A356 против A380 против ADC12: выбор литейного сплава по тому, что происходит после обрезки

Спросите трёх инженеров, в какой сплав заливать кронштейн, и вы получите три ответа, основанных на пределe прочности на растяжение, потому что это колонка, которую все запоминают. Это редко является ограничивающим фактором. A380, ADC12 и A356 все обеспечивают достаточную прочность для большинства кронштейнов, корпусов и оболочек. Что действительно определяет выбор сплава — это то, что деталь должна пережить после: печь T6, механообрабатывающую мастерскую с бюджетом на износ инструмента, линию гальваники, камеру соляного тумана или хромированное или PVD покрытие, которое показывает каждую пору.

Эта статья сравнивает три основных сплава по составу, литейным свойствам, механическим характеристикам до и после термообработки, коррозионной стойкости, реакции на анодирование и гальванизацию, обрабатываемости и износу инструмента, цене и доступности, а затем предоставляет таблицу выбора, соответствующую финальному покрытию.

Состав и то, что на самом деле делает каждый элемент

Три дополнительных ограничения по составу стоит включить в спецификацию закупки, потому что их проще контролировать на этапе заготовки, чем исправлять позже:

• Железо ниже 0.15% для любой отполированной или анодированной детали. При содержании около 0.20% Fe в низкосилициевом сплаве видны пластинки бета-Al5FeSi в виде серых полос после полировки.
• Медь ниже 0.05% и цинк ниже 0.10% для архитектурного анодирования. Оба элемента затемняют и мраморят анодную пленку.
• Фосфор ниже 10 ppm в сплаве A356, модифицированном стронцием. Фосфор отравляет модификатор, образуя AlP, модификация исчезает в течение 30-60 минут после удержания, а эвтектика возвращается к крупным пластинам с измеримым снижением удлинения.

Два структурных факта, скрытых в этой таблице:

• Линия меди — это линия коррозии, свариваемости и удлинения. A356 — это низкобронзовый, низкожелезистый сплав, предназначенный для термической обработки и выживания в коррозийной среде. A380 и ADC12 — это сплавы с высоким содержанием меди и железа, предназначенные для быстрого отливки в стальную форму без пайки.
• Железо в A380 и ADC12 — это преднамеренно. HPDC требует 0.8-1.1% Fe, чтобы отливка могла отделиться от формы вместо сваривания с ней. Это железо осаждается в виде пластинчатых бета-интерметаллидов, что является причиной того, что удлинение HPDC составляет 2-4%, и почему отполированная поверхность A380 никогда не бывает такой же яркой, как отполированная A356.

Индекс литейности и как три типа заполняют форму

Литейность в основном зависит от расстояния до эвтектической композиции и диапазона затвердевания.

ADC12 — самый прощающий сплав в сложной форме: почти эвтектический состав обеспечивает самую длительную текучесть и минимальную усадку при затвердевании (примерно 3,5-4,0 TP3T против 6,5-7,0 TP3T для A356), поэтому он хорошо заполняет тонкие ребра, длинные потоки и сопротивляется горячему растрескиванию в острых углах. Именно поэтому он доминирует в тонкостенных HPDC в России. A356 — противоположность: требует щедрых радиусов, хорошего вентиляции, а в постоянной форме — risers и направленное затвердевание; в HPDC используется редко, в основном для конструкционных деталей, где литейное производство допускает более высокий процент брака в обмен на пластичность.

Практика заливки: 700-740°C для A380 и ADC12 в HPDC, 700-730°C для A356 при низком давлении или гравитационном литье, при температуре формы 200-250°C для A380 и 250-350°C для A356 в постоянной форме. Перегрев A356 в постоянной форме вызывает холодные зазоры при последней заливке; слишком низкая температура вызывает рост зерен и снижает удлинение на 20-30% TP3T.

Механические свойства, как отливка и после T6

Инженеры по сравнению обычно ошибаются: отливка A380 имеет более высокую прочность на растяжение, чем отливка A356. Медь и мелкая микроструктура HPDC это подтверждают. A380 уступает по удлинению, по прочности после термообработки и по стабильности свойств в толстом сечении. После термообработки T6 у A356 он превосходит A380 по пределу текучести на 20-50 МПа и по удлинению в три раза, что и является настоящей причиной, почему конструкционные отливки делают из A356, а не из A380.

A380 и ADC12 не могут быть подвергнуты решению до состояния T6. Две причины: пористость с захвачённым газом в детали из HPDC вспучивается при температуре решения, и медьсодержащие фазы начинают коарсировать. Вместо этого применяется стабилизация при низкой температуре, обычно 180-230°C в течение 2-6 часов, которая снимает напряжения, стабилизирует размеры для обработки и немного повышает твердость за счёт небольшой потери удлинения. Если чертёж требует A380-T6, чертёж неправильный и его нужно исправить до начала обработки инструмента.

Еще одна предосторожность при проектировании для A356: свойства T6 измеряются на отдельной испытательной заготовке, отлитой отдельно, с контролируемым охлаждением. Производственный отлив с сечением 25 мм не достигнет тех же показателей. Указывайте свойства в конкретном месте отлива с помощью плана вырезки образцов, а не в техническом описании.

Коррозионное поведение

Стойкость к коррозии почти линейно связана с медью и железом.

Механизм гальванический: медьсодержащие межфазы и железосодержащие интерметаллиды являются катодными по отношению к алюминиевой матрице, поэтому каждое частице вызывает локальное растворение окружающей матрицы и образуется яма. При содержании меди 3-4% в A380 существует множество катодных участков. A356 с максимумом меди 0.2% и железом 0.15% имеет очень мало таких участков, поэтому морское оборудование, корпуса водяных счетчиков и наружные архитектурные отливки изготавливаются из A356 или сплава на основе Al-Mg.

Существует один режим отказа, который стоит выделить, потому что его часто ошибочно диагностируют как дефект покрытия. Литье под давлением имеет сеть неглубоких пор, соединенных с поверхностью, и жидкое предварительное обработка или электролитическая ванна проникают в них. Если детали не полностью высушены или если отверждение происходит слишком быстро, то захваченный электролит позже просачивается через пленку и проявляется в виде белого налета или окрашенного кольца через несколько недель после прохождения инспекции. Решение — это процесс, а не краска: тщательное удаление окислов и десмут, горячий промыв выше 60°C, полное высушивание перед покрытием и более медленный переход к отверждению, чтобы поры поверхности были запечатаны пленкой, а не прорвались через нее.

Практические меры по снижению риска, в порядке эффективности: смена сплава на A356 или сплав на основе Al-Mg; правильная система покрытия с преобразовательной предварительной обработкой (на основе циркония или титана, или хромат, где разрешено), грунтовка и верхнее покрытие; анодирование или плазменно-электролитическое окисление; и катодная защита для погруженных условий эксплуатации. Запечатайте пористость перед покрытием, потому что поры, содержащие электролит, становятся коррозионной ячейкой под пленкой.

Ответ на анодирование, полировку и гальванизацию

Здесь становится заметен выбор сплава для конечного потребителя.

Почему разница: кремний не анодируется. В сплаве Si 7% фаза кремния по сути инертна в анодирующем растворе, поэтому пленка растет только на алюминиевой матрице, и поверхность получается серой. В сплаве Si 11% с 2-3TP3T медью эффект значительно сильнее, медь дополнительно растворяется и осаждается заново, придавая грязно-коричнево-черный оттенок. Железо делает то же самое. Поэтому декоративные анодированные отливки относятся к классу A356 или сплавам Al-Mg, а изделия с косметической анодировкой часто требуют содержания железа ниже 0.15TP3T и меди ниже 0.05TP3T, что является премиальной плавкой.

Для полировки и гальваники последовательность следующая: шлифовка на 180-320, полировка с помощью шлифовальной или обработанной хлопчатобумажной шестерни и триполи при периферической скорости 25-35 м/с, цветная полировка на свободной хлопчатобумажной шестерне и белым или зеленым румянцем при 30-40 м/с, щелочная очистка, цинкат, медный слой без цианида, затем 15-30 мкм яркого меди, 10-20 мкм полярного или яркого никеля и 0.3-1.0 мкм хрома или верхний слой PVD. A356 проходит это за один цикл шлифовки и окраски. A380 обычно требует дополнительной медной наслойки и полировки между ними, что увеличивает стоимость гальваники на 15-25%, и все равно остается более высокий процент брака по поверхностным ямкам.

Обрабатываемость и износ инструмента

Абразивные материалы — это первичный и эвтектический кремний (600-900 HV), а в высоко-железных сплавах — интерметаллиды Al-Fe-Si. ADC12 при 11% Si является наиболее абразивным из трех; A380 при 8.5% Si занимает среднее положение; A356 при 7% Si с модификацией стронцием имеет тонкий волокнистый эвтектик, который значительно менее агрессивен. Обратная сторона — низкосиликоновый сплав более мягкий, поэтому он более склонен к образованию нагарной кромки при низких скоростях резания и требует острых кромок и лучшей эвакуации стружки.

Два практических правила, которые экономят деньги. Во-первых, если вы сверлите более 20 000 отверстий в год в A380 или ADC12, алмазная или PCD-сверло окупится за год только за счет стоимости инструмента, не считая выигрыша по времени цикла при скорости 600-900 м/мин. Во-вторых, не удаляйте кожу отливки на A356, если важна усталостная прочность: поверхность после литья мелкозернистая и немного прочнее, а пористость под поверхностью на глубине 0,5-2,0 мм хуже, чем на поверхности.

Резьбообработка заслуживает отдельной заметки, потому что именно в этом месте сплавы с высоким содержанием кремния дают наибольшее количество избегаемого брака. В A380 и ADC12 короткая, фрагментированная стружка забивает флейту резьбонарезного инструмента в глухой отверстии, и отказ — это сломанный инструмент внутри детали, которая уже имеет ценность от литья и обработки. Используйте резьбонарезной инструмент с высоким спиральным углом или спиральной точкой с охлаждением через инструмент, удерживайте зацепление резьбы на уровне 2,0-2,5 диаметра, а не 3, как обычно в стали, и придерживайтесь диаметра предварительного отверстия в верхней половине диапазона сверла для высокосиликоновых сплавов. Траектории формовки резьбы хорошо работают в A356-T6 и в низкосиликоновых алюминиево-магниевых сплавах, где удлинение выше 5% позволяет материалу течь в форму резьбы и подвергаться холодной обработке, обеспечивая прочность на вырыв на 20-40% выше, чем у нарезанной резьбы в той же дыре; они не пригодны для ADC12 без предварительных испытаний, потому что лопасти трескаются, а инструмент сливается. Какой бы путь ни был выбран, укажите в чертеже крутящий момент установки и проверочный момент, и повторно проверьте оба после изменения сплава или термической обработки, поскольку соотношение крутящего момента и натяжения меняется с твердостью.

Цена, доступность и стоимость брака

A356 стоит дороже за килограмм по двум причинам: ограничения по спецификации на железо, медь и цинк требуют более высокого сорта загрузки, а обработка расплава (зернодробитель, модификация Sr, более строгий дегассинг) добавляет обработку и расходные материалы. Ожидайте на 0,15-0,45 USD/кг выше стоимости A380 на уровне слитка, до стоимости термической обработки, которая добавляет еще 0,35-0,90 USD/кг. Но деталь, которая иначе была бы пропитана, переделана или отвергнута, дешевле в A356; премия за сплав — это лишь часть стоимости одного процента отходов на покрытой детали.

Сегрегация — это операционная ловушка. Если завод производит как A356, так и A380, любой возврат A356, попавший в поток A380, теряет ценность, а любой возврат A380, попавший в поток A356, является нарушением химического состава. Физическое разделение возвратов по сплавам, маркированные контейнеры и спектроскопическая проверка каждого плавления — не опции.

Таблица выбора по требованиям downstream

Что означает сплав для финальной ячейки

Сплав изменяет расход абразива и время цикла на каждой абразивной станции ниже по потоку, поэтому автоматическая ячейка должна быть указана с названием сплава. A356 с модификацией стронцием мягче и режет быстрее: ремень, выдерживающий 8000-12000 циклов на A356, может прослужить всего 4000-6000 на ADC12, а контактное давление, создающее чистый срез на A380, будет подрезать и закруглять край на A356. Также различаются шлифовальные пасты: A356 требует более мягкой пасты для резки, поскольку поверхность уже тонкая, в то время как A380 нуждается в агрессивной первой резке для выравнивания кремниевых частиц перед окраской.

Геометрия ворот и разделительной линии одинакова независимо от сплава, поэтому архитектура ячейки остается той же; что меняется — это набор расходных материалов, нагрузка на шпиндель и коэффициент компенсации износа медиума. На практике это означает, что при переключении сплава на существующей ячейке необходимо перенастроить следующее:

• Контактное давление. A380 требует 20-40 Н для чистой резки; то же давление на A356 закругляет края и оставляет волнистую поверхность. Уменьшите до 10-25 Н для сплавов с низким содержанием кремния.
• Срок службы ремня и пасты. Ожидайте 4000-6000 циклов на ремень для ADC12 против 8000-12000 на A356 при одинаковом удалении материала, и соответственно скорректируйте шаг компенсации износа.
• Класс пасты и подача. A356 использует более мягкую пасту при меньшей скорости подачи; A380 требует агрессивной первой резки для выравнивания кремниевых частиц перед окраской или поверхность станет серой под хромом.
• Вытяжка пыли. Шлам с высоким содержанием кремния гораздо более абразивен для воздуховодов и фильтрующих материалов; указывайте износостойкие изгибы и большую площадь фильтра для ADC12 и A380.
• Время цикла и нагрузка робота. Сплавы с высоким содержанием кремния требуют большей нагрузки на шпиндель и более медленной подачи, обычно на 10-25% дольше цикла на каждом этапе. Технология DZ Machinery указывает свои роботизированные ячейки для шлифовки и полировки со сплавом, прописанным в исследовании времени цикла, по этой причине, и то же самое касается конструкции системы вытяжки пыли, поскольку шлам с высоким содержанием кремния более абразивен для воздуховодов и фильтрации, чем шлам с низким содержанием кремния. Более подробная информация о поверхности находится в нашем Стандарты отделки поверхности литых деталей справочнике.

DZ Machinery создает роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки, а также полностью готовые линии для обработки алюминиевых отливок, с фиксаторами, медиумами, пастами и системами вытяжки пыли, все рассчитано под конкретный сплав, который вы используете. Отправьте нам чертеж детали, сплав, требуемый класс отделки и годовой объем, и наша инженерная команда предоставит время цикла, стоимость расходных материалов на деталь и сравнительный анализ затрат труда по сравнению с вашими текущими ручными станциями.