ریخته گری آلیاژهای آلومینیوم: راهنمای کامل فرآیندها و خواص

آنچه باید در مورد ریخته گری آلیاژهای آلومینیوم بدانید

آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری گروهی از مواد مبتنی بر آلومینیوم هستند که به طور خاص فرموله شده اند تا به خوبی در شکل مایع جریان داشته باشند، با حداقل نقص جامد شوند و خواص مکانیکی قابل اعتمادی را در قطعه نهایی ارائه دهند. بر خلاف آلیاژهای فرفورژه که از طریق نورد یا آهنگری شکل می گیرند، آلیاژهای ریخته گری در قالب ریخته یا تزریق می شوند و پس از سرد شدن شکل نهایی خود را می گیرند. بازار جهانی ریخته گری آلومینیوم در سال 2023 از 50 میلیارد دلار گذشت و تقاضا همچنان به رشد خود ادامه می دهد - عمدتاً توسط بخش های خودرو، هوافضا و لوازم الکترونیکی مصرفی که به دنبال قطعات سبک وزن و بادوام هستند هدایت می شود.

مهمترین نتیجه گیری از قبل: همه آلیاژهای آلومینیوم برای ریخته گری مناسب نیستند. آلیاژهایی که به بهترین وجه کار می کنند دارای ویژگی های خاص هستند - به ویژه محتوای سیلیکون، که سیالیت را بهبود می بخشد و انقباض را کاهش می دهد. انتخاب آلیاژ نامناسب برای یک روش ریخته‌گری معین منجر به تخلخل، ترک‌خوردگی داغ و عدم دقت ابعادی می‌شود که تصحیح پس از آن دشوار و پرهزینه است.

این مقاله خانواده‌های اصلی آلیاژ، فرآیندهای ریخته‌گری، داده‌های عملکرد مکانیکی، علل نقص و تصمیمات عملی را که مهندسان و خریداران هنگام کار با ریخته‌گری آلومینیوم در مقیاس صنعتی با آن مواجه می‌شوند، پوشش می‌دهد.

چگونه آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری طبقه بندی می شوند

انجمن آلومینیوم از یک سیستم چهار رقمی برای طبقه بندی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری استفاده می کند. رقم اول عنصر آلیاژی اصلی را مشخص می کند، در حالی که ارقام باقیمانده آلیاژهای منفرد را در آن گروه متمایز می کنند. یک نقطه اعشار به دنبال یک رقم نشان دهنده شکل محصول است: 0.0 برای ریخته گری، 0.1 و .2 برای شمش.

• سری 1xx.x: آلومینیوم تقریبا خالص (99٪)، مقاومت در برابر خوردگی عالی، استحکام کم، عمدتا در کاربردهای الکتریکی و شیمیایی استفاده می شود.
• سری 2xx.x: آلیاژهای آلومینیوم - مس. استحکام بالا، اما کاهش قابلیت ریخته گری و مقاومت در برابر خوردگی. مثال معمولی: 201.0، 206.0.
• سری 3xx.x: آلومینیوم-سیلیکون-مس یا آلومینیوم-سیلیکون-منیزیم. این گروه از نظر تجاری مهم ترین است. مثال‌ها: A356.0، 319.0، 380.0. سیالیت عالی، خواص مکانیکی خوب.
• سری 4xx.x: آلومینیوم-سیلیکون بدون مس. مقاومت در برابر سایش و سیالیت خوب. مثال: 413.0.
• سری 5xx.x: آلومینیوم منیزیم. مقاومت در برابر خوردگی و ماشین کاری خوب، اما سیالیت کمتر، ریخته گری را چالش برانگیزتر می کند. مثال: 514.0.
• سری 7xx.x: آلومینیوم-روی. پس از عملیات حرارتی استحکام بسیار بالایی دارد، اما ریخته گری دشوار است. مثال: 771.0.
• سری 8xx.x: آلومینیوم-قلع. برای کاربردهای بلبرینگ که اصطکاک کم حیاتی است استفاده می شود. مثال: 850.0.

در عمل، سری 3xx.x تقریباً 80 تا 85 درصد از کل تولید ریخته گری آلومینیوم در سراسر جهان را تشکیل می دهد. . تسلط این گروه مستقیماً از توانایی منحصر به فرد سیلیکون برای بهبود سیالیت مذاب و در عین حال کاهش انقباض در طول انجماد ناشی می شود.

نقش عناصر آلیاژی در ریخته گری آلومینیوم عملکرد

هر عنصر آلیاژی اصلی ویژگی های متمایزی را در ریخته گری آلومینیوم نهایی دارد. درک این مشارکت ها هنگام انتخاب یک آلیاژ یا عیب یابی مشکلات تولید ضروری است.

سیلیکون (Si)

سیلیکون مهمترین عنصر آلیاژی برای ریخته گری آلومینیوم است. در غلظت‌های بین 5 تا 13 درصد، به طور چشمگیری سیالیت را بهبود می‌بخشد و به مذاب اجازه می‌دهد تا بخش‌های نازک و هندسه‌های پیچیده‌ای را که آلومینیوم خالص قبل از انجماد نمی‌تواند به آنها برسد را پر کند. سیلیکون همچنین انقباض کلی را از مایع به جامد کاهش می دهد که تخلخل و پارگی داغ را به حداقل می رساند. در ترکیب یوتکتیک (~12.6٪ Si)، انقباض در کمترین حد خود است. اصلاح مورفولوژی سیلیکون با سدیم یا استرانسیوم - تبدیل سیلیکون سوزنی درشت به شکل فیبری ریز - می تواند استحکام کششی را 10 تا 15 درصد افزایش دهد و در آلیاژهایی مانند A356.0 تقریباً دو برابر افزایش طول کشید.

مس (مس)

مس استحکام و سختی را به ویژه پس از عملیات حرارتی افزایش می دهد. آلیاژهایی مانند 319.0 (حاوی 3-4٪ مس) به دلیل عملکرد دمای بالا به طور گسترده در بلوک های موتور و سرسیلندر استفاده می شوند. نکته منفی کاهش مقاومت در برابر خوردگی است - ریخته گری های آلومینیومی حاوی مس در محیط های شور بیشتر مستعد خوردگی حفره ای هستند. محتوای مس بالای 0.3 درصد نیز جوش پذیری را کاهش می دهد.

منیزیم (Mg)

منیزیم برای پاسخ به عملیات حرارتی T6 در سری 3xx.x حیاتی است. در A356.0، منیزیم در 0.25-0.45٪ با سیلیکون ترکیب می شود و رسوب Mg2Si در طول پیری ایجاد می کند، که سخت شدن بارش را فراهم می کند. ریخته گری A356.0-T6 با عملیات حرارتی مناسب می تواند به استحکام کششی 280-310 مگاپاسکال دست یابد. ، در مقایسه با تقریبا 160 مگاپاسکال در حالت ریختگی. منیزیم بیش از حد (بیش از 0.6٪) خطر پارگی داغ را افزایش می دهد و سیالیت را کاهش می دهد.

آهن (آهن)

آهن به طور کلی یک ناخالصی ناخواسته در ریخته گری آلومینیوم است، اما نقش عملی مهمی در ریخته گری بازی می کند: لحیم کاری قالب را کاهش می دهد (مایل به چسبیدن آلومینیوم به قالب های فولادی). بیشتر آلیاژهای ریخته گری – مانند 380.0 – حاوی 0.8 تا 1.2 درصد آهن هستند به همین دلیل. در شن و ماسه و ریخته گری قالب دائمی، آهن زیر 0.5% نگهداری می شود تا از تشکیل فازهای بین فلزی غنی از آهن شکننده (فاز "سوزن" β-AlافeSi) که انعطاف پذیری و مقاومت در برابر خستگی را کاهش می دهد، جلوگیری شود.

روی (روی) و تیتانیوم (Ti)

روی در سری 7xx.x به استحکام کمک می کند اما به طور معمول در آلیاژهای دیگر یک آلاینده است. تیتانیوم در مقادیر کم (0.1-0.2٪) هنگامی که با بور ترکیب می شود (هسته های TiB2)، به عنوان یک تصفیه کننده دانه عمل می کند و دانه های هم محور ریزتری تولید می کند که هم استحکام و هم شکل پذیری را در ریخته گری آلومینیوم بهبود می بخشد. ریخته گری های تصفیه شده دانه معمولاً 10 تا 20 درصد ازدیاد طول بیشتری نسبت به معادل های تصفیه نشده نشان می دهند.

مقایسه فرآیندهای اصلی ریخته گری آلومینیوم

روشی که برای ریخته‌گری آلومینیوم استفاده می‌شود مستقیماً تعیین می‌کند که چه آلیاژهایی مناسب هستند، چه سطحی و تحمل ابعادی قابل دستیابی است، چه هزینه‌های ابزارآلاتی را شامل می‌شود و چه کیفیت داخلی (سطح تخلخل) را می‌توان انتظار داشت. چهار فرآیند غالب عبارتند از ریخته گری شن و ماسه، ریخته گری قالب دائمی، ریخته گری تحت فشار و ریخته گری سرمایه گذاری.

ریخته گری شن و ماسه

ریخته گری شن و ماسه قدیمی ترین و انعطاف پذیرترین روش ریخته گری آلومینیوم است. قالب ها با فشرده سازی شن و ماسه پیوند خورده در اطراف یک الگو تشکیل می شوند، که امکان اندازه و پیچیدگی قطعه تقریبا نامحدود را فراهم می کند. هسته های ساخته شده از ماسه می توانند حفره های داخلی ایجاد کنند. هزینه های ابزار حداقل است - یک الگوی ساده را می توان با چند صد دلار تولید کرد که ریخته گری شن و ماسه را برای نمونه های اولیه و تولید کم حجم 1-500 قطعه در سال ایده آل می کند. نقطه مقابل دقت ابعادی کمتر و سطح درشت تر است. آلیاژهای معمولی ریخته گری شن و ماسه شامل 319.0، 356.0 و A356.0 هستند.

ریخته‌گری قالب دائمی (ریخته‌گری گرانشی)

در ریخته‌گری قالب دائمی، آلومینیوم مذاب توسط نیروی جاذبه در قالب‌های فولادی یا چدنی قابل استفاده مجدد ریخته می‌شود. قالب فلزی گرما را بسیار سریعتر از شن و ماسه هدایت می کند و ساختارهای دانه ریزتر و خواص مکانیکی بهتری تولید می کند. A356.0-T6 در قالب دائمی معمولاً 10 تا 15٪ استحکام کششی بالاتری نسبت به همان آلیاژ در ریخته گری شن و ماسه دارد. به دلیل انجماد سریعتر هزینه های ابزارآلات متوسط ​​است - معمولاً 5000 تا 50000 دلار - که این فرآیند را برای اجراهای 500 تا 50000 قطعه مقرون به صرفه می کند. چرخ های خودرو، محفظه پمپ ها و جعبه های گیربکس اغلب از این طریق تولید می شوند.

ریخته گری فشار بالا (HPDC)

ریخته گری فشار بالا آلومینیوم مذاب را به قالب های فولادی سخت شده در فشارهای 10 تا 175 مگاپاسکال تزریق می کند. زمان چرخه می تواند به کوتاهی 15 تا 60 ثانیه باشد که سرعت تولید صدها تا هزاران قطعه در ساعت را ممکن می کند. این امر HPDC را به فرآیند ترجیحی برای قطعات با حجم بالا تبدیل می‌کند - بلوک‌های موتور خودرو، محفظه‌های گیربکس و قطعات ساختاری بدنه. دایکاست تقریباً 45 تا 50 درصد کل تولید ریخته‌گری آلومینیوم از نظر وزن را تشکیل می‌دهد. محدودیت اصلی تخلخل ناشی از گاز به دام افتاده است که از عملیات حرارتی جلوگیری می کند و استفاده از قطعات HPDC را در کاربردهای ساختاری محدود می کند مگر اینکه از ریخته گری به کمک خلاء (VADC) استفاده شود. آلیاژ 380.0 به دلیل ترکیب عالی از قابلیت ریخته گری، استحکام و هزینه، پیشروی صنعت HPDC است.

ریخته گری فشار کم (LPDC)

در LPDC، آلومینیوم با اعمال فشار کم (0.05-0.1 مگاپاسکال) به کوره ای که مذاب را نگه می دارد، به سمت بالا به داخل قالب دائمی رانده می شود. این رویکرد کنترل شده و پر از پایین، تلاطم و تشکیل اکسید را به حداقل می رساند و باعث تولید قطعات ریخته گری با تخلخل کمتر از HPDC می شود. LPDC به طور گسترده برای چرخ های خودرو استفاده می شود - یک سلول تولیدی می تواند 200 تا 400 چرخ در هر شیفت با کیفیت بسیار ثابت تولید کند. A356.0 آلیاژ غالب در این برنامه است.

ریخته گری سرمایه گذاری

ریخته‌گری سرمایه‌گذاری (ریخته‌گری با موم گمشده) از الگوهای موم قابل مصرف با پوشش سرامیکی برای تولید قالب‌هایی استفاده می‌کند که قادر به ثبت جزئیات بسیار دقیق هستند. از آن برای اجزای پیچیده هوافضا و دفاعی استفاده می شود که دقت ابعادی و تمیزی داخلی در اولویت قرار دارند. آلیاژ 356.0 و A357.0 (نوعی با خلوص بالاتر با کنترل منیزیم محکم تر) معمولاً مشخص می شوند. ریخته‌گری سرمایه‌گذاری برای هر قطعه گران است - ابزار و پردازش می‌تواند 20000 تا 200000 دلار قبل از ارسال قطعه اول هزینه داشته باشد - اما خروجی تقریباً خالص و یکپارچگی ساختاری بالا هزینه را برای کاربردهای حیاتی توجیه می‌کند.

خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری پرکاربرد

انتخاب آلیاژ آلومینیوم ریخته گری مناسب نیاز به مقایسه استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و سختی در طیف کاملی از آلیاژهای موجود و شرایط دمایی دارد. داده های زیر مقادیر معمولی را برای آلیاژهای تجاری تثبیت شده منعکس می کند.

چندین نکته عملی از این داده ها به دست می آید. اول، آلیاژ 206.0 بالاترین کشیدگی را در میان آلیاژهای ریخته‌گری معمولی ارائه می‌کند - 8٪ در شرایط T4 - که آن را به انتخابی عالی تبدیل می‌کند که مقاومت ضربه و چقرمگی بیش از استحکام تسلیم باشد. با این حال، محتوای کم سیلیکون آن (حداکثر 0.1٪) به این معنی است که مستعد ترک خوردگی داغ است و برای ریخته‌گری موفقیت‌آمیز نیاز به طراحی دقیق دریچه‌ای و بالابر دارد. ثانیاً، 380.0 استحکام کششی قوی در حالت ریختگی (مزاج F) 317 مگاپاسکال را بدون هیچ گونه عملیات حرارتی ارائه می‌کند، به همین دلیل است که انتخاب پیش‌فرض برای اکثر تولیدات HPDC باقی می‌ماند. سوم، A356.0-T6 استحکام، شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را بهتر از هر آلیاژ دیگری در مجموعه ریخته گری آلومینیوم متعادل می کند - این اولین آلیاژی است که برای کاربردهای ساختاری در قطعات خودرو یا هوافضا ارزیابی می شود.

عملیات حرارتی ریخته گری آلومینیوم

بسیاری از آلیاژهای ریخته‌گری آلومینیوم به عملیات حرارتی پاسخ می‌دهند، که می‌تواند خواص مکانیکی آن‌ها را به طور قابل‌توجهی فراتر از شرایط ریختگی افزایش دهد. نام‌گذاری استاندارد عملیات حرارتی برای ریخته‌گری‌ها از همان سیستم کد T استفاده می‌شود که برای آلیاژهای فرفورژه استفاده می‌شود.

• T4 (محلول حرارتی درمان پیری طبیعی): ریخته گری محلول را در دمای 510-540 درجه سانتیگراد به مدت چند ساعت تحت درمان قرار می دهد تا عناصر آلیاژی در ماتریس آلومینیوم حل شود، سپس خاموش شده و در دمای اتاق اجازه داده می شود تا پیر شود. شکل پذیری خوب و استحکام متوسط ​​ایجاد می کند.
• T5 (فقط پیری مصنوعی): به طور مستقیم روی ریخته گری هایی که از فرآیند ریخته گری به سرعت سرد شده اند (مانند LPDC یا قالب دائمی) اعمال می شود. از مرحله درمان محلول می گذرد. استحکام متوسطی را با حداقل خطر اعوجاج ایجاد می‌کند - برای ریخته‌گری چرخ‌ها که صافی بسیار مهم است مفید است.
• T6 (محلول درمان حرارتی پیری مصنوعی): رایج ترین عملیات حرارتی برای ریخته گری آلومینیوم سازه. پس از خاموش شدن از دمای محلول، قطعه به طور مصنوعی در دمای 155-175 درجه سانتیگراد به مدت 6-12 ساعت پیر می شود. این باعث سخت شدن اوج بارش می شود.
• T7 (محلول درمان حرارتی بیش از حد پیری): پیری برای بهبود پایداری ابعادی و مقاومت در برابر خوردگی تنشی به قیمت کمی استحکام به بالاتر از حد سختی انجام می شود. در کاربردهای با دمای بالا مانند اجزای موتور استفاده می شود.

نرخ خاموشی پس از درمان محلول یکی از مهم ترین متغیرهای فرآیند است در عملیات حرارتی ریخته گری آلومینیوم خاموش کردن سریع در آب سرد، اشباع فوق‌العاده مورد نیاز برای پیری مؤثر را به حداکثر می‌رساند، اما تنش‌های پسماند ناشی از خاموش کردن را ایجاد می‌کند که می‌تواند قطعات ریخته‌گری دیواره نازک را منحرف کند. محلول‌های کوئنچ پلیمری یا کوئنچ با آب داغ (60 تا 80 درجه سانتی‌گراد) می‌توانند اعوجاج را تا 40 تا 60 درصد کاهش دهند در حالی که بیشتر خواص مکانیکی را حفظ می‌کنند.

شایان ذکر است که قطعات معمولی HPDC را نمی توان عملیات حرارتی محلول کرد زیرا گاز محلول در ریخته گری در دمای محلول (500 درجه سانتی گراد) منبسط می شود و باعث ایجاد تاول های سطحی و رشد فضای خالی داخلی می شود. این محدودیت باعث سرمایه‌گذاری قابل توجهی در صنعت در انواع HPDC با تخلخل کم شده است - ریخته‌گری تحت خلاء، ریخته‌گری تحت فشار و ریخته‌گری نیمه جامد (thixocasting، rheocasting) - که همگی قطعاتی با سطح تخلخل به اندازه کافی پایین برای تحمل عملیات حرارتی تولید می‌کنند.

عیوب رایج در ریخته گری آلومینیوم و نحوه جلوگیری از آنها

نقص در ریخته گری آلومینیوم خواص مکانیکی را کاهش می دهد، مسیرهای نشتی ایجاد می کند، باعث رد لوازم آرایشی و افزایش نرخ ضایعات می شود. درک علت اصلی هر دسته نقص تنها راه قابل اعتماد برای کنترل آن است.

تخلخل

تخلخل شایع ترین عیب در ریخته گری آلومینیوم است. به دو صورت تخلخل گاز (حفره های کروی ناشی از هیدروژن محلول در مذاب که در طول انجماد از محلول خارج می شود) و تخلخل انقباضی (حفره های نامنظمی تشکیل می شوند که در آن فلز جامد کننده نمی تواند فلز مایع را برای جبران کاهش حجم تغذیه کند). برداشت هیدروژن عمدتاً از رطوبت در مواد شارژ کوره، پوشش‌های قالب و رطوبت اتمسفر اتفاق می‌افتد. گاز زدایی مذاب به کمتر از 0.1 میلی لیتر H2/100g Al با استفاده از واحدهای گاززدایی چرخشی تخلخل گاز را 70 تا 90 درصد کاهش می دهد. تخلخل انقباض از طریق طراحی مناسب رایزر و دروازه کنترل می شود و اطمینان حاصل می شود که فلز مایع می تواند تمام مناطق انجماد را تا زمانی که انجماد کامل شود تغذیه کند.

پارگی داغ (ترک داغ)

پارگی داغ زمانی اتفاق می افتد که شبکه ریخته گری نیمه جامد نمی تواند تنش های انقباضی حرارتی را که در مراحل نهایی انجماد ایجاد می شود، تحمل کند. آلیاژهای با دامنه انجماد گسترده - به ویژه آلیاژهای دارای مس مانند 206.0 و 319.0 - حساس ترین هستند. پیشگیری شامل بهینه‌سازی دما و گرادیان قالب به‌گونه‌ای است که انجماد جهت‌دار باشد، از طریق طراحی مناسب قالب، محدودیت‌های ریخته‌گری را کاهش می‌دهد و گاهی اوقات ترکیب آلیاژ را تنظیم می‌کند (بالا بردن سیلیکون، کاهش مس).

اجزای اکسید

آلومینیوم در حالت مذاب به سرعت اکسید می شود و یک لایه نازک اما جامد Al2O3 روی سطح مذاب تشکیل می دهد. جریان متلاطم فلزی - به ویژه در حین ریختن، ریختن یا تزریق قالب - می‌تواند این لایه اکسیدی را به درون ریخته‌گری جمع کند و نقص‌های دو لایه ایجاد کند که به‌عنوان ترک‌های داخلی عمل می‌کند. عیوب بی فیلم مسئول بیشتر پراکندگی در طول عمر خستگی ریخته گری آلومینیوم است - همان آلیاژ و فرآیند می تواند قطعاتی با تغییرات 10 برابری در عملکرد خستگی بسته به محتوای اکسید تولید کند. کنترل اغتشاش از طریق سیستم‌های دریچه پرکن از پایین، به حداقل رساندن ارتفاع سقوط فلز، و استفاده از فیلترهای سرامیکی در سیستم دروازه‌ای، اقدامات متقابل اولیه هستند.

بستن سرد و Misruns

بستن سرد زمانی اتفاق می افتد که دو جریان فلز در قالب به هم می رسند اما نتوانند جوش بخورند و نقصی شبیه درز بر جای می گذارند. انحراف زمانی اتفاق می افتد که فلز قبل از پر شدن کامل حفره جامد شود. هر دو عیب ناشی از دمای ناکافی فلز، سرعت کم پر شدن یا تهویه ناکافی است. افزایش دمای ریختن به میزان 10 تا 20 درجه سانتی گراد، طراحی مجدد دروازه برای افزایش سرعت پر شدن، و افزودن دریچه‌ها در آخرین مکان‌هایی که پر می‌شوند، اکثر مشکلات بسته شدن سرد و عدم کارکرد را حل می‌کنند.

لحیم کاری (در HPDC)

لحیم کاری قالب چسبندگی آلومینیوم به سطح قالب فولادی است که باعث جمع شدن فلز روی قالب و پارگی سطح روی قالب می شود. توسط تشکیل بین فلزی آهن و آلومینیوم در سطح قالب هدایت می شود. حفظ محتوای آهن در آلیاژ بالای 0.7 درصد، استفاده از پوشش‌های قالب (نیترید بور، رهاسازی مبتنی بر گرافیت)، کنترل دمای قالب در محدوده 150 تا 250 درجه سانتی‌گراد، و استفاده از زمان‌بندی مناسب اسپری قالب، همگی میزان لحیم کاری را کاهش می‌دهند.

کنترل کیفیت مذاب در عملیات ریخته گری آلومینیوم

کیفیت آلومینیوم مایع قبل از ورود به قالب، سقف آنچه را که ریخته گری می تواند به دست آورد تعیین می کند. هیچ مقداری از بهینه سازی فرآیند در پایین دست نمی تواند مذاب بد آماده شده را جبران کند. عملیات ریخته گری آلومینیوم صنعتی از چندین ابزار استاندارد برای ارزیابی و کنترل کیفیت مذاب استفاده می کند.

• تست فشار کاهش یافته (RPT): نمونه کوچکی از مذاب در خلاء جامد می شود. چگالی نمونه حاصل با نمونه ای که تحت فشار اتمسفر جامد شده مقایسه می شود. شاخص چگالی (DI) = [(ρ_atm – ρ_vac)/ρ_atm] × 100. DI کمتر از 2% به طور کلی برای اکثر کاربردهای ریخته گری سازه قابل قبول است. الزامات درجه هوافضا اغلب DI زیر 1٪ را مشخص می کند.
• گاز زدایی چرخشی: یک گاز بی اثر (نیتروژن یا آرگون) از طریق یک پروانه چرخان به مذاب تزریق می شود و حباب های ریز ایجاد می کند که هیدروژن محلول را به سطح می رساند. گاز زدایی چرخشی به طور صحیح به مدت 10 تا 15 دقیقه سطح هیدروژن را از مقادیر معمولی 0.2-0.4 میلی لیتر در 100 گرم به زیر 0.1 میلی لیتر در 100 گرم کاهش می دهد.
• فیلتراسیون فوم سرامیکی: مذاب از طریق یک فیلتر فوم سرامیکی مشبک (معمولاً 30 تا 50 ppi، 10 تا 20 ppi برای کاربردهای گرانشی) ریخته می شود که اجزای اکسید، ذرات بین فلزی و زباله های نسوز را جذب می کند. فیلتراسیون می تواند محتوای گنجایش را 60 تا 90 درصد کاهش دهد و در مطالعات متعدد نشان داده شده است که عمر خستگی را با ضریب 2 تا 5× افزایش می دهد.
• تایید ترکیب طیف سنجی: طیف‌سنجی انتشار نوری (OES) یک نمونه دکمه جامد، تأیید می‌کند که ترکیب آلیاژ قبل از شروع تولید در محدوده مشخصات است. برای کاربردهای حیاتی، بررسی هر 2 تا 4 ساعت یا هر زمان که فلز جدید اضافه شود تکرار می شود.
• پالایش و اصلاح دانه: آلیاژهای اصلی حاوی تیتانیوم بور (Al-5Ti-1B) در 0.05-0.15٪ برای پالایش اندازه دانه اضافه می شوند. آلیاژ اصلی استرانسیوم (Al-10Sr) در 0.008-0.015٪ مورفولوژی سیلیکون یوتکتیک را از صفحات درشت به الیاف ریز تغییر می دهد و به طور قابل توجهی انعطاف پذیری و مقاومت در برابر خستگی را بهبود می بخشد.

ریخته گری آلومینیوم در صنعت خودرو

بخش خودرو تا حد زیادی بزرگترین مصرف کننده ریخته گری آلومینیوم، نوآوری در فرآیند و توسعه آلیاژ بیش از هر بازار نهایی دیگری است. یک وسیله نقلیه مسافربری معمولی تولید شده در سال 2024 حاوی 150 تا 200 کیلوگرم آلومینیوم است. که بخش قابل توجهی از آن به صورت ریخته گری است. بلوک های موتور، سرسیلندرها، جعبه های گیربکس، محفظه های دیفرانسیل، بند های تعلیق، زیرفریم ها و گره های ساختاری بدنه همگی با روش های مختلف ریخته گری آلومینیوم تولید می شوند.

تغییر به سمت وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) چشم انداز ریخته گری آلومینیوم را به روش های مهمی تغییر داده است. خودروهای الکتریکی بلوک موتور احتراق داخلی و سرسیلندر را حذف می‌کنند - دو مورد از بزرگترین کاربردهای ریخته‌گری - اما موارد جدیدی را معرفی می‌کنند: محفظه باتری، محفظه موتور الکتریکی، محفظه اینورتر و ریخته‌گری‌های ساختاری بزرگ. فرآیند Gigacast تسلا، که از ماشین‌های ریخته‌گری 6000 تا 9000 تنی برای تولید تمام بخش‌های زیر بدنه عقب و جلو در یک ریخته‌گری استفاده می‌کند، نشان داده است که چگونه ریخته‌گری آلومینیوم می‌تواند به‌شدت تعداد قطعات و پیچیدگی مونتاژ را کاهش دهد. زیر بدنه پشتی تک Gigacast جایگزین تقریباً 70 قطعه تکی مهر و موم شده و جوش داده شده است.

آلیاژهای مورد استفاده در این ریخته‌گری‌های EV ساختاری، نسل جدیدی از مواد HPDC با شکل‌پذیری بالا هستند - که گاهی اوقات آلیاژهای "ریخته‌گری غیرقابل عملیات حرارتی" نامیده می‌شوند - که به طور خاص برای کاربردهایی که تغییر شکل کنترل‌شده تحت بارگذاری تصادف مورد نیاز است، توسعه یافته‌اند. این آلیاژها، مانند Silafont-36 (AlSi10MnMg)، Aural-2، و Magsimal-59 (AlMg5Si2Mn)، در شرایط ریختگی بدون عملیات حرارتی به طول 10 تا 15 درصد می رسند، چیزی که آلیاژهای HPDC معمولی مانند 380.0 نمی توانند به آن نزدیک شوند.

کاربردهای هوافضا ریخته گری آلیاژهای آلومینیوم

ریخته‌گری‌های آلومینیومی هوافضا با سخت‌ترین الزامات کیفی در هر بخش روبرو هستند - تخلخل داخلی با اشعه ایکس و توموگرافی کامپیوتری (CT) اندازه‌گیری می‌شود، خواص مکانیکی از نظر آماری تأیید شده است، و قابلیت ردیابی از شمش تا قطعه نهایی الزامی است. علی‌رغم این خواسته‌ها، ریخته‌گری روش انتخابی برای اجزای پیچیده ساختاری و غیرسازه‌ای هوافضا است که در آن هندسه نمی‌تواند از نظر اقتصادی با ماشینکاری از بیلت تولید شود.

آلیاژهای ریخته گری هوافضا معمولاً عبارتند از:

• A357.0-T6: نوع با خلوص بالاتر A356.0 با کنترل منیزیم دقیق تر (0.45-0.60٪). برای ریخته گری سازه های اولیه در هواپیما استفاده می شود. استحکام کششی 345 مگاپاسکال، عملکرد 276 مگاپاسکال، ازدیاد طول حداقل 5 درصد در قالب ریخته گری سرمایه گذاری.
• 201.0-T7: آلیاژ آلومینیوم-مس با بالاترین استحکام نسبت به هر آلیاژ آلومینیوم ریخته گری - تا 485 مگاپاسکال استحکام کششی. برای اتصالات و براکت‌های با بارگذاری بالا استفاده می‌شود که در آن صرفه‌جویی در وزن، ریخت‌گری‌پذیری دشوار را توجیه می‌کند.
• C355.0-T6: مشابه A356.0 اما با مس اضافه شده برای استحکام بهتر. در اتصالات بدنه هوا و محفظه دنده استفاده می شود.

پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) - قرار دادن ریخته گری در دمای بالا (500-520 درجه سانتیگراد) و فشار بالا (100-200 مگاپاسکال) در یک جو بی اثر - به طور فزاینده ای برای ریخته گری آلومینیوم هوافضا مشخص می شود. HIP تخلخل داخلی را می بندد، عمر خستگی را 2-3× افزایش می دهد و نتایج آزمایش مکانیکی به طور قابل توجهی سازگارتر ارائه می دهد. در سرتاسر دسته های تولیدی این فرآیند هزینه را اضافه می کند، اما برای اجزای حیاتی پرواز، در اکثر تامین کنندگان ریخته گری هوافضا یک روش استاندارد است.

شبیه سازی و ابزار دیجیتال در ریخته گری آلومینیوم مدرن

نرم افزار شبیه سازی ریخته گری روش ریخته گری و مشتریان آنها را برای توسعه فرآیندهای جدید ریخته گری آلومینیوم متحول کرده است. برنامه هایی مانند MAGMASOFT، ProCAST، AnyCasting و Flow-3D به مهندسان این امکان را می دهند که پر کردن قالب، انجماد، انتقال حرارت، تنش حرارتی و تشکیل تخلخل را قبل از ماشینکاری یک قالب مدل کنند.

تاثیر عملی شبیه سازی بر توسعه ریخته گری آلومینیوم قابل توجه است. مطالعات تامین کنندگان بزرگ خودرو گزارش می دهد که استفاده از شبیه سازی ریخته گری آزمایشات فیزیکی را 40 تا 60 درصد کاهش می دهد و زمان تا قسمت اول خوب را 30 تا 50 درصد کاهش می دهد. . برای یک ریخته‌گری ساختاری پیچیده خودرو، هر آزمایش فیزیکی ممکن است 20000 تا 100000 دلار برای تغییرات ابزار، فلز، زمان ماشین و ساعت‌های مهندسی هزینه داشته باشد. حذف حتی دو آزمایش از طریق شبیه‌سازی اولیه بهتر، هزینه‌های سال‌ها صدور مجوز نرم‌افزار را تامین می‌کند.

فراتر از پیش‌بینی تخلخل، ابزارهای شبیه‌سازی مدرن می‌توانند مدل‌سازی کنند:

• تکامل ساختار دانه (ستون در مقابل انتقال هم محور، توزیع اندازه دانه)
• همبستگی های ریزساختار-ویژگی با استفاده از پایگاه های داده ترمودینامیکی CALPHAD
• تنش باقیمانده و اعوجاج پس از خاموش کردن
• پیش‌بینی عمر خستگی حرارتی برای ابزار HPDC
• بهینه سازی ابعاد دونده و گیت با استفاده از الگوریتم های جستجوی خودکار

ادغام نظارت بر فرآیند در زمان واقعی با مدل های شبیه سازی مرز بعدی است. حسگرهای تعبیه‌شده در قالب‌ها دما، فشار، و موقعیت جلویی را با وضوح میلی‌ثانیه اندازه‌گیری می‌کنند. هنگامی که به سیستم‌های کنترل تطبیقی ​​بازگردانده می‌شوند، می‌توانند سرعت شلیک و فشار تشدید را در زمان واقعی تنظیم کنند تا تغییرات دمای مذاب یا دمای قالب را جبران کنند - کاهش تغییرات قطعه به قطعه که در طول تاریخ یکی از چالش‌های همیشگی ریخته‌گری آلومینیوم بوده است.

پایداری و بازیافت آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری

قابلیت بازیافت آلومینیوم یکی از مزایای تعیین کننده آن است. بازیافت آلومینیوم تنها به حدود 5 درصد انرژی مورد نیاز برای تولید آلومینیوم اولیه از سنگ معدن بوکسیت نیاز دارد. آلومینیوم ثانویه (بازیافت شده) در حال حاضر تقریباً 75 تا 80 درصد از کل آلومینیوم مورد استفاده در کاربردهای ریخته گری را تشکیل می دهد. ، ریخته گری آلومینیوم را به یکی از دایره ای ترین فرآیندهای تولید در صنایع سنگین تبدیل کرده است.

چالش در بازیافت آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم، کنترل ترکیبی است. هنگامی که آلیاژهای مختلف در جریان قراضه مخلوط می شوند، سیلیکون، مس، آهن و روی به سطوحی انباشته می شوند که ممکن است از محدودیت های مشخصات آلیاژهای اولیه فراتر رود. واکنش صنعت ایجاد آلیاژهای ثانویه با هدف طراحی شده است - به ویژه برای HPDC - که سطوح ناخالصی بالاتری را بدون کاهش عملکرد در خود جای دهد. آلیاژ 380.0 خود آلیاژی است که طیف وسیعی از ترکیبات را به طور خاص برای قرار دادن فلزات ثانویه تحمل می کند. مشخصات آن اجازه می دهد تا 3.0٪ روی و 1.3٪ آهن، که در آلیاژهای ریخته گری گرانشی غیر قابل قبول است.

صنعت خودروسازی اروپا توسعه سیستم‌های بازیافت آلیاژی حلقه بسته را هدایت کرده است که در آن ضایعات ریخته‌گری شده از یک مرکز تولید، به جای ورود به یک استخر عمومی ضایعات، دسته‌بندی، ذوب مجدد و به همان کاربرد بازمی‌گردند. برای مثال، کارخانه ریخته گری Landshut BMW، سالانه بیش از 50000 تن ضایعات ریخته گری آلومینیوم را در یک حلقه بسته بازیافت می کند. ، حفظ خلوص آلیاژ که به فلز بازیافتی اجازه می دهد تا در ریخته گری های ساختاری بدون جریمه کیفیت استفاده شود.

با تسریع انتقال EV، ترکیب ضایعات ریخته‌گری آلومینیوم تغییر می‌کند - آلیاژهای مرتبط با موتور کمتر (319.0، 390.0) و آلیاژهای ساختاری بدنه و آلیاژهای محفظه باتری. ریخته‌گری‌ها و تولیدکنندگان آلیاژ در حال حاضر روی فناوری مرتب‌سازی (طیف‌سنجی شکست ناشی از لیزر، مرتب‌سازی خودکار فلورسانس اشعه ایکس) سرمایه‌گذاری می‌کنند تا این انتقال ترکیبی را بدون کاهش ارزش مواد بازیافتی انجام دهند.

چگونه آلیاژ آلومینیوم ریخته گری مناسب را برای کاربرد خود انتخاب کنید

انتخاب آلیاژ برای ریخته‌گری آلومینیوم یک تمرین جستجویی نیست، بلکه مستلزم ایجاد تعادل در چندین مورد رقیب است. چارچوب تصمیم گیری زیر متغیرهای کلیدی را پوشش می دهد که باید فرآیند انتخاب را هدایت کنند.

1. ابتدا فرآیند ریخته گری را تعریف کنید. انتخاب آلیاژ توسط فرآیند محدود می شود. اگر HPDC برای حجم تولید مورد نیاز است، آلیاژ باید سیالیت خوب و ویژگی‌های آزادسازی قالب داشته باشد که به طور موثر انتخاب معنی‌دار را به سری‌های 3xx.x و 4xx.x محدود می‌کند. اگر از ریخته‌گری سرمایه‌گذاری برای پیچیدگی و دقت استفاده شود، استخر آلیاژی برای شامل گزینه‌های سری 2xx.x و 7xx.x باز می‌شود.
2. نیاز مکانیکی غالب را شناسایی کنید. آیا خستگی قطعه حیاتی است (A356.0-T6 یا A357.0-T6 را با HIP انتخاب کنید)؟ آیا به استحکام بالایی در دمای اتاق نیاز دارد (206.0-T4 یا 201.0-T7)؟ آیا به استحکام دمایی بالا نیاز دارد (319.0-T6 یا 390.0-T6)؟ حداکثر شکل پذیری برای جذب انرژی تصادف (سیلافونت-36 یا آلوسیل) نیاز دارد؟ مشخصات ویژگی مستند آلیاژ را با نیاز مطابقت دهید.
3. ارزیابی محیط خوردگی اگر قطعه بدون عملیات سطحی در معرض شرایط شور قرار گرفت، از آلیاژهای دارای مس خودداری کنید. سری 5xx.x و 4xx.x بهترین مقاومت در برابر خوردگی ذاتی را ارائه می دهند.
4. ماشینکاری و عملیات ثانویه را در نظر بگیرید. برخی از آلیاژها به زیبایی ماشین می شوند (319.0 اغلب به عنوان یکی از آسان ترین آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم در ماشین ذکر می شود)، در حالی که برخی دیگر به سرعت کار می کنند و ابزارهای برش را به سرعت می پوشند (سری 5xx.x). اگر ماشینکاری گسترده برنامه ریزی شده است، آن را در مدل سازی هزینه آلیاژ لحاظ کنید.
5. قابلیت جوشکاری و قابلیت تعمیر را ارزیابی کنید. برای ریخته‌گری‌هایی که ممکن است نیاز به تعمیر جوش در تولید یا خدمات صحرایی داشته باشند، محتوای سیلیکون بالای 5 درصد عموماً جوش‌پذیری کافی را فراهم می‌کند. جوشکاری آلیاژهای حاوی مس بالای 4 درصد مس بدون ترک خوردن دشوار است.
6. در دسترس بودن آلیاژ و زنجیره تامین را بررسی کنید. مشخص کردن یک آلیاژ غیر معمول ممکن است مزایای خاصیت حاشیه ای را به قیمت زمان طولانی تر، مقادیر حداقل سفارش بالاتر و تامین کنندگان واجد شرایط کمتر ارائه دهد. A356.0، 380.0، و 319.0 اساساً از هر کارخانه ریخته گری آلومینیوم در سراسر جهان در دسترس هستند. آلیاژهای عجیب و غریب بیشتری مانند 201.0 یا 771.0 به تامین کنندگان تخصصی نیاز دارند.

وقتی شک دارید، A356.0-T6 در ریخته گری قالب دائمی نقطه شروع صحیح برای اکثر کاربردهای ریخته گری آلومینیوم ساختاری است. . ترکیبی از قابلیت ریخته‌گری، خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی، و در دسترس بودن تامین‌کننده در سراسر جهان آن را به دلایلی به آلیاژ معیار صنعت تبدیل می‌کند. تنها زمانی به آلیاژ تخصصی تر بروید که A356.0-T6 به طور واضحی نیاز خاصی را برآورده نکند.