Жидкотекучесть алюминия

Литейные свойства сплава

В настоящее время не существует ни одного метода, на который можно было бы указать как на средство определения литейных свойств сплава с точки зрения измеримых количественных параметров [1]. Три специфических характеристики сплава определяют показатели его литейных свойств:
• Текучесть
• Горячее растрескивание
• Налипание металалла на стальную литейную форму.

Текучесть

Это способность материала втекать в данную полость и заполнять ее. Переменные литейного производства, такие как покрытие литейной формы, легирующие добавки, давление напора и особенно степень перегрева расплава, влияют на величину текучести. Например, для отливок в песчаные и постоянные формы увеличение интервала затвердевания сплава сильно влияет текучесть.

Горячее растрескивание

Это литейное явление, которое часто происходит, например, при литье в песчаные формы. Оно зависит от напряжений, которые возникают при затвердевании. Поведение материала во время затвердевания также имеет значение.

Налипание металла на стальную литейную форму

Это происходит, когда жидкий алюминий контактирует со стальным штампом, например, при литье под давлением. Из-за естественного сродства железа и алюминия на поверхности происходит реакция, в результате которой образуются интерметаллические фазы. За серию “выстрелов” значительное количество алюминия прилипает к этим фазам на поверхности кристалла. Таким образом, головка должна быть отключена и очищена, что дорого обходится, если это происходит слишком часто.

Жидкотекучесть металла

Жидкотекучесть – это чисто литейный термин и он отличается от общенаучного термина «текучесть». В обычной науке «текучесть» – это величина, обратная вязкости и, поэтому, ее можно точно численно измерить.

В литейном деле жидкотекучесть (ее также называют «литейная текучесть») определяют как расстояние, на которое жидкий металл проникнет в полость литейной формы при литье металлов, в том числе, при литье алюминия. Поэтому жидкотекучесть – это не абсолютная, относительная величина.

Когда расплавленный алюминий входит в полость литейной формы, то в ходе этого течения он теряет свою термическую энергию. В конце концов, алюминий начинает затвердевать и в некоторой точке полости прекращает течь.

Fig. 1 – Thin-veins or intricate thin walled structures require a high degree of fluidity to avoid misruns (Source: EAA [3])

Влияние технологии литья на жидкотекучесть металла

Основными факторами, влияющими на жидкотекучесть металла, являются следующие.

Исходная температура металла.
Мощность отбора тепла от расплава материалом литейной формы, в том числе влияние термоизоляционных покрытий на литейной форме.
Кинетическая энергия металла:
1) Гравитационное литье (литье в кокиль) и литье в песчаные формы полагаются на течение металла сверху вниз под собственным весом.
2) Литье под низким и высоким давлением применяют различное, регулируемое давление для того, чтобы заставить металл течь в литейную форму.

Степень чистоты металла, то есть наличие в сплаве посторонних примесей также оказывает большое влияние на жидкотекучесть металла (рисунок 2).

Fig. 2 – Filtered (clean) versus unfiltered (dirty) metal fluidity comparison (Source: EAA [3])

Роль жидкотекучести металла при литье

Недостаточная жидкотекучесть может приводить к неполному заполнению литейной формы и нечеткому повторению формы изделия.
Чрезмерная жидкотекучесть может приводить к проникновению металл сквозь песчаную форму или чрезмерное выплескивание металла при его движении по литейным каналам.
На практике жидкотекучесть металла контролируется путем выбора сплава, температурой расплава и температурой литейной формы.
Ухудшение жидкотекучести металла могут быть указанием на его загрязненность.
Можно ожидать изменения жидкотекучести металла при изменении содержания примесей, введении добавок для измельчения зерна или модификации сплава.

Пробы на жидкотекучесть

Спиральная проба – это заливка металла в спиральную песчаную форму (Fig. 3). Она является самым старым способом оценки жидкотекучести металла. Металл при тщательно контролируемой температуре заливают в литейную форму и измеряют длину, которую прошел металл.

Сущность вакуумной пробы на жидкотекучесть заключается в следующем. Керамическая или кварцевая труба соединяется с вакуумной системой. Эта труба окунается в испытуемый расплав при заданной температуре. По высоте подъема металла (Fig. 4) или длины металла (Fig. 5) судят о его жидкотекучести.

Многоканальная проба показана на Fig. 6.

Fig. 3 – The fluidity spiral, or sand spiral, is one of the oldest and simplest fluidity tests (Source: EAA [3])

Fig. 4 – Vacuum fluidity testing is more complex, but eliminates variables associated with moulded sand (Source: EAA [3])

Fig. 5 – Vacuum fluidity test [2]

Fig. 6 – Multichannel fluidity test in metal mold [2]

Влияние легирующих элементов на жидкотекучесть алюминия

Влияние на жидкотекучесть алюминия содержания в нем легирующих элементов (медь и кремний) показано на рисунке 7.

Fig. 7 – Foundry fluidity of Al with Si or Cu content (Source: EAA [3])

Влияние на жидкотекучесть алюминия модификаторов (стронций), измельчителей зерна (титан, титан/бор) и примесей (железо) показано на рисунке 8.

Fig. 8 – Effects on AA 320 alloy of changes in trace elements or master alloy additions (Source: EAA [3])

Влияние чистоты алюминия на его жидкотекучесть

Жидкотекучесть алюминия очень чувствительна к уровню его чистоты, как это видно из рисунка 9.

Fig. 9 – Rapid change in fluidity of pure Al with impurity content (Source: EAA [3])

Источники:

Aluminum Cast Alloys: Enabling Tools for Improved Performance / D. Apelian – North American Die Casting Association, 2009
Castability—Fluidity and Hot Tearing //ASM Handbook, Volume 15: Casting – 2008
European Aluminium Association, 2002

Подробнее про литье алюминия в песчаные формы:

Aluminum Alloy Casting: Properties, Processes And Applications – J. Gilbert Kaufman, Elwin L. Rooy