Aluminium odlewane i aluminium wytłaczane to rodzaje aluminium wytwarzane na różne sposoby. W przypadku aluminium odlewanego, roztopiony metal wlewa się do formy w celu uzyskania odpowiedniego kształtu. Wytłaczane aluminium jest wytwarzane poprzez przepychanie aluminium przez otwór w celu stworzenia kształtów takich jak rury. Wytłaczane aluminium jest zwykle mocniejsze i ma gładszą powierzchnię. Odlewane aluminium może tworzyć bardziej skomplikowane kształty, ale wytłaczane jest często tańsze w przypadku prostych kształtów

Aby wybrać odpowiedni materiał do konkretnych zastosowań, ważne jest zrozumienie różnic między odlewanym i wytłaczanym aluminium. Przeczytaj ten artykuł, aby poznać ich specyficzne metody, zastosowania, zalety i wady, ograniczenia itp.

Czym jest odlew aluminiowy?

Odlewnicy wytwarzają odlewane części aluminiowe przy użyciu stopionych stopów aluminium. Następnie wstrzykują tę płynną formę do formy o profilu produktu. Części te są lekkie i trwałe, ponieważ odlewanie ciśnieniowe sprawia, że tak właśnie jest. Odlewane aluminium może być stosowane w samochodach, samolotach, maszynach i przedmiotach codziennego użytku.

Popularne stopy aluminium

A380 Alloy

W stopie A380 znajduje się już około 8,5% krzemu i 3,5% miedzi. Zapewniają one dobrą przewodność elektryczną i niższą gęstość wynoszącą 2,71 g/cm³. Jego płynność jest doskonała. Zapewniają dobrą odlewalność do produkcji cienkościennych części i wsporników silnika w wysokociśnieniowych odlewach ciśnieniowych.

Stop A356-T6

Stop ten zawiera około 7% krzemu i 0,3% magnezu. Części mają lepszą wytrzymałość, osiągając wytrzymałość na rozciąganie 310 MPa, gdy zostaną poddane odpowiedniej obróbce cieplnej. Stopy te charakteryzują się dobrą przewodnością. Producenci zwykle używają go głównie do produkcji kół samochodowych i części lotniczych poprzez odlewanie w piasku.

319 Alloy

Ogólnie rzecz biorąc, około 6% tego metalu to krzem i 3,5% miedź. Stop ten jest znacznie cięższy niż inne. Zapewnia doskonałą przewodność i ma gęstość w zakresie 2,76 g/cm³. To sprawia, że jest przydatny w blokach silnika, gdzie ważna jest odporność na ciepło.

Procesy odlewania

Odlewanie ciśnieniowe pod wysokim ciśnieniem

Proces, w którym producenci wlewają stopione aluminium do stalowej formy pod ciśnieniem 10-175 MPa, to odlewanie wysokociśnieniowe. Technika ta działa szybciej i pozwala produkować części w ciągu 30 sekund. Najlepiej nadaje się do bardzo szczegółowych części, takich jak obudowy skrzyń biegów.

Niskociśnieniowe odlewanie ciśnieniowe

Proces ten wpycha metal do formy pod ciśnieniem 20-100 kPa, co oznacza niższe ciśnienie. Powolne przetwarzanie w ten sposób powoduje mniej pęcherzyków powietrza redukujących defekty. Przykładem mogą być felgi aluminiowe o zwiększonej wytrzymałości.

Odlewanie w piasku

Producent wlewa stopiony metal do form piaskowych. Proces ten zajmuje w rzeczywistości wiele godzin. Jednak szczegółowe części, takie jak obudowy pomp, mogą przejść przez ten proces.

Inne metody:

Najczęściej stosowanym procesem jest nie tylko odlewanie ciśnieniowe lub piaskowe. Obejmuje on również odlewanie inwestycyjne i odlewanie w formach stałych. W przypadku odlewania inwestycyjnego producenci używają wzorów woskowych. Natomiast w przypadku odlewania w formach stałych używają oni stalowych form wielokrotnego użytku. Techniki te umożliwiają wytwarzanie średniej wielkości części, takich jak naczynia kuchenne.

Mikrostruktura i krzepnięcie

Za każdym razem, gdy aluminium stygnie, pojawiają się małe kryształy (zarodkowanie) i wzrost ziaren. Oznacza to, że temperatura chłodzenia może mieć na nie wpływ. Dzieje się tak dlatego, że szybkie chłodzenie podczas odlewania ciśnieniowego tworzy bardzo małe, mocne ziarna. Z kolei powolne chłodzenie powoduje powstawanie dużych i mniej wytrzymałych ziaren. Dodatkowo, odporność na zużycie w stopach takich jak A380 dzięki cząsteczkom krzemu i obróbce cieplnej w 356-T6 faktycznie zmniejsza obszary kruche.

Czym jest wytłaczane aluminium?

Producenci używają kształtowych matryc do przykładania siły do rozgrzanych stopów aluminium. Następnie metal ten przyjmuje kształty profili, które zazwyczaj są długie, na przykład pręty, rury lub belki. Wyciskane części aluminiowe są szeroko stosowane w budownictwie, motoryzacji i towarach konsumpcyjnych. Ich zaletą jest to, że są lekkie, wytrzymałe i niedrogie.

Popularne stopy

Stopy 6061:

Stop 6061 zawiera 1,0% magnezu i 0,6% krzemu. Cząsteczki te nadają mu wysoką wytrzymałość (310 MPa na rozciąganie) i doskonałą spawalność. Dobrze sprawdzają się w przypadku części konstrukcyjnych i narażonych na duże obciążenia, takich jak ramy ciężarówek i komponenty rowerowe.

6063 Stopy:

W stopach 6063 znajduje się 0,7% magnezu i 0,4% krzemu. Zapobiega to korozji i zapewnia doskonałe wykończenie powierzchni. Dlatego też najlepiej nadaje się do profili dekoracyjnych i architektonicznych, takich jak ramy okienne i szyny drzwiowe.

Obróbka cieplna

Właściwości wytłaczanego aluminium poprawiają się, gdy producenci poddają je obróbce cieplnej, takiej jak odpuszczanie T5 lub T6.

W procesie odpuszczania T5 wytłaczana część jest chłodzona powietrzem. Zwiększa to wytrzymałość części z możliwością 20-30%.

Odpuszczanie T6 obejmuje obróbkę w roztworze w temperaturze 530°C. Następnie następuje sztuczne starzenie. W rezultacie części stają się znacznie twardsze i mocniejsze. Na przykład, można użyć stali 6061-T6 do zastosowań konstrukcyjnych, równoważąc jej optymalną plastyczność i wytrzymałość.

Proces wytłaczania W bezpośrednim wytłaczaniu:

Producenci wykorzystują siłownik hydrauliczny do przepychania kęsów przez stacjonarną matrycę, co określa się mianem bezpośredniego wytłaczania. Ten rodzaj procesu jest wydajny, ale wymaga więcej energii ze względu na tarcie.

W wytłaczaniu pośrednim:

Podczas wytłaczania pośredniego, kęs pozostaje nieruchomy, podczas gdy matryca porusza się w jego kierunku. Jest to powód, dla którego nazywa się ją również techniką wsteczną lub odwrotną. Zmniejsza to tarcie i zużycie energii nawet o 10-30%. Technika ta doskonale nadaje się do produkcji precyzyjnych części, takich jak rury.

Rodzaje prasy

Wśród dostępnych opcji, prasy hydrauliczne zapewniają dużą siłę (do 100 MN) dla dużych profili. Tymczasem prasy mechaniczne pracują szybko (do 60 uderzeń/minutę). Jest to dobre rozwiązanie dla małych części.

Rodzaje wytłaczania

Wytłaczanie na gorąco:

Wytłaczanie na gorąco odbywa się w temperaturze 350-500°C. Wykorzystuje ciepło i ciśnienie. Proces ten w rzeczywistości pomaga w tworzeniu pełnych lub pustych części o stałych przekrojach. Na przykład, belki dwuteowe lub podwozia samochodowe.

Wytłaczanie na zimno:

Wyciskanie na zimno osiąga temperaturę do 120°C i występuje również w temperaturze pokojowej (20-25°C). W tym procesie producent nie podgrzewa aluminium i nie zmusza go do matrycowania. Wytwarza części o bardzo wąskich tolerancjach do ±0,02 mm-±0,05 mm i zmniejsza utlenianie. Jest to zatem idealne rozwiązanie do produkcji elementów złącznych, złączy elektrycznych i innych części.

Kluczowe różnice między odlewanym i wytłaczanym aluminium

1. Właściwości mechaniczne

Procesy produkcyjne mają wpływ na zmiany właściwości mechanicznych odlewanego i wytłaczanego aluminium.

Siła:

Ogólnie rzecz biorąc, wytłaczane elementy oferują wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż te odlew aluminiowy. Przykładowo, wytrzymałość na rozciąganie odlewanego aluminium A356-T6 wynosi około 230-250 MPa. Tymczasem wytłaczane 6061-T6 ma wytrzymałość na rozciąganie do 310 MPa.

Plastyczność

Uszlachetnione ziarno uzyskane dzięki wyciskaniu aluminium sprawia, że jest ono bardziej plastyczne. Tymczasem grube ziarna i fazy międzymetaliczne są przyczyną kruchości odlewanego aluminium.

Twardość

Twardość jest całkowicie zależna od wybranego stopu i obróbki cieplnej. Części wytłaczane mają jednak bardziej stałą twardość. Na przykład, odlew aluminiowy A380 ma twardość około ~80 HB, ale części wytłaczane 6061-T6 mają twardość 95 HB.

Odporność na zmęczenie

Drobniejsza struktura ziaren w wytłaczanym aluminium pozwala im dobrze radzić sobie z cyklicznymi obciążeniami. Z kolei odlewane aluminium charakteryzuje się niższą odpornością zmęczeniową. Wynika to z jego porowatej struktury. Można ją jednak poprawić stosując odpowiednią obróbkę cieplną i lepsze stopy.

2. Porównanie mikrostruktury

Mikrostruktura odlewanego aluminium charakteryzuje się grubymi ziarnami (w zakresie 50-200 µm) i skupiskami faz międzymetalicznych. Jest to powód, który doprowadził do kruchości i zmniejszenia wydajności mechanicznej.

Z drugiej strony, proces wyciskania udoskonala strukturę ziaren tak małych jak 10-50 µm. Dzieje się tak, ponieważ rozbija międzymetale i wyrównuje ziarna.

Na przykład obraz kontrastuje obie części mikrostruktur. W strukturze odlewu widoczne są grube ziarna.

Wytłaczana część (a-f) pokazuje, w jaki sposób udoskonala strukturę ziarna, prowadząc do lepszej wydajności.

3. Tolerancje

Gdy dochodzi do rozszerzenia formy i skurczu krzepnięcia, tolerancje odlewanego aluminium stają się luźniejsze (±0,5 mm lub więcej).

Mniejsze tolerancje (±0,1 mm) w wytłaczanym aluminium są możliwe do osiągnięcia. Wynika to z zastosowania precyzyjnej matrycy do tłoczenia metalu. Oznacza to, że konstrukcja matrycy i dokładność prasy mogą powodować zmiany tolerancji.

4. Uwagi projektowe

Odlewanie aluminium jest wykorzystywane głównie do tworzenia szczegółowych kształtów z wewnętrznymi wnękami. Na przykład bloki silnika lub obudowy pomp. Nie nadaje się jednak do cienkościennych lub długich profili.

Technika wytłaczania pozwala uzyskać najlepsze długie części i jednolite profile o spójnych przekrojach. Na przykład belki lub rury. Ponadto, części te mogą również spełniać określone wymagania projektowe.

5. Metody łączenia

Producenci mogą łączyć ze sobą zarówno odlewane, jak i wytłaczane aluminium. W tym celu stosują techniki takie jak spawanie, skręcanie lub klejenie.

Odlewane aluminium nie jest łatwe do spawania. Powodem jest obecność porowatości, faz międzymetalicznych, a także wysoka zawartość krzemu w niektórych stopach (np. A380). Może to powodować pękanie.

Wytłaczane części aluminiowe są znacznie łatwiejsze w spawaniu i obróbce. Mają jednolitą strukturę. Dzięki temu są bardziej uniwersalne w montażu.

Zalety i wady odlewów aluminiowych

Zalety

• Umożliwia tworzenie bardzo szczegółowych i złożonych kształtów z wewnętrznymi wnękami. Na przykład głowice cylindrów, skrzynie biegów lub obudowy pomp.
• Odlewane stopy aluminium, takie jak A356-T6, zapewniają dużą wytrzymałość na rozciąganie przy mniejszej niż przeciętna wadze.
• Części te są przystępne cenowo, jeśli są produkowane masowo.

Wady

• Uwięziony gaz lub skurcz podczas krzepnięcia spowoduje, że inne części stracą wytrzymałość i odporność na zmęczenie. Problem ten można jednak rozwiązać za pomocą odlewania próżniowego lub środków odgazowujących.
• Zarówno kurczenie się cieczy, jak i ciał stałych powoduje kruszenie się lub pękanie części. Aby temu zaradzić, należy zastosować odpowiednią konstrukcję formy i kontrolowane chłodzenie.
• Odlewane aluminium ma mniejszą tolerancję w porównaniu do wytłaczania.

Zalety i wady wytłaczanego aluminium

Zalety

• Wytłaczane aluminium zapewnia doskonałe wykończenie. Część po wykończeniu przez frezowanie do powłoki anodowanej lub malowanej proszkowo będzie bardziej wytrzymała. Charakteryzują się one zwiększoną odpornością na korozję i trwałością.
• Większe tolerancje można uzyskać przy użyciu precyzyjnych matryc.
• Części te są opłacalne przy dużych nakładach.
• Idealny do długich, niezmiennych profili, takich jak szyny drabinkowe lub rury o wielu zagłębieniach.

Wady

• Części te są ograniczone do prostych kształtów i nie sprawdzają się dobrze w przypadku złożonych projektów.
• Potrzebne są specjalne matryce do wykonywania profili drążonych lub wielokanałowych.
• Wyciskanie nie jest odpowiednie dla części o wielu przekrojach lub skomplikowanych cechach wewnętrznych.

Zastosowania i branże

Konkretne przykłady

Ogólnie rzecz biorąc, odlewy aluminiowe są wykorzystywane w zastosowaniach motoryzacyjnych. Części te obejmują bloki silnika, obudowy skrzyni biegów i piasty kół.

Podany obraz przedstawia projekt matrycy bloku silnika. Podkreśla on kluczowe komponenty. Na przykład system wlewowy (ścieżki stopionego metalu), przelewy (zbierają nadmiar materiału), przewody próżniowe (usuwają powietrze) i końcowy odlew bloku cylindrów.

W międzyczasie producenci wykorzystują wytłaczane aluminium do produkcji ram okiennych, szyn drzwiowych i belek konstrukcyjnych. W transporcie wykorzystuje się je do produkcji nadwozi wagonów kolejowych, ram ciężarówek i komponentów rowerowych.

Pojazdy elektryczne (EV)

Zastosowanie zarówno odlewanego, jak i wytłaczanego aluminium w pojazdach elektrycznych zwiększa ich popularność. Producenci wykorzystują odlewane aluminium do produkcji obudów akumulatorów i silników. Z kolei z wytłaczanego aluminium produkuje się lekkie podwozia i elementy konstrukcyjne.

Wytwarzanie przyrostowe

Integracja druku 3D z odlewami aluminiowymi umożliwia obsługę trudniejszych kształtów. Ułatwia to produkcję lekkich części dla przemysłu lotniczego i medycznego.

Dodatkowo, innowacyjne projekty stają się możliwe dzięki technikom addytywnym dla wytłaczanego aluminium. To sprawia, że części te nadają się do wykorzystania w hybrydowych procesach produkcyjnych.

Wnioski:

Odlewane i wytłaczane aluminium nie są do siebie podobne. Ich wytrzymałość, mikrostruktura, tolerancja i poziomy projektowe są różne. Jeśli wybierzesz je losowo, oznacza to, że wybór może zrujnować cały projekt. Należy więc mądrze wybrać odpowiedni materiał i proces produkcji w oparciu o potrzeby aplikacji.