Gietbare aluminiumlegeringen hebben verschillende mechanische eigenschappen. Gangbare types zijn A356, A357 en A380. Warmtebehandelingen zoals T6 verhogen de sterkte. Ze worden gebruikt in de auto-industrie, ruimtevaart en algemene machinebouw. De belangrijkste eigenschappen zijn treksterkte, rek en hardheid. De keuze van de legering hangt af van de toepassing.
In dit artikel krijg je de basiskennis over verschillende soorten gietbare aluminiumlegeringen.
Overzicht van gietbare aluminiumlegeringen
Definitie en belang
Er zijn veel legeringen om te gieten. Sommige daarvan zijn aluminiumlegeringen. Aluminium bevat een mengsel van andere elementen (zoals magnesium of silicium). Daardoor ontstaan de verschillende legeringen.
Aluminium smelt bij temperaturen rond 660 °C. Deze gesmolten vorm wordt vervolgens in de mal gebracht om een profielvorm aan te nemen.
Door hun lagere gewicht met een dichtheid van 2,7 g/cm³ zijn deze legeringen 3x lichter dan staal. Dit is de reden voor hun geschiktheid voor veel toepassingen. Bijvoorbeeld auto's, vliegtuigen en machines.
Ze zijn ook goed bestand tegen corrosie en kunnen in elke vorm worden gemaakt terwijl ze sterk blijven.
Samenstelling en eigenschappen van gietbare aluminiumlegeringen
| Legering | Samenstelling (wt%) | Dichtheid (g/cm³) | Treksterkte (MPa) | Opbrengststerkte (MPa) | Rek (%) | Corrosiebestendigheid |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A356 | Al-7Si-0,3Mg | 2.68 | 310-380 | 180-220 | 6-8 | Goed |
| A357 | Al-7Si-0,5Mg | 2.68 | 360-420 | 240-280 | 6-8 | Goed |
| 319 | Al-6Si-4Cu | 2.79 | 240-300 | 140-180 | 2-4 | Eerlijk |
| 413 | Al-12Si-1Cu | 2.67 | 230-280 | 130-170 | 2-4 | Eerlijk |
| A413 | Al-12Si-1Cu-0,5Mg | 2.67 | 260-310 | 160-200 | 2-4 | Eerlijk |
| 535 | Al-6Si-2Mg-0,5Cu | 2.65 | 290-350 | 180-230 | 6-8 | Goed |
| 713 | Al-7Si-1Cu-0,5Mg | 2.72 | 300-360 | 200-250 | 6-8 | Goed |
Samenstelling legering
De vorming van gietbare aluminiumlegeringen omvat de samenstelling van veel elementen. Aluminium kan bijvoorbeeld silicium (5-12%), magnesium (0,2-10%), koper (1-4%) of zink (1-3%) bevatten.
Silicium smelt bij 577°C, waardoor het beter mallen vult. Ondertussen helpt magnesium bij het verkrijgen van meer sterkte doordat het fijne precipitaten vormt. Koper ontwikkelt hardheid.
In legering A380 zit bijvoorbeeld 8-10% silicium en 3-4% koper. Daarom bieden ze een hoge vloeibaarheid en verspreiden ze zich over matrijsspleten van slechts 0,1 mm.
Rol van spoorelementen
Kleine hoeveelheden elementen zoals ijzer (<1%) voorkomen het vastplakken aan mallen en mangaan (0,5%) verbetert de corrosiebestendigheid.
Bij het gieten van aluminiumlegeringen blijft de mal niet plakken door de bijdrage van kleine hoeveelheden sporenelementen zoals ijzer (<1%).
Ook zijn ze goed bestand tegen corrosie en hebben ze kleinere korrelgroottes door respectievelijk mangaan (0,5%) en titanium (0,2%). Daardoor ontstaan er ook minder scheuren.
Microscopische structuur en samenstelling
De genoemde afbeelding toont het effect van de samenstelling op de korrelstructuur. De grove korrel (50-100 µm breed) komt bijvoorbeeld voor in de beginfase van het gieten.
Siliciumelementen (10-20 µm) krijgen een hoge sterkte en blokkeren dislocaties. Ondertussen vormt zich nucleatie op een punt van korrelgrenzen (GB's). Tijdens het afkoelen groeien de kernen naar de toestand van de matrix.
Mechanische en fysische eigenschappen
Sterkte en vervormbaarheid:
Gietbare legeringen hebben treksterkten die variëren tussen 200 en 380 MPa. A356 krijgt bijvoorbeeld 280 MPa en is rekbaar (10%) vlak voordat het breekt.
Warmtebehandeling (bijv. T6-toestand) leidt tot 20% verhoogde sterkte en 8% taaiheid in A356. Dit wordt bereikt door legeringen te verhitten tot 500°C, ze te laten afschrikken met water en ze 5 uur te laten verouderen bij 150°C.
Corrosiebestendigheid
Wanneer een legering magnesium bevat (bijvoorbeeld 520.0 met 10% Mg), krijgt het een beschermende oxidelaag. Dit betekent dat ze 15-20 jaar lang kunnen concurreren tegen corrosie in maritieme omgevingen.
In LM6 voorkomt de samenstelling met een hoog siliciumgehalte zoutwatercorrosie. Hierdoor blijven ze functioneren bij een druk van 50 Mpa in onderwaterproducten.
Thermisch en elektrisch geleidingsvermogen
Legeringen zoals 319 hebben 6% Si en 3% Cu. Ze geleiden dus warmte met 150 W/m-K. Dat maakt ze een topkeuze onder motoronderdelen.
Ze hebben ook een lage dichtheid van ongeveer 2,7 g/cm³. Het verbetert de brandstofefficiëntie (10%) vanwege het lagere gewicht, vooral in auto's.
Invloed van warmtebehandeling
Fabrikanten voeren een warmtebehandeling uit om holtes te verminderen en korrels te verfijnen. De verouderingsstap verhoogt bijvoorbeeld de hardheid van 80 HB naar 95 HB in legeringen zoals ADC12.
Bovendien veroorzaakt het herkristallisatieproces (dat optreedt in het beeld) korrelkrimp tot 10-20 µm. Hierdoor krijgt de legering een verhoogde vermoeiingsweerstand (30%).
Algemene kwaliteiten van aluminiumlegeringen
A380
Er is 8-10% silicium, 3-4% koper, en minder dan 1% ijzer aanwezig in A380 gietbare aluminiumlegering. De siliciumdeeltjes hebben een lager smeltpunt. Dit betekent dat ze soepel in mallen vloeien en elke opening opvullen.
De hardheid is beter door de koperelementen, waardoor ze ideaal zijn voor onderdelen met een hoge belasting. Daarom maakt deze legering met 320 MPa motorsteunen en elektronische behuizingen.
Het vult gaten goed op en veroorzaakt ook minder defecten. Bovendien koelt deze legering sneller af, wat resulteert in een kortere productietijd van ongeveer 15%.
A356
De legering A356 bevat silicium en magnesium (respectievelijk 7% en 0,3%). Daarom biedt het een betere vloeibaarheid en sterkte.
Deze legering heeft een treksterkte van ongeveer 280 MPa en een ductiliteit van 12%. Daarom kunnen ze tot 12% rekken voordat ze breken.
Je kunt de legering a356 gebruiken om vliegtuig- en autowielen, ophangingsonderdelen, landingsgestellen en vleugelframes te maken.
Het heeft ook de unieke eigenschap dat het bestand is tegen temperaturen van 200°C gedurende 500 uur. Zelfs op dit punt barst het niet gemakkelijk.
Na een warmtebehandeling heeft deze legering een verhoogde sterkte (20%). Ze zijn dus ideaal voor gebruik in ruimtevaarttoepassingen.
6061
Legering 6061 is samengesteld uit 1% magnesium, 0,6% silicium en 0,3% koper. Deze elementen, zoals magnesium, verhogen het vermogen om corrosie tegen te houden. Deze legering gaat buiten 20 jaar mee en roest niet.
Lees ook: 6061 vs 6063 aluminiumlegeringen
De treksterkte (310 Mpa) van legering 6061 maakt het bruikbaar in bruggen, balken en chassisonderdelen zoals draagarmen en marineframes. De lage dichtheid helpt ook om het 60% lichter te maken dan staal.
ADC12
Met 10-20% silicium en 2-3% koper is legering ADC12 erg populair. Silicium in dit metaal maakt soepel gieten mogelijk, terwijl koper de hardheid verhoogt.
Warmtebehandeling brengt veranderingen in hardheid met zich mee en overschrijdt deze tot 95 HB (Brinell). Deze legering wordt gebruikt om onderdelen te maken zoals motorblokken voor auto's, behuizingen voor smartphones en versnellingsbakken.
Het neemt ook complexe vormprofielen aan binnen 30 seconden, wat een productiebesparing oplevert tot 25%.
LM25
LM25 legering wordt gemaakt door 0,3% magnesium en 7% silicium toe te voegen. Bovendien is de treksterkte 260 MPa bij 200 °C. Het is goed gietbaar voor de productie van pomphuizen, scheepsconstructies en hydraulische kleppen.
De zandgegoten wanden zijn zo dun als 1 mm; dat is wat de unieke eigenschap doet. De LM25 past dus goed bij de productie van lichtgewicht ontwerpen.
LM6
De LM6-legering bevat 10-13% silicium en minder dan 0,1% magnesium. Door de grotere hoeveelheid silicium corrodeert deze legering niet gemakkelijk. Het kan een druk van 50 MPa in zeewater overleven.
Fabrikanten gebruiken het voor het gieten van bootschroeven en havenfittingen. Jarenlang functioneren ze in zout water zonder te roesten. Dat verlaagt ook de onderhoudskosten tot 40%.
520.0
De gietbare aluminiumlegering 520.0 heeft 10% magnesium en 0,1% silicium. Deze combinatie van elementen verhoogt de treksterkte (380 MPa) en vermindert ook het gewicht met maximaal 50%.
Je kunt ze gebruiken om beugels voor de ruimtevaart, raketbehuizingen en militaire uitrusting te maken. Een andere eigenschap is dat ze bestand zijn tegen trillingen rond 500 Hz en geen barsten vertonen.
319
Deze legering bevat 6% silicium en 3% koper. Silicium verbetert de vloeibaarheid, maar koper heeft een betere thermische geleidbaarheid (150 W/m-K).
Ze worden gegoten om cilinderkoppen en koellichamen te maken. Ze geven maximale precisie in onderdelen zoals ±0,02 mm en passen strak in motoren.
413
De legering 413 bevat 12% silicium en 2% ijzer. Daarom geeft het drukdichtheid rond 50 MPa. De onderdelen, zoals hydraulische pompen en kleppen, zijn hun toepassingen.
Bovendien dicht deze legering lekken af in kieren die zo klein kunnen zijn als 0,5 mm, waardoor vloeistof wordt bespaard.
535
Fabrikanten voegen 7% magnesium en 0,15% silicium toe aan de samenstelling van legering 535. De corrosieweerstand is nauwkeurig in omgevingen van pH 8-10, zoals zeewater.
Ze worden gebruikt voor de productie van scheepsrompen en offshore booreilanden, samen met lassen op 300°C. Ze scheuren niet bij deze temperatuur en kunnen 25 jaar meegaan in mariene omstandigheden.
Gietprocessen voor aluminiumlegeringen
Spuitgieten
Het gietproces omvat het smelten van de aluminiumlegering en het injecteren in de mal onder hoge druk. Het giet onderdelen in niet meer dan 10-30 seconden en het outputresultaat voldoet aan snelle en nauwkeurige parameters.
Van de andere legeringen worden A380 en ADC12 het meest gebruikt voor de productie van motorsteunen voor auto's en deurgrepen voor vliegtuigen.
Zandgieten
Het zandgietproces maakt gebruik van zandmallen. De korrelgrootte varieert tussen 0,10 en 0,5 mm. Het proces is geschikt en gaat goed samen met de productie van onderdelen zoals motorblokken. Het is veel betaalbaarder (50%) dan spuitgieten, maar geeft geen gladde oppervlakken.
Investeringsgieten
Investeringsgieten omvat waspatronen met keramische coatings. Ze produceren onderdelen die gedetailleerde elementen toevoegen, zoals turbinebladen.
Ook krijg je effectief nauwere toleranties van ongeveer ±0,05 mm, maar dat duurt erg lang (48 uur per matrijs).
Uitdagingen en oplossingen in aluminium gieten
Gietfouten
Gietaluminiumlegeringen veroorzaken defecten zoals porositeit en krimp, die de onderdelen verzwakken. Dat is precies waarom je vacuümgieten moet gebruiken om porositeit tot 70% te verminderen.
Om de oppervlakteruwheid te verbeteren (tot 12,5 µm), is het belangrijk om te kogelstralen met 0,5 mm parels bij 80 psi.
Door mallen voor te verwarmen voordat de gesmolten legering wordt ingespoten, wordt kleverigheid voorkomen en worden interne gebieden beter gevuld.
Selectie van legering
De verkeerde legering kiezen kan het hele project verpesten. De A380 is bijvoorbeeld het meest geschikt voor dunwandige voertuigonderdelen.
Ondertussen creëert LM6 een weerstandsdrager die tegen zeewater bestand is. ADC12 vult kleinere openingen in niet meer dan 30 seconden, maar kan barsten bij oververhitting boven 600°C.
Uitdagingen voor warmtebehandeling
De hete zone in ovens verhit legeringen. Het gebruik van een temperatuur van 500 °C en een werkingsduur van 4 uur zorgt voor sterke eigenschappen.
De quench tank in dit proces helpt bij het voorkomen van scheuren, omdat het de onderdelen afkoelt met 10°C/min. De koeltemperatuur mag echter niet te laag zijn. Dit kan namelijk broosheid veroorzaken. Goed afschrikken brengt bijvoorbeeld de sterkte van 20% naar legering 6061.
Conclusie:
Gietbare aluminiumlegeringen zijn erg belangrijk in veel industrieën, zoals de auto-industrie, luchtvaart, industrie en zelfs consumentenproducten. Ze zijn licht in gewicht en daarom verbruiken ze minder brandstof.
Hun vermogen om corrosie tegen te houden betekent ook dat ze meer dan 25 jaar meegaan. Dit is ook de reden waarom ze veeleisender zijn in ruwe omgevingen.
Als er problemen zijn zoals krimp of poreusheid, kun je die oplossen met speciale technieken. Maak dus veelzijdige producten met aluminiumlegeringen naar keuze.