Постійне перекриття прес-форм під низьким тиском оптимізує характеристики лиття металів.

Франко К'єза, Гі Морін, Бернард Туга, Центр Металургії дю Квебека, та Ж.Ф.Корріво, Колледж де Труа-Рівьєр, Труа-Рівьєр, Квебек, Канада

(Клацніть тут, щоб побачити історію, як вона з’являється у березні/квітні 2014 року, дизайн та закупівля лиття металів.)

Оскільки зменшення ваги автомобіля продовжує залишатися рушієм у частинному дизайні та розробці, розробляються різні нові стратегії для забезпечення міцності при зниженій вазі. Однією із стратегій є процес лиття легкого металу, такого як алюміній або магній, на важчу металеву підкладку. Покриття сталі або міді алюмінієм або магнієм дозволяє скористатися міцністю сталі та корозійною стійкістю та здатністю теплопередачі міді без шкоди для невеликої ваги, яку шукають у багатьох додатках. Після заміни алюмінію чорними виливками в автомобільній промисловості подальші інновації включають прийняття гібридних рішень, де поєднується суміш дуже різних матеріалів.

Наприклад, високий механічний опір сталі може бути пов’язаний із легкістю магнію, як у прикладі, показаному на рис. 1. Ще одним вражаючим прикладом гібридної збірки є рядний шестициліндровий двигун BMW. У цьому випадку зниження ваги було досягнуто за допомогою відливання магнію над алюмінієм, який, на відміну від магнію, протистоїть корозійній агресії охолоджуючої рідини. Перекриття може бути вигідним при зменшенні витрат на обробку або посиленні тепловіддачі, наприклад, шляхом вбудовування мідних труб в алюміній. Подібним чином вставки в алюмінієві виливки можуть використовуватися для місцевого підвищення їх міцності, властивостей теплопередачі або зносостійкості.

Виливки з алюмінію та магнію забезпечують значну економію маси у порівнянні з деталями із чорних або мідних деталей. Порожнисті секції, як правило, ефективніше зменшують напруження в механічному вузлі. Ці секції можуть бути отримані шляхом наплавлення труб з “важких” матеріалів алюмінієм, що може забезпечити складність форми, запропоновану процесом лиття під тиском.

Доведення процесу

Для випробування методу перекриття для виготовлення гібридного металевого лиття компанія Technology Magnesium & Aluminium Inc., Труа-Рівьєр, Квебек, Канада, провела виливки для металургійного, механічного та теплообмінного дослідження, проведеного на стику сталевих стрижнів і мідних труб похмурий алюмінієм A356 в процесі постійного формування низького тиску.

Першою метою було виміряти механічну адгезію, виражену в МПа, на межі розділу сталь-алюміній 0,25 дюйма. (6 мм) циліндричні сталеві вставки, похмурі алюмінієм A356, і, також, тепловий опір на мідно-алюмінієвій межі мідних труб, вбудованих в алюміній A356. Цей опір, виражений коефіцієнтом тепловіддачі у Вт/м2/° C, вимірювали для температур лиття 1310F (710C) і 1400F (760C) і для початкових температур вставки 77F (25C) і 617F (325C).

Для кожної умови спостерігали рентгенограми та металографічні структури на межі розділу для оцінки відповідності поверхні та можливої пайки або розчинення вставки. Моделювання наповнення та затвердіння дозволило визначити місцеві теплові умови вздовж межі розділу. Дослідження спробувало співвіднести ці теплові параметри з виміряними властивостями на межі розділу, а саме, механічним зчепленням для сталевих стрижнів та термічним опором для мідних труб. Це поширює кількісні результати на різноманітні розміри вкладишів та форми лиття.

0,2 дюйма Сталеві стержні діаметром (6 мм) і мідні труби були похмурі в товщій ділянці (1,0 дюйма [25 мм]) східчастого лиття, як схематизовано на рис. 2. У подальших дослідженнях було досліджено тридцять вісім східчастих виливків. Як правило, однакові умови лиття застосовувались тричі для оцінки повторюваності виміряних коефіцієнтів адгезії та тепловіддачі для сталевих стрижнів та мідних труб відповідно. Металографічну та SEM-мікроскопію навколо межі розділу проводили на деяких з цих виливків та рентгенологічних знімків, дозволених для перевірки можливих порожнеч на межі відливання-вставки.

Розуміння металургійних та механічних змін, які можуть відбутися під час зйомки, допоможе металістам визначити оптимальний метод для успішного виробництва гібридних металевих виливків для зменшення ваги автомобілів.

Механічне зчеплення зі сталі та алюмінію

При перекритті сталевих стрижнів звичайним властивістю є механічне зчеплення на межі сталь-алюміній. Зчеплення вздовж стрижня вимірювали в МПа, або Н/мм2 межі розділу. Це було зроблено для температури виливу 1310F (710C) і 1400F (760C) і вставити початкові температури 77F (25C) і 617F (325C) у шість місць у вкладиші.

Чотири умови (дві температури заливки та дві початкові температури вставки) змодельовано з використанням значення 1,550 Вт/м2/° С для коефіцієнта тепловіддачі інтерфейсу лиття у формі і часу наповнення чотири секунди.

Найкраща кореляція була отримана, коли адгезія була побудована на основі місцевого часу затвердіння, тобто часу, що минув між початком і кінцем затвердіння. Для діапазону досліджуваного часу місцевого затвердіння (від 45 до 65 секунд) адгезія варіювалась від 15 до 25 МПа (від 2,1 до 3,6 ксі); вона була вищою за коротший час затвердіння.

Мідно-алюмінієвий інтерфейс

При перекритті мідних трубок переважною властивістю є хороший тепловий контакт на мідно-алюмінієвій поверхні. Визначено коефіцієнт тепловіддачі поверхні для температур заливки 1310F (710C) і 1400F (760C) та початкових температур мідної трубки 77F (25C) і 617F (325C).

Для чотирьох досліджених умов лиття різниця у виміряних значеннях коефіцієнтів тепловіддачі була дуже малою. Встановлено, що механічне зчеплення на межі алюмінієвий інтерфейс коливається від 5 до 9 МПа. Це втричі менше від того, що спостерігалося при обмотці сталевого стрижня, ймовірно, через нижчий коефіцієнт теплового розширення сталі, отже, і вищий опір сталі проти стискання навколишнього алюмінію при охолодженні до кімнатної температури.

Мікроскопічний аналіз

На рис. 3 показана типова мікрофотографія на межі розділу між сталевим стрижнем та алюмінієм. Сплав складається з майже чистого дендриту алюмінію (білого кольору) з меншою кількістю евтектики Al-Si (темний). Відстань вторинного дендритного плеча (SDAS) становить близько 35 мкм.

Деяка частина евтектики Al-Si контактувала із вставкою в результаті зворотної сегрегації. Не спостерігалося жодних заліза, що містять інтерметалідні фази, маючи на увазі, що в потоці рідкого алюмінію не було розчинено значної кількості заліза.

Ніяких модифікацій сталевої конструкції поблизу поверхні розділу не помічено. Макротвердість холоднотягнутої м'якої сталі становила 226 HV0,5 кгс. Мікротвердість білої фази (фериту) дорівнювала 225 HV10gf, тоді як твердості темної складової (перліту) становила 261 HV10gf.

Похмурі алюмінієм мідні труби деформувалися через анізотропію стискаючих напружень, що виникає внаслідок вищого коефіцієнта теплового скорочення алюмінію.

Подібно до того, що спостерігалося зі сталевими вставками, два матеріали ідеально збігаються на межі розділу (рис. 4) без будь-якого зварювання або поперечної дифузії міді та алюмінієвого сплаву.

Спектрографічний аналіз восьми точок у виливку показав свідчення розчинення міді в розплаві, вміст міді коливався від 0,25 до 0,27%, тоді як вихідний вміст сплаву A356 становив 0,08% Cu. З цих результатів можна підрахувати, що середня товщина трубки 80 мкм була розчинена в потоці алюмінієвої рідини. Це розчинення міді було значно меншим при попередньо нагрітих вставках завдяки захисній присутності шару оксиду міді, що утворюється на поверхні трубки під час попереднього нагрівання.

Висновки щодо алюмінієвого помутніння

Наливання серії виливок з алюмінію A356 на сталеві стержні та мідні труби продемонструвало наступне:

Адгезія на контакті алюміній-сталь суто механічна. Для часу локального затвердіння на межі розділу, що змінюється від 45 до 65 секунд, адгезія зменшується з 25 до 15 МПа (3,6 до 2,1 ксі).
У алюмінію не спостерігається помітного захоплення заліза під час обробки сталевих стрижнів.
Застосування термообробки Т6 на алюмінієвій пластині зменшується вдвічі зчеплення вставки, дуже ймовірно через зняття напруги, спричинене пластичною деформацією алюмінієвого сплаву під час солюціонізуючої обробки.
Коефіцієнт тепловіддачі на мідно-алюмінієвій поверхні інтерфейсів мідних труб мало змінюється залежно від температури виливання та попереднього нагрівання. Його значення близько 10 кВт/м2/° С.
Мідь частково розчиняється в алюмінієвому розплаві, особливо з вставками кімнатної температури, де на поверхні немає оксиду.
На межі розділу алюміній-мідь не відбувається зварювання та поперечна дифузія. Механічне зчеплення приблизно втричі менше, ніж те, що вимірюється за допомогою вставок із сталевих стрижнів. ■

Ця стаття була адаптована до матеріалу «Заливання сталевих стрижнів і мідних труб в постійній формі з низьким тиском», представленому на конгресі металургійних робіт AFS у Сент-Луїсі 2013 року.