje dizajnere prema drugim procesima poput kovanja. Na primjer, stručnjaci za auto dijelove izrađene kovanjem, kao što su Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , koriste postupke poput vrućeg kovanja za izradu izdržljivih komponenata kada je maksimalna cjelovitost materijala apsolutni prioritet.

Često postavljana pitanja

1. Koji je najjači aluminij za brizganje?

Najjači aluminijevi slitini za tlačno lijevanje obično se nalaze u seriji 200 (aluminij-bakar), koje su toplinski obradive kako bi postigle vrlo visoke mehaničke karakteristike. Dodatno, slitine cink-aluminij, posebno ZA-27, poznate su po izuzetnoj čvrstoći, s vlačnom čvrstoćom koja može biti znatno veća od uobičajenih slitina za tlačno lijevanje aluminija. Međutim, oba ova rješenja teže su za liti i rezervirana su za visokoučinkovne primjene gdje je maksimalna čvrstoća ključna.

2. Može li se aluminij 6061 koristiti za tlačno lijevanje?

Iako je 6061 vrlo popularna i jaka aluminijeva slitina, ona se obično ne koristi za tlačno lijevanje pod visokim tlakom. Njezin kemijski sastav i karakteristike stvrdnjavanja čine je sklonom greškama poput pucanja pri visokoj temperaturi u uvjetima brzog hlađenja kod tlačnog lijevanja pod visokim tlakom. Međutim, često se koristi u drugim postupcima lijevanja, poput gravitacijskog lijevanja i lijevanja u pijesak, gdje su brzine hlađenja sporije i bolje kontrolirane.