Τα χυτά κράματα αλουμινίου προσφέρουν ποικίλες μηχανικές ιδιότητες. Οι συνήθεις τύποι περιλαμβάνουν τα A356, A357 και A380. Οι θερμικές επεξεργασίες όπως η T6 ενισχύουν την αντοχή. Χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία, την αεροδιαστημική και τη γενική μηχανική. Βασικές ιδιότητες είναι η αντοχή σε εφελκυσμό, η επιμήκυνση και η σκληρότητα. Η επιλογή κράματος εξαρτάται από τις ανάγκες της εφαρμογής.

Σε αυτό το άρθρο, θα αποκτήσετε τις βασικές γνώσεις για τους διάφορους τύπους χυτών κραμάτων αλουμινίου.

Επισκόπηση των χυτευμένων κραμάτων αλουμινίου

Ορισμός και σημασία

Υπάρχουν πολλά κράματα για χύτευση. Ορισμένα από αυτά είναι κράματα αλουμινίου. Το αλουμίνιο περιέχει ένα μείγμα άλλων στοιχείων (όπως μαγνήσιο ή πυρίτιο). Αυτό παράγει τα διάφορα κράματά του.

Το αλουμίνιο τήκεται σε θερμοκρασίες γύρω στους 660 °C. Αυτή η λιωμένη μορφή τροφοδοτείται στη συνέχεια στο καλούπι για να πάρει το σχήμα του προφίλ.

Λόγω του χαμηλότερου βάρους τους με πυκνότητα 2,7 g/cm³, τα κράματα αυτά είναι 3x ελαφρύτερα από τον χάλυβα. Αυτός είναι ο λόγος για την καταλληλότητά τους σε πολλές από τις εφαρμογές. Για παράδειγμα, σε αυτοκίνητα, αεροπλάνα και μηχανές.

Επίσης, αντιστέκονται καλά στη διάβρωση και μπορούν να κατασκευαστούν σε οποιοδήποτε σχήμα, ενώ είναι ισχυρά.

Σύνθεση και ιδιότητες των χυτών κραμάτων αλουμινίου

Σύνθεση κράματος

Ο σχηματισμός χυτών κραμάτων αλουμινίου περιλαμβάνει τη σύνθεση πολλών στοιχείων. Για παράδειγμα, το αλουμίνιο μπορεί να περιέχει πυρίτιο (5-12%), μαγνήσιο (0,2-10%), χαλκό (1-4%) ή ψευδάργυρο (1-3%).

Το πυρίτιο λιώνει στους 577°C, γεγονός που το κάνει να γεμίζει καλύτερα τα καλούπια. Εν τω μεταξύ, το μαγνήσιο βοηθά στην απόκτηση μεγαλύτερης αντοχής, καθώς σχηματίζει λεπτά ιζήματα. Ο χαλκός αναπτύσσει σκληρότητα.

Για παράδειγμα, το κράμα A380 περιέχει 8-10% πυρίτιο και 3-4% χαλκό. Γι' αυτό και προσφέρουν υψηλή ρευστότητα, απλώνοντας σε διάκενα καλουπιών τόσο στενά όσο 0,1 mm.

Ο ρόλος των ιχνοστοιχείων

Μικρές ποσότητες στοιχείων όπως ο σίδηρος (<1%) εμποδίζουν την προσκόλληση στα καλούπια και το μαγγάνιο (0,5%) βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση.

Η χύτευση κραμάτων αλουμινίου αποφεύγει την προσκόλληση του καλουπιού απλά και μόνο λόγω της συνεισφοράς μικρών ποσοτήτων ιχνοστοιχείων όπως ο σίδηρος (<1%).

Ομοίως, αντιστέκονται καλά στη διάβρωση και έχουν μικρότερα μεγέθη κόκκων λόγω του μαγγανίου (0,5%) και του τιτανίου (0,2%), αντίστοιχα. Αυτό έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη μείωση των ρωγμών.

Μικροσκοπική δομή και σύνθεση

Η αναφερόμενη εικόνα απεικονίζει την επίδραση της σύνθεσης στη δομή των κόκκων. Για παράδειγμα, ο χονδρόκοκκος κόκκος (πλάτους 50-100 μm) εμφανίζεται στην αρχική φάση της χύτευσης.

Τα στοιχεία πυριτίου (10-20 μm) αποκτούν υψηλή αντοχή, εμποδίζοντας τις εξαρθρώσεις. Εν τω μεταξύ, η πυρηνοποίηση σχηματίζεται σε ένα σημείο των ορίων των κόκκων (GBs). Οι πυρήνες αυξάνονται στην κατάσταση της μήτρας καθ' όλη τη διάρκεια της ψύξης.

Μηχανικές και φυσικές ιδιότητες

Αντοχή και ολκιμότητα:

Τα χυτά κράματα έχουν αντοχή σε εφελκυσμό που κυμαίνεται μεταξύ 200 και 380 MPa. Για παράδειγμα, το α356 παίρνει 280 MPa και είναι ελαστικό (10%) ακριβώς πριν σπάσει.

Παρομοίως, η θερμική επεξεργασία (π.χ. ιδιοσυγκρασία T6) προκαλεί αυξημένη αντοχή 20% και ολκιμότητα 8% στο A356. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της θέρμανσης των κραμάτων στους 500°C, της απόσβεσής τους με νερό και της γήρανσής τους στους 150°C για 5 ώρες.

Αντοχή στη διάβρωση

Όταν ένα κράμα περιέχει μαγνήσιο (π.χ. 520,0 με 10% Mg), αποκτά ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να ανταγωνιστούν τη διάβρωση που διαρκεί 15-20 χρόνια σε θαλάσσια περιβάλλοντα.

Στο LM6, η σύνθεση υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο αποτρέπει τη διάβρωση από το αλμυρό νερό. Ως αποτέλεσμα, συνεχίζουν να λειτουργούν σε πίεση 50 Mpa σε υποβρύχια προϊόντα.

Θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα

Κράματα όπως το 319 έχουν 6% Si και 3% Cu. Επομένως, αγωγιμότητα 150 W/m-K. Αυτό είναι που τα καθιστά κορυφαία επιλογή μεταξύ των εξαρτημάτων του κινητήρα.

Επίσης, ασκούν χαμηλή πυκνότητα, η οποία είναι περίπου 2,7 g/cm³. Βελτιώνει την αποδοτικότητα των καυσίμων (10%) λόγω του χαμηλότερου βάρους τους, ιδίως στα αυτοκίνητα.

Επίδραση της θερμικής επεξεργασίας

Οι κατασκευαστές πραγματοποιούν θερμική επεξεργασία για να μειώσουν τα κενά και να βελτιώσουν τους κόκκους. Για παράδειγμα, το στάδιο της γήρανσης αυξάνει τη σκληρότητα από 80 HB σε 95 HB σε κράματα όπως το ADC12.

Επιπλέον, η διαδικασία ανακρυστάλλωσης (που συμβαίνει στην εικόνα) προκαλεί συρρίκνωση των κόκκων έως και 10-20 μm. Έτσι, το κράμα αποκτά ως αποτέλεσμα αυξημένη αντοχή στην κόπωση (30%).

Κοινές ποιότητες κράματος αλουμινίου

A380

Στο χυτό κράμα αλουμινίου του A380 υπάρχουν 8-10% πυρίτιο, 3-4% χαλκός και λιγότερο από 1% σίδηρος. Το σωματίδιο πυριτίου έχει χαμηλότερο σημείο τήξης. Αυτό σημαίνει ότι ρέουν ομαλά στα καλούπια, γεμίζοντας κάθε κενό.

Η σκληρότητα είναι καλύτερη λόγω των χάλκινων στοιχείων, τα οποία τα καθιστούν ιδανικά για εξαρτήματα υψηλής καταπόνησης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτό το κράμα με 320 MPa δημιουργεί βραχίονες κινητήρων και ηλεκτρονικά περιβλήματα.

Γεμίζει σωστά τα κενά και προκαλεί επίσης λιγότερα ελαττώματα. Επιπλέον, αυτό το κράμα ψύχεται ταχύτερα, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο χρόνος παραγωγής περίπου 15%.

A356

Το κράμα A356 έχει περιεκτικότητα σε πυρίτιο και μαγνήσιο (7% και 0,3%, αντίστοιχα). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο προσφέρει καλύτερη ρευστότητα και αντοχή.

Υπάρχει περίπου 280 MPa αντοχή σε εφελκυσμό σε αυτό το κράμα και 12% ολκιμότητα. Ως εκ τούτου, μπορούν να τεντωθούν όσο το 12% πριν σπάσουν.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το κράμα a356 για την κατασκευή τροχών αεροσκαφών και αυτοκινήτων, εξαρτημάτων ανάρτησης, εργαλείων προσγείωσης αεροσκαφών και πλαισίων πτερύγων.

Έχει επίσης τη μοναδική ιδιότητα να αντέχει σε θερμοκρασίες 200°C για 500 ώρες. Ακόμη και σε αυτό το σημείο, δεν ραγίζει εύκολα.

Μετά τη θερμική επεξεργασία, αυτό το κράμα έχει αυξημένη αντοχή (20%). Έτσι, είναι ιδανικό για χρήση σε αεροδιαστημικές εφαρμογές.

6061

Το κράμα 6061 αποτελείται από 1% μαγνήσιο, 0,6% πυρίτιο και 0,3% χαλκό. Αυτά τα στοιχεία, όπως το μαγνήσιο, αυξάνουν την ικανότητά του να σταματά τη διάβρωση. Αυτό το κράμα διαρκεί 20 χρόνια σε εξωτερικούς χώρους και δεν σκουριάζει.

Διαβάστε επίσης: Κράματα αλουμινίου 6061 vs 6063

Η αντοχή σε εφελκυσμό (310 Mpa) του κράματος 6061 το καθιστά χρήσιμο σε γέφυρες, δοκούς και μέρη του πλαισίου, όπως βραχίονες ανάρτησης και θαλάσσια πλαίσια. Η χαμηλή πυκνότητά του βοηθά περαιτέρω στο να είναι 60% ελαφρύτερο από τον χάλυβα.

ADC12

Περιέχοντας 10-20% πυρίτιο και 2-3% χαλκό, το κράμα ADC12 είναι αρκετά δημοφιλές. Το πυρίτιο σε αυτό το μέταλλο επιτρέπει την ομαλή χύτευση, ενώ ο χαλκός αυξάνει τη σκληρότητά του.

Η θερμική επεξεργασία επιφέρει αλλαγές στη σκληρότητα, υπερβαίνοντάς την σε 95 HB (Brinell). Αυτό το κράμα χρησιμοποιείται για την κατασκευή εξαρτημάτων όπως μπλοκ κινητήρων αυτοκινήτων, περιβλήματα smartphones και κιβώτια ταχυτήτων.

Αναλαμβάνει επίσης πολύπλοκα προφίλ σχήματος μέσα σε 30 δευτερόλεπτα, εξοικονομώντας παραγωγή έως και 25%.

LM25

Το κράμα LM25 παρασκευάζεται με την προσθήκη 0,3% μαγνησίου και 7% πυριτίου. Επιπλέον, η αντοχή του σε εφελκυσμό φτάνει τα 260 MPa στους 200 °C. Παρέχει καλή χυτευσιμότητα για την κατασκευή περιβλημάτων αντλιών, θαλάσσιων κατασκευών και υδραυλικών βαλβίδων.

Τα τοιχώματά του που έχουν χυτευτεί με άμμο είναι τόσο λεπτά όσο το 1 mm- αυτό είναι το μοναδικό χαρακτηριστικό του. Έτσι, το LM25 ταιριάζει απόλυτα με την παραγωγή ελαφρών σχεδίων.

LM6

10-13% της περιεκτικότητας σε πυρίτιο και λιγότερο από 0,1% μαγνήσιο υπάρχουν στο κράμα LM6. Λόγω της υψηλότερης ποσότητας πυριτίου, το κράμα αυτό δεν διαβρώνεται εύκολα. Μπορεί να επιβιώσει σε πίεση 50 MPa στο θαλασσινό νερό.

Οι κατασκευαστές το χρησιμοποιούν για τη χύτευση προπελών σκαφών και εξαρτημάτων αποβάθρας. Συμπληρώνοντας χρόνια, λειτουργούν σε θαλασσινό νερό χωρίς να σκουριάζουν. Αυτό μειώνει επίσης το κόστος συντήρησης έως και 40%.

520.0

Το χυτεύσιμο κράμα αλουμινίου 520,0 έχει 10% μαγνήσιο και 0,1% πυρίτιο. Αυτή η πρόταση στοιχείων αυξάνει την αντοχή του σε εφελκυσμό (380 MPa) και μειώνει επίσης το βάρος του έως και 50%.

Μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή αεροδιαστημικών βραχιόνων, περιβλημάτων πυραύλων και στρατιωτικού εξοπλισμού. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι να χειρίζονται κραδασμούς γύρω στα 500 Hz, χωρίς να παρουσιάζουν ρωγμές.

319

Αυτό το κράμα έχει πυρίτιο 6% μαζί με χαλκό 3%. Το πυρίτιο βελτιώνει τη ρευστότητα, αλλά ο χαλκός επιτυγχάνει καλύτερη θερμική αγωγιμότητα (150 W/m-K).

Χυτεύονται για την κατασκευή κυλινδροκεφαλών και ψύκτρων. Παρέχουν μέγιστη ακρίβεια σε μέρη όπως ±0,02 mm και εφαρμόζουν σφιχτά στους κινητήρες.

413

Το κράμα 413 περιλαμβάνει 12% πυρίτιο και 2% σίδηρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο παρέχει στεγανότητα πίεσης γύρω στα 50 MPa. Τα εξαρτήματα, όπως οι υδραυλικές αντλίες και οι βαλβίδες, είναι οι εφαρμογές τους.

Επίσης, αυτό το κράμα σφραγίζει διαρροές σε κενά, τα οποία μπορεί να είναι τόσο μικρά όσο 0,5 mm, εξοικονομώντας υγρό.

535

Οι κατασκευαστές προσθέτουν 7% μαγνήσιο και 0,15% πυρίτιο στη σύνθεση του κράματος 535. Η αντοχή του στη διάβρωση συμμορφώνεται με ακρίβεια σε περιβάλλοντα pH 8-10, όπως το θαλασσινό νερό.

Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σκαφών και υπεράκτιων εξέδρες, καθώς και για συγκολλήσεις στους 300°C. Δεν ραγίζουν σε αυτή τη θερμοκρασία και μπορούν να αντέξουν 25 χρόνια σε θαλάσσιες συνθήκες.

Διαδικασίες χύτευσης για κράματα αλουμινίου

Χύτευση σε μήτρα

Η διαδικασία χύτευσης περιλαμβάνει την τήξη του κράματος αλουμινίου και την έγχυσή του στο καλούπι υπό υψηλή πίεση. Χύνει τα εξαρτήματα σε όχι περισσότερο από 10-30 δευτερόλεπτα και το αποτέλεσμα εξόδου πληροί γρήγορες και ακριβείς παραμέτρους.

Μεταξύ των άλλων κραμάτων, τα A380 και ADC12 είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα για την κατασκευή βραχιόνων κινητήρα αυτοκινήτου και χειρολαβών πόρτας αεροπλάνου.

Χύτευση με άμμο

Η διαδικασία χύτευσης με άμμο χρησιμοποιεί καλούπια από άμμο. Το μέγεθος των κόκκων τους κυμαίνεται μεταξύ 0,10 και 0,5 mm. Η διαδικασία είναι κατάλληλη και ταιριάζει με την κατασκευή εξαρτημάτων όπως μπλοκ κινητήρων. Είναι πολύ πιο προσιτή (50%) από τη χύτευση με μήτρα, αλλά δεν δίνει λείες επιφάνειες.

Χύτευση επενδύσεων

Χύτευση επενδύσεων περιλαμβάνει μοτίβα κεριού με κεραμικές επιστρώσεις. Παράγουν εξαρτήματα που προσθέτουν λεπτομερή στοιχεία, όπως πτερύγια τουρμπίνας.

Επίσης, επιτυγχάνονται αυστηρότερες ανοχές περίπου ±0,05 mm, αλλά απαιτείται πολύς χρόνος (48 ώρες ανά καλούπι).

Προκλήσεις και λύσεις στη χύτευση αλουμινίου

Ελαττώματα χύτευσης

Τα χυτά κράματα αλουμινίου προκαλούν ελαττώματα όπως πορώδες και συρρίκνωση, τα οποία αποδυναμώνουν τα εξαρτήματα. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος για τον οποίο πρέπει να χρησιμοποιήσετε χύτευση υπό κενό για να μειώσετε το πορώδες έως και 70%.

Για να βελτιωθεί η τραχύτητα της επιφάνειας (έως 12,5 μm), είναι σημαντικό να επιλέγεται η σφαιρική σκλήρυνση με σφαιρίδια 0,5 mm σε πίεση 80 psi.

Επίσης, η προθέρμανση των καλουπιών πριν από την έγχυση του λιωμένου κράματος αποφεύγει την προσκόλληση και γεμίζει τις εσωτερικές περιοχές με καλύτερη ρευστότητα.

Επιλογή κράματος

Η επιλογή του λάθος κράματος μπορεί να καταστρέψει ολόκληρο το έργο. Για παράδειγμα, το A380 είναι το καταλληλότερο για εξαρτήματα οχημάτων με λεπτά τοιχώματα.

Εν τω μεταξύ, το LM6 δημιουργεί έναν φορέα αντίστασης που αντιμετωπίζει το θαλασσινό νερό. Το ADC12 γεμίζει μικρότερα κενά σε όχι περισσότερο από 30 δευτερόλεπτα, αλλά μπορεί να ραγίσει αν υπερθερμανθεί πάνω από 600°C.

Προκλήσεις θερμικής επεξεργασίας

Η θερμή ζώνη στους κλιβάνους θερμαίνει τα κράματα. Η χρήση θερμοκρασίας 500 °C και η λειτουργία για 4 ώρες παρέχει ισχυρά χαρακτηριστικά σε αυτούς.

Η δεξαμενή απόσβεσης σε αυτή τη διαδικασία συμβάλλει στην πρόληψη των ρωγμών, καθώς ψύχει τα εξαρτήματα με ταχύτητα 10°C/min. Η θερμοκρασία ψύξης, ωστόσο, δεν πρέπει να είναι χαμηλή. Αυτό συμβαίνει επειδή μπορεί να κινδυνεύσει η ευθραυστότητα. Για παράδειγμα, η σωστή απόσβεση προσδίδει αντοχή στο κράμα 20% στο κράμα 6061.

Συμπέρασμα:

Τα χυτά κράματα αλουμινίου είναι πολύ σημαντικά σε πολλές βιομηχανίες, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αεροδιαστημική, η βιομηχανία ή ακόμη και τα καταναλωτικά προϊόντα. Είναι ελαφριά σε βάρος, γι' αυτό και μειώνουν τη χρήση καυσίμων.

Επίσης, η ικανότητά τους να σταματούν τη διάβρωση σημαίνει ότι μπορούν να διαρκέσουν περισσότερο από 25 χρόνια. Αυτός είναι και ο λόγος που είναι πιο απαιτητικά σε σκληρά περιβάλλοντα.

Εάν υπάρχουν προκλήσεις όπως συρρίκνωση ή πορώδες, μπορείτε να τις διορθώσετε χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες τεχνικές. Έτσι, φτιάξτε ευέλικτα προϊόντα χρησιμοποιώντας κράματα αλουμινίου της επιλογής σας.