Skład stopu aluminium A357: objaśnienie krzemu, magnezu i obróbki cieplnej

Jeśli na rysunku wskazano A357-T6, a dostawca dostarczy A356-T6, części nadal będą skręcone. Nadal będą prawidłowo mierzyć na maszynie CMM. Mogą nawet przejść test laboratoryjny. Nie osiągną jednak granicy plastyczności założonej w projekcie, a niedobór ten zwykle pojawia się kilka miesięcy później w postaci pękniętej obudowy, zaciekającej powierzchni uszczelnienia lub uszkodzenia zmęczeniowego piasty śruby. Na papierze różnica w składzie chemicznym jest niewielka i właśnie dlatego prześlizguje się ona przez kontrolę przychodzącą.

Skład stopu aluminium A357 wynosi wagowo 6,5 do 7,5 procent krzemu, 0,40 do 0,70 procent magnezu, maksymalnie 0,20 procent żelaza, maksymalnie 0,20 procent miedzi, maksymalnie 0,10 procent manganu, maksymalnie 0,10 procent cynku i maksymalnie 0,20 procent tytanu . Aluminium stanowi równowagę. W porównaniu z A356 zarówno podłoga magnezowa, jak i sufit magnezowy przesuwają się w górę, a granica żelaza jest mocniej utrzymywana. Te dwie zmiany zapewniają o około 15 procent większą granicę plastyczności po odpowiedniej obróbce cieplnej T6.

To jest krótka odpowiedź. W pozostałej części tego artykułu omówiono skład chemiczny element po elemencie, porównano A357 z A356 i 356 w liczbach rzeczywistych, a następnie wyjaśniono, w jaki sposób sposób odlewania i cykl starzenia decydują o tym, czy dany skład chemiczny stanie się niezawodną częścią konstrukcyjną, czy też kosztowną stertą złomu.

Skład stopu aluminium A357: pełna chemia, element po elemencie

Poniższa tabela zawiera opublikowane limity składu dla oznaczenia odlewu A357.0 wraz z praktycznym zakresem docelowym, do którego odlewnie faktycznie dążą w ramach tych limitów. Limity wynikają ze standardowych specyfikacji odlewów aluminiowych stosowanych w całej branży i te same liczby pojawiają się w arkuszach oznaczeń stowarzyszenia Aluminium Association oraz w podręczniku ASM, tom 15: Casting, który pozostaje standardowym odniesieniem w metalurgii odlewów aluminium.

Jeden szczegół zaskakuje kupujących: niektóre warianty A357 pozwalają na bardzo mały dodatek berylu, w zakresie od 0,04 do 0,07 procent, w celu zaokrąglenia płytek zawierających żelazo. Inni ograniczają zawartość berylu do 0,0007 procent i zabraniają go w praktyce. Jeśli część jest przeznaczona do środowiska regulowanego lub celi obróbczej, w której obowiązują rygorystyczne zasady dotyczące obsługi powietrza, ta pojedyncza linia w arkuszu specyfikacji zmienia to, która topielnia może Ci podać.

Co właściwie każdy element robi w odlewie

Krzem w ilości od 6,5 do 7,5 procent

Dzięki krzemowi w ogóle można wylewać ten stop. Obniża zakres topnienia i popycha stop w kierunku eutektyki aluminiowo-krzemowej, która osiąga temperaturę bliską 577 stopni Celsjusza. Przy zawartości około 7 procent krzemu stop jest podeutektyczny, więc zestalona struktura jest mieszanką dendrytów aluminiowych otoczonych delikatną siecią eutektyczną. Ta sieć zapewnia płynność cienkościennych ścian, odporność na rozdzieranie na gorąco i stosunkowo niskie naprężenia skurczowe.

Jeśli obniżysz poziom krzemu poniżej dopuszczalnego zakresu, błędy i gorące łzy staną się rutyną. Popchnij go powyżej zakresu, a krzem eutektyczny zgrubnieje, tworząc iglaste płytki, które działają jak wewnętrzne nacięcia. Niemodyfikowany krzem eutektyczny w odlewie A357 może zmniejszyć wydłużenie o 40 procent lub więcej w porównaniu z odpowiednio zmodyfikowanym stopem, dlatego standardową praktyką jest dodatek strontu w ilości około 0,010 do 0,020 procent lub modyfikator na bazie sodu.

Magnez w ilości od 0,40 do 0,70 procent

Magnez jest pierwiastkiem utwardzającym i głównym powodem, dla którego A357 istnieje jako odrębny stop. Podczas sztucznego starzenia drobny krzemek magnezu wytrąca się zarodkowo w całej matrycy aluminiowej i blokuje ruch dyslokacyjny. A356 ogranicza magnez do 0,45 procent; A357 pozwala na maksymalnie 0,70 proc. Ten dodatkowy magnez podnosi szczytową granicę plastyczności po starzeniu o około 20 do 30 MPa, gdy wszystko inne jest niezmienne.

Kompromisem jest wrażliwość procesu. A357 znajduje się bliżej granicy swojej granicy rozpuszczalności, więc krótka obróbka roztworem lub nierównomierne hartowanie pozostawia nierozpuszczony krzemek magnezu, a część nie spełnia swojej specyfikacji, wciąż przechodząc kontrolę widmową przychodzącego wlewka.

Żelazo w maksymalnej ilości 0,20 procent

Żelazo to cichy zabójca plastyczności. Powyżej około 0,25% w 7% stopie krzemu żelazo tworzy płytki Al5FeSi w fazie beta, które są kruche, podobne do płytek i podatne na pękanie pod obciążeniem. Trzymanie żelaza na poziomie 0,20 procent lub mniej, a najlepiej 0,15 procent w przypadku pracy najwyższej jakości, sprawia, że ​​płytki krwi są małe i mniej szkodliwe. Ta węższa granica żelaza, większa niż magnezu, odróżnia najwyższej jakości stop A357 od zwykłego stopu wtórnego.

Uszlachetnianie tytanu i ziarna

Tytan w ilości od 0,10 do 0,15 procent, zwykle wprowadzany w postaci przedstopu Al-5Ti-1B, ogranicza wzrost ziaren podczas krzepnięcia. Drobne ziarna równoosiowe poprawiają podawanie, rozprzestrzeniają porowatość skurczową na mniejsze i lepiej rozmieszczone pory oraz zwiększają zarówno wytrzymałość na rozciąganie, jak i wydłużenie. Stop, który został odgazowany i zmodyfikowany, ale nie rafinowany, będzie wykazywać gruboziarniste ziarna kolumnowe i większy rozrzut w wynikach testów mechanicznych.

Miedź, mangan, cynk i wiadro śladowe

Miedź jest ograniczona do 0,20 procent, ponieważ pogarsza właściwości antykorozyjne w środowiskach wilgotnych lub zasolonych. Mangan w maksymalnej ilości 0,10 procent modyfikuje nieznacznie fazę żelaza, ale nie jest w stanie uratować stopu, który jest już bogaty w żelazo. Cynk w maksymalnej zawartości 0,10 procent jest w dużej mierze parametrem kontroli złomu. Limity catch-all, 0,05 procent dla dowolnego pojedynczego, nieokreślonego pierwiastka i 0,15 procent ogółem, istnieją po to, aby zapobiec zmianie zachowania stopu podczas krzepnięcia przez nieznane pozostałości.

A357 vs A356 vs 356: Gdzie liczby są rozdzielone

Te trzy stopy są często wymieniane zamiennie, a po rewizji rysunku mogą wyglądać jak warianty urzędnicze. Nie są. Poniższa tabela przedstawia typowe opublikowane wartości T6; rzeczywiste liczby zmieniają się w zależności od procesu odlewania, grubości przekroju i pozycji, z której wycina się kupon.

Praktyczna lektura: jeśli w analizie naprężeń założono granicę plastyczności A357, a otrzymasz A356, po cichu straciłeś około 50 MPa marginesu. Na części o współczynniku bezpieczeństwa 3 jest to niewidoczne. W przypadku części o współczynniku bezpieczeństwa 1,4 jest to różnica pomiędzy pozytywnym wynikiem testu zmęczeniowego a przeprojektowaniem.

Obróbka cieplna: dlaczego sama chemia nie wystarczy

Możesz trafić każdą liczbę z Tabeli 1 i nadal tworzyć miękką część. Stop osiąga określoną wytrzymałość dopiero po trzystopniowym cyklu T6, a każdy etap ma wąskie okno praktyczne.

1. Obróbka roztworem w temperaturze około 540 stopni Celsjusza przez 6 do 12 godzin, wystarczająco długo, aby rozpuścić fazy bogate w magnez z powrotem w roztwór stały.
2. Hartowanie, zwykle w ciepłej wodzie lub kąpieli polimerowej, wystarczająco szybkie, aby zatrzymać przesycony roztwór stały, ale wystarczająco wolne, aby uniknąć wypaczenia cienkich skrawków.
3. Sztuczne starzenie w temperaturze około 155 do 170 stopni Celsjusza przez 4 do 8 godzin w celu wytrącenia drobnych cząstek krzemku magnezu, które faktycznie wzmacniają.

Klasycznym rodzajem awarii jest opóźnienie hartowania dłuższe niż tolerowane przez stop. A357 jest tutaj bardziej czuły niż A356, ponieważ wyższe obciążenie magnezem oznacza, że ​​więcej substancji rozpuszczonej musi zostać zatrzymane w roztworze. Kilkuminutowe opóźnienie pomiędzy pociągnięciem ładunku a uderzeniem w zbiornik hartowniczy może spowodować spadek granicy plastyczności znacznie poniżej określonego minimum, pozostawiając jedynie marginalny wpływ na wytrzymałość na rozciąganie, co sprawia, że ​​problem jest trudny do wykrycia za pomocą pojedynczej kontroli twardości.

Obrobione cieplnie aluminiowe części cylindrów silnika i podobne odlewy konstrukcyjne dobrze ilustrują opłacalność. Ta sama geometria, wylana z tego samego stopu, może opuścić piec przy granicy plastyczności 250 MPa lub 290 MPa, w zależności wyłącznie od sposobu chłodzenia.

Aluminium Auto Engine Cylinder Parts Części zamienne do rozsadzacza ryżu Zobacz produkt →

Droga castingu zmienia to, co zapewnia ta sama chemia

A357 jest w przeważającej mierze stopem należącym do rodziny grawitacyjnej. Wlewa się go do form piaskowych, muszli inwestycyjnych, trwałych form stalowych i niskociśnieniowych matryc do odlewania ciśnieniowego. Nie jest to naturalne dopasowanie do konwencjonalnego odlewania pod wysokim ciśnieniem, a powodem jest gaz, a nie chemia.

Odlewanie pod wysokim ciśnieniem wypełnia matrycę w ciągu milisekund i zatrzymuje wewnątrz metalu powietrze i produkty rozkładu smaru. Te puste przestrzenie są niewidoczne, dopóki część nie trafi do pieca do obróbki przesycającej w temperaturze 540 stopni Celsjusza, kiedy to wzrasta ciśnienie wewnętrzne i na powierzchni pojawiają się pęcherze. Osiągnięcie wytrzymałości A357 zależy od T6, więc proces i stop ciągną się w przeciwnych kierunkach. Jeśli chcesz zastosować chemię A357 w części pod wysokim ciśnieniem, zazwyczaj musisz zaakceptować stan odlewu lub starzenie w niskiej temperaturze i odpowiednio niższą wytrzymałość.

Odlewanie ciśnieniowe pod niskim ciśnieniem znajduje się w przydatnym położeniu pośrednim. Napełnianie jest powolne i kontrolowane, rura wznośna podaje metal pod ciśnieniem w wyniku krzepnięcia, a uwięzienie gazu jest znacznie mniejsze niż w przypadku wtrysku pod wysokim ciśnieniem. To sprawia, że ​​niskociśnieniowy A357 jest realistyczną metodą w przypadku części, które wymagają zarówno kontroli grubości ścianki, jak i pełnych właściwości T6. Jeśli chcesz wiedzieć, jak proces wypełnia ubytek, to wyjaśnienie, jak działa odlewanie ciśnieniowe aluminium przechodzi krok po kroku przez sekwencję napełniania.

Praktyczne porównanie trzech tras pracy typu A357:

• Odlewanie piaskowe daje największą swobodę projektowania i najwolniejsze krzepnięcie, co powoduje pogrubienie mikrostruktury i zmniejszenie wydłużenia, chyba że stosuje się na zimno.
• Trwałe odlewanie w formie przyspiesza chłodzenie, poprawia strukturę ziaren i zazwyczaj dodaje 20 do 30 MPa wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu z piaskiem w przypadku tego samego stopu.
• Odlewanie ciśnieniowe pod niskim ciśnieniem łączy stałą formę z kontrolowanym wypełnieniem, utrzymując porowatość gazu na wystarczająco niskim poziomie, aby zapewnić pełny cykl T6 w przypadku części o grubych ściankach.

Części korpusu cylindra samochodowego Aluminium Die Casting Gasoline Engine Case Zobacz produkt →

Wady, które wynikają ze składu lub postępowania ze stopionym materiałem

Większość odrzutów A357 nie wynika z niewłaściwego stopu. Są one spowodowane niewłaściwym traktowaniem stopu. Oto pięć powtarzających się problemów:

Porowatość gazowa. Rozpuszczalność wodoru w ciekłym aluminium jest około dwudziestokrotnie większa niż rozpuszczalność w stałym aluminium. Wodór pozostały w stopionym metalu po odgazowaniu staje się okrągłymi porami, gdy metal zamarza. Rozwiązaniem jest odgazowanie obrotowe za pomocą argonu lub azotu plus czysty, suchy wsad i zmierzony poziom wodoru poniżej około 0,15 ml na 100 g aluminium do prac konstrukcyjnych.

Porowatość skurczowa. A357 kurczy się w przybliżeniu od 6 do 7 procent objętościowo podczas zestalania. Ścieżki podawania, piony i dreszcze muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby ostatnia zamarznięta ciecz znajdowała się w pionie, a nie w występie śruby. Najpierw pojawia się to w przypadku przejść od grubego do cienkiego.

Wtrącenia tlenkowe. Tlenek glinu tworzy się w ciągu kilku sekund na naruszonej powierzchni stopu. Turbulentne odlewanie powoduje fałdowanie tej folii w odlewie i powoduje liniowy defekt, który pojawia się na powierzchni obrobionej maszynowo jako ciemna smuga, która nie daje się wypolerować.

Gorące rozdarcie. Zawartość krzemu w A357 zapewnia dobrą odporność, ale stop o niskiej zawartości krzemu lub słabo rozdrobniony ziarno będzie rozrywał się na ostrych wewnętrznych narożnikach podczas pierwszych minut chłodzenia. Promuj rogi i utrzymuj tytan w środku jego zakresu.

Pęcherze w T6. Jest to raczej błąd w wyborze procesu niż błąd chemiczny i jest to najczęstszy powód, dla którego kupujący odkrywa, że ​​wybrana przez niego metoda odlewania nie jest w stanie zapewnić określonego charakteru.

Gdzie części do A357 zarabiają na życie

A357 pojawia się wszędzie tam, gdzie odlew musi wytrzymać obciążenie, przetrwać wibracje i nadal utrzymywać tolerancję obróbki. Wszystkie poniższe aplikacje mają ten sam wzór.

• Odlewy konstrukcyjne statków powietrznych i wiropłatów, gdzie masa ma kluczowe znaczenie, a trwałość zmęczeniowa jest głównym przypadkiem projektowym.
• Węzły zawieszenia i podwozia samochodowego, w tym wahacze, zwrotnice i wsporniki ramy pomocniczej.
• Obudowy pomp, sprężarek i układów hydraulicznych mierzące ciśnienie wewnętrzne i obciążenie cykliczne.
• Obudowy silników i pokrywy końcowe, w których stop musi utrzymywać okrągłe otwory łożysk w wyniku cykli termicznych.
• Wirniki i elementy obrotowe, w przypadku których równowaga pomiędzy wytrzymałością a wydłużeniem decyduje o marginesie rozerwania.
• Elementy odpowiedzialne za zarządzanie temperaturą w zelektryfikowanych układach napędowych, gdzie połączenie sztywności i ścieżki cieplnej ma większe znaczenie niż sama wytrzymałość na rozciąganie.

Odlewana obudowa silnika jest reprezentatywnym studium przypadku. Część ma zwykle cienką cylindryczną ściankę, gruby kołnierz montażowy i obrobione maszynowo gniazda łożysk na każdym końcu. Te trzy cechy powodują krzepnięcie w trzech różnych kierunkach jednocześnie: ściana wymaga szybkiego chłodzenia, kołnierz wymaga podawania, a otwory wymagają stabilności wymiarowej po obróbce cieplnej. Uzyskanie wszystkich trzech z jednego stopu oznacza utrzymanie średniego zakresu krzemu ze względu na płynność, średniego zakresu magnezu ze względu na wytrzymałość i żelaza na niskim poziomie ze względu na skrawalność.

Aluminium Die Cast Motor Housing 375 Aluminium Die Casting Gearbox Housing Zobacz produkt →

Lista kontrolna zaopatrzenia przed wydaniem zamówienia

Kilka pytań z góry eliminuje większość ryzyka związanego z zamówieniem A357. Przepracuj je w tej kolejności, a rozmowa techniczna stanie się krótka.

1. Potwierdź temperament, a nie tylko stop. A357-F, A357-T5 i A357-T6 to różne produkty o różnych poziomach wytrzymałości, a rysunek musi wskazywać, który z nich.
2. Zapytaj o docelowe wartości magnezu i żelaza, a nie tylko limity. Dostawca mający na celu 0,45% magnezu faktycznie dostarcza A356 z etykietą A357.
3. Określ miejsce, z którego zostanie wycięty kupon do testów mechanicznych. Kupon wycięty z pionu zawsze będzie wyglądał lepiej niż jeden wycięty z części.
4. Uzgodnij protokół obróbki cieplnej. Czas rozpuszczania, opóźnienie hartowania i temperatura starzenia to trzy liczby, które decydują o wyniku.
5. Zdecyduj o kryteriach akceptacji dotyczących stanu wewnętrznego przed pierwszym artykułem, ponieważ wyniki radiograficzne i cięcia wpływają na zmiany w oprzyrządowaniu.
6. Potwierdzić naddatek na obróbkę. A357 obrabia czysto, ale twarde plamy powstałe w wyniku segregacji lub grubej eutektyki zniszczą wkładkę węglikową i jednocześnie terminowość dostaw.

Jeżeli chcesz uzyskać prostą odpowiedź czy Twoja geometria pasuje do A357 czy innego stopu, wyślij rysunek i objaśnienie dotyczące stopu do naszego zespołu inżynierów a my w jednej odpowiedzi wrócimy z trasą procesu, osiągalnym temperamentem i naddatkiem na obróbkę.

Często zadawane pytania dotyczące składu stopu aluminium A357

Czy A357 to to samo co 357.0?

Dotyczą tej samej rodziny. A357 to oznaczenie odlewu stosowane w normach dotyczących odlewów aluminium, a 357.0 to oznaczenie stowarzyszenia Aluminium dla tego samego składu. Kiedy zobaczysz na rysunku 357.0-T6 lub A357-T6, odczytaj je jako ten sam materiał i dla pewności sprawdź limity magnezu i żelaza, ponieważ starsze rysunki czasami zawierają luźniejsze naddatki żelaza niż obecna praktyka.

Czy A357 może być odlewany pod wysokim ciśnieniem?

Można go odlać w wysokociśnieniowej maszynie do odlewania ciśnieniowego, ale nie można go później łatwo poddać pełnej obróbce T6, ponieważ uwięziony gaz rozszerza się w temperaturze roztworu i powoduje powstawanie pęcherzy na powierzchni. W praktyce części wysokociśnieniowe A357 dostarczane są w stanie odlanym lub celowo niestarzone. Jeśli rysunek wymaga A357-T6, część powinna zostać skierowana do odlewu niskociśnieniowego, formy trwałej, piasku lub odlewu metodą traconego węgla.

Dlaczego A357 kosztuje więcej niż A356?

Trzy powody. Bardziej rygorystyczny limit żelaza wymaga czystszego materiału wsadowego i lepszej kontroli topienia, co zmniejsza ilość taniego złomu, jaki może wykorzystać odlewnia. Wyższa zawartość magnezu oznacza ściślejszą kontrolę procesu podczas obróbki roztworem. Natomiast procesy technologiczne, które mogą zapewnić prawdziwy wynik T6, takie jak niskie ciśnienie lub trwała forma, mają dłuższe czasy cykli niż wtrysk pod wysokim ciśnieniem.

Jak sprawdzić zawartość magnezu w przychodzącej partii?

Optyczna spektrometria emisyjna schłodzonej próbki z wylewu jest metodą standardową, a jej przygotowanie zajmuje tylko kilka minut. Poproś o podanie zawartości magnezu w formie liczbowej, a nie pozytywnej lub negatywnej w szerokim zakresie, i pobierz próbki z więcej niż jednego miejsca w przypadku dużych odlewów, ponieważ magnez może segregować podczas powolnego krzepnięcia.

Czy A357 potrzebuje berylu?

Nie, a wiele specyfikacji tego zabrania. Dodatek berylu w ilości od 0,04 do 0,07 procent poprawia morfologię faz zawierających żelazo i może pomóc w zapobieganiu naskórkowi tlenkowemu, ale wprowadza wymagania dotyczące obsługi w topiarni i podczas obróbki. Większość prac konstrukcyjnych wykonywana jest przy użyciu materiału A357 niezawierającego berylu i z ograniczoną zawartością żelaza.

Czy części A357 można spawać?

Można, przy odpowiednim wypełniaczu i kontroli procesu, ale spawanie części T6 tworzy lokalną strefę wpływu ciepła, która traci wytrzymałość. Jeżeli spoina nie ma charakteru konstrukcyjnego, nie stanowi to problemu. Jeżeli spoina znajduje się na ścieżce obciążenia, w projekcie należy założyć zmniejszenie wytrzymałości lokalnej w tej strefie i uwzględnić to.

Jakiego wykończenia powierzchni i tolerancji mogę się spodziewać?

Powierzchnie odlewane z formy stałej lub matrycy niskociśnieniowej mają zazwyczaj grubość od 3,2 do 6,3 mikrometra Ra, w zależności od powłoki matrycy i grubości ścianki. Obrabiane powierzchnie są ograniczone raczej przez oprzyrządowanie i mocowanie niż przez stop, a ogólne tolerancje obróbki wynoszące plus minus 0,05 mm w przypadku krytycznych otworów i powierzchni czołowych są rutynowe w przypadku stabilnego odlewu.

Czy A357 nadaje się do części cienkościennych?

Tak, w granicach. 7-procentowa zawartość krzemu zapewnia dobrą płynność, a ścianki o grubości do około 3 mm można uzyskać w formie trwałej lub odlewaniu pod niskim ciśnieniem. Poniżej wyzwania przesuwa się z płynności na szybkość krzepnięcia: cienkie przekroje schładzają się tak szybko, że krzemek magnezu może pozostać częściowo nierozpuszczony nawet po obróbce pełnym roztworem, a część nie osiągnie właściwości sugerowanych przez skład chemiczny.

Aby zamknąć obieg: skład stopu aluminium A357 obejmuje od 6,5 do 7,5 procent krzemu, od 0,40 do 0,70 procent magnezu i maksymalnie 0,20 procent żelaza, pozostałe pierwiastki są utrzymywane na poziomie śladowym, a aluminium stanowi równowagę. Zakres magnezu oddziela go od A356 i zapewnia mu około 50 MPa dodatkowej granicy plastyczności w stanie T6. Granica żelaza jest tym, co zachowuje ciągliwość. Sposób odlewania oraz dyscyplina hartowania decydują o tym, czy którakolwiek z tych zalet faktycznie pojawi się w gotowej części.

Jeśli oferta na A357-T6 wygląda zauważalnie taniej niż reszta, odpowiedź zwykle znajduje się w jednym z trzech miejsc: cel magnezowy, żelazny sufit lub faktycznie dostarczony temperament. Zapytaj o liczby, a kłótnia szybko się zakończy.