Литой алюминий - все, что вам нужно знать о нем

Литой алюминий обладает такими преимуществами, как высокая прочность, отличная коррозионная стойкость и легкость обработки, что делает его предпочтительным выбором в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, электроника и потребительские товары. В этой статье мы рассмотрим состав литого алюминия, производственные процессы, свойства, области применения, контроль качества и новые тенденции. 

Что такое литой алюминий?

Литые алюминиевые сплавы - это сплавы на основе алюминия, получаемые путем литья. В отличие от кованого алюминия, которому придают форму с помощью механических процессов, таких как прокатка или экструзия, литой алюминий расплавляют и заливают в формы, затем охлаждают и придают нужную форму. Процесс литья позволяет создавать очень сложные геометрические формы, которые трудно получить любыми другими методами.

Состав литых алюминиевых сплавов

Литые алюминиевые сплавы состоят в основном из алюминия (Al) и одного или нескольких легирующих элементов, таких как кремний (Si), медь (Cu), магний (Mg), цинк (Zn) и марганец (Mn).

Эти элементы добавляются в качестве легирующих элементов для улучшения определенных характеристик. 

Элементы	Эффекты
Кремний (Si)	Улучшает текучесть, снижает усадку и повышает износостойкость.
Медь (Cu)	Повышает прочность и твердость, но может снизить коррозионную стойкость.
Магний (Mg)	Повышает прочность и коррозионную стойкость, особенно в морской среде.
Цинк (Zn)	Улучшает литейные свойства и прочность, часто используется в высокопрочных сплавах.
Марганец (Mn)	Повышает прочность и устойчивость к растрескиванию.

Виды литого алюминия

Классификация литейных алюминиевых сплавов основана в основном на элементной природе основных легирующих элементов, которые, в свою очередь, оказывают решающее влияние на свойства сплава. Существует четыре основные категории: A1-Si, Al-Mg, Al-Cu и Al-Zn. Каждая из них имеет свои характеристики и подходит для выполнения различных работ в разных отраслях промышленности.

Алюминиево-кремниевые сплавы (Al-Si)

Алюминиево-кремниевые сплавы являются одними из наиболее часто используемых в производстве литых алюминиевых сплавов благодаря их исключительным литейным свойствам и хорошей износостойкости. Эти сплавы содержат кремний от 10% до 25% и имеют низкую плотность, низкие коэффициенты теплового расширения и высокую удельную прочность. Эти свойства сделали их подходящими для таких компонентов, как блоки двигателей, головки цилиндров и колеса.

Примеры марок: A356, A360, A413

Алюминиево-магниевые сплавы (Al-Mg)

Сплавы Al-Mg сохраняют свою значимость благодаря коррозионной стойкости, умеренно-высокой прочности и хорошей свариваемости. Благодаря содержанию магния, обычно варьирующемуся в пределах 0,5-12%, эти сплавы обладают улучшенными механическими свойствами, что находит применение в аэрокосмической отрасли, где требуются высокопрочные и легкие материалы, например, морские конструкции, шасси самолетов, упаковка для продуктов питания и напитков. 

Алюминиево-медные сплавы (Al-Cu)

Сплавы AI-Cu обладают хорошей прочностью и отличной обрабатываемостью для своего содержания меди, обычно в пределах 2-10%. Основные области их применения - аэрокосмическая, автомобильная и конструкционная промышленность.

Пример оценок: A295

Алюминиево-цинковые сплавы (Al-Zn)

Сплавы AI-Zn известны своей повышенной прочностью, особенно при термообработке. Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам сплавы Al-Zn широко используются в аэрокосмической промышленности.

 Пример градации: A712.2

Распространенные литейные алюминиевые сплавы

A356: Автомобильный и аэрокосмический материал, обладающий хорошей пластичностью и прочностью.

A360: Известный своей литейной способностью, прочностью и коррозионной стойкостью, он широко используется в автомобильных деталях, таких как колеса и компоненты двигателя.

A380: Хорошо зарекомендовав себя как герметичный материал, он широко используется для литья под давлением.

A390: Универсальный материал, обладающий повышенной прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью.

A413: Сплав с хорошей литейной способностью и замечательной стойкостью к давлению; альтернатива A380.

ADC12: Широко используемый в Азии сплав для литья под давлением с хорошими механическими свойствами и литейной способностью. 

Процессы литья алюминия

Операция плавки - это первый этап производства литого алюминия. Она включает в себя плавление сырья, как правило, первичного алюминия, вторичного алюминия и легирующих элементов. Процесс плавки происходит в печах с температурой от 700°C до 800°C. Ключевыми моментами при плавке являются:

Предотвращение окисления. Алюминий легко окисляется под воздействием воздуха, образуя слой оксида алюминия (Al2O3). Для уменьшения окисления используются инертные газы или флюсующие агенты.

Однородность сплава. Использование правильного способа смешивания легирующих элементов обеспечивает получение однородного состава и свойств.

Существует множество методов литья для производства литых алюминиевых деталей, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Литье в песок

Этот процесс литья в песчаную форму является одним из старейших и наиболее универсальных в литье алюминия. Он осуществляется путем изготовления постоянной формы из песчаной смеси и заливки расплавленного металла в эту форму. Этот метод хорошо подходит для изготовления больших и сложных алюминиевых деталей и позволяет гибко подходить к размеру и форме детали.

Преимущества: Низкая стоимость, подходит для крупных и сложных деталей, гибкие возможности проектирования.

Недостатки: По сравнению с другими методами, более низкая точность размеров и качество обработки поверхности.

Литье под давлением

Литье под давлением представляет собой метод скорости и эффективности. В этом процессе используется впрыск расплавленного алюминия непосредственно в форму или пресс-форму под очень высоким давлением.

Преимущества: Высокая производительность, отличная точность размеров и гладкая поверхность.

Недостатки: Высокие первоначальные затраты на оснастку, ограничены небольшими размерами литья.

Инвестиционное литье

При литье по выплавляемым моделям восковой шаблон покрывается керамической суспензией для получения формы, нагревается для расплавления воска, а затем заполняется расплавленным алюминием. Этот метод хорошо подходит для производства тонкостенных литых алюминиевых деталей с минимальной толщиной стенки 0,40 мм. 

Преимущества: Высокая точность, отличная обработка поверхности и возможность создания сложных форм.

Недостатки: Дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Литье в постоянные формы

Технология литья в постоянные формы предполагает использование металлических форм, которые можно использовать повторно. Этот процесс заключается в заливке расплавленного алюминия в постоянную форму под действием силы тяжести или низкого давления. Этот метод подходит для литья алюминиевых деталей в умеренных объемах.

Преимущества: Хорошая обработка поверхности, точные размеры и более быстрое время производства по сравнению с литьем в песчаные формы.

Недостатки: Инструментарий дороже и ограничен простыми геометрическими формами.

Свойства и преимущества литого алюминия

Механические свойства

Литые алюминиевые сплавы обладают различными механическими свойствами, которые зависят от их состава и преобладающей термической обработки.

Прочность на разрыв	Предел текучести	Удлинение	Твердость	Плотность
100-565 МПа	30-525 МПа	0.5-28%	25-170 HB	2,57-2,95 г/см³

Легкий вес

Легкость - еще одно замечательное свойство литого алюминия: он весит около 2,57-2,95 г/см³, что делает его более легким по сравнению с такими материалами, как чугун и стали. Благодаря меньшему весу он обладает высоким соотношением прочности и веса, что выгодно, когда требуется одновременно прочность и легкость.

Устойчивость к коррозии

Литые алюминиевые сплавы покрыты на поверхности оксидным слоем, который образует защитный экран, обеспечивающий этим сплавам превосходную коррозионную стойкость. По этой причине они применяются в коррозионных и агрессивных средах, таких как морские и автомобильные компоненты.

Высокая тепло- и электропроводность

Литой алюминий целесообразно использовать для изготовления теплообменников, электронных корпусов и электрических компонентов, так как алюминий характеризуется высокой тепло- и электропроводностью.

Теплопроводность: 87-233 Вт/м-К

Электропроводность: 21-45 %

Высокое качество 

Литые алюминиевые сплавы обеспечивают хорошую точность размеров и качество обработки поверхности. Допуск на размеры обычно составляет от IT6 до IT7, а в некоторых случаях может достигать IT4. Шероховатость поверхности обычно находится в диапазоне от Ra 5 до Ra 8, что снижает потребность в последующей обработке. Следует также отметить, что литые алюминиевые сплавы обеспечивают более высокую прочность и твердость, чем детали, отлитые из песка, причем прочность обычно повышается более чем на 25% - 30%, а удлинение снижается примерно на 70%. Механические свойства, несмотря на снижение удлинения, все еще пригодны для многих применений. Кроме того, алюминиевое литье позволяет отливать тонкостенные и сложные детали, например, отливки из цинкового сплава с минимальной толщиной стенки 0,3 мм и алюминиевые отливки с минимальной толщиной стенки 0,5 мм; при производстве отливок используются отверстия диаметром до 0,7 мм, а резьба имеет минимальный шаг до 0,75 мм. 

Экономические выгоды

Благодаря высокой точности и обработка поверхности литых алюминиевых деталей, они, как правило, не требуют дополнительных операций обработки или требуют лишь незначительной дополнительной обработки. Такое улучшение связано с утилизацией металлов, сокращением использования крупного обрабатывающего оборудования и экономией рабочей силы. Кроме того, литые алюминиевые детали относительно дешевле благодаря эффективности процесса литья. 

Контроль качества при производстве литого алюминия

Обнаружение дефектов

Пористость, усадка, трещины и включения - вот несколько дефектов, которые могут возникнуть при литье алюминия. Для обнаружения дефектов используются различные методы, в том числе:

• Визуальный осмотр: Наблюдение за дефектами поверхности.
• Рентгеновское и компьютерное сканирование: Обнаружение внутренних дефектов.
• Ультразвуковой контроль: Измерение внутренней целостности и толщины.
• Контроль с помощью красящего пенетранта: Предназначены для выявления поверхностных трещин.

Точность размеров

Точность при литье очень важна, в основном для правильного функционирования и подгонки. Для обеспечения точности размеров используются различные технологии, такие как координатно-измерительные машины (КИМ) и системы лазерного сканирования.

Отделка поверхности

Поверхность обрабатывается путем анодирования, полировки и нанесения покрытия. Анодирование это широко используемая обработка поверхности, которая повышает коррозионную стойкость и улучшает внешний вид.

Будущие тенденции в производстве литого алюминия

Аддитивное производство

3D-печать по металлу быстро набирает популярность, обеспечивая эффективный и быстрый способ создания сложных геометрических форм при минимальных затратах материала. Он отлично подходит для создания прототипов и небольших партий. 

Устойчивое производство

Металл имеет гораздо больший срок службы, а процесс переработки алюминия требует всего 5% энергии и, следовательно, является более экологичным. Промышленность успешно фокусируется на системах замкнутого цикла переработки для минимизации отходов.

Передовые сплавы

В настоящее время продолжаются исследования по синтезу новых литых алюминиевых сплавов, обладающих такими превосходными свойствами, как повышенная прочность на разрыв, улучшенная теплопроводность и коррозионная стойкость. 

Заключение

Литой алюминий - один из наиболее важных материалов в современном производстве, обеспечивающий сочетание легкости, прочности и универсальности, востребованное во многих отраслях. Понимание состава, процесса производства, свойств и областей применения литого алюминия позволяет производителям использовать его для создания инновационных, высокопроизводительных продуктов. По мере развития отрасли, появляются достижения в области легкой промышленности, аддитивное производствоА устойчивое развитие еще больше расширит горизонты применения литого алюминия. Это руководство стало хранилищем информации для всех, кто хочет получить более глубокие знания о литом алюминии и его положении в производственной среде.