Dôležité vysokopevnostné hliníkové zliatiny pre tlakové liatie

ZKRATKA

Výber vysokopevnostných hliníkových zliatin pre litie pod tlakom znamená kompromis medzi konečnou pevnosťou a výrobnejšou. Pre maximálnu mechanickú pevnosť sú najvhodnejšími kandidátmi zliatiny zo série 200 a zinočno-hliníkové zliatiny ako ZA-27. Avšak zliatiny ako A360 ponúkajú lepšiu rovnováhu pevnosti pri vyšších teplotách a odolnosti voči korózii, zatiaľ čo B390 poskytuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebeniu. Konečné vlastnosti sú často výrazne zlepšené tepelnými spracovaniami, ako je T6.

Pochopenie skupín hliníkových zliatin pre litie pod tlakom

Pred výberom konkrétnej zliatiny je nevyhnutné pochopiť hlavné rodiny hliníkových zliatin, resp. série, používané pri tlakovom liatí. Tieto série, ktoré určuje Aluminum Association, zoskupujú zliatiny podľa ich hlavných legujúcich prvkov, ktoré určujú ich základné vlastnosti. Inžinierov proces výberu často začína na tejto úrovni, aby sa obmedzili možnosti na základe základných požiadaviek aplikácie.

Každá séria ponúka inú kombináciu mechanických vlastností, vlastností pri liatí a nákladov. Napríklad, kým jedna séria môže ponúkať extrémnu pevnosť, môže byť náročnejšia a drahšia na odlievanie v porovnaní s bežnejšou, univerzálnou sériou. Pochopenie týchto základných rozdielov je kľúčom k učinenejmu rozhodnutiu.

Najbežnejšie série pri tlakovom liatí prinášajú zreteľné výhody:

• 2xx.x Séria (Meď): 200-seria je známa najvyššou pevnosťou medzi hliníkovými zliatinami a dokáže dosiahnuť mechanické vlastnosti takmer dvojnásobné oproti bežnejšej 300-serii. Táto pevnosť však prebieha na úkor nižšej odolnosti voči korózii a zložitejšieho odlievania.
• 3xx.x séria (kremík + meď/magnézium): Toto je najobľúbenejšia a najrozšírenejšia séria pre tlakové liatie, pričom A380 je pracovným koním priemyslu. Tieto zliatiny ponúkajú vynikajúcu kombináciu dobrej odlievateľnosti, strednej pevnosti a nákladovej efektívnosti, čo ich robí vhodnými pre široké spektrum aplikácií.
• 4xx.x séria (kremík): Tieto zliatiny, ako napríklad 413, sú cenou za vynikajúcu tekutosť pri odlievaní a tesnosť pod tlakom. To ich robí ideálnou voľbou pre komplikované diely alebo komponenty, ktoré musia obsahovať kvapaliny alebo plyny bez úniku, napríklad hydraulické valce.
• 5xx.x séria (horčík): Séria 500, vrátane zliatin ako 518, sa vyznačuje vynikajúcou odolnosťou voči korózii, najmä v morských prostrediach, a vynikajúcimi vlastnosťami povrchovej úpravy. Je to najlepšia voľba pre diely, ktoré vyžadujú anodizáciu z estetických alebo ochranných dôvodov, hoci môže byť náchylnejšia na horúce trhliny počas liatia.

Najvyššie pevnostné zliatiny: Podrobné porovnanie

Hoci je zliatina 380 najbežnejšou voľbou pre všeobecné aplikácie, niekoľko špecializovaných zliatin ponúka lepšie pevnostné a prevádzkové vlastnosti potrebné pre náročnejšie použitie. Tieto materiály sa vyberajú vtedy, keď štandardné zliatiny nedokážu spĺňať mechanické, tepelné alebo odolnosť proti opotrebeniu daného komponentu. Výber zahŕňa starostlivú analýzu kompromisov medzi konečnou pevnosťou, odlievatelnosťou a inými kritickými vlastnosťami.

Najsilnejšie možnosti často pochádzajú zo série 200 alebo zo špecializovaných rodín zinkovo-hliníkových (ZA) zliatin. Podľa Všeobecná slévárenská služba , zliatiny série 200 sú známe veľmi vysokou pevnosťou. Súčasne zliatiny ZA, ako napríklad ZA-27, ponúkajú medz pevnosti, ktorá môže byť výrazne vyššia než u tradičných hliníkových zliatin. Nižšie je uvedené porovnanie najvýkonnejších materiálov pre aplikácie tlakového liatia vysokej pevnosti.

Pri porovnávaní týchto možností sa často vyberá A360, ak má diel fungovať v náročnom prostredí alebo pri zvýšených teplotách bez porúch. Ako uvádza Rapid Axis , kombinuje pevnosť, tažnosť a odolnosť voči korózii, hoci kvôli obtiažnosti liatia je potrebné zohľadniť geometriu súčiastky. B390 je preferovanou voľbou pre aplikácie určené opotrebuvaním a trením. Vysoký obsah kremíka mu dodáva tvrdosť, ktorá mu umožňuje odolávať abrazívnym silám, čo ho robí ideálnym pre komponenty spaľovacích motorov. Pre aplikácie vyžadujúce najvyššiu možnú pevnosť sú hlavnými kandidátmi rad 200 a ZA-27, avšak vyžadujú špecializovanejšie odborné znalosti v oblasti liatia a môžu byť spojené s vyššími nákladmi.

Tajomstvo extrémnej pevnosti: Úloha tepelného spracovania

Jednoduché výberanie vysokej pevnosti zliatiny je len časťou rovnice. U mnohých hliníkových zliatin, najmä u odliatkových zliatin sérií 200 a 300, ako sú 356 a 357, sa ich konečné mechanické vlastnosti odomknú teplotnou úpravou. Tento metalurgický proces zahŕňa riadené ohrievanie a chladenie za účelom zmeny mikroštruktúry kovu, čo vedie k výraznému zvýšeniu tvrdosti, medze pevnosti a meze klzu.

Teplotná úprava môže stabilizovať rozmerové parametre súčiastky, odstrániť vnútorné napätia vzniknuté počas procesu odlievania a optimalizovať jej výkon pre koncové použitie. Porozumenie rôznym stavom tepelného spracovania, resp. stupňom tvrdenia, je kľúčové pre každého inžiniera, ktorý určuje vysokovýkonný odliek. Tieto stupne tvrdenia sú označené písmenom „T“ nasledovaným číslom.

Najbežnejšie stupne tvrdenia na zvýšenie pevnosti pri hliníkových odliatkoch zahŕňajú:

• F (As-Cast): Stav odliatku priamo po zotvárnení bez následnej tepelnej úpravy. Vlastnosti sú základné a môžu sa meniť v priebehu času pri samovolnom starnutí.
• T5 (umelo starnuté): Odliatok je ochladený zo živúcej teploty a následne podrobený nízkoteplotnému procesu dozrievania. Tým sa dosiahne dobrá rozmerová stabilita a mierny nárast pevnosti.
• T6 (rozpustene tepelne upravené a umelo starnuté): Ide o dvojstupňový proces na dosiahnutie maximálnej pevnosti. Odliatok je najskôr zahriat na vysokú teplotu, aby sa zliatinové prvky rozpustili do tuhého roztoku, potom je rýchlo zochladený do kvapaliny, čím sa tieto prvky uzamknú na mieste. Následne sa umelo dozrievaní pri nižšej teplote, čo spôsobí vylúčenie týchto prvkov, čím sa materiál výrazne ztvrdne a posilní.
• T7 (rozpustene tepelne upravené a stabilizované): Podobne ako T6, ale konečný proces starnutia sa vykonáva pri vyššej teplote alebo počas dlhšieho času. Tým sa zliatina dostane za svoj maximálny stupeň tvrdosti, čo zlepšuje rozmernú stabilitu a uvoľnenie pnutí, avšak s miernym znížením konečnej pevnosti v porovnaní s T6.

Uvedením tepelného spracovania T6 môže inžinier premeniť mierne pevnú súčiastku zo zliatiny ako 356 na vysokovýkonný konštrukčný prvok schopný odolať oveľa väčším zaťaženiam.

Okrem pevnosti: kľúčové faktory pri výbere zliatiny

Hoci je ťahová pevnosť hlavnou obavou, zriedka je jediným faktorom, ktorý určuje úspech zliatiny. Je nevyhnutný komplexný prístup k výberu materiálu, pretože zameranie sa výlučne na pevnosť môže viesť k zlyhaniam súvisiacim s výrobou alebo expozíciou voči prostrediu. Na zabezpečenie toho, že zvolená zliatina bude vhodná pre výrobný proces aj konečné použitie, je potrebné starostlivo posúdiť niekoľko ďalších vlastností.

Kľúčovou vlastnosťou medzi nimi je liateľnosť , čo sa týka toho, ako ľahko sa zliatina dá vytvarovať do kvalitného dielu. To zahŕňa odolnosť voči chybám, ako je horúce trhliny (trhliny vznikajúce počas tuhnutia) a privarenie do formy (prichytenie zliatiny na formu). Ako podrobne uvádzajú odborníci na Gabrian , zliatiny s nízkou odlievacou schopnosťou môžu viesť k vyššiemu percentu odpadu a zvýšeným výrobným nákladom. Ďalším dôležitým faktorom je odolnosť proti korózii . Prevádzkové prostredie dielu určuje potrebnú úroveň odolnosti. Napríklad A360 má vynikajúcu odolnosť voči korózii, čo ho robí vhodným pre vonkajšie alebo námorné aplikácie, kým A380 je v tomto ohľade iba priemerný.

Ďalšie vlastnosti, ako napríklad tesnosť pod tlakom (dôležité pre hydraulické komponenty), odolnosť proti opotrebovaniu (pre diely v pohybe pri kontakte), a vyrobiteľnosť je tiež nutné zvážiť. Na usmernenie pri tomto zložitom rozhodovaní by mali konštruktéri zvážiť nasledujúce otázky:

• Aká je maximálna prevádzková teplota, ktorej bude komponent vystavený?
• Bude diel vystavený agresívnym látkam, ako je slaná voda, chemikálie alebo posypová soľ?
• Musí byť komponent tesný na tlak, aby udržal kvapaliny alebo plyny?
• Aké sekundárne dokončovacie operácie, ako napríklad anodizácia alebo farbenie, sú vyžadované?
• Aké sú nákladové obmedzenia projektu?

Hoci odliatky do foriem ponúkajú vynikajúcu rovnováhu pevnosti, zložitosti a rýchlosti výroby, niektoré aplikácie, najmä v náročnom automobilovom priemysle, môžu vyžadovať ešte vyššiu pevnosť alebo odolnosť voči únave materiálu, čo vedie konštruktérov k použitiu iných procesov, ako je kovanie. Napríklad odborníci na kované automobilové diely, ako napríklad Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , používajú procesy ako horúce kovanie na výrobu pevných komponentov, keď je maximálna integrita materiálu absolútnou prioritou.

Často kladené otázky

1. Aký je najpevnejší hliník pre tlakové liatie?

Najpevnejšie hliníkové zliatiny pre tlakové liatie sa zvyčajne nachádzajú v sérii 200 (hliník-mezit), ktoré sú tepelne spracovateľné a dosahujú veľmi vysoké mechanické vlastnosti. Okrem toho sú známe aj zinkovo-hliníkové zliatiny, najmä ZA-27, ktoré sú mimoriadne pevné a majú ťažnú pevnosť výrazne vyššiu než bežné hliníkové zliatiny pre tlakové liatie. Obe tieto možnosti však sú ťažšie odliteľné a používajú sa len pre vysokovýkonné aplikácie, kde je nevyhnutná maximálna pevnosť.

2. Dá sa 6061 hliník použiť pri tlakovom liatí?

Hoci je 6061 veľmi obľúbená a pevná hliníková zliatina, zvyčajne sa nepoužíva pre tlakové liatie za vysokého tlaku. Jeho chemické zloženie a charakteristiky tuhnutia ho robia náchylným na chyby ako horúce trhliny pri rýchlych podmienkach ochladzovania pri tlakovom liatí za vysokého tlaku. Avšak sa bežne používa pri iných procesoch liatia, ako je gravitačné liatie a pieskové liatie, kde sú rýchlosti ochladzovania pomalšie a lepšie kontrolovateľné.