Stop aluminiowo-krzemowy

Stopy aluminium-krzem (AlSi) to stopy aluminium – stopy składające się głównie z aluminium – z krzemem jako najważniejszym pod względem ilości pierwiastkiem stopowym . Czyste stopy AlSi nie mogą być utwardzane, można utwardzać często stosowane stopy AlSiCu (z miedzią ) i AlSiMg (z magnezem ). Mechanizm utwardzania odpowiada mechanizmowi AlCu i AlMgSi . Rzadko używane stopy do obróbki plastycznej z serii 4000 i przeważnie używane stopy odlewnicze z serii 40000 są znormalizowane . Stopy AlSi są zdecydowanie najważniejszym ze wszystkich odlewanych materiałów aluminiowych . Nadają się do wszystkich procesów odlewniczych i mają doskonałe właściwości odlewnicze . Ważnymi obszarami zastosowań są części samochodowe, w tym bloki silników i tłoki. Obecny nacisk kładzie się również na ich wykorzystanie jako materiału funkcjonalnego do magazynowania wysokoenergetycznego ciepła w pojazdach elektrycznych.

Elementy stopowe

Oprócz aluminium jako głównego składnika stopy AlSi zawierają krzem jako główny składnik stopowy . Zapewnia bardzo dobre właściwości odlewnicze .

Wszystkie stopy aluminium zawierają żelazo jako domieszkę . Jest to generalnie niepożądane, ponieważ obniża wytrzymałość i wydłużenie przy zerwaniu. Wraz z Al i Si tworzy fazę AlFeSi , która jest obecna w strukturze w postaci małych igiełek. Jednak żelazo zapobiega również przywieraniu odlewów do form podczas odlewania ciśnieniowego , dzięki czemu specjalne stopy odlewnicze zawierają niewielką ilość żelaza, podczas gdy w przypadku innych stopów unika się żelaza w miarę możliwości.

Mangan zmniejsza również skłonność do przywierania, ale wpływa na właściwości mechaniczne w mniejszym stopniu niż żelazo. Mangan tworzy fazę z innymi pierwiastkami w postaci kulistych (okrągłych) ziaren.

Miedź występuje przynajmniej jako domieszka w prawie wszystkich stopach technicznych. Od zawartości 0,05% Cu zmniejsza się odporność na korozję. Dodatki około 1% Cu są dodawane w celu zwiększenia wytrzymałości poprzez wzmocnienie roztworu stałego . Poprawia to również obrabialność . W przypadku stopów AlSiCu dodawane są również większe udziały miedzi, co oznacza, że ​​materiały mogą być utwardzane (patrz stop aluminium-miedź ).

Magnez tworzy wraz z krzemem fazę Mg 2 Si ( krzemek magnezu ), która jest podstawą hartowności, podobnie jak w przypadku stopów aluminiowo-magnezowo-krzemowych (AlMgSi). Mają one nadmiar Mg, więc struktura składa się z mieszanego kryształu glinu z magnezem i Mg 2 Si. Natomiast w przypadku stopów AlSiMg występuje nadmiar krzemu, a struktura składa się z roztworu stałego aluminium, krzemu i Mg 2 Si.

Niewielkie dodatki tytanu i boru służą do rafinacji ziarna .

Aplikacje

Generalnie, stopy AlSi są używane głównie w odlewniach, zwłaszcza do budowy pojazdów. Stopy do obróbki plastycznej są bardzo rzadkie. Są one stosowane jako spoiwa (drut spawalniczy) lub lutu w lutowania twardego . Kute tłoki AlSi są również czasami budowane dla lotnictwa.

Eutektyczne stopy odlewnicze ze AlSi są stosowane na części maszyny, głowic cylindrów , korbowych cylindrów , wirników i organów żeber. Stopy nadeutektyczne (bogate w krzem) są stosowane na części silników ze względu na ich niską rozszerzalność cieplną oraz wysoką wytrzymałość i odporność na zużycie. Obejmuje to również specjalne stopy tłokowe zawierające około 25% Si.

Stopy z dodatkami magnezu (AlSiMg) mogą być utwardzane i są stosowane ze względu na dobrą wytrzymałość, odporność na korozję i wydłużenie przy zerwaniu do felg wytwarzanych metodą odlewania niskociśnieniowego . Stopy zawierające około 10% Si są używane do produkcji głowic cylindrów, obudów przełączników, kolektorów dolotowych , zbiorników transformatorów, zawieszeń kół i misek olejowych. Do części podwozia i kół stosuje się stopy o zawartości od 5% Si do 7% Si . Dzięki zawartości 9% nadają się do elementów konstrukcyjnych i węzłów karoserii.

Stopy AlSiCu zawierające miedź są stosowane w skrzyniach biegów, skrzyniach korbowych i głowicach cylindrów ze względu na ich wysoką wytrzymałość temperaturową i hartowność.

Oprócz zastosowania stopów AlSi jako materiału konstrukcyjnego, w którym na pierwszy plan wysuwają się właściwości mechaniczne, kolejnym obszarem zastosowania jest magazynowanie ciepła utajonego . W przemianie fazowej stopu w temperaturze 577°C energia cieplna może być magazynowana w postaci utajonego ciepła topnienia. AlSi może zatem również jako metaliczny materiał o przemianie fazowej (angielski m etallic P Hase C mień M aterial, mPCM ) mogą być stosowane. W porównaniu z innymi materiałami przemiany fazowej, metale charakteryzują się wysoką gęstością energii właściwej, a jednocześnie wysoką przewodnością cieplną. To ostatnie jest ważne dla szybkiego wprowadzania i odprowadzania ciepła do materiału magazynującego, a tym samym zwiększa wydajność systemu magazynowania ciepła. Te korzystne właściwości mPCM, takich jak AlSi, są szczególnie ważne w zastosowaniach samochodowych, ponieważ tutaj kluczowymi celami są niskie masy i objętości, a także wysoka wydajność cieplna. Wykorzystując systemy magazynowania oparte na mPCM, zasięg samochodów elektrycznych można zwiększyć, przechowując energię cieplną wymaganą do ogrzewania w mPCM, zamiast pobierać ją z akumulatora trakcyjnego.

Do aluminiowania na gorąco stosuje się również prawie eutektyczne wytopy AlSi. W procesie ciągłego cynkowania taśmy taśmy stalowe uszlachetniane są żaroodporną powłoką metaliczną o grubości 10-25 µm. Blacha stalowa aluminiowana na gorąco jest niedrogim materiałem na elementy narażone na działanie ciepła. W przeciwieństwie do powłok cynkowych, powłoka nie zapewnia ochrony katodowej w warunkach atmosferycznych .

Czyste stopy aluminiowo-krzemowe

Diagram fazowy aluminium-krzem

Aluminium tworzy eutektykę z krzemem , który ma temperaturę 577°C, z zawartością Si 12,5% lub 12,6%. W tej temperaturze w aluminium można rozpuścić do 1,65% Si. Jednak rozpuszczalność szybko spada wraz z temperaturą. W 500°C jest to nadal 0,8% Si, w 400°C 0,3% Si, a w 250°C tylko 0,05% Si. Krzem jest praktycznie nierozpuszczalny w temperaturze pokojowej. Żadne aluminium nie rozpuszcza się w krzemie, nawet w wysokich temperaturach. Tylko w stanie stopionym oba są całkowicie odłączalne. Wzrosty wytrzymałości w wyniku wzmocnienia roztworu stałego są znikome.

Stopy czystego AlSi topi się z aluminium pierwotnego , natomiast stopy AlSi z innymi pierwiastkami topi się zwykle z aluminium wtórnego . Czyste stopy AlSi mają średnią wytrzymałość, nie mogą być utwardzane przez starzenie, ale są odporne na korozję, nawet w środowisku ze słoną wodą.

Dokładne właściwości zależą od tego, czy skład stopu znajduje się powyżej, w pobliżu lub poniżej punktu eutektycznego. Castability wzrasta wraz ze wzrostem zawartości Si i jest najlepsza przy około 17% Si; właściwości mechaniczne są najkorzystniejsze przy zawartości 6% do 12% Si.

Poza tym stopy AlSi mają na ogół korzystne właściwości odlewnicze: skurcz wynosi tylko 1,25%, a wpływ grubości ścianki jest niewielki.

Stopy podeutektyczne

Stopy podeutektyczne (również podeutektyczne) mają zawartość krzemu poniżej 12%. W ich przypadku najpierw krzepnie aluminium. Wraz ze spadkiem temperatury i wzrostem udziału zestalonego aluminium zawartość krzemu w stopie resztkowym wzrasta aż do osiągnięcia punktu eutektycznego. Następnie cały pozostały stop zestala się jako eutektyk. Struktura charakteryzuje się zatem pierwotnym aluminium, które często występuje w postaci dendrytów , oraz eutektyką pozostałości stopionej między nimi. Im niższa zawartość krzemu, tym większe dendryty.

W czystych stopach AlSi eutektyka często występuje w postaci zdegenerowanej. Zamiast drobnej struktury o dobrych właściwościach mechanicznych, typowych dla eutektyków, AlSi ma postać gruboziarnistej struktury podczas powolnego chłodzenia, w której krzem tworzy duże płytki lub igły. Niektóre z nich można zobaczyć gołym okiem i powodują kruchość materiału. Nie stanowi to problemu w przypadku odlewania w formach trwałych , ponieważ prędkości chłodzenia są tutaj wystarczająco duże, aby uniknąć degeneracji.

Zwłaszcza przy odlewaniu piaskowym , przy niskich prędkościach chłodzenia, do wytopu dodawane są dodatkowe pierwiastki, aby uniknąć degeneracji. Odpowiednie: sód , stront i antymon . Pierwiastki te są dodawane do stopu w temperaturze około 720°C do 780°C , co prowadzi do przechłodzenia , co zmniejsza dyfuzję krzemu, a tym samym prowadzi do zwykłej drobnej eutektyki, co skutkuje wyższą wytrzymałością i wydłużeniem przy zerwaniu.

Stopy eutektyczne i zbliżone do eutektyki

Do stopów eutektycznych zalicza się stopy zawierające od 11% do 13% Si. Wyżarzanie może poprawić wydłużenie i wytrzymałość zmęczeniową. Zestalania się powłoki formowania stopów nietraktowanych gładkościenny rafinowanym stopu, co prowadzi do bardzo dobrej lejności. Przede wszystkim płynność i zdolność wypełniania formy są bardzo dobre, dlatego stopy eutektyczne nadają się na części cienkościenne.

  • Struktura, nierafinowana

  • Struktura, dopracowana

Stopy nadeutektyczne

Stopy zawierające więcej niż 13% Si nazywane są hipereutektycznymi lub hipereutektycznymi. Zawartość Si wynosi zwykle do 17%, a specjalne stopy tłokowe również ponad 20%. Stopy nadeutektyczne mają bardzo niską rozszerzalność cieplną i są bardzo odporne na zużycie. W przeciwieństwie do wielu innych stopów, stopy AlSi nie mają maksymalnej płynności w sąsiedztwie eutektyki, lecz od 14 do 16% Si, w przypadku przegrzania od 17% do 18% Si. Skłonność do pęknięć na gorąco jest minimalny w przedziale od 10% do 14%. W przypadku stopów hipereutektycznych kryształy krzemu najpierw zestalają się w stopie, aż pozostały stop zestala się jako eutektyka. Do rozdrabniania ziarna stosuje się stopy miedziowo-fosforowe. Twardy i kruchy krzem prowadzi do zwiększonego zużycia narzędzi podczas późniejszej obróbki , dlatego czasami stosuje się narzędzia diamentowe. (Patrz także Skrawalność # Aluminium i Stopy Aluminium .)

Stopy aluminium-krzem-magnez

Stopy AlSiMg z niewielkimi dodatkami magnezu (poniżej 0,3 do 0,6% Mg) można utwardzać zarówno na zimno, jak i na ciepło. Zawartość magnezu spada wraz ze wzrostem zawartości krzemu, która wynosi od 5% Si do 10% Si. Są one związane ze stopami AlMgSi : Oba opierają się na fakcie, że krzemek magnezu Mg 2 Si wytrąca się w wysokich temperaturach , który występuje w materiale w postaci drobno rozdrobnionych cząstek i tym samym zwiększa wytrzymałość. Magnez zwiększa również wydłużenie przy zerwaniu. W przeciwieństwie do AlSiCu, który można również utwardzać, stopy te są odporne na korozję i łatwe do odlewania. Jednak w niektórych stopach AlSiMg miedź występuje jako zanieczyszczenie, co zmniejsza odporność na korozję. Dotyczy to w szczególności materiałów, które zostały wytopione z aluminium wtórnego .

Stopy aluminium-krzem-miedź

Stopy AlSiCu są również utwardzalne cieplnie i dodatkowo wysokowytrzymałe, ale podatne na korozję i gorzej, ale wciąż wystarczająco, odlewne. Często jest topi się z wtórnego aluminium. Hartowanie opiera się na tym samym mechanizmie, co stopy AlCu . Zawartość miedzi wynosi od 1% do 4%, krzemu od 4% do 10%. Niewielkie dodatki magnezu poprawiają wytrzymałość.

Kompozycje odmian standaryzowanych

Wszystkie dane podane są w procentach masowych . Reszta to aluminium.

Stopy do obróbki plastycznej

Liczebnie Chemicznie Krzem żelazo Miedź mangan magnez
EN AW-4004 AlSi10Mg1,5 9,0-10,5 0,8 0,25 0,10 1,0-2,0
EN AW-4014 AlSi2 1,4-2,2 0,7 0,20 0,35 0,30-0,8

Stopy odlewnicze

Liczebnie Chemicznie Krzem żelazo Miedź mangan magnez
EN AC-42000 AlSi7Mg 6,5-7,5 0,45 0,15 0,35 0,25-0,65
EN AC-42200 AlSi7Mg0,6 6,5-7,5 0,15 0,03 0,1 0,45-0,7
EN AC-43400 AlSi10Mg (Fe) 9,0-11,0 1,0 0,10 0,001-0,4 0,2-0,5
PL AC-45000 AlSi6Cu4 5,0-7,0 1,0 3.0-5.0 0,20-0,65 0,55
EN AC-47000 AlSi12 (Cu) 10,5-13,5 0,8 1,0 0,05 0,35

Własności mechaniczne gatunków znormalizowanych i nienormowanych

Chemicznie Państwo Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Granica plastyczności [MPa] Wydłużenie przy zerwaniu [%] Twardość Brinella [HB]
AlSi7Mg
  • Odlewanie piaskowe, jak odlew
  • Odlew piaskowy, sztucznie utwardzony
  • Odlewanie na zimno, stan po odlaniu
  • Odlewanie na zimno, sztucznie utwardzone starzeniowo
  • 140
  • 220
  • 170
  • 260
  • 80
  • 180
  • 90
  • 220
  • 2
  • 1
  • 2,5
  • 1
  • 50
  • 75
  • 55
  • 90
AlSi7Mg0,6 Odlew piaskowy, sztucznie utwardzony 230 190 2 75
AlSi10Mg (Fe) Odlew ciśnieniowy, stan po odlaniu 240 140 1 70
AlSi6Cu4 Odlewanie piaskowe, jak odlew 150 90 1 60
AlSi12 (Cu) Odlewanie piaskowe, jak odlew 150 70 6. 45
AlSi17Cu4Mg (A390) Odlewanie na zimno, stan po odlaniu 200 200 <1 110

literatura

  • Friedrich Ostermann: Technika aplikacji aluminium. 3. Wydanie. Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 .
  • Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały. Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wydanie 16, 2002.
  • George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Handbook of Aluminium Tom 1: Metalurgia fizyczna i procesy. Marcel Dekker, Yew York, Bazylea. 2003.
  • Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek , Walter Michaeli , Günter Spur (red.): Handbuch Urformen. Hanser, 2014, s. 62–66.

Indywidualne dowody

  1. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 145-151.
  2. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 21.
  3. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. Wydanie. Springer, 2014, s. 152 n.
  4. ^ Fritz, Schulze: Technologia wytwarzania , wydanie 11, s. 40 f.
  5. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 63.
  6. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 63.
  7. ↑ Zwiększony zasięg pojazdów elektrycznych zimą. W: Strona internetowa Niemieckiego Centrum Lotniczego. Źródło 17 maja 2018 .
  8. ↑ Cechy charakterystyczne 095: Taśmy i blachy powlekane ogniowo. (PDF) W: Strona internetowa Federacji Stali. Źródło 11 października 2019 .
  9. ↑ a b Aluminium Pocket Book - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 100.
  10. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. Wydanie. Springer, 2014, s. 182.
  11. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. Wydanie. Springer, 2014, s. 182.
  12. ^ Fritz, Schulze, 9. wydanie, s. 36.
  13. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 100.
  14. ↑ Podręcznik Urformen, s. 62.
  15. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 101.
  16. ↑ Handbuch Urformen, s. 23, 62.
  17. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 101.
  18. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 63.
  19. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 66.
  20. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 16. edycja, 2002, s. 146 f.
  21. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 63.
  22. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wyd. 16, 2002, s. 149 i nast.
  23. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek, Walter Michaeli, Günter Spur (red.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, s. 63 f.
  24. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wydanie 16, 2002, s. 649ff
  25. ^ Aluminiowa książeczka kieszonkowa - Tom 1: Podstawy i materiały . Aluminium-Verlag, Düsseldorf, wydanie 16, 2002, s. 659ff
  26. ↑ Sebastian F. Fischer, Christian Oberschelp: Materiały odlewane na bazie aluminium w: Andreas Bühring-Polaczek , Walter Michaeli , Günter Spur (red.): Handbuch Urformen , Hanser, 2014, s. 64–65.