Szilícium fémaz alumíniumötvözetgyártásban: Miért a Si a fő ötvözőelem

Szilícium fém - más névenipari szilíciumvagykohászati{0}}minőségű szilíciumA - az alumínium legfontosabb ötvözőanyaga. Kemény intermetallikus fázisok kialakításával és az alumínium -szilícium eutektika olvadáspontjának csökkentésével a puha, korrózióra- hajlamos tiszta alumíniumot önthető, nagy -szilárdságú ötvözetekké alakítja, amelyeket világszerte használnak autóipari hajtásláncokhoz, építőipari extrudálásokhoz és repülőgép-szerkezetekhez.

A globális alumíniumipar több millió tonnát fogyasztszilícium fémévente, és ennek zöme egyetlen alkalmazásból származik: az ötvözésből. Ellentétben az acéllal, ahol számos ötvözőelem található, és gyakran felcserélhetők, az alumínium a szilíciumra támaszkodik fő ötvözőpartnereként. Az okok kohászati ​​és gazdasági jellegűek is. A szilícium bőséges,-költséghatékony, és - ami a legkritikusabb - az önthetőség, a mechanikai szilárdság, a korrózióállóság és a hőstabilitás egyedülálló kombinációját adja, amelyet egyetlen más elem sem képes megismételni hasonló áron. Ez a cikk megvizsgálja a szilícium szerepe mögött meghúzódó kohászati ​​mechanizmusokat, a tőle függő speciális ötvözetcsaládokat, valamint az ipari gyakorlatokat.szilícium fémválaszték alumíniumgyártáshoz.

 

 

Kohászati ​​mechanizmusok: Hogyan alakítja át a szilícium az alumíniumot

Az alumínium-szilícium bináris rendszer a kohászatban a legszélesebb körben tanulmányozott rendszerek közé tartozik, és ennek jó oka van. A tiszta alumínium puha, gyenge és gyenge kopásállósággal rendelkezik. A szilícium, ha feloldódik vagy diszpergálódik az alumíniummátrixban, alapvetően megváltoztatja ezeket a tulajdonságokat több különböző mechanizmuson keresztül.

Eutektikus képződés és folyékonyság fokozása

Az alumínium -szilícium eutektika körülbelül 12,6 tömegszázalék szilíciumban fordul elő, és nagyjából 577 Celsius-fokon - lényegesen alacsonyabban olvad, mint a tiszta alumínium 660 Celsius-fokos olvadáspontja. Ha szilíciumot adunk az alumíniumhoz 5–12% tartományban, a kapott ötvözet lényegesen jobb folyékonyságot mutat az öntés során. Az alacsony olvadáspontú eutektikus fázis jelenléte lehetővé teszi, hogy az olvadt fém vékony falú formákba és olyan bonyolult geometriákba áramoljon, amelyek ötvözetlen alumíniummal lehetetlenek lennének. Ez a tulajdonság nélkülözhetetlenné teszi a szilícium{12}}ötvözeteket a motorblokkok, sebességváltóházak és szerkezeti konzolok nagynyomású{13}}présöntéséhez az autóiparban.

Erősítés intermetallikus fázisokon keresztül

A szilícium nem képez folyamatos szilárd oldatot az alumíniummal a teljes összetételi tartományban. Ehelyett primer szilícium részecskék vagy eutektikus szilícium lamellák válnak ki a megszilárdulás során. Ezek a kemény, törékeny szilícium fázisok megerősítő alkotóelemként működnek a lágyabb alumíniummátrixon belül, növelve a szakítószilárdságot, a keménységet és a kopásállóságot. Ezeknek a szilícium-részecskéknek a méretét, morfológiáját és eloszlását az öntési paraméterek, a nátrium- vagy stroncium-módosítókkal végzett olvadékkezelés, majd az ezt követő hőkezelés szabályozza. A finom, rostos eutektikus szilícium -, amelyet a - módosítással nyernek, kiváló mechanikai tulajdonságokat biztosít a durva, lemezszerű-módosítatlan szerkezetekhez képest.

Hőtágulás és méretstabilitás

Az alumíniumötvözetekben használt szilícium másik gyakran figyelmen kívül hagyott előnye a hőtágulási együttható csökkenése. Az autóipari dugattyúk és hengerfejek erős hőciklus mellett működnek, és a túlzott tágulás hézagvesztéshez, kopáshoz és idő előtti meghibásodáshoz vezethet. A szilícium-alumíniumötvözetek alacsonyabb hőtágulást mutatnak, mint a tiszta alumínium, ami javítja a méretstabilitást, és szigorúbb tervezési tűréseket tesz lehetővé a magas-hőmérsékletű alkalmazásoknál.

Korrózióállóság tengeri és légköri expozícióban

Noha a szilícium nem különösebben ellenáll a korróziónak-savas környezetben, az alumíniumötvözetekben való jelenléte javíthatja az általános korróziós teljesítményt semleges és enyhén lúgos körülmények között. A természetes oxidáció során képződő szilíciumban{2}}dús felületi filmek gátolhatják a további légköri támadásokat. A tengeri és tengerparti építőiparban a 6xxx sorozatú ötvözetek -, amelyek szilíciumot és magnéziumot kombinálnak -, kiválóan ellenállnak a sópermettel és az atmoszférikus korrózióval szemben, így az ablakkeretek, függönyfalak és szerkezeti extrudálások agresszív környezetben történő választása.

Alumíniumötvözet családok és szilíciumtartalom

Az Aluminium Association jelölési rendszere a kovácsolt és öntött ötvözeteket elsődleges ötvözőelemeik alapján családokba sorolja. A szilícium kiemelten szerepel a 4xxx és 6xxx kovácsolt sorozatban, valamint számos öntöttötvözet megjelölésben.

A 4xxx sorozat: a szilícium, mint az egyetlen fő ötvözőelem

A kovácsolt 4xxx ötvözetekben a szilícium a domináns ötvöző adalék. A 4043-as ötvözet, amely körülbelül 5% szilíciumot tartalmaz, a legszélesebb körben használt alumínium hegesztőhuzal. A szilíciumtartalom kiváló folyékonyságot biztosít a hegesztés során, csökkenti a melegrepedésre való hajlamot, és sima, esztétikus varratgyöngyöket hoz létre. Magasabb -szilíciumötvözetek, például 4343 és 4045, 7–13% szilíciumtartalommal, keményforrasztó lemezként és burkolatként használják hőcserélőkben, ahol az alacsony olvadáspontú szilíciumban gazdag felületi réteg lehetővé teszi a kemencében történő keményforrasztást további töltőfémek nélkül.

A 6xxx sorozat: magnézium-szilicid csapadékos keményítés

A 6xxx sorozat az extrudált alumíniumtermékek legnagyobb mennyiségét képviseli világszerte. Az olyan ötvözetek, mint a 6061, 6063 és 6082, a szilíciumot a magnéziummal olyan arányban kombinálják, hogy a mesterséges öregítés során metastabil Mg2Si (magnézium-szilicid) csapadékot képezzenek. Ez a csapadék{7}}edző mechanizmus a 240–310 MPa tartományban - megfelelő folyáshatárt biztosít - szerkezeti alkalmazásokhoz -, miközben megőrzi a kiváló extrudálhatóságot, korrózióállóságot és hegeszthetőséget. A 6xxx ötvözetek szilíciumtartalmát szándékosan az alumínium-szilícium eutektikus összetétele alatt tartják, biztosítva az egyfázisú megszilárdulást, és elkerülve a durva primer szilícium részecskék képződését, amelyek rontják a felületi minőséget és az eloxálási reakciót.

Öntvényötvözetek: eutektikustól hipereutektikáig

Az alumínium-szilícium öntvényötvözetek felölelik a teljes összetételi tartományt a hipo-eutektikustól a hipereutektikusig. A széles körben használt A356 ötvözet 7% szilíciumot és 0,35% magnéziumot tartalmaz, kiváló egyensúlyt biztosít az önthetőség, a szilárdság és a hajlékonyság között a T6 hőkezelés után. A másik véglet a hipereutektikus ötvözetek, mint például a 390.0, 16-18% szilíciumot tartalmaznak, és az autóipari dugattyúk és kompresszorházak kivételes kopásállósága miatt értékelik őket. Ezekben az ötvözetekben az eutektikus reakció előtt kikristályosodó elsődleges szilíciumrészecskéket - foszfor-adalékokkal szándékosan finomítják, hogy 50 mikrométer alatti részecskeméretet érjenek el, biztosítva a megmunkálhatóságot és az elfogadható szívósságot.

Ipari gyakorlat: KiválasztásSzilícium fémAlumíniumötvözési fokozatok

Nem mindszilícium fémegyenértékű az alumíniumötvözési célokra. A minőség kiválasztása a célötvözet összetételétől, az olvasztási módszertől és a végső alkalmazási követelményektől függ.

Közös fokozatok: 553, 441 és 3303

A kínai és nemzetközi gyártók a szilíciumfémet négy{0}}számjegyű kód alapján osztályozzák, amely a megengedett legnagyobb vas- és alumíniumtartalom ezrelékben kifejezve. Az 553-as minőség például legfeljebb 0,5% vasat és 0,5% alumíniumot engedélyez. A 441-es fokozat 0,4% vasat és 0,4% alumíniumot tesz lehetővé. A 3303-as fokozat 0,3% vasat, 0,3% alumíniumot és 0,03% kalciumot tesz lehetővé. Az általános-célú alumíniumötvözeteknél az 553 és 441 költséghatékony és széles körben használt. Az olyan prémium alkalmazásokhoz, mint a repülőgép-öntvények és a nagy -tisztaságú keményforrasztó ötvözetek, a 3303-as vagy 2202-es osztályú - még alacsonyabb szennyeződési mennyezetekkel - is meghatározható az állandó mechanikai tulajdonságok biztosítása és a zárványok minimalizálása érdekében.

Olvadási módszerek és a szilícium visszanyerése

A szilíciumfémet többféle úton juttatják be az alumíniumolvadékokba. A nagy primer alumíniumkohókban a szilíciumot közvetlenül az öntőkemencékben lévő megolvadt alumíniumhoz adják, ahol az oldódás és homogenizálás szabályozott hőmérsékleten és keverés mellett megy végbe. A másodlagos (újrahasznosított) alumíniumműveletek során a szilícium-tartalmú hulladékot elsődleges fémmel és szűz szilícium-adalékokkal keverik össze a kívánt összetétel elérése érdekében. A hozzáadott szilícium visszanyerési aránya - a ténylegesen feloldódó és a végső ötvözetben maradó frakció - jellemzően 92% és 98% között van, az olvadás hőmérsékletétől, az oxidációs körülményektől és a salakképződéstől függően.

A szennyeződés szabályozása és következményei

A szilícium fémben lévő nyomokban lévő szennyeződések túlméretezett hatással lehetnek az alumíniumötvözetek tulajdonságaira. A vas még 0,5% alatti szinten is rideg intermetallikus vegyületeket képez alumíniummal és szilíciummal, amelyek csökkentik a hajlékonyságot és a törési szívósságot. A kalcium, amely egyes szilíciumminőségekben 0,03–0,10%-ban van jelen, az eutektikus szilícium nem szándékos módosítójaként működik, potenciálisan megzavarva a szabályozott nátrium- vagy stronciummódosítási gyakorlatokat. A foszfátban-dús nyersanyagokból - előállított szilíciumban néha előforduló foszfor - megmérgezheti a módosító kezeléseket, és elősegítheti a durva szilíciumszerkezetek kialakulását. Ezen okok miatt az alumíniumöntödék egyre gyakrabban határozzák meg a szilíciumfém-beszerzéseik során nemcsak a szilíciumtartalmat, hanem a teljes szennyezőanyag-spektrumot is.

Alkalmazások az autóiparban és az építőiparban

A szilícium-hordozó alumíniumötvözetek - két legnagyobb végfelhasználási-ágazata, az autóipar és az építőipar - szemlélteti a szilícium funkcionális hozzájárulásának széles körét.

Autóipari könnyűsúlyozás

Az autógyártók könyörtelen nyomással szembesülnek, hogy csökkentsék a jármű tömegét, hogy megfeleljenek a károsanyag-kibocsátási előírásoknak és bővítsék az elektromos járművek hatótávját. Az alumíniumötvözetek sűrűsége nagyjából egy-harmada az acélénak, a szilícium-öntvényötvözetek pedig kiszorították az öntöttvasat és az acélt a motorblokkokban, hengerfejekben, sebességváltó-házakban és felfüggesztés-alkatrészekben. Egy tipikus alumínium motorblokk 7–10% szilíciumot tartalmaz, egy modern jármű pedig 80–150 kilogramm szilícium{8}}alumíniumöntvényt tartalmazhat. A 6xxx sorozatú extrudálások eközben az alumínium{11}}intenzív járműarchitektúrák szerkezeti gerincét alkotják, mint például a tér{12}}vázszerkezetek és az elektromos járművek akkumulátorházai.

Építőipari extrudálások és építészeti rendszerek

Az építőiparban a 6xxx sorozatú extrudálások uralják az ablakkeretek, függönyfalrendszerek, ajtókeretek és szerkezeti üvegtartók piacát. A hozzávetőleg 0,4% szilíciumot és 0,7% magnéziumot tartalmazó 6063-as ötvözet az építészeti extrudálás igáslója kivételes extrudálhatósága -, amely lehetővé teszi az összetett üreges profilok - kialakítását, valamint a dekoratív eloxált és festett felületek fogadására való képességét. A szilíciumtartalmat gondosan ellenőrzik, hogy biztosítsák a felület egyenletes megjelenését kémiai világosítás és eloxálás után, mivel a szilíciumban{8}}dús fázisok elszíneződést vagy színváltozást okozhatnak, ha túlzott vagy nem egyenletes koncentrációban vannak jelen.

Fenntarthatósági és újrahasznosítási szempontok

Az alumínium a leginkább újrahasznosítható ipari fémek közé tartozik, és ez alól a szilícium{0}}tartalmú ötvözetek sem kivételek. Az újrahasznosított alumíniumhulladék - akár a poszt-fogyasztási italos dobozokból, akár lebontott épülethomlokzatokból, akár autóipari aprítógép-maradványokból - megőrzi szilíciumtartalmát több újraolvasztási cikluson keresztül. Ellentétben néhány ötvöző elemmel, amelyek oxidálódnak vagy szétválnak az újraolvadás során, a szilícium magas visszatartást és kiszámítható viselkedést mutat a másodlagos olvadékokban. Ez a körforgás gazdaságilag jelentős: az alumínium újrahasznosított hulladékból történő előállítása a bauxitból történő elsődleges gyártáshoz szükséges energia hozzávetőlegesen 5%-át teszi ki, és a beágyazott szilícium értéke megmarad. Azonban a tramp elemek, például a vas, a réz és a cink felhalmozódása az újrahasznosított áramokban korlátozhatja a másodlagos anyagok alkalmasságát a magas -szilíciumtartalmú prémium ötvözetekhez, ami szükségessé teszi a hulladék gondos válogatását és az elsődleges fémmel való hígítást.