Silicio metalasAliuminio lydinio gamyboje: kodėl Si yra pagrindinis legiravimo elementas

Silicio metalas - taip pat vadinamaspramoninis silicisarbametalurginio{0}}klasio silicio- yra vienintelis svarbiausias aliuminio lydinio priedas. Formuodamas kietas intermetalines fazes ir sumažindamas aliuminio -silicio eutektikos lydymosi temperatūrą, jis paverčia minkštą, korozijai -atsparų gryną aliuminį į liejamus, didelio stiprumo lydinius, naudojamus visame pasaulyje automobilių jėgos pavarose, statybinėse ekstruzijose ir erdvėlaivių konstrukcijose.

Pasaulinė aliuminio pramonė sunaudoja kelis milijonus tonųsilicio metalaskasmet, o didžioji dalis šio poreikio atsiranda dėl vieno naudojimo: legiravimo. Skirtingai nei plienas, kuriame legiravimo elementų yra daug ir jie dažnai keičiami, aliuminis priklauso nuo silicio kaip pagrindinio legiravimo partnerio. Priežastys yra ir metalurginės, ir ekonominės. Silicio yra gausu, jis yra ekonomiškas-, o -, svarbiausia, - jis suteikia unikalų liejamumo, mechaninio stiprumo, atsparumo korozijai ir terminio stabilumo derinį, kurio joks kitas elementas negali atkartoti už panašią kainą. Šiame straipsnyje nagrinėjami metalurginiai mechanizmai, susiję su silicio vaidmeniu, konkrečios lydinių šeimos, kurios priklauso nuo jo, ir pramonės praktika.silicio metalaspasirinkimas aliuminio gamybai.

 

 

Metalurgijos mechanizmai: kaip silicis transformuoja aliuminį

Dvejetainė aliuminio-silicio sistema yra viena iš plačiausiai ištirtų metalurgijos srityje ir dėl geros priežasties. Grynas aliuminis yra minkštas, silpnas ir menkai atsparus dilimui. Silicis, ištirpęs arba išsklaidytas aliuminio matricoje, iš esmės pakeičia šias savybes keliais skirtingais mechanizmais.

Eutektikos susidarymas ir takumo didinimas

Aliuminio -silicio eutektikoje yra maždaug 12,6 % silicio masės ir lydosi maždaug 577 laipsnių Celsijaus temperatūroje - žymiai žemesnėje nei gryno aliuminio lydymosi temperatūra 660 laipsnių Celsijaus. Kai į aliuminį įdedama 5–12 % silicio, gautas lydinys iš esmės pagerina sklandumą liejimo metu. Mažai -lydančios eutektinės fazės buvimas leidžia išlydytam metalui tekėti į plonasienes formos dalis ir sudėtingas geometrines formas, o tai būtų neįmanoma naudojant nelegiruotą aliuminį. Dėl šios savybės silicio guolių lydiniai yra nepakeičiami variklio blokams, transmisijos korpusams ir konstrukciniams laikikliams automobilių sektoriuje liejant aukštu slėgiu.

Stiprinimas intermetalinėmis fazėmis

Silicis nesudaro vientiso kieto tirpalo su aliuminiu visame kompozicijos diapazone. Vietoj to kietėjimo metu nusėda pirminės silicio dalelės arba eutektinės silicio lamelės. Šios kietos, trapios silicio fazės veikia kaip sutvirtinančios sudedamosios dalys minkštesnėje aliuminio matricoje, padidindamos tempimo stiprumą, kietumą ir atsparumą dilimui. Šių silicio dalelių dydis, morfologija ir pasiskirstymas kontroliuojami liejimo parametrais, lydalo apdorojimu natrio arba stroncio modifikatoriais ir vėlesniu terminiu apdorojimu. Smulkus, pluoštinis eutektinis silicis -, gautas modifikuojant -, užtikrina geresnes mechanines savybes, palyginti su stambiomis plokštelėmis{6}}kaip nemodifikuotomis struktūromis.

Šiluminis plėtimasis ir matmenų stabilumas

Kitas dažnai{0}}nepastebimas silicio aliuminio lydiniuose pranašumas yra šiluminio plėtimosi koeficiento sumažėjimas. Automobilių stūmokliai ir cilindrų galvutės veikia esant dideliam šiluminiam ciklui, o per didelis išsiplėtimas gali sukelti klirenso praradimą, subraižymą ir ankstyvą gedimą. Silicio-aliuminio lydinių šiluminis plėtimasis yra mažesnis nei grynas aliuminis, todėl pagerėja matmenų stabilumas ir užtikrinamos griežtesnės konstrukcijos tolerancijos, kai naudojamos aukštoje temperatūroje.

Atsparumas korozijai jūros ir atmosferos poveikiui

Nors pats silicis nėra ypač atsparus korozijai-rūgščioje aplinkoje, jo buvimas aliuminio lydiniuose gali pagerinti bendrą korozijos efektyvumą neutraliomis ir silpnai šarminėmis sąlygomis. Silicio{2}}turtingos paviršiaus plėvelės, susidarančios natūralios oksidacijos metu, gali trukdyti tolesniam atmosferos poveikiui. Jūrų ir pakrančių statybose 6xxx serijos lydiniai -, kuriuose silicis derinamas su magniu -, pasižymi puikiu atsparumu druskos purslams ir atmosferinei korozijai, todėl jie yra tinkamiausia medžiaga langų rėmams, užuolaidų sienoms ir konstrukcijų išspaudimams agresyvioje aplinkoje.

Aliuminio lydinio šeimos ir silicio turinys

Aliuminio asociacijos žymėjimo sistema klasifikuoja kaltinius ir lietus lydinius į šeimas pagal jų pirminius legiravimo elementus. Silicis yra ryškus 4xxx ir 6xxx kaltinių serijų, taip pat daugybės liejinio lydinio žymenų.

4xxx serija: silicis kaip vienintelis pagrindinis legiravimo elementas

Kaltiniuose 4xxx lydiniuose silicis yra dominuojantis legiravimo priedas. 4043 lydinys, kuriame yra maždaug 5% silicio, yra plačiausiai naudojama aliuminio suvirinimo užpildo viela. Silicio kiekis užtikrina puikų sklandumą suvirinimo metu, sumažina jautrumą karštam įtrūkimui ir sukuria lygius, estetiškus suvirinimo rutuliukus. Aukštesnio -silicio lydiniai, pvz., 4343 ir 4045, kuriuose yra 7–13 % silicio, naudojami kaip litavimo lakštai ir plakiruotos medžiagos šilumokaičiuose, kur žemai -lydančio silicio{12}}turtingas paviršiaus sluoksnis leidžia krosnyje lituoti be papildomo metalo užpildo.

6xxx serija: magnio-kietinimas silicidiniais krituliais

6xxx serija yra didžiausia ekstruzinio aliuminio gaminių tonažas pasaulyje. Lydiniuose, tokiuose kaip 6061, 6063 ir 6082, silicis sujungiamas su magniu tokiomis proporcijomis, kad dirbtinio senėjimo metu susidaro metastabilios Mg2Si (magnio silicido) nuosėdos. Šis kritulių{7}}grūdinimo mechanizmas užtikrina 240–310 MPa diapazono takumo stiprumą -, tinkamą konstrukcinėms reikmėms -, išlaikant puikų ekstruzinį, atsparumą korozijai ir suvirinamumą. Silicio kiekis 6xxx lydiniuose sąmoningai laikomas žemiau aliuminio -silicio eutektinės sudėties, užtikrinant vienos fazės{15}}stingimą ir išvengiant stambių pirminių silicio dalelių, kurios pablogintų paviršiaus apdailą ir anodavimo reakciją, susidarymo.

Liejimo lydiniai: nuo eutektinio iki hipereutektinio

Aliuminio-silicio liejimo lydiniai apima visą sudėties diapazoną nuo hipo-eutektinio iki hipereutektinio. Plačiai naudojamas A356 lydinys, kuriame yra 7% silicio ir 0,35% magnio, užtikrina puikų liejamumo, stiprumo ir lankstumo balansą po T6 terminio apdorojimo. Kita vertus, hipereutektiniai lydiniai, tokie kaip 390.0, turi 16–18 % silicio ir yra vertinami dėl išskirtinio atsparumo dilimui automobilių stūmokliuose ir kompresorių korpusuose. Šiuose lydiniuose pirminės silicio dalelės -, kurios kristalizuojasi prieš eutektinę reakciją -, yra sąmoningai rafinuojamos pridedant fosforo, kad dalelės būtų mažesnės nei 50 mikrometrų, užtikrinant apdirbamumą ir priimtiną kietumą.

Pramonės praktika: atrankaSilicio metalasAliuminio legiravimo klasės

Ne visisilicio metalasyra lygiavertis aliuminio lydinio tikslams. Klasės pasirinkimas priklauso nuo tikslinės lydinio sudėties, lydymosi metodo ir galutinio naudojimo reikalavimų.

Įprasti pažymiai: 553, 441 ir 3303

Kinijos ir tarptautiniai gamintojai silicio metalą klasifikuoja pagal keturių{0} skaitmenų kodą, nurodantį didžiausią leistiną geležies ir aliuminio kiekį tūkstantinėmis dalimis. Pavyzdžiui, 553 klasė leidžia iki 0,5 % geležies ir 0,5 % aliuminio. 441 klasė leidžia 0,4% geležies ir 0,4% aliuminio. 3303 klasė leidžia 0,3% geležies, 0,3% aliuminio ir 0,03% kalcio. Bendrosios paskirties aliuminio lydiniams 553 ir 441 yra ekonomiški{18}}ir plačiai naudojami. Aukščiausios kokybės reikmėms, pvz., aviacijos ir kosmoso liejiniams ir didelio -grynumo litavimo lydiniams, gali būti nurodytos 3303 arba 2202 klasės - su dar mažesnėmis priemaišų lubomis -, kad būtų užtikrintos pastovios mechaninės savybės ir sumažintas intarpų kiekis.

Lydymosi metodai ir silicio atgavimas

Silicio metalas į aliuminio lydalą patenka keliais būdais. Didelėse pirminio aliuminio lydyklose silicis dedamas tiesiai į išlydytą aliuminį liejimo krosnyse, kur tirpimas ir homogenizacija vyksta kontroliuojamoje temperatūroje ir maišant. Atliekant antrines (perdirbto) aliuminio operacijas, silicio-guolio laužas sumaišomas su pirminio metalo ir gryno silicio priedais, kad būtų pasiekta tikslinė kompozicija. Pridėto silicio - frakcijos, kuri iš tikrųjų ištirpsta ir lieka galutiniame lydinyje -, atkūrimo greitis paprastai svyruoja nuo 92 % iki 98 %, priklausomai nuo lydymosi temperatūros, oksidacijos sąlygų ir šlako susidarymo.

Priemaišų kontrolė ir jos pasekmės

Silicio metalo priemaišų pėdsakai gali turėti didelį poveikį aliuminio lydinio savybėms. Geležis, net jei lygis mažesnis nei 0,5%, sudaro trapius intermetalinius junginius su aliuminiu ir siliciu, kurie sumažina lankstumą ir atsparumą lūžiams. Kalcis, kurio kai kuriose silicio klasėse yra 0,03–0,10%, veikia kaip netyčinis eutektinio silicio modifikatorius, galintis trukdyti kontroliuojamiems natrio arba stroncio modifikavimo procesams. Fosforas -, kurio kartais yra silicyje, pagamintame iš fosfatų{7}}turtingų žaliavų -, gali apsinuodyti modifikavimo būdu ir skatinti šiurkščiavilnių silicio struktūras. Dėl šių priežasčių aliuminio liejyklos vis dažniau nurodo ne tik silicio kiekį, bet ir visą silicio metalo pirkimo priemaišų spektrą.

Taikymas automobilių ir statybos srityse

Du didžiausi galutinio -silicio-aliuminio lydinių naudojimo sektoriai - automobilių pramonė ir statyba - iliustruoja silicio funkcinio indėlio platumą.

Lengvieji automobiliai

Automobilių gamintojai susiduria su nenumaldomu spaudimu sumažinti transporto priemonės svorį, kad atitiktų išmetamųjų teršalų reikalavimus ir išplėstų elektromobilių diapazoną. Aliuminio lydinių tankis yra maždaug-trečdalis plieno tankio, o silicio-guolio lydiniai išstumia ketų ir plieną variklių blokuose, cilindrų galvutėse, transmisijos korpusuose ir pakabos komponentuose. Įprastame aliuminio variklio bloke yra 7–10 % silicio, o šiuolaikinėje transporto priemonėje gali būti 80–150 kilogramų silicio guolių aliuminio liejinių. Tuo tarpu 6xxx serijos ekstruzijos sudaro struktūrinį aliuminio{11}}intensyvių transporto priemonių architektūrų, pvz., erdvinių{12}rėmų ir elektromobilių akumuliatorių korpusų, pagrindą.

Statybinės ekstruzijos ir architektūrinės sistemos

Statybų sektoriuje 6xxx serijos ekstruzijos dominuoja langų rėmų, užuolaidų sistemų, durų staktų ir konstrukcinių stiklinimo atramų rinkoje. Lydinys 6063, kuriame yra maždaug 0,4 % silicio ir 0,7 % magnio, yra architektūrinės ekstruzijos darbo arkliukas dėl išskirtinio ekstruzijos -, leidžiančio sudėtingiems tuščiaviduriams profiliams - ir gebėjimo priimti dekoratyvinę anoduotą ir dažytą apdailą. Silicio kiekis yra kruopščiai kontroliuojamas, siekiant užtikrinti vienodą paviršiaus išvaizdą po cheminio pašviesinimo ir anodavimo, nes silicio -turtingos fazės gali sukelti dėmių ar spalvos pokyčius, jei jų koncentracija yra per didelė arba nevienodinga.

Tvarumo ir perdirbimo svarstymai

Aliuminis yra vienas iš labiausiai perdirbamų pramoninių metalų, o silicio{0}}lydiniai nėra išimtis. Perdirbtas aliuminio laužas - tiek iš po Skirtingai nuo kai kurių legiravimo elementų, kurie oksiduojasi arba atsiskiria perlydant, silicis pasižymi dideliu sulaikymu ir nuspėjamu elgesiu antriniuose lydaluose. Šis cirkuliarumas yra ekonomiškai reikšmingas: gaminant aliuminį iš perdirbto laužo reikia maždaug 5% energijos, reikalingos pirminei gamybai iš boksito, o įterpto silicio vertė išsaugoma. Tačiau antrinių medžiagų, pvz., geležies, vario ir cinko, kaupimasis perdirbtuose srautuose gali apriboti antrinės medžiagos tinkamumą aukštos kokybės -silicio lydiniams, todėl laužas turi būti kruopščiai rūšiuojamas ir skiedžiamas pirminiu metalu.