Litý a lisovaný hliník jsou typy hliníku vyráběné různými způsoby. Při lití hliníku se roztavený kov nalije do formy a vytvoří se tvar. Vytlačovaný hliník se vyrábí protlačováním hliníku otvorem, čímž se vytvářejí tvary, jako jsou trubky. Extrudovaný hliník je obvykle pevnější a má hladší povrch. Z litého hliníku lze vyrobit složitější tvary, ale vytlačovaný je často levnější pro jednoduché tvary.
Pro výběr správného materiálu pro konkrétní aplikace je důležité pochopit rozdíly mezi litým a lisovaným hliníkem. Přečtěte si tento článek a prozkoumejte jejich specifické metody, aplikace, výhody a nevýhody, omezení atd.
Co je litý hliník?
Tlakové odlitky vyrábějí hliníkové díly z roztavených hliníkových slitin. Tuto tekutou formu pak vstřikují do formy profilu výrobku. Tyto díly jsou lehké a odolné, protože jsou díky tlakovému lití takové. Hliníkové odlitky lze použít v automobilech, letadlech, strojích a předmětech denní potřeby.
Běžné slitiny hliníku
Slitina A380
Ve slitině A380 je již přítomno přibližně 8,5% křemíku a 3,5% mědi. Ty nabízejí dobrou elektrickou vodivost a nižší hustotu 2,71 g/cm³. Její tekutost je vynikající. Poskytují dobrou odlévatelnost pro výrobu tenkostěnných dílů a držáků motorů při vysokotlakém tlakovém lití.
Slitina A356-T6
Tato slitina obsahuje přibližně 7% křemíku a 0,3% hořčíku. Díly mají lepší pevnost a dosahují pevnosti v tahu 310 MPa, pokud jsou správně tepelně zpracovány. Tyto slitiny mají dobrou vodivost. Výrobci je obvykle používají hlavně pro kola automobilů a letecké díly prostřednictvím odlévání do písku.
319 Slitina
Obecně tvoří asi 6% tohoto kovu křemík a 3,5% měď. Tato slitina je mnohem těžší než ostatní. Poskytuje vynikající vodivost a má hustotu v rozmezí 2,76 g/cm³. Díky tomu je užitečná pro bloky motorů, kde je důležitá tepelná odolnost.
| Slitina | Složení | Hustota (g/cm³) | Pevnost v tahu (MPa) | Vodivost | Metoda odlévání | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A380 | 8,5% Si, 3,5% Cu | 2.71 | - | Vynikající | Vysokotlaké tlakové lití | |
| A356-T6 | 7% Si, 0,3% Mg | - | 310 | Dobrý | Odlévání do písku | |
| 319 | 6% Si, 3,5% Cu | 2.76 | - | Vynikající | - |
Procesy odlévání
Vysokotlaké tlakové lití
Proces, při kterém výrobci nalévají roztavený hliník do ocelové formy pod tlakem 10-175 MPa, je vysokotlaké tlakové lití. Tato technika je rychlejší a díly se vyrábějí do 30 sekund. Nejlépe se hodí pro díly s ostrými detaily, jako jsou skříně převodovek.
Nízkotlaké tlakové lití
Tento proces vtlačuje kov do formy při tlaku 20-100 kPa, tedy při nižším tlaku. Při takto pomalém zpracování vzniká méně vzduchových bublin, které snižují počet defektů. Jejich příkladem mohou být hliníková kola, která obsahují zvýšenou pevnost.
Odlévání do písku
Výrobce nalije roztavený kov do pískových forem. Tento proces skutečně trvá několik hodin na jeden díl. Detailní díly, jako jsou skříně čerpadel, to však zvládnou.
Další metody:
Nejpoužívanějším procesem není jen tlakové lití nebo lití do písku. Zahrnuje také investiční lití a odlévání do trvalých forem. Při investičním lití používají výrobci voskové vzory. Při odlévání do trvalé formy se však používá ocelová forma pro opakované použití. Těmito technikami lze vyrábět středně velké uvedené díly, jako je například nádobí.
Mikrostruktura a tuhnutí
Při každém ochlazení hliníku dochází k tvorbě drobných krystalků (nukleaci) a růstu zrn. To znamená, že je může ovlivnit teplota chlazení. To proto, že rychlé ochlazení při tlakovém lití vytváří velmi malá a silná zrna. Pomalé chlazení naopak vytváří velká a méně odolná zrna. Navíc odolnost proti opotřebení u slitin, jako je A380, díky částicím křemíku a tepelnému zpracování u 356-T6 skutečně snižuje křehké oblasti.
Co je extrudovaný hliník?
Výrobci používají tvarové formy k působení síly na zahřáté hliníkové slitiny. Tento kov pak nabývá profilových tvarů, které jsou obvykle dlouhé, například tyče, trubky nebo nosníky. Extrudované hliníkové díly se široce používají ve stavebnictví, automobilovém průmyslu a spotřebním zboží. Jejich důvodem je však to, že jsou lehké, pevné a cenově dostupné.
Běžné slitiny
Slitiny 6061:
Slitina 6061 obsahuje 1,0% hořčíku a 0,6% křemíku. Tyto částice jí dodávají vysokou pevnost (310 MPa v tahu) a vynikající svařitelnost. Dobře se hodí pro konstrukční a silně namáhané díly, jako jsou rámy nákladních automobilů a součásti jízdních kol.
Slitiny 6063:
Ve slitině 6063 je 0,7% hořčíku a 0,4% křemíku. Zabraňuje korozi a poskytuje jemnou povrchovou úpravu. Proto je nejvhodnější pro dekorativní a architektonické profily, jako jsou okenní rámy a dveřní kolejnice.
Tepelné zpracování
Vlastnosti extrudovaného hliníku se zlepšují, když je výrobci podrobí tepelnému zpracování, například popouštění T5 nebo T6.
Při popouštění T5 je vytlačovaný díl chlazen vzduchem. To zvyšuje pevnost dílu s možností 20-30%.
Popouštění T6 zahrnuje úpravu roztokem při teplotě 530 °C. Poté následuje umělé stárnutí. Díly jsou díky tomu mnohem tvrdší a pevnější. Pro konstrukční aplikace lze například použít 6061-T6, přičemž se vyváží jeho optimální tažnost a pevnost.
Proces vytlačování Při přímém vytlačování:
Výrobci používají hydraulický píst k protlačování polotovaru stacionární matricí, což se označuje jako přímé vytlačování. Tento druh procesu je efektivní, ale potřebuje více energie právě kvůli tření.
Při nepřímém vytlačování:
Při nepřímém vytlačování udržuje polotovar v klidu, zatímco se zápustka pohybuje směrem k němu. Proto se této technice říká také zpětný nebo reverzní postup. Snižuje tření a spotřebu energie až o 10-30%. Tato technika dokonale vyrábí přesné díly, jako jsou trubky.
Typy tisku
Z dostupných možností poskytují hydraulické lisy vysokou sílu (až 100 MN) pro velké profily. Mechanické lisy pracují rychle (až 60 zdvihů za minutu). Hodí se dobře pro malé díly.
Typy vytlačování
Vytlačování za tepla:
Vytlačování za tepla probíhá při teplotě 350-500 °C. Využívá se při něm tepla a tlaku. Tento proces vlastně pomáhá při výrobě pevných nebo dutých dílů prostřednictvím pevných průřezů. Například I-nosníky nebo automobilové podvozky.
Vytlačování za studena:
Vytlačování za studena probíhá až do 120 °C a probíhá také při pokojové teplotě (20-25 °C). Při tomto procesu výrobce hliník nezahřívá a nenutí ho k lisování. Vyrábí se při něm díly s velmi úzkými tolerancemi až ±0,02 mm-±0,05 mm a snižuje se oxidace. To je proto ideální pro výrobu spojovacího materiálu, elektrických konektorů a uvedených dílů.
Hlavní rozdíly mezi litým a extrudovaným hliníkem
1. Mechanické vlastnosti
Výrobní procesy mají vliv na rozdíly v mechanických vlastnostech litého a lisovaného hliníku.
Síla:
Obecně platí, že extrudovaná umělecká díla mají vyšší pevnost v tahu než díla hliníkový odlitek. Například pevnost v tahu hliníkového odlitku A356-T6 se pohybuje kolem 230-250 MPa. Naproti tomu pevnost v tahu extrudovaného hliníku 6061-T6 dosahuje až 310 MPa.
Tažnost
Díky zjemněnému zrnu, kterého se dosáhne pomocí extrudovaného hliníku, je hliník tvárnější. Hrubá zrna a intermetalické fáze jsou naopak příčinou křehkosti litého hliníku.
Tvrdost
Tvrdost je zcela závislá na zvolené slitině a tepelném zpracování. Vytlačované díly však mají obvykle konzistentnější tvrdost. Například hliníkový odlitek A380 obsahuje tvrdost kolem ~80 HB, ale extrudované díly 6061-T6 mají tvrdost 95 HB.
Odolnost proti únavě
Díky jemnější struktuře zrn extrudovaného hliníku se dobře osvědčují při cyklickém zatížení. Naopak litý hliník obsahuje nižší únavovou odolnost. Důvodem je jeho porézní struktura. Nějakým způsobem ji lze zlepšit pomocí správného tepelného zpracování a lepších slitin.
2. Srovnání mikrostruktury
Mikrostruktura hliníkového odlitku vykazuje hrubá zrna (v rozmezí 50-200 µm) a shluky intermetalických fází. To je příčinou křehkosti a snížení mechanických vlastností.
Na druhou stranu proces vytlačování zjemňuje strukturu zrn o velikosti 10-50 µm. Je to proto, že se při něm rozbíjejí intermetalické prvky a zarovnávají se zrna.
Na snímku jsou například kontrastní obě části mikrostruktur. V lité struktuře jsou patrná hrubá zrna.
Vytlačovaný díl (a-f) ukazuje, jak se zjemňuje struktura zrna, což vede k lepšímu výkonu.
3. Tolerance
Při roztažnosti formy a smršťování při tuhnutí se tolerance hliníkových odlitků snižují (±0,5 mm nebo více).
U extrudovaného hliníku je možné dosáhnout menších tolerancí (±0,1 mm). To je způsobeno použitím přesné matrice pro lisování kovu. To znamená, že konstrukce matrice a přesnost lisu mohou způsobit změny tolerancí.
4. Úvahy o designu
Hliníkové odlitky se používají především k výrobě ostře řezaných tvarů s vnitřními dutinami. Například bloky motorů nebo skříně čerpadel. Nějak se však nehodí pro tenkostěnné nebo dlouhé profily.
Vytlačovací technika vytváří nejlepší dlouhé díly a rovnoměrné profily s konzistentními průřezy. Například nosníky nebo trubky. Kromě toho mohou tyto díly přebírat i specifické konstrukční požadavky.
5. Metody spojování
Výrobci mohou spojovat jak litý, tak extrudovaný hliník. K tomu používají techniky jako svařování, šroubování nebo lepení.
Přitom hliníkové odlitky není snadné svařovat. Důvodem je přítomnost pórovitosti, intermetalických fází a také vysoký obsah křemíku v některých slitinách (např. A380. To může způsobit praskání.
Extrudované hliníkové díly se mnohem snadněji svařují a obrábějí. Mají jednotnou strukturu. Díky tomu jsou univerzálnější pro montáž.
Výhody a nevýhody hliníkových odlitků
Výhody
- Umožňuje vytvářet detailní a složité tvary s vnitřními dutinami. Například hlavy válců, skříně převodovek nebo skříně čerpadel.
- Slitiny hliníku, jako je A356-T6, poskytují velkou pevnost v tahu při nižší než průměrné hmotnosti.
- Tyto díly jsou cenově dostupné, pokud se vyrábějí ve velkém.
Nevýhody
- Zachycený plyn nebo smrštění během tuhnutí způsobí, že ostatní díly ztratí pevnost a únavovou odolnost. Tento problém však lze vyřešit pomocí vakuového lití nebo odplyňovacích prostředků.
- Smršťování kapalin i pevných látek způsobuje roztříštění nebo praskání dílů. K řešení tohoto problému použijte správnou konstrukci formy a řízené chlazení.
- Hliníkové odlitky mají ve srovnání s vytlačováním volnější toleranci.
Výhody a nevýhody extrudovaného hliníku
Výhody
- Extrudovaný hliník poskytuje vynikající povrchovou úpravu. Díl po frézování až po eloxování nebo práškovém lakování by byl pevnější. Obsahují zvýšenou odolnost proti korozi a trvanlivost.
- Přesnými zápustkami lze dosáhnout větších tolerancí.
- Tyto díly jsou cenově výhodné při vysokých objemech.
- Ideální pro dlouhé, neměnné profily, jako jsou žebříkové lišty nebo víceduté trubky.
Nevýhody
- Tyto díly jsou omezeny na jednoduché tvary a nehodí se pro složité konstrukce.
- Pro výrobu dutých nebo vícekanálových profilů potřebujete speciální matrice.
- Vytlačování není vhodné pro díly s více průřezy nebo složitými vnitřními prvky.
Aplikace a odvětví
Konkrétní příklady
Obecně se hliníkové odlitky používají pro automobilový průmysl. Mezi tyto díly patří bloky motorů, skříně převodovek a náboje kol.
Uvedený obrázek ukazuje konstrukci zápustky bloku motoru. Jsou na něm zvýrazněny klíčové součásti. Například vtokový systém (cesty roztaveného kovu), přelivy (shromažďují přebytečný materiál), vakuové vedení (odstraňuje vzduch) a konečný odlitek bloku válců.
Výrobci mezitím používají extrudovaný hliník pro okenní rámy, dveřní kolejnice a konstrukční nosníky. V dopravě se používá na karoserie železničních vozů, rámy nákladních automobilů a součásti jízdních kol.
Elektrická vozidla (EV)
Použití litého i lisovaného hliníku v elektrických vozidlech zvyšuje jejich popularitu. Výrobci používají litý hliník pro kryty baterií a motory. Naopak z extrudovaného hliníku se vyrábějí lehké podvozky a konstrukční díly.
Aditivní výroba
Integrace 3D tisku do hliníkového odlitku umožňuje zpracovávat složitější tvary. Usnadňují výrobu lehkých dílů pro letecký a zdravotnický průmysl.
Kromě toho jsou díky aditivním technikám pro vytlačovaný hliník možné inovativní konstrukce. Díky tomu jsou tyto díly vhodné pro použití v hybridních výrobních procesech.
Závěr:
Odlévaný a lisovaný hliník si nejsou podobné. Jejich pevnost, mikrostruktura, tolerance a konstrukční úrovně jsou odlišné. Pokud je vyberete náhodně, znamená to, že výběr může zničit celý projekt. Proto moudře vybírejte správný materiál a výrobní proces na základě potřeb aplikace.