Литой алюминий против ковкого алюминия: микроструктура, диапазоны свойств и где находится точка безубыточности

Вопрос “литьё или ковка” обычно задаётся с точки зрения прочности и отвечает данными из технического паспорта. Это неправильный подход. Скоба из A380, отлитая методом давления, и заготовка из 6061-T6 имеют пересекающиеся показатели растяжения, но ломаются совершенно по-разному, обрабатываются с разной износостойкостью инструмента, реагируют на поверхностную обработку по-разному, и, прежде всего, находятся по разные стороны от точки безубыточности объёма, которая меняется в зависимости от геометрии. Мы обслуживаем производственные линии для обеих групп деталей, и детали, вызывающие проблемы, почти всегда те, для которых выбран маршрут из колонны по прочности, а не из модели процесса.

Эта статья последовательно рассматривает решение в порядке, который должен действительно принимать инженер: сначала микроструктуру, затем диапазон свойств, включая анизотропию, затем пористость и герметичность, затем обрабатываемость и сваримость, затем структуру стоимости и точку безубыточности по объёму, и, наконец, случаи, когда ковка является просто правильным ответом.

Что каждый маршрут делает с металлом

Микроструктура — корень всех остальных различий.

• Гидроформовка под высоким давлением (HPDC). Жидкий металл входит в стальную форму со скоростью 30-60 м/с через распылитель и затвердевает за 20-200 мс. Скорость охлаждения в стенке толщиной 2 мм составляет 200-800 К/с, что даёт вторичные ветви дендритных арматур (SDAS) 5-15 мкм и охлаждённую, практически без пор, кожу толщиной 0,1-0,5 мм. Центр толстого сечения охлаждается значительно медленнее, SDAS увеличивается до 25-50 мкм, и именно там концентрируются усадочные поры.
• Лёгкое давление и гравитационное литьё. Скорости охлаждения 1-20 К/с. SDAS 25-80 мкм. Более грубая структура, но металл поступает со скоростью 0,05-0,5 м/с, поэтому значительно меньше захвата воздуха, и детали реагируют на термическую обработку T6.
• Ковка. Заготовка, отлитая методом непрерывного разливания (DC), подвергается гомогенизации при 500-580°C в течение 4-12 часов, затем горячей прокатке или экструзии с уменьшением толщины на 90-99%. Дендритная структура разрушена, интерметаллиды фрагментированы и выровнены в струнные образования, а зернистая структура рекристаллизуется до 20-200 мкм в зависимости от формы изделия и термической обработки.

Практический вывод: отливка — это структура затвердевания с градиентом свойств от кожи до ядра, в то время как ковка — это структура деформации с градиентом свойств от продольной до поперечной. Обе являются анизотропными; они анизотропны по разным осям.

Кремний — другой структурный разделитель. Литейные сплавы содержат 7-12% кремния для обеспечения текучести и подачи; ковкие сплавы ограничены примерно 0,4-1,0% кремния (за исключением 4xxx наполнителей и поршневых сплавов типа 4032), потому что крупные частицы кремния ухудшают пластичность и сокращают срок службы инструмента. Этот элемент объясняет большую часть поведения при обработке, анодировании и сварке, описанного ниже.

Диапазон механических свойств

Цифры ниже — типичные значения при комнатной температуре для отдельно отлитых или стандартных прокатных образцов для испытаний. Минимальные значения из технических паспортов по ASTM B85, B26, B211 и B221 ниже; проектируйте по стандарту, а не по типичным значениям.

Читайте таблицу с учетом трех поправок. Во-первых, удлинение при отливке зависит от толщины: 6 мм секция A380 может потерять 30-40% удлинения, измеренного в секции 3 мм, потому что SDAS грубеет и микропористость утраивается. Во-вторых, показатели усталости при отливке сильно разбросаны и зависят от самой крупной поры в зоне высокого напряжения, а не от среднего значения; проект, чувствительный к пористости, должен учитывать снижение на 0,5-0,6 по показателю песчаной отливки или LP. В-третьих, 7075-T6 достигает своей прочности за счет коррозии и сварочной пригодности, и не является универсальным решением.

Если случай нагрузки обусловлен жесткостью, а не прочностью, оба подхода приводят к одному результату: модуль Юнга составляет 69-72 ГПа для практически любого алюминиевого сплава, отливки или проката, и термическая обработка на него не влияет. Жесткость определяется геометрией, а именно — где выигрывает литейное производство, потому что ребра, выступы, переменные стенки и вырезы не требуют дополнительных затрат после изготовления формы.

Анизотропия: число в техническом паспорте указывает направление

Анизотропия прокатных материалов стандартизирована и предсказуема. Для пластины 7075-T6 продольное удлинение 11% снижается до 3-4% в коротко-поперечном направлении, а кратковременная ударная вязкость в коротко-поперечном направлении может быть в два раза ниже значения по длине. Если ваши нагрузки проходят через толщину прокатной пластины, число в техническом паспорте недоступно. Решением является использование кованой или ручной кованой формы, или проектирование с учетом сохранения основных напряжений в плоскости.

Анизотропия отливки отличается и менее документирована. Объемные свойства близки к изотропным, если зернистая структура мелкая и равномерная, но существует систематический градиент:

• Эффект толщины стенки. Толстостенные HPDC (1,5-2,5 мм) имеют SDAS 5-10 мкм и могут показывать на 15-25% более высокие показатели прочности на разрыв, чем секция толщиной 6-8 мм при той же заливке.
• Эффект кожи. Охлажденная кожа толщиной 0,1-0,5 мм имеет мелкозернистую, плотную структуру и часто в 10-20 раз тверже ядра. Обработка среза на 1 мм со всех сторон удаляет наиболее прочный материал в детали.
• Эффект направления потока. Длинные межметаллические и оксидные пленки, образующиеся у фронта заполнения, выравниваются по направлению потока, поэтому удлинение, измеренное поперек фронта потока, может быть на 30-50% ниже, чем вдоль него.

Для литой детали честный способ получения допустимых значений по проекту — это вырезать образцы из трех точек в реальной производственной отливке — тонкостенной части, толстой опоре и области последнего заполнения — и провести испытания как минимум 30 образцами в каждой точке, чтобы получить значение по базе B. Наш руководстве по допускам на алюминиевое литое под давлением объясняет, как размерная способность взаимодействует с этими градиентами при установке заготовки для обработки.

Пористость, однородность и герметичность под давлением

Здесь два пути расходятся наиболее резко и именно здесь возникают большинство полевых отказов.

• Газовая пористость. Растворимость водорода падает примерно с 0,65 мл/100 г в жидком состоянии при 720°C до 0,05 мл/100 г в твердом. Дегазация до уровня ниже 0,15 мл/100 г (Telegas или эквивалент) позволяет избежать большей части этого. HPDC добавляет второй источник: воздух, захваченный турбулентным заполнением, механически смешанный с металлом в виде пузырьков диаметром 10-200 мкм. Хорошо выполненная HPDC удерживает общую пористость на уровне 1-3% по объему в локальных зонах и ниже 1% по объему в напряженных участках.
• Каменная пористость. Легированные сплавы Al-Si усыхают на 3,5-6,5% в зависимости от содержания Si; все, что выше примерно 12,6% Si, является эвтектическим и хорошо заливается, гипоэвтектические сплавы требуют опорных элементов или давления. В HPDC усиленное давление (60-100 МПа) обеспечивает питание, но только пока расплав в расплавном канале; опора диаметром 12 мм с каналом 2 мм застывает и сокращается внутри.
• Ковка. Прокатный или экструдированный продукт по сути полностью плотен. Ультразвуковая проверка по стандарту AMS 2631 класса B является рутинной процедурой. Нет механизма, который мог бы ввести пористость в качественный прокатный продукт.

Приемлемость герметичности под давлением должна быть указана числом, а не как “непротекающий”. Наша производственная практика для гидравлических или пневматических корпусов:

Производятся пропитки, но рассматривайте это как контролируемый этап процесса, а не как спасение. Вакуумно-давление пропитки смолой с низкой вязкостью метакрилата заполняет поры до примерно 0.25 мм и восстанавливает 85-95% утечек деталей. Не восстанавливает усталостную прочность, добавляет 40-90 минут цикла и этап промывки, а также накладывает температурный лимит примерно 200°C на деталь. Если программа требует более 2-3% пропитки, процесс литья не контролируется, и деньги лучше вложить в заполнение и вентиляцию.

Обработка, сварка и реакция поверхности

Обработка отличается главным образом из-за кремния. Основной кремний и эвтектические частицы Si имеют твердость 600-900 HV против алюминиевой матрицы 60-100 HV; они постоянно изнашивают режущий край.

• A380 / ADC12. Скорости резания 200-400 м/мин с карбидом и 400-900 м/мин с PCD. Ожидайте 3,000-8,000 отверстий на сверло PCD в сплаве Si 10% против 30,000-60,000 в 6061. Используйте острые, отполированные, с высоким положительным наклоном геометрии, избегайте накопления на режущем крае, не задерживаясь.
• A356-T6. Меньшее содержание Si и модифицированный эвтектический состав с Sr; заметно менее абразивный, лучшее качество поверхности, но более липкий при низкой скорости. Около 20-40% раз лучше износостойкости инструмента по сравнению с A380 при сверлении.
• 6061-T6. Хорошее разрушение стружки, длительный срок службы инструмента, Ra 0.8-1.6 мкм достигается сухим способом.
• 5052 и 5xxx. Липкий, с накоплением на режущем крае при скорости ниже 150 м/мин, требует острых, отполированных канавок и хорошей эвакуации стружки.

Свариваемость почти бинарна. A380 и ADC12 следует считать невоздушиваемыми: добавление меди и высокого содержания кремния дает широкий диапазон затвердевания, горячие трещины и расширение захваченного газа в сварочной ванне. A356 сваривается с наплавкой 4043, и A356 с низким содержанием кремния или гравитационное A356 регулярно ремонтно-свариваются и повторно термически обрабатываются. 6061 сваривается с 5356 или 4043, но теряет 40-50% своей прочности в зоне теплового воздействия, если сборка не подвергается повторной растворной обработке и старению, что обычно вызывает искажения. Сплавы серии 5xxx хорошо свариваются и сохраняют большую часть своей прочности.

Ответ поверхности — другой важный критерий, и именно он первым привлекает внимание покупателей:

• Анодирование. 6063 и 6061 дают чистую, равномерную, яркую анодную пленку. Литейные изделия с высоким содержанием кремния и меди становятся серыми или темно-серыми, пятнистыми, а пленка становится тоньше и мягче; обычно в результате получается темное декоративное анодирование или краска вместо этого.
• Полировка и гальванизация. Низко-силиконовые, низко-железистые сплавы, такие как A356 или низкокобальтовый алюминиевый сплав Al-Mg, достигают зеркальной поверхности после трёхступенчатой полировки; A380 и ADC12 будут полироваться, но частицы Si размазываются, а поверхность становится серой под хромом.
• Покраска и порошковое покрытие. Оба варианта подходят для любого маршрута; литейные изделия требуют цикла герметизации или дегазации, потому что захваченный газ в мелких порах расширяется при температуре 180-200°C, что вызывает появление пор на покрытии. Предварительная выпечка при 200-220°C в течение 30-60 минут или порошковое покрытие на правильно подготовленной и герметизированной поверхности.

Если деталь декоративная, выбор сплава и маршрута — это одно и то же решение. Поэтому наш вариантов отделки алюминиевых литых деталей статья начинается с выбора сплава и исходного состояния поверхности, а не с химии покрытия.

Структура затрат и точка безубыточности по объему

Экономика включает четыре компонента: оснастка, преобразованный материал, циклозависимое оборудование и трудовые затраты, а также вторичные операции.

Точка безубыточности — это когда амортизация фиксированных инструментов на единицу продукции плюс низкозатратный литейный маршрут пересекается с высокозатратным маршрутом механической обработки. Полезная формула:

“`

N* = (Инструмент_HPDC – Инструмент_ковкий) / (C_ковкий_деталь – C_литой_деталь)

“`

Пример. Корпус весом 0,6 кг с 12 обработанными поверхностями. Инструменты стоят 48 000 USD за двухкамерную матрицу против 3 000 USD за экструзию; разница 45 000 USD. Деталь, изготовленная методом экструзии, стоит 21,00 USD; как литая с обрезкой, пескоструйной обработкой и двумя CNC-операциями — 9,40 USD; разница 11,60 USD. Точка безубыточности — 3 880 штук всего, а при 12 000 штук в год она достигается на четвертом месяце. При производстве менее примерно 1 000 штук в год такую же деталь лучше обрабатывать из стержня или пластины, и 45 000 USD остаются в банке.

Две поправки делают модель честной. Во-первых, добавьте стоимость хранения риска инструмента: если дизайн незрелый, изменение матрицы дорого, а для экструзионной формы или программы CNC — не так. Во-вторых, добавьте стоимость поздних инженерных изменений — перемещение стенки в матрице стоит 8-20% стоимости инструмента и занимает 4-8 недель; на заготовке — это редактирование программы.

Матрица решений

Где ковка действительно является правильным решением

Говорите это ясно на этапе проектного обзора, потому что принудительное использование литейных форм в этих случаях дорого:

• Конструкция, критичная к усталости, устойчивая к повреждениям с режимом инспекции. Кованый продукт имеет сертифицированные допустимые значения и данные о хрупкости; для литых изделий необходимо самостоятельно их получать.
• Высоконагруженная тонкая пластина или геометрия, похожая на листовой металл, где возможна стена толщиной 1,5 мм при гиперпрессовании (HPDC), но более дешевый и прочный в изгибе — сформированный лист толщиной 1,5 мм.
• Очень малый объем или единичное производство, включая прототипы. Обработанный прототип из 6061 показывает дизайн, а не процесс литья; но это правильный первый образец, когда объем неизвестен.
• Сварные конструкции — рамы, баки, корпуса из 15 деталей. Литая деталь подойдет только если объем оправдывает создание инструмента.
• Анодированные архитектурные или потребительские поверхности где отделка является частью продукта.
• Криогенные или высокотемпературные условия эксплуатации выше примерно 200°C, при которых микроструктура литых изделий грубеет, а снижение свойств больше, чем у кованых.

Как состояние после отливки влияет на финальную обработку

Выбор маршрута определяет объем работы на downstream-этапах, и именно там сосредоточены основные затраты. Литая деталь с разделительной линией свидетельством 0,05-0,30 мм, наплывами на направляющих и штампах, следом от расплава сечением 2-15 мм² и поверхностью, которая варьируется от Ra 1,6 мкм на хорошей отливке до Ra 6-12 мкм там, где сгорел литейный смазочный материал. Готовая заготовка с обработкой пилой оставляет следы от пилы, заусенцы на каждом фрезерованном крае, и имеет постоянный Ra 1,6-3,2 мкм.

Для литых деталей последовательность обработки фиксирована исходным состоянием: обрезка на 20-200 т depending on shear perimeter, пиление LP-стержня или HPDC-распорки, вибрационная или шлифовка дробью до однородного Ra, затем шлифовка разделительной линии с прогрессией (зернистость 60-80 для удаления распора, 120-180 для смешивания, 240-320 для предварительного полирования), затем резка и окраска полировкой, если деталь декоративная. Поскольку исходное состояние варьируется от выстрела к выстрелу, единственный стабильный способ автоматизации — это контроль силы с соблюдением требований: плавающий шпиндель, удерживающий 5-40 Н против детали с учетом износа среды, а не фиксированный путь, который либо врезается в толстую отливку, либо пропускает тонкую. Именно такую архитектуру внедряет DZ Machinery в свои роботизированные ячейки для удаления заусенцев и шлифовки, и по этой причине наши автоматические машины для удаления заусенцев указывается вариация отливки по состоянию после отлива, а не по номеру детали.

DZ Machinery создает роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки, а также полностью готовые линии под ключ для литых и ковких деталей, включая фиксацию, систему удаления пыли и анализ времени цикла; если вы принимаете решение между литой под давлением и ковкой для текущей программы, отправьте чертежи деталей и годовой объем, и наша инженерная команда смоделирует оба варианта и необходимую для каждого из них ячейку обработки.