Stopy aluminium zawsze odgrywały ważną rolę w produkcji, głównie w branży motoryzacyjnej, lotniczej i narzędziowej. Spośród wszystkich stopów, AlSi10Mg jest często wybierany ze względu na wiele pozytywnych właściwości mechanicznych i termicznych. Ponieważ stop ten jest zarówno mocniejszy niż stal, jak i lekki, odgrywa dużą rolę w odlewnictwie i produkcji addytywnej, zwłaszcza w selektywnym topieniu laserowym (SLM). 

Tutaj badamy Odlew AlSi10Mg, zawierający informacje na temat tego, czym jest, dlaczego jest przydatny i główne fakty techniczne, w tym cechy materiału AlSi10Mg, jego gęstość i inne istotne dane.

Co należy rozumieć przez AlSi10Mg?

Stop AlSi10Mg ma wartość aluminium zawartość do 89%, około 10% krzemu i niewielka ilość magnezu, zwykle nie więcej niż 0,3%. Sposób, w jaki jest zbudowany, nadał mu tę nazwę. Występujące w grupach 4000 i 5000 aluminium 3003 słynie z tego, że jest bardzo wytrzymałe, odporne na korozję i łatwe do łączenia za pomocą spawania. W rezultacie produkcja addytywna jest odpowiednia dla części, które są mocne, lekkie, mają bardzo małe błędy i mogą pracować przez długi czas.

Stop AlSi10Mg ma wiele zastosowań w przemyśle lotniczym, nowoczesnych samochodach i urządzeniach przemysłowych. Wiele osób używa go do drukowania 3D metali, głównie ze względu na jego korzystny sposób topienia.

Przegląd odlewów AlSi10Mg

Proces topienia stopów

Na początku odlewania AlSi10Mg mieszanina jest topiona w temperaturach, które zwykle mieszczą się w zakresie od 660°C do 700°C. Ponieważ głównymi składnikami stopu są aluminium, krzem i magnez, musi on być podgrzewany równomiernie, aby stał się całkowicie stopiony. Podejmowane są kroki, aby zapobiec zarówno utlenianiu, jak i absorpcji gazów, ponieważ efekty te mogą osłabić i uszkodzić gotową część.

Kroki potrzebne do wykonania i wypełnienia formy

Po podgrzaniu ciekły stop jest przenoszony do formy w celu określenia kształtu gotowego elementu. Część można odlać za pomocą odlewu ciśnieniowego, odlewu piaskowego lub odlewu inwestycyjnego. W przypadkach, gdy potrzebne są precyzyjne, złożone części, preferowaną metodą produkcji addytywnej jest selektywne topienie laserowe (SLM). Ze względu na łatwość płynięcia, AlSi10Mg nadaje się do wykonywania detali form.

Chłodzenie cieczy i przekształcanie jej w ciało stałe

Gdy tylko forma zostanie napełniona, surowy ciekły metal zaczyna stygnąć. Utrzymanie odpowiedniego chłodzenia może zmniejszyć problemy w gotowym produkcie, takie jak skurcz, pęknięcia lub naprężenia wewnętrzne. Szybkość schładzania stopu może mieć wpływ na strukturę wewnątrz materiału i wpływać zarówno na jego wytrzymałość roboczą, jak i powierzchnię. Materiały, które stygną szybciej, mają zazwyczaj lepszą strukturę i lepszą ogólną wydajność.

Etapy przetwarzania końcowego

Część po zestaleniu i wyjęciu z formy jest w idealnym stanie. Często wykonuje się obróbkę cieplną, taką jak wyżarzanie w roztworze i starzenie, aby materiał był bardziej trwały. Precyzyjne struktury lub lepiej wyglądające wyniki można osiągnąć, umieszczając części w pakiecie do obróbki skrawaniem lub do wykończenia powierzchni.

Substytuty dla AlSi10Mg

Ponieważ AlSi10Mg oferuje doskonałe właściwości, jest często wybierany do spawania, ale gdy inne czynniki, takie jak mechaniczne, temperatura lub cena stają się ważniejsze, mogą być potrzebne inne materiały.

Poniżej wymieniono najpopularniejsze stopy używane do zastąpienia AlSi10Mg:

Aluminium A356 jest rodzajem stopu

Dlaczego rozważa się A356 zamiast AlSi10Mg?

A356 jest stopem porównywalnym do AlSi10Mg, różniącym się głównie lepszą ciągliwością i wydłużeniem. Nadlewki są najczęściej używane do odlewania piaskowego i grawitacyjnego.

Zalety:

• Klienci mogą wybrać tkaninę o wyższym wydłużeniu dla lepszej wytrzymałości.
• Doskonała odporność na korozję
• Możliwość łatwego spawania

Zastosowania:

• Części z żeliwa szarego obejmują części samochodowe, części do pomp i ogólne prace odlewnicze.

Stop zawierający krzem 12%

Dlaczego zamieniamy AlSi10Mg na AlSi12?

Bogaty w krzem, AlSi12 zapewnia zwiększoną odporność na zużycie i lepsze właściwości płynięcia podczas odlewania ciśnieniowego.

Zalety:

• Ich odlewalność jest lepsza niż mosiądzu.
• Odporność na zużycie jest bardzo skuteczna.
•  Niższe ceny akcesoriów

Zastosowania:

• Nadają się do skomplikowanych, delikatnych odlewów, obudów silników i części dekoracyjnych.

EN AW-7075 (stop aluminium EN 7075)

Dlaczego AlSi10Mg powinno być zastąpione przez 7075?

Wytrzymały stop 7075 jest stosowany w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym i charakteryzuje się znacznie lepszą wytrzymałością niż AlSi10Mg. Ponieważ jednak nie można go odlewać, jest on bardziej odpowiedni do wytwarzania produktów obrabianych maszynowo lub kutych.

Zalety:

• Imponująco duży zakres napięcia
• Doskonała odporność na zużycie w wyniku nadmiernego użytkowania

Ograniczenia:

• Spawanie jest trudne
• Często są one droższe
• Nie może być używany do odlewania

Zastosowania:

• Samoloty, części do sportów motorowych i ciężki sprzęt wykorzystują kompozyty.

Ti-6Al-4V jest stopem tytanu

Dlaczego aplikacje powinny wykorzystywać tytan zamiast AlSi10Mg?

W porównaniu do stopów aluminium, tytan jest znacznie lżejszy i bardziej odporny na korozję w przypadku części, które muszą wytrzymać ciśnienie.

Zalety:

• Doskonała wytrzymałość i bezpieczeństwo dla ciała
• Doskonała odporność na wysokie temperatury

Ograniczenia:

• W przypadku bardzo wysokich kosztów
• Jest trudny do wykonania i przetworzenia

Zastosowania:

• Prace inżynieryjne nad samolotami, produktami kosmicznymi, lekami i systemami

Popularne stopy magnezu to AZ91D i podobne

Dlaczego AlSi10Mg należy zastąpić magnezem?

Są one znacznie lżejsze niż AlSi10Mg i są wybierane, gdy konieczna jest największa redukcja masy.

Zalety:

• Jego bardzo niska gęstość wynosi zaledwie 1,74 grama na centymetr sześcienny.
• Można go dobrze odlewać

Ograniczenia:

• Zarówno wytrzymałość, jak i odporność na korozję są niższe
• Przetwarzanie sprawia, że są one bardziej podatne na zapalenie się

Cel: 

• Budowa kontenerów elektronicznych, konstrukcji nośnych w sprzęcie sportowym i wnętrz samolotów

Tabela porównawcza

Ostrożność z przedmiotami alternatywnymi

Należy wybrać zamiennik zgodnie z:

• Aby zwiększyć wytrzymałość części, należy użyć stali 7075 lub Ti-6Al-4V.
• A356 lub AlSi12 można zazwyczaj odlewać łatwiej niż inne typy.
• Stopy magnezu zostały wybrane ze względu na ich niską wagę.
• AlSi10Mg lub tytan są bardziej odporne na korozję niż inne.
• Oszczędności można uzyskać stosując AlSi12 lub A356.

Właściwości stopu AlSi10Mg

Inżynierowie, projektanci i producenci tego stopu muszą wiedzieć, co potrafi AlSi10Mg. Ze względu na swoją wytrzymałość, lekkość i właściwości termiczne, AlSi10Mg znajduje zastosowanie zarówno w odlewnictwie, jak i druku 3D. Poniżej wyjaśniono główne rodzaje właściwości wykorzystywanych przez ten materiał:

Właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne AlSi10Mg ulegają znacznej poprawie podczas obróbki cieplnej lub podczas przetwarzania w produkcji addytywnej. Poniższe wartości należy traktować jako szacunkowe, ponieważ warunki przetwarzania mogą je zmienić.

• Wytrzymałość na rozciąganie wynosi 320-450 MPa
• Granica plastyczności wynosi 230-260 MPa.
• Wydłużenie przy zerwaniu: 2-12% (wyższe dla próbek po obróbce cieplnej)
• Twardość każdego gatunku mieści się w zakresie od 100 do 120 HB (Brinell).
• Wytrzymałość zmęczeniowa śrub waha się od 100 MPa w zależności od metody ich produkcji i tego, ile razy są używane pod obciążeniem.

Przydatne właściwości mechaniczne AlSi10Mg pozwalają na stosowanie go jako części nośnej w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i narzędziowym.

Właściwości fizyczne

Mocne strony AlSi10Mg sprawiają, że nadaje się on do zastosowań, w których ciepło i waga odgrywają dużą rolę.

• Gęstość: ~2,68 gcm-3
• Efektywna przewodność cieplna szacowana jest na ~150-170 W/m-K.
• Zakres temperatury topnienia: 570 do 590°C
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej metali wynosi około ~20 x 10⁶/°C
• Umiarkowane przewodnictwo elektryczne (wartości są niższe niż w przypadku aluminium)

Zarówno jego niska gęstość, jak i odpowiednie właściwości termiczne sprawiają, że doskonale nadaje się do stosowania w elektronice i systemach lotniczych.

Skład chemiczny

Głównym składnikiem stopu AlSi10Mg jest:

• Najwyższą liczbą składników w farbach jest aluminium, które występuje w ilości około 89-91%.
• Krzem (Si): Zakres od 9,0% do 11,0%
• Magnez (Mg): Jego stężenie wynosi około 0,25-0,45%.
• Ilość żelaza nie może być większa niż 0,55%.
• ≤ 0,5% łącznie dla Mn, Zn, Cu, Ti i wielu innych pierwiastków

Obecność krzemu ułatwia odlewanie, a części zyskują dodatkową odporność na zużycie. Dodatek magnezu zwiększa zarówno wytrzymałość, jak i podatność na obróbkę cieplną odlewanych części.

Inne właściwości

• Odporność na korozję jest szczególnie dobra w suchym i wilgotnym środowisku.
• Spawanie aluminium jest bardzo łatwe, dzięki czemu jest przydatne zarówno do napraw, jak i łączenia części drukowanych lub odlewanych.
• Obróbka, zwłaszcza cieplna, sprawia, że maszyny do produkcji zasobów są znacznie łatwiejsze w obsłudze.
• Wysoka zdolność PET do recyklingu wspiera wysiłki na rzecz zrównoważonego rozwoju

Ze względu na swoje silne i elastyczne właściwości, stop ten jest często wybierany przez branże, które koncentrują się na wydajności, niezawodności i wzornictwie.

Właściwości termiczne AlSi10Mg

AlSi10Mg jest idealnym materiałem, gdy ważna jest odporność na ciepło, wydajność termiczna i minimalne zmiany kształtu podczas zmian temperatury. Ze względu na swoje doskonałe właściwości odgrywają kluczową rolę w chłodzeniu komponentów lotniczych, motoryzacyjnych i elektronicznych.

Tabela właściwości termicznych dla AlSi10Mg

Podsumowanie

• Ponieważ AlSi10Mg dobrze przenosi ciepło, jest wybierany do produkcji radiatorów, obudów i części silników.
• Ze względu na umiarkowane rozszerzanie się wraz z temperaturą, zachowuje stabilność w normalnych warunkach.
• Gdy temperatura przekroczy 200°C, wytrzymałość mechaniczna tworzyw sztucznych może stopniowo lub nagle spadać.

Gęstość i jej wpływ na AlSi10Mg

Gęstość AlSi10Mg odgrywa dużą rolę w jego wyborze w przypadkach, w których kluczową cechą jest niższa waga. Zazwyczaj gęstość AlSi10Mg wynosi 2,68 g/cm³. Lekkość jest jedną z największych zalet aluminium, choć nadal ma ono wytrzymałość potrzebną do większości zastosowań.

Gęstość AlSi10Mg jest bardzo korzystna przy próbach tworzenia lekkich elementów wyposażenia samolotów, ram pojazdów elektrycznych lub ramion robotów bez poświęcania ich wytrzymałości. Przemysł lotniczy jest przykładem, w którym mniejsza waga poprawia oszczędność paliwa i zwiększa ładowność.

Gęstość AlSi10Mg może zależeć od sposobu wykonania części, szybkości jej chłodzenia i porowatości końcowego obiektu. Dlatego tak ważne jest przeprowadzanie kontroli jakości, głównie w sektorach o surowych wymogach zgodności. 

Efekty w projektowaniu i produkcji

Korzystając ze stopu AlSi10Mg, projektanci mają możliwość odchudzenia kształtów części, aby zmniejszyć ich wagę przy jednoczesnym zachowaniu ich wytrzymałości. Ze względu na niską gęstość stopu, zarówno druk 3D, jak i odlewanie pomagają tworzyć lekkie konstrukcje, które są nadal wytrzymałe mechanicznie. Przetwarzanie materiału staje się prostsze i łatwiejsze dla producentów.

Co więcej, w przypadku obiektów takich jak radiatory lub obudowy, w których pomaga wydajne odprowadzanie ciepła, mniejsza gęstość AlSi10Mg oznacza, że system może być zbudowany z mniejszej liczby części, oszczędza miejsce i jest wydajniej chłodzony.

Spojrzenie na inne materiały

W oparciu o dane, AlSi10Mg znajduje się w optymalnej strefie, ponieważ jest mocniejszy i twardszy niż magnez, ale nie jest cięższy od stali w wielu zastosowaniach.

Jakie są zalety stosowania stopu AlSi10Mg?

Istnieje wiele powodów, dla których stop AlSi10Mg stał się szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu. Ponieważ jest on bardzo wytrzymały na odlewanie, odporny na korozję i ma dobre właściwości termiczne, jest stosowany w różnych metodach wytwarzania części. Dlaczego inżynierowie często decydują się na ten stop?

• Ponieważ części te tracą na wadze, ale zachowują wytrzymałość, są najlepsze do stosowania w kluczowych miejscach, takich jak sport.
• Dobre przenoszenie ciepła - umożliwia zastosowanie w wymiennikach ciepła i obudowach urządzeń elektronicznych.
• Korozja jest dużym problemem, więc guma jest szczególnie przydatna tam, gdzie istnieje ryzyko kontaktu z wodą i chemikaliami.
• Wysoka zdolność przepływu - sprawia, że materiał nadaje się do precyzyjnych zastosowań.
• Łatwo jest spawać i obrabiać ten stop po zakończeniu produkcji.

Ponieważ stop AlSi10Mg pozostaje niezawodny w trudnych warunkach klimatycznych lub przy częstych naprężeniach, jest to dobry wybór dla kluczowych komponentów systemu.

Zalety AlSi10Mg

Wytrzymałość jest wysoka, a jednocześnie jest lekki

Mocny i niezbyt ciężki AlSi10Mg jest często używany w lotnictwie i samochodach, ponieważ oferuje świetny stosunek wytrzymałości do wagi.

Dobra wydajność odlewania i drukowania

AlSi10Mg jest łatwy do formowania i dobrze sprawdza się w produkcji addytywnej, szczególnie w selektywnym topieniu laserowym, co pozwala na wytwarzanie złożonych kształtów.

Odporność na korozję

Ze względu na zawartość krzemu i magnezu, A286 jest wysoce odporny na trudne warunki zewnętrzne i nie wymaga dodatkowej ochrony.

Doskonała przewodność cieplna

Będąc materiałem przenoszącym ciepło o przewodności cieplnej w zakresie od 150 do 170 W/m-K, AlSi10Mg może być z łatwością stosowany w produkcji obudów i radiatorów.

Możliwość obróbki cieplnej zapewnia dodatkowe korzyści

Poddanie stopu obróbce cieplnej, takiej jak starzenie T6, poprawia jego wytrzymałość i twardość.

Wysoka zdolność do recyklingu

AlSi10Mg można łatwo poddać recyklingowi, co pomaga utrzymać produkcję przyjazną dla środowiska.

Problemy związane z AlSi10Mg

Ciągliwość jest uważana za ograniczoną w przypadku aluminium

Kiedy stop AlSi10Mg jest odlewany lub drukowany, często nie ma wystarczającej ciągliwości (2-4%), więc nie może być używany w zastosowaniach wymagających dużego zginania lub silnego uderzenia.

Zmiękczanie materiału z powodu wysokiej temperatury

Jeśli ceramika jest poddawana obróbce cieplnej w temperaturze powyżej 200°C przez długi czas, traci część swojej wytrzymałości i nie może być stosowana w konstrukcjach narażonych na działanie wysokich temperatur.

Glina o porowatości

Jeśli odlewanie lub drukowanie 3D jest źle wykonane, często powoduje to porowatość gazu, która osłabia strukturę, chyba że jest odpowiednio obsługiwana.

Umiarkowana skrawalność

Hartowany wariant AlSi10Mg jest trudny w obróbce narzędzi skrawających. W rezultacie narzędzia zużywają się szybciej i mogą wymagać lepszych systemów chłodzenia, co zwiększa całkowity koszt obrabiarki.

Cena produkcji addytywnej

Mimo że druk 3D działa świetnie z proszkiem AlSi10Mg, proszek ten jest kosztowny, więc produkcja małych partii jest droższa.

Tabela podsumowująca

Zastosowania odlewów AlSi10Mg

Ze względu na swoje doskonałe właściwości, AlSi10Mg jest stosowany w wielu gałęziach przemysłu:

Lotnictwo i kosmonautyka

Dzięki niskiej masie i wysokiej sztywności, stop AlSi10Mg pomaga w produkcji wsporników, obudów i innych komponentów, które ważą mniej niż podobne części.

Motoryzacja

W blokach silnika, skrzyniach biegów i zawieszeniach, AlSi10Mg zwiększa wydajność paliwową bez zmniejszania bezpieczeństwa.

Nauka o robotyce

Materiały te doskonale sprawdzają się w konstruowaniu niestandardowych ramion robotów, przegubów i efektorów końcowych przystosowanych do lekkiego działania.

Elektronika użytkowa

Stanowi skuteczny materiał na radiatory i ramy konstrukcyjne, ponieważ ma dobre właściwości termiczne.

Urządzenia medyczne

Rosnące zastosowanie protez i narzędzi wykonanych ze stopu AlSi10Mg wynika z ich dokładności i bezpieczeństwa dla ciała.

Problemy i zagadnienia

Pomimo wielu zalet AlSi10Mg, jest kilka rzeczy, o których należy pamiętać:

• Krzem jest środkiem utwardzającym i bez odpowiedniego obchodzenia się z nim, jego nadmiar powoduje kruchość kamionki.
• Kontrolowanie stopnia porowatości części ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia, że nie ulegnie ona uszkodzeniu strukturalnemu.
• Zaawansowana produkcja tytanu sprawia, że jest on zazwyczaj droższy niż inne znane stopy aluminium.

Ograniczenie tych problemów wymaga odpowiedniej obróbki cieplnej i optymalnego doboru ustawień odlewania. Możliwe jest również sprawdzenie efektów skurczu i porowatości przed rzeczywistym odlewaniem za pomocą oprogramowania do symulacji.

Perspektywy na przyszłość

Ponieważ coraz więcej firm potrzebuje wytrzymałych, a jednocześnie lekkich elementów, przewiduje się, że wykorzystanie AlSi10Mg wzrośnie, a szczególnie pomoże w tym produkcja addytywna. Ostatnie postępy w metalurgii proszków, obróbce końcowej i obróbce cieplnej zwiększają niezawodność i użyteczność tego materiału.

Trwają eksperymenty z nanostopami AlSi10Mg, które zawierają dodatki ceramiczne lub grafenowe, aby je wzmocnić i uczynić bardziej trwałymi przez wiele cykli. Innowacje mogą dotyczyć takich obszarów jak obronność, wystrzeliwanie obiektów w kosmos i opracowywanie innowacyjnego sprzętu medycznego.

Wnioski

Gatunek AlSi10Mg łączy w sobie doskonałą wydajność mechaniczną, lekką strukturę i wyjątkowe właściwości termiczne. Ponieważ jest niezawodny w wielu dziedzinach, od lotnictwa po elektronikę, i waży niewiele, nadal jest idealnym materiałem dla inżynierów i projektantów. Dzięki Dzięki charakterystycznym cechom AlSi10Mg, wyjątkowej gęstości AlSi10Mg i wysokiej wydajności jako stop AlSi10Mg, kompozycja ta jest mocno obecna w nowoczesnych gałęziach przemysłu. Zarówno w projektowaniu krytycznych części lotniczych, jak i artystycznych modeli drukowanych w 3D, AlSi10Mg jest liderem w przesuwaniu nowych granic materiałoznawstwa. W miarę pojawiania się nowych rozwiązań możemy oczekiwać, że analiza danych będzie odgrywać jeszcze większą rolę i będzie wykorzystywana w wielu innych miejscach.

Najczęściej zadawane pytania 

Jaki jest cel stosowania AlSi10Mg?

Lekkość, trwałość i dobre właściwości termiczne sprawiają, że AlSi10Mg nadaje się do zastosowań w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, robotyce i elektronice. Wiele tworzyw sztucznych wykorzystuje się w odlewnictwie i druku 3D, gdzie zarówno stabilność, jak i precyzja mają duże znaczenie.

Które właściwości są najważniejsze w badaniu materiałów AlSi10Mg?

Te wykonane z AlSi10Mg wykazują wysoką wytrzymałość na rozciąganie (do 450 MPa), są dobrymi przewodnikami ciepła, nie korodują łatwo i mają umiarkowany poziom twardości. Dlatego też materiał ten nadaje się do obszarów narażonych na działanie dużych sił.

Jaka jest gęstość AlSi10Mg?

Gęstość 2,68 g/cm³ sprawia, że AlSi10Mg jest lżejszy od stali i ma wytrzymałość wymaganą w projektach, w których ważna jest waga.

Czy możliwa jest obróbka cieplna AlSi10Mg?

Stop AlSi10Mg można poddać obróbce cieplnej, która czyni go mocniejszym i twardszym. Najczęstsze zabiegi to wyżarzanie w roztworze i starzenie.

Czy AlSi10Mg to dobry wybór do produkcji addytywnej?

Absolutnie. AlSi10Mg jest szeroko stosowany w druku 3D z metalu, a w szczególności w selektywnym topieniu laserowym (SLM), ponieważ charakteryzuje się płynnym przepływem, wysoką wydajnością i drobną strukturą.