Viktiga höghållfasta aluminiumlegeringar för formgjutning

TL;DR

Att välja höghållfasta aluminiumlegeringar för tryckgjutning innebär en avvägning mellan maximal draghållfasthet och tillverkningsbarhet. För bästa mekaniska egenskaper är legeringar i 200-serien och zink-aluminiumlegeringar som ZA-27 främsta alternativ. Legeringar som A360 erbjuder dock en bättre balans av hållfasthet vid upphöjda temperaturer och korrosionsmotstånd, medan B390 ger exceptionell nötmotstånd. De slutliga egenskaperna förbättras ofta avsevärt genom värmebehandlingar som T6.

Förståelse av familjer av aluminiumlegeringar för tryckgjutning

Innan du väljer en specifik legering är det viktigt att förstå de främsta familjerna av aluminiumlegeringar, eller serier, som används vid tryckgjutning. Dessa serier, som är fastställda av Aluminum Association, grupperar legeringar baserat på deras huvudsakliga legeringsämnen, vilket avgör deras grundläggande egenskaper. En ingenjörs valprocess börjar ofta på denna nivå för att begränsa alternativen utifrån programmets kärnkrav.

Varje serie erbjuder en annan kombination av mekaniska egenskaper, gjutegenskaper och kostnader. Till exempel kan en serie erbjuda extrem hållfasthet, men vara svårare och dyrare att gjuta jämfört med en mer vanlig serie för allmänt bruk. Att förstå dessa grundläggande skillnader är nyckeln till ett välgrundat beslut.

De vanligaste serierna inom tryckgjutning erbjuder distinkta fördelar:

• 2xx.x-serien (koppar): Kända för att ha högsta hållfasthet bland aluminiumlegeringarna, kan 200-serien uppnå mekaniska egenskaper som är nästan dubbelt så höga som den mer vanliga 300-serien. Denna hållfasthet uppnås dock till priset av lägre korrosionsmotstånd och svårare gjutning.
• 3xx.x-serien (Kisel + Koppar/Magnesium): Detta är den mest populära och vida använda serien för tryckgjutning, där A380 är branschens arbetshest. Dessa legeringar erbjuder en utmärkt kombination av god formbarhet, måttlig hållfasthet och kostnadseffektivitet, vilket gör dem lämpliga för ett mycket brett spektrum av tillämpningar.
• 4xx.x-serien (Kisel): Dessa legeringar, såsom 413, värderas för sin utmärkta gjutflödighet och tryghetstäthet. Detta gör dem till ett idealiskt val för komplicerade delar eller komponenter som måste innehålla vätskor eller gaser utan att läcka, som till exempel hydraulcylindrar.
• 5xx.x-serien (Magnesium): 500-serien, inklusive legeringar som 518, utmärker sig genom sin utmärkta korrosionsbeständighet, särskilt i marina miljöer, och överlägsna ytbehandlingskaraktäristik. Den är ett främsta val för delar som kräver anodisering för estetiska eller skyddande ändamål, även om den kan vara mer benägen att spricka vid upphettning under gjutning.

De främsta höghållfasta legeringarna: En detaljerad jämförelse

Medan legering 380 är det vanligaste valet för allmänna tillämpningar finns flera speciallegeringar som erbjuder bättre hållfasthet och prestandaegenskaper, vilka krävs för mer krävande roller. Dessa material väljs när standardlegeringar inte kan uppfylla komponentens mekaniska, termiska eller slitagebeständighetskrav. Valet innebär en noggrann analys av avvägningar mellan brottgräns, gjutbarhet och andra kritiska egenskaper.

De starkaste alternativen kommer ofta från 200-serien eller specialiserade zink-aluminium-(ZA-)familjer. Enligt General Foundry Service , kännetecknas 200-serien för mycket hög hållfasthet. Samtidigt erbjuder ZA-legeringar som ZA-27 draghållfasthet som kan vara avsevärt högre än traditionella aluminiumlegeringar. Nedan följer en jämförelse av de främsta kandidaterna för höghållfasta tryckgjutningsapplikationer.

När man jämför dessa alternativ väljs ofta A360 när en komponent måste fungera i en tuff miljö eller vid upphöjda temperaturer utan att gå sönder. Som påpekats av Rapid Axis , kombinerar det hållfasthet, seghet och korrosionsmotstånd, även om gjutsvårigheten innebär att delgeometrin måste beaktas. B390 är det främsta valet för tillämpningar präglade av slitage och friktion. Dess höga kiselinnehåll ger en hårdhet som gör att det tål abrasiva krafter, vilket gör det idealiskt för komponenter i förbränningsmotorer. För tillämpningar som kräver den absolut högsta hållfastheten är 200-serien och ZA-27 de främsta kandidaterna, även om de kräver mer specialiserad gjutexpertis och kan medföra högre kostnader.

Hemligheten bakom yttersta hållfasthet: Värmebehandlingens roll

Att helt enkelt välja en legering med hög brottgräns är bara en del av ekvationen. För många aluminiumlegeringar, särskilt gjutlegeringar i serien 200 och 300 som 356 och 357, frigörs deras slutliga mekaniska egenskaper genom värmebehandling. Denna metallurgiska process innebär kontrollerad upphettning och avsvalning för att förändra metallets mikrostruktur, vilket resulterar i betydande ökningar av hårdhet, brottgräns och sträckgräns.

Värmebehandling kan stabilisera en komponents dimensioner, avlasta inre spänningar från gjutprocessen och optimera dess prestanda för det slutgiltiga användningsområdet. Att förstå de olika värmebehandlingsförhållandena, eller tempers, är avgörande för varje ingenjör som specifierar en högpresterande gjuten komponent. Dessa tempers betecknas med en 'T' följt av en siffra.

De vanligaste tempers för att förbättra hållfastheten i aluminiumgjutgods inkluderar:

• F (As-Cast): Tillståndet på gjutgodset direkt efter stelnning, utan efterföljande värmebehandling. Egenskaperna är baslinjen och kan förändras med tiden vid naturlig åldring.
• T5 (konstgjord åldring): Gjutgodset kyls från gjuttemperaturen och utsätts sedan för en lågtempererad åldringsprocess. Detta ger god dimensionell stabilitet och en måttlig ökning av hållfastheten.
• T6 (löst värmebehandlat och konstgjort åldrat): Detta är en tvåstegsprocess för att uppnå maximal hållfasthet. Gjutgodset värms först till en hög temperatur för att lösa legeringselementen i en fast lösning, och snabbt släcks därefter i en vätska för att fixera dem på plats. Därefter genomgår det en konstgjord åldring vid lägre temperatur för att utfälla dessa element, vilket hårdar och förstärker materialet avsevärt.
• T7 (löst värmebehandlat och stabiliserat): Liknande T6, men den slutliga åldrande processen utförs vid en högre temperatur eller under en längre tid. Detta tar legeringen bortom dess maximala hårdhet för att ge förbättrad dimensionsstabilitet och spänningsfrihet, även om det sker med en liten minskning av brottgränsen jämfört med T6.

Genom att ange en värmebehandling av typ T6 kan en ingenjör omvandla en del med måttlig hållfasthet gjord av en legering som 356 till en högpresterande strukturell komponent kapabel att klara mycket större belastningar.

Utöver hållfasthet: Viktiga faktorer vid val av legering

Även om draghållfasthet är en primär aspekt är det sällan den enda faktor som avgör en legerings framgång. En helhetsbedömning av materialvalet är avgörande, eftersom ett fokus enbart på hållfasthet kan leda till fel relaterade till tillverkning eller exponering för miljö. Flera andra egenskaper måste noggrant utvärderas för att säkerställa att den valda legeringen är lämplig både för tillverkningsprocessen och för den slutgiltiga användningen.

Nyckelfaktorer bland dessa är gjutbarhet , vilket avser hur lätt en legering kan formas till en kvalitetsdel. Detta inkluderar motståndskraft mot defekter som varmsprickbildning (sprickor som uppstår vid stelnande) och formsvetsning (när legeringen fastnar i formen). Enligt experter på Gabrian , kan legeringar med dålig gjutbarhet leda till högre spillfrekvens och ökade produktionskostnader. En annan viktig faktor är korrosionsbeständighet . Den driftsmiljö där delen används avgör vilken nivå av motståndskraft som krävs. Till exempel har A360 utmärkt korrosionsmotstånd, vilket gör den lämplig för utomhus- eller marina tillämpningar, medan A380 endast har måttligt motstånd i detta avseende.

Andra egenskaper som tryghållfasthet (avgörande för hydrauliska komponenter), slitstyrka (för delar i rörlig kontakt), och bearbetningsförmåga måste också beaktas. För att styra detta komplexa beslut bör konstruktörer överväga följande frågor:

• Vad är den maximala driftstemperaturen som komponenten kommer att utsättas för?
• Kommer delen att utsättas för korrosiva ämnen som saltvatten, kemikalier eller vägsalt?
• Måste komponenten vara trycktät för att innesluta vätskor eller gaser?
• Vilka sekundära efterbehandlingsoperationer, såsom anodisering eller målning, krävs?
• Vad är kostnadsbegränsningarna för projektet?

Även om sändning erbjuder en utmärkt balans mellan hållfasthet, komplexitet och tillverkningshastighet kan vissa tillämpningar, särskilt inom den krävande bilindustrin, kräva ännu större hållfasthet eller utmattningsmotstånd, vilket får konstruktörer att välja andra processer som smidning. Till exempel använder specialister inom smidda bilkomponenter, såsom Shaoyi (Ningbo) Metallteknik , processer som varmsmidning för att tillverka robusta komponenter när maximal materialintegritet är absolut prioritet.

Vanliga frågor

1. Vilken är den starkaste aluminiumlegeringen för sändning?

De starkaste aluminiumlegeringarna för tryckgjutning finns generellt i 200-serien (aluminium-koppar), vilka kan värmebehandlas för att uppnå mycket höga mekaniska egenskaper. Dessutom är zink-aluminiumlegeringar, särskilt ZA-27, kända för att vara otroligt starka, med draghållfasthet som kan vara avsevärt högre än vanliga aluminiumlegeringar för tryckgjutning. Båda dessa alternativ är dock svårare att gjuta och används därför endast i högprestandaapplikationer där maximal styrka är avgörande.

2. Kan 6061-aluminium gjutas i form?

Även om 6061 är en mycket populär och stark aluminiumlegering används den inte typiskt i högtrycksformgjutning. Dess kemiska sammansättning och stelningsegenskaper gör att den lätt får defekter som hettsprickbildning under de snabba kylningsförhållandena vid högtrycksformgjutning. Den används dock ofta i andra gjutningsprocesser, till exempel gravitationsgjutning och sandgjutning, där kylningshastigheterna är långsammare och mer kontrollerade.