Støbbare aluminiumslegeringer har forskellige mekaniske egenskaber. Almindelige typer omfatter A356, A357 og A380. Varmebehandlinger som T6 forbedrer styrken. De bruges i bilindustrien, luft- og rumfart og generel teknik. Nøgleegenskaberne er trækstyrke, forlængelse og hårdhed. Valg af legering afhænger af anvendelsesbehovet.

I denne artikel får du den grundlæggende viden om forskellige typer af støbbare aluminiumslegeringer.

Oversigt over støbbare aluminiumslegeringer

Definition og betydning

Der findes mange legeringer til støbning. Nogle af dem er aluminiumslegeringer. Aluminium indeholder en blanding af andre grundstoffer (f.eks. magnesium eller silicium). Det giver de forskellige legeringer.

Aluminium smelter ved temperaturer omkring 660 °C. Denne smeltede form føres derefter ind i formen for at få en profilform.

På grund af deres lavere vægt med en massefylde på 2,7 g/cm³ er disse legeringer 3 gange lettere end stål. Det er grunden til, at de er velegnede til mange anvendelsesområder. For eksempel biler, fly og maskiner.

De modstår også korrosion godt og kan laves i enhver form, samtidig med at de er stærke.

Sammensætning og egenskaber for støbbare aluminiumslegeringer

Legeringens sammensætning

Dannelsen af støbbare aluminiumlegeringer omfatter sammensætningen af mange elementer. For eksempel kan aluminium indeholde silicium (5-12%), magnesium (0,2-10%), kobber (1-4%) eller zink (1-3%).

Silicium smelter ved 577 °C, hvilket gør, at det fylder formene bedre. I mellemtiden hjælper magnesium med at få mere styrke, da det danner fine udfældninger. Kobberet udvikler hårdhed.

For eksempel er der 8-10% silicium og 3-4% kobber i legering A380. Det er derfor, de har en høj flydeevne og spreder sig over formspalter så smalle som 0,1 mm.

Sporelementernes rolle

Små mængder af elementer som jern (<1%) forhindrer, at formen klæber fast, og mangan (0,5%) forbedrer korrosionsbestandigheden.

Ved støbning af aluminiumslegeringer undgår man, at formen klæber, simpelthen på grund af bidraget fra små mængder sporstoffer som jern (<1%).

På samme måde modstår de korrosion godt og har mindre kornstørrelser på grund af henholdsvis mangan (0,5%) og titanium (0,2%). Det reducerer også antallet af revner.

Mikroskopisk struktur og sammensætning

Det nævnte billede viser sammensætningens effekt på kornstrukturen. For eksempel forekommer det grove korn (50-100 µm bredt) i støbningens indledende fase.

Siliciumelementer (10-20 µm) får høj styrke og blokerer dislokationer. I mellemtiden dannes der kerner ved et punkt med korngrænser (GB'er). Kernerne vokser til matrixens tilstand under afkøling.

Mekaniske og fysiske egenskaber

Styrke og duktilitet:

Støbbare legeringer har trækstyrker, der varierer mellem 200 og 380 MPa. For eksempel får a356 280 MPa og er strækbar (10%) lige før brud.

Ligeledes fremkalder varmebehandling (f.eks. T6-hærdning) 20% øget styrke og 8% duktilitet i A356. Det opnås ved at opvarme legeringer til 500 °C, slukke dem med vand og ælde dem ved 150 °C i 5 timer.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Når en legering indeholder magnesium (f.eks. 520.0 med 10% Mg), får den et beskyttende oxidlag. Det betyder, at de kan konkurrere mod korrosion i 15-20 år i havmiljøer.

I LM6 forhindrer sammensætningen af højt siliciumindhold saltvandskorrosion. Derfor fungerer de fortsat ved et tryk på 50 Mpa i undervandsprodukter.

Termisk og elektrisk ledningsevne

Legeringer som 319 har 6% Si og 3% Cu. Så de leder varme ved 150 W/m-K. Det er det, der gør dem til et førstevalg blandt motorkomponenter.

De har også en lav massefylde, som er omkring 2,7 g/cm³. Det forbedrer brændstofeffektiviteten (10%) på grund af den lavere vægt, især i biler.

Indvirkning af varmebehandling

Producenterne udfører varmebehandling for at reducere hulrum og forfine kornene. For eksempel øger ældningstrinnet hårdheden fra 80 HB til 95 HB i legeringer som ADC12.

Derudover forårsager omkrystalliseringsprocessen (som forekommer i billedet) kornkrympning på op til 10-20 µm. Så legeringen får øget udmattelsesmodstand (30%) som resultat.

Almindelige kvaliteter af aluminiumslegeringer

A380

Der er 8-10% silicium, 3-4% kobber og mindre end 1% jern til stede i A380's støbte aluminiumslegering. Siliciumpartiklerne har et lavere smeltepunkt. Det betyder, at de flyder let i formene og udfylder hvert hul.

Hårdheden er bedre på grund af kobberelementerne, som gør dem ideelle til dele med høj belastning. Det er derfor, denne legering med 320 MPa skaber motorbeslag og elektroniske huse.

Den udfylder huller ordentligt og forårsager også færre defekter. Desuden køler denne legering hurtigere, hvilket resulterer i en reduceret produktionstid på omkring 15%.

A356

A356-legeringen har et indhold af silicium og magnesium (henholdsvis 7% og 0,3%). Derfor giver den bedre flydeevne og styrke.

Der er ca. 280 MPa trækstyrke i denne legering og 12% duktilitet. Derfor kan de strække sig lige så meget som 12%, før de går i stykker.

Du kan bruge a356-legeringen til at fremstille hjul til fly og biler, ophængningsdele, landingsstel til fly og vingerammer.

Det har også den unikke egenskab, at det kan modstå temperaturer på 200 °C i 500 timer. Selv på dette tidspunkt sprækker det ikke let.

Efter varmebehandling har denne legering øget styrke (20%). Så de er ideelle til brug i luft- og rumfart.

6061

6061-legeringen består af 1% magnesium, 0,6% silicium og 0,3% kobber. Disse elementer, som magnesium, øger dens evne til at stoppe korrosion. Denne legering holder 20 år udendørs og ruster ikke.

Læs også: 6061 vs 6063 aluminiumslegeringer

6061-legeringens trækstyrke (310 Mpa) gør den anvendelig i broer, bjælker og chassisdele som ophængningsarme og skibsrammer. Dens lave massefylde hjælper yderligere med at gøre den 60% lettere end stål.

ADC12

ADC12-legeringen, der indeholder 10-20% silicium og 2-3% kobber, er ret populær. Silicium i dette metal gør det muligt at støbe glat, mens kobber øger hårdheden.

Varmebehandling medfører ændringer i hårdheden, så den overstiger 95 HB. (Brinell). Denne legering bruges til at fremstille dele som motorblokke til biler, smartphonehuse og gearkassehuse.

Den tager også komplekse profiler på 30 sekunder, hvilket sparer produktionen med op til 25%.

LM25

LM25-legeringen er fremstillet ved at tilsætte 0,3% magnesium og 7% silicium. Desuden har den en trækstyrke på 260 MPa ved 200 °C. Det giver god støbbarhed til fremstilling af pumpehuse, marinekonstruktioner og hydrauliske ventiler.

Dens sandstøbte vægge er så tynde som 1 mm; det er, hvad dens unikke funktion gør. Så LM25 passer godt til produktion af letvægtsdesign.

LM6

10-13% af siliciumindholdet og mindre end 0,1% af magnesium er til stede i LM6-legeringen. På grund af den højere mængde silicium korroderer denne legering ikke så let. Den kan overleve et tryk på 50 MPa i havvand.

Producenterne bruger det til at støbe bådpropeller og dokbeslag. De fungerer i årevis i saltvand uden at ruste. Det reducerer også vedligeholdelsesomkostningerne med op til 40%.

520.0

Den støbbare aluminiumslegering på 520.0 har 10% magnesium og 0,1% silicium. Denne sammensætning af elementer øger dens trækstyrke (380 MPa) og reducerer også dens vægt med op til 50%.

Du kan bruge dem til at lave beslag til rumfart, rakethuse og militært udstyr. En anden egenskab er, at de kan håndtere vibrationer på omkring 500 Hz uden at slå revner.

319

Denne legering har 6% silicium sammen med 3% kobber. Silicium forbedrer fluiditeten, men kobber opnår en bedre varmeledningsevne (150 W/m-K).

De støbes til fremstilling af topstykker og køleplader. Det giver maksimal præcision i dele som ±0,02 mm og passer tæt i motorer.

413

Legering 413 indeholder 12% silicium og 2% jern. Det er derfor, den giver en tryktæthed på omkring 50 MPa. Delene, som f.eks. hydrauliske pumper og ventiler, er deres anvendelsesområder.

Denne legering forsegler også lækager i mellemrum, som kan være så små som 0,5 mm, hvilket sparer væske.

535

Producenterne tilføjer 7% magnesium og 0,15% silicium i sammensætningen af 535 legeringer. Dens korrosionsbestandighed er nøjagtig i pH 8-10-miljøer som havvand.

De bruges til at fremstille skibsskrog og offshore-rigge samt til svejsning ved 300 °C. De revner ikke under denne temperatur og kan holde i 25 år under marine forhold.

Støbeprocesser til aluminiumslegeringer

Trykstøbning

Trykstøbningsprocessen omfatter smeltning af aluminiumslegeringen og indsprøjtning af den i formen under højt tryk. Den støber dele på ikke mere end 10-30 sekunder, og resultatet opfylder hurtige og præcise parametre.

Blandt de andre legeringer er A380 og ADC12 de mest anvendte til fremstilling af motorbeslag til biler og dørhåndtag til fly.

Sandstøbning

Sandstøbningsprocessen bruger sandforme. Deres kornstørrelse svinger mellem 0,10 og 0,5 mm. Processen er velegnet og passer godt til fremstilling af dele som motorblokke. Den er meget mere overkommelig (50%) end trykstøbning, men giver ikke glatte overflader.

Investeringsstøbning

Investeringsstøbning omfatter voksmønstre med keramiske belægninger. De producerer dele, der tilføjer detaljerede elementer, som f.eks. turbineblade.

Det giver også strammere tolerancer på ca. ±0,05 mm, men det tager meget lang tid (48 timer pr. form).

Udfordringer og løsninger inden for aluminiumsstøbning

Fejl i støbningen

Støbbare aluminiumslegeringer forårsager defekter som porøsitet og krympning, som svækker delene. Det er netop derfor, du skal bruge vakuumstøbning til at reducere porøsiteten med op til 70%.

For at forbedre overfladeruheden (op til 12,5 µm) er det vigtigt at vælge shot peening med 0,5 mm perler ved 80 psi.

Hvis man forvarmer formene, før man sprøjter den smeltede legering ind, undgår man klæbrighed og fylder de indre områder med bedre fluiditet.

Valg af legering

At vælge den forkerte legering kan ødelægge hele projektet. For eksempel er A380 bedst egnet til tyndvæggede køretøjsdele.

I mellemtiden skaber LM6 en modstandsbærer, der vender mod havvand. ADC12 udfylder mindre huller på højst 30 sekunder, men kan revne, hvis den overophedes til over 600 °C.

Udfordringer ved varmebehandling

Den varme zone i ovne opvarmer legeringer. Brugen af en temperatur på 500 °C og drift i 4 timer giver dem stærke egenskaber.

Slukningstanken i denne proces hjælper med at forhindre revner, da den køler delene ned med 10 °C/min. Køletemperaturen må dog ikke være for lav. Det skyldes, at man kan risikere skørhed. F.eks. giver den rigtige slukning 20% styrke til legering 6061.

Konklusion:

Støbbare aluminiumslegeringer er meget vigtige i mange brancher som bilindustrien, rumfart, industri og endda forbrugerprodukter. De er lette i vægt, og derfor reducerer de brændstofforbruget.

Deres evne til at stoppe korrosion betyder også, at de kan holde i mere end 25 år. Det er også grunden til, at de er mere krævende i barske miljøer.

Hvis der er udfordringer som krympning eller porøsitet, kan du løse dem ved hjælp af særlige teknikker. Så lav alsidige produkter ved hjælp af aluminiumslegeringer efter eget valg.