Složení hliníkové slitiny A357: Vysvětlení křemíku, hořčíku a tepelného zpracování

Pokud výkres uvádí A357-T6 a dodavatel odešle A356-T6, díly budou stále přišroubovány. Stále budou správně měřit na CMM. Mohou dokonce projít zkouškou na lavici. Nedosáhnou meze kluzu, kterou návrh předpokládal, a tento nedostatek se obvykle projeví o měsíce později jako prasklé pouzdro, prosakující těsnicí plocha nebo únavové selhání u náboje šroubu. Rozdíl v chemii je na papíře malý, což je přesně důvod, proč proklouzne při vstupní kontrole.

Složení hliníkové slitiny A357 podle hmotnosti je 6,5 až 7,5 procenta křemíku, 0,40 až 0,70 procenta hořčíku, maximálně 0,20 procenta železa, maximálně 0,20 procenta mědi, maximálně 0,10 procenta manganu, maximálně 0,10 procenta zinku a maximálně 0,20 procenta titanu . Hliník tvoří rovnováhu. Ve srovnání s A356 se hořčíková podlaha i hořčíkový strop pohybují nahoru a mez železa je držena pevněji. Tyto dvě směny poskytují zhruba o 15 procent vyšší mez kluzu po správném tepelném zpracování T6.

To je stručná odpověď. Zbytek tohoto článku rozebírá chemii prvek po prvku, porovnává A357 s A356 a 356 na reálných číslech a pak vysvětluje, jak cesta odlévání a cyklus stárnutí rozhodují, zda se tato chemie stane spolehlivou konstrukční součástí nebo drahou hromadou šrotu.

Složení slitiny hliníku A357: Úplná chemie, prvek po prvku

Níže uvedená tabulka uvádí publikované limity složení pro označení odlitku A357.0 spolu s praktickým cílovým oknem, na které se slévárny skutečně zaměřují v rámci těchto limitů. Limity vycházejí ze standardních specifikací hliníkových odlitků používaných v celém průmyslu a stejná čísla se objevují v listech s označením Aluminium Association a v ASM Handbook, Volume 15: Casting, která zůstává standardní referencí pro metalurgii hliníkových odlitků.

Jeden detail, který kupující zaskočí: některé varianty A357 umožňují velmi malý přídavek berylia v rozmezí 0,04 až 0,07 procenta, aby se zakulatily destičky obsahující železo. Jiné limitují berylium na 0,0007 procenta a v praxi to zakazují. Pokud je díl určen pro regulované prostředí nebo obráběcí buňku s přísnými pravidly pro vzduchotechniku, tento jediný řádek na technickém listu změní, kterou tavná dílna může citovat.

Co každý prvek vlastně dělá uvnitř odlitku

Křemík na 6,5 až 7,5 procenta

Křemík je důvodem, proč lze tuto slitinu vůbec odlévat. Snižuje rozsah tání a tlačí slitinu směrem k hliníkovo-křemíkovému eutektiku, které se nachází blízko 577 stupňů Celsia. Se zhruba 7 procenty křemíku je slitina hypoeutektická, takže ztuhlá struktura je směsí hliníkových dendritů obklopených jemnou eutektickou sítí. Tato síť je to, co vám dává tenkostěnnou tekutost, odolnost proti roztržení za tepla a přiměřeně nízké napětí při smršťování.

Pokles křemíku pod rozsah a chybné běhy a horké slzy se stanou rutinou. Vytlačte jej nad rozsah a eutektický křemík zhrubne do jehlicovitých desek, které fungují jako vnitřní zářezy. Nemodifikovaný eutektický křemík v odlitku A357 může snížit tažnost o 40 procent nebo více ve srovnání s řádně upravenou taveninou, proto je standardním postupem přidání stroncia asi 0,010 až 0,020 procenta nebo modifikátoru na bázi sodíku.

Hořčík 0,40 až 0,70 procenta

Hořčík je vytvrzovací prvek a hlavní důvod, proč A357 existuje jako samostatná slitina. Během umělého stárnutí jemný silicid hořčíku vysráží jádro v hliníkové matrici a blokuje dislokační pohyb. A356 obsahuje hořčík na 0,45 procenta; A357 povoluje až 0,70 procenta. Tento extra hořčík zvyšuje maximální mez kluzu po stárnutí o zhruba 20 až 30 MPa, když je vše ostatní stejné.

Kompromisem je procesní citlivost. A357 se nachází blíže k hranici svého limitu rozpustnosti, takže krátké ošetření roztokem nebo nerovnoměrné kalení zanechá nerozpuštěný silicid hořčíku za sebou a součást pak nesplňuje svou specifikaci, zatímco stále prochází spektrální kontrolou na příchozím ingotu.

Žehlení maximálně 0,20 procenta

Železo je tichý zabiják tvárnosti. Nad zhruba 0,25 procenta v 7procentní křemíkové slitině tvoří železo beta-fázové destičky Al5FeSi, které jsou křehké, deskovité a náchylné k praskání při zatížení. Zadržování železa na 0,20 procenta nebo méně, a pokud možno 0,15 procenta pro práci prvotřídní kvality, udržuje tyto krevní destičky malé a méně škodlivé. Tento přísnější limit železa, více než hořčík, je tím, co odlišuje prémiovou taveninu A357 od běžné sekundární slitiny.

Zušlechťování titanu a zrna

Titan v množství 0,10 až 0,15 procent, běžně zaváděný prostřednictvím předslitiny Al-5Ti-1B, omezuje růst zrn během tuhnutí. Jemná rovnoosá zrna zlepšují podávání, rozšiřují pórovitost smršťování do menších a lépe distribuovaných pórů a zvyšují jak pevnost v tahu, tak prodloužení. Tavenina, která byla odplyněna a upravena, ale nebyla zjemněna zrna, bude vykazovat hrubá sloupcová zrna a širší rozptyl ve výsledcích mechanických testů.

Měď, mangan, zinek a kbelík se stopami

Měď je omezena na 0,20 procenta, protože snižuje korozní vlastnosti ve vlhkém nebo slaném prostředí. Mangan v maximu 0,10 procent mírně modifikuje železnou fázi, ale nemůže zachránit taveninu, která je již těžká na železo. Zinek v maximu 0,10 procenta je do značné míry parametrem pro kontrolu zmetkovitosti. Univerzální limity, 0,05 procenta pro jakýkoli jednotlivý nespecifikovaný prvek a 0,15 procenta celkem, existují, aby zabránily neznámým zbytkům v posunu chování slitiny při tuhnutí.

A357 vs A356 vs 356: Kde se čísla oddělují

Tyto tři slitiny jsou často uváděny zaměnitelně a na revizi výkresu mohou vypadat jako administrativní varianty. nejsou. Níže uvedená tabulka ukazuje typické publikované hodnoty T6; skutečná čísla se pohybují s procesem odlévání, tloušťkou sekce a pozicí, ze které je kupón vyříznut.

Praktické čtení: pokud vaše analýza napětí předpokládala mez kluzu A357 a vy dostanete A356, v tichosti jste ztratili asi 50 MPa marže. Na části s bezpečnostním faktorem 3 to není vidět. U dílu dimenzovaného na bezpečnostní faktor 1,4 je to rozdíl mezi úspěšným únavovým testem a přepracováním.

Tepelné zpracování: Proč samotná chemie nestačí

Můžete trefit každé číslo v tabulce 1 a přesto vytvořit měkký díl. Slitina dosáhne své stanovené pevnosti až po třístupňovém cyklu T6 a každý stupeň má úzké praktické okno.

1. Ošetření roztokem při zhruba 540 stupních Celsia po dobu 6 až 12 hodin, což je dostatečně dlouhá doba, aby se fáze bohaté na hořčík rozpustily zpět do pevného roztoku.
2. Kalení, obvykle do teplé vody nebo polymerové lázně, dostatečně rychlé, aby zachytilo přesycený pevný roztok, ale dostatečně pomalé, aby se zabránilo deformaci tenkých částí.
3. Umělé stárnutí při zhruba 155 až 170 stupních Celsia po dobu 4 až 8 hodin, aby se vysrážely jemné částice silicidu hořčíku, které provádějí skutečné zpevnění.

Klasický režim selhání je zpoždění zhášení, které je delší, než slitina snese. A357 je zde citlivější než A356, protože vyšší obsah hořčíku znamená, že v roztoku musí být zadrženo více rozpuštěné látky. Prodleva několika minut mezi vytažením zátěže a nárazem do zhášecí nádrže může snížit mez kluzu výrazně pod specifikované minimum, zatímco pevnost v tahu bude ovlivněna pouze okrajově, což ztěžuje odhalení problému při jediné kontrole tvrdosti.

Tepelně zpracované hliníkové díly válců motoru a podobné konstrukční odlitky jsou dobrým příkladem přínosu. Stejná geometrie, odlitá ze stejné taveniny, může vyjít z pece buď při meze kluzu 250 MPa nebo 290 MPa v závislosti čistě na tom, jak bylo řízeno kalení.

hliník Auto Engine Cylinder Parts Náhradní díly pro přesazovač rýže Zobrazit produkt →

Odlévací cesta mění to, co stejná chemie přináší

A357 je v drtivé většině gravitační slitina. Lije se do pískových forem, zatmelovacích skořepin, trvalých ocelových forem a nízkotlakých licích forem. Nehodí se přirozeně pro konvenční tlakové lití pod vysokým tlakem a důvodem je plyn, nikoli chemie.

Vysokotlaké lití do formy naplní formu během milisekund a zachytí vzduch a produkty rozkladu maziva uvnitř kovu. Tyto dutiny jsou neviditelné, dokud díl nevstoupí do rozpouštěcí pece při 540 stupních Celsia, v tomto bodě stoupne vnitřní tlak a na povrchu se vytvoří puchýře. A357 závisí na T6, aby dosáhl své pevnosti, takže proces a slitina táhnou v opačných směrech. Pokud chcete chemii A357 ve vysokotlaké části, musíte obecně přijmout stav po odlití nebo stárnutí při nízké teplotě a odpovídající nižší pevnost.

Nízkotlaké lití pod tlakem je užitečné uprostřed. Plnění je pomalé a kontrolované, stoupací trubka přivádí kov pod tlakem prostřednictvím tuhnutí a zachycení plynu je mnohem nižší než při vysokotlakém výstřiku. Díky tomu je nízkotlaký A357 realistickou cestou pro díly, které potřebují jak kontrolu tloušťky stěny, tak plné vlastnosti T6. Pokud chcete pozadí toho, jak proces vyplňuje dutinu, toto vysvětlení toho, jak funguje tlakové lití hliníku prochází sekvencí plnění krok za krokem.

Praktické srovnání tří tras pro práci typu A357:

• Odlévání do písku poskytuje největší volnost při návrhu a nejpomalejší tuhnutí, což zdrsňuje mikrostrukturu a snižuje prodloužení, pokud se nepoužije chlad.
• Trvalé lití do formy urychluje chlazení, zjemňuje strukturu zrna a typicky přidává 20 až 30 MPa pevnosti v tahu oproti písku pro stejnou slitinu.
• Nízkotlaké tlakové lití kombinuje stálou formu s řízeným plněním a udržuje dostatečně nízkou pórovitost plynu pro celý cyklus T6 na silnostěnných dílech.

Části karoserie automobilových válců hliník Die Casting Gasoline Engine Case Zobrazit produkt →

Vady, které se vracejí ke složení nebo manipulaci s taveninou

Většina zmetků A357 není způsobena nesprávnou slitinou. Jsou způsobeny nesprávným zpracováním taveniny. Pět opakujících se problémů je těchto:

Pórovitost plynu. Rozpustnost vodíku v kapalném hliníku je zhruba dvacetinásobkem rozpustnosti v pevném hliníku. Jakýkoli vodík zbylý v tavenině po odplynění se stane kulatými póry, jak kov zmrzne. Fixem je rotační odplynění argonem nebo dusíkem plus čistá, suchá náplň a naměřená hladina vodíku pod cca 0,15 ml na 100 g hliníku pro konstrukční práce.

Smršťovací pórovitost. A357 se při tuhnutí sníží o zhruba 6 až 7 procent objemu. Přívodní cesty, stoupačky a chladiče musí být navrženy tak, aby poslední kapalina, která zmrzne, seděla ve stoupačce spíše než v nálitku šroubu. Jako první se to projeví u přechodů z tlustého do tenkého.

Oxidové inkluze. Na narušeném povrchu taveniny se během několika sekund vytvoří oxid hlinitý. Turbulentní licí záhyby, které filmují do odlitku, vytvářejí lineární defekt, který se na obrobené ploše projevuje jako tmavý pruh, který se nevyleští.

Horké trhání. Obsah křemíku A357 mu dává dobrou odolnost, ale tavenina s nízkým obsahem křemíku nebo tavenina se špatnou zrnitostí se roztrhne na ostrých vnitřních rozích během prvních minut chlazení. Zaoblete rohy a udržujte titan ve středu jeho rozsahu.

Puchýře během T6. Jedná se spíše o selhání při výběru procesu než o selhání chemie a je to jediný nejčastější důvod, proč kupující zjistí, že jím zvolená cesta odlévání nemůže zajistit specifikovanou teplotu.

Kde si díly A357 vydělávají

A357 se objeví všude tam, kde musí odlitek nést zatížení, přežít vibrace a stále si udržet obrobenou toleranci. Všechny níže uvedené aplikace sdílejí tento vzor.

• Konstrukční odlitky letadel a rotorových letadel, kde je hmotnost kritická a únavová životnost je rozhodujícím návrhovým případem.
• Automobilové odpružení a uzly podvozku, včetně ovládacích ramen, kloubů a držáků pomocného rámu.
• Skříně čerpadla, kompresoru a hydrauliky, které vidí vnitřní tlak a cyklické zatížení.
• Skříně motoru a koncové kryty, kde slitina musí držet otvory ložisek kolem dokola prostřednictvím tepelných cyklů.
• Oběžná kola a rotační součásti, kde rovnováha mezi pevností a prodloužením rozhoduje o roztržení.
• Komponenty tepelného managementu v elektrifikovaných pohonných jednotkách, kde je kombinace tuhosti a tepelné dráhy důležitější než hrubá pevnost v tahu.

Skříň motoru odlévaná pod tlakem je reprezentativní případová studie. Součást má obvykle tenkou válcovou stěnu, silnou montážní přírubu a obrobená ložisková sedla na každém konci. Tyto tři vlastnosti táhnou chování tuhnutí ve třech různých směrech najednou: stěna vyžaduje rychlé chlazení, příruba vyžaduje přívod a otvory vyžadují rozměrovou stabilitu po tepelném zpracování. Získat všechny tři z jedné slitiny znamená ponechat křemík ve středním rozsahu pro tekutost, hořčík ve středním rozsahu pro pevnost a železo na spodním konci pro obrobitelnost.

hliník Die Cast Motor Housing 375 hliník Die Casting Gearbox Housing Zobrazit produkt →

Kontrolní seznam nákupu, než uvolníte objednávku

Několik otázek předem odstraní většinu rizika z objednávky A357. Projděte je v tomto pořadí a technická konverzace se zkrátí.

1. Potvrďte teplotu, nejen slitinu. A357-F, A357-T5 a A357-T6 jsou různé produkty s různou úrovní pevnosti a na výkrese musí být uvedeno, který z nich.
2. Požadujte cíle hořčíku a železa, nejen limity. Dodavatel, který usiluje o 0,45 procenta hořčíku, efektivně dodává A356 se štítkem A357.
3. Uveďte, odkud bude kupón mechanické zkoušky vyříznut. Kupon vyříznutý z nálitku bude vždy vypadat lépe než jeden řez z dílu.
4. Odsouhlaste záznam o tepelném zpracování. Doba řešení, zpoždění kalení a teplota stárnutí jsou tři čísla, která rozhodují o výsledku.
5. Před prvním článkem rozhodněte o přijatelných kritériích pro vnitřní spolehlivost, protože výsledky radiografie a řezů vedou ke změnám nástrojů.
6. Potvrďte přídavek na obrábění. A357 obrábí čistě, ale tvrdá místa od segregace nebo hrubého eutektika zničí tvrdokovovou břitovou destičku a zároveň harmonogram včasných dodávek.

Pokud chcete přímou odpověď, zda vaše geometrie vyhovuje A357 nebo jiné slitině, zašlete výkres a výzvu ke slitině našemu technickému týmu a my se vrátíme s trasou procesu, dosažitelnou teplotou a přídavkem na obrábění v jedné odpovědi.

Často kladené otázky o složení hliníkové slitiny A357

Je A357 stejný jako 357.0?

Odkazují na stejnou rodinu. A357 je označení odlitku používané v normách pro odlévání hliníku a 357.0 je označení asociace Aluminium pro stejné složení. Když na výkresu uvidíte 357.0-T6 nebo A357-T6, čtěte je jako stejný materiál a pro jistotu zkontrolujte limity hořčíku a železa, protože starší výkresy někdy obsahují volnější přídavky železa než současná praxe.

Může být A357 litý pod tlakem?

Může být odléván ve vysokotlakém licím stroji, ale poté nemůže být snadno podroben úplnému ošetření T6, protože zachycený plyn expanduje při teplotě roztoku a vytváří puchýře na povrchu. V praxi jsou vysokotlaké díly A357 dodávány v odlitém nebo záměrně nedostačujícím stavu. Pokud výkres vyžaduje A357-T6, měl by být díl směrován do nízkotlakého tlakového lití, trvalé formy, písku nebo přesného lití.

Proč A357 stojí více než A356?

Tři důvody. Přísnější limit železa vyžaduje čistší vsázkový materiál a lepší kontrolu taveniny, což snižuje množství levného odpadu, který může slévárna použít. Vyšší obsah hořčíku znamená přísnější kontrolu procesu během zpracování roztoku. A procesní cesty, které mohou přinést skutečný výsledek T6, jako je nízkotlaká nebo trvalá forma, mají delší dobu cyklu než vysokotlaká dávka.

Jak ověřím obsah hořčíku na příchozí šarži?

Optická emisní spektrometrie na chlazeném vzorku z nalití je standardní metodou a po přípravě vzorku trvá jen několik minut. Požádejte, aby byl údaj o hořčíku uváděn jako číslo spíše než jako vyhovující nebo neúspěšné proti širokému oknu a odeberte vzorky z více než jednoho místa na velkých odlitcích, protože hořčík může během pomalého tuhnutí segregovat.

Potřebuje A357 berylium?

Ne a mnoho specifikací to zakazuje. Přídavek berylia 0,04 až 0,07 procent zlepšuje morfologii fází obsahujících železo a může pomoci s chováním oxidové kůže, ale zavádí požadavky na manipulaci v tavebně a při obrábění. Většina konstrukčních prací se provádí s A357 bez berylia a místo toho s pevným limitem železa.

Dají se díly A357 svařovat?

Se správným plnivem a řízením procesu mohou, ale svařování dílu T6 vytváří místní tepelně ovlivněnou zónu, která ztrácí pevnost. Tam, kde je svar nekonstrukční, to není problém. Tam, kde je svar v dráze zatížení, by měl návrh předpokládat snížení místní pevnosti v této zóně a zohlednit to.

Jakou povrchovou úpravu a toleranci mohu očekávat?

Odlévané povrchy z trvalé formy nebo nízkotlaké formy typicky dosedají mezi 3,2 a 6,3 mikrometry Ra, v závislosti na povlaku formy a tloušťce stěny. Obrobené plochy jsou omezeny nástroji a upínacími prostředky spíše než slitinou a obecné tolerance obrábění plus minus 0,05 mm na kritických otvorech a plochách jsou u stabilního odlitku rutinou.

Je A357 vhodný pro tenkostěnné díly?

Ano, v mezích. Obsah křemíku 7 procent poskytuje dobrou tekutost a stěny až do 3 mm jsou dosažitelné v trvalé formě nebo nízkotlakém lití. Pod tím se problém posouvá od tekutosti k rychlosti tuhnutí: tenké řezy se ochlazují tak rychle, že silicid hořčíku může zůstat částečně nerozpuštěný i po úplném zpracování v roztoku a součást nedosáhne vlastností, které naznačuje její chemie.

Abychom uzavřeli smyčku: Složení hliníkové slitiny A357 je definováno 6,5 až 7,5 procenta křemíku, 0,40 až 0,70 procenta hořčíku a maximálně 0,20 procenta železa, přičemž zbývající prvky jsou udržovány na stopové úrovni a zbytek tvoří hliník. Rozsah hořčíku je to, co jej odděluje od A356 a dává mu zhruba 50 MPa extra mez kluzu ve stavu T6. Hranice železa je to, co zachovává tažnost. A o tom, zda se některá z těchto výhod skutečně projeví v hotovém dílu, rozhoduje cesta lití plus disciplína kalení.

Pokud nabídka pro A357-T6 vypadá znatelně levněji než ostatní, odpověď je obvykle na jednom ze tří míst: hořčíkový terč, železný strop nebo skutečně dodávaná tempera. Zeptejte se na čísla a argument rychle skončí.