Гібридні виливки з металу Сучасне лиття
Франко К'єза, Гі Морін, Бернард Туга, Центр Металургії дю Квебека, та Ж.Ф.Корріво, Колледж де Труа-Рівьєр, Труа-Рівьєр, Квебек, Канада
(Клацніть тут, щоб побачити історію, яка з’являється у лютневому «Сучасному кастингу».)
Серед можливих способів використання нанесення легких металів на металеву підкладку є ключовою технологією, що сприяє зменшенню ваги автомобіля. Покриття сталі або міді алюмінієм або магнієм дозволяє скористатися міцністю сталі та корозійною стійкістю та здатністю теплопередачі міді без шкоди для невеликої ваги, яку шукають у багатьох додатках. Після заміни алюмінію чорними виливками в автомобільній промисловості подальші інновації включають прийняття гібридних рішень, де поєднується суміш дуже різних матеріалів.
Наприклад, високий механічний опір сталі може бути пов’язаний із легкістю магнію, як у прикладі, показаному на рис. 1. Ще одним вражаючим прикладом гібридної збірки є рядний шестициліндровий двигун BMW. У цьому випадку зниження ваги було досягнуто за допомогою відливання магнію над алюмінієм, який, на відміну від магнію, протистоїть корозійній агресії охолоджуючої рідини. Перекриття може бути вигідним при зменшенні витрат на обробку або посиленні тепловіддачі, наприклад, шляхом вбудовування мідних труб в алюміній. Подібним чином вставки в алюмінієві виливки можуть використовуватися для місцевого підвищення їх міцності, властивостей теплопередачі або зносостійкості.
Виливки з алюмінію та магнію забезпечують значну економію маси у порівнянні з деталями із чорних або мідних деталей. Порожнисті секції, як правило, ефективніше зменшують напруження в механічному вузлі. Ці секції можуть бути отримані шляхом наплавлення труб з “важких” матеріалів алюмінієм, що може забезпечити складність форми, запропоновану процесом лиття під тиском.
Доведення процесу
Металургійне, механічне та теплообмінне дослідження було проведено на межі розділу сталевих стержнів та мідних труб, обтяжених алюмінієм A356, за допомогою процесу постійної форми низького тиску. Technology Magnesium & Aluminium Inc., Trois-Rivières, Квебек, Канада, брав участь у пробігу.
Першою метою було виміряти механічну адгезію, виражену в кПа, на межі розділу сталь-алюміній 0,2 дюйма. (6 мм) циліндричні сталеві вставки, похмурі алюмінієм A356, і, також, тепловий опір на мідно-алюмінієвій межі мідних труб, вбудованих в алюміній A356. Цей опір, виражений коефіцієнтом тепловіддачі у Вт/м2/° C, було зроблено для температур заливки 1310F (710C) і 1400F (760C) і для початкових температур вставки 77F (25C) і 617F (325C).
Для кожної умови спостерігали рентгенограми та металографічні структури на межі розділу для оцінки відповідності поверхні та можливої пайки або розчинення вставки. Моделювання наповнення та затвердіння дозволило визначити місцеві теплові умови вздовж межі розділу. Дослідження спробувало співвіднести ці теплові параметри з виміряними властивостями на межі розділу, а саме, механічним зчепленням для сталевих стрижнів та термічним опором для мідних труб. Це поширює кількісні результати на різноманітні розміри вкладишів та форми лиття.
0,2 дюйма Сталеві стержні діаметром (6 мм) і мідні труби були похмурі в товщій ділянці (1,0 дюйма [26 мм]) східчастого лиття, як схематизовано на рис. 2. Трапецієподібні тримачі були встановлені на кожній кінці 0,2 дюйма. (6 мм) стержні та трубки для точного позиціонування та легкого витягування при викиді. На малюнку 3 показані мідні труби та сталеві стержні перед попереднім нагріванням та введенням у форму.
На фіг.4 показана рівна грань східцевого лиття після відкриття форми безпосередньо перед викидом. Були випробувані дві температури заливки алюмінію A356 (1400F [760C] і 1310F [710C]) та температури вставки (77F [25C] та 617F [325C]). На малюнку 5 показані ступінчасті виливки 1, 2 і 3, залиті для приведення форми до динамічної теплової рівноваги, разом із першим виливком (4), залитим вставкою.
Тридцять вісім східчастих виливків були досліджені в подальших дослідженнях. Як правило, однакові умови лиття застосовувались тричі для оцінки повторюваності виміряних коефіцієнтів адгезії та тепловіддачі для сталевих стрижнів та мідних труб відповідно. Металографічну та SEM-мікроскопію навколо межі розділу проводили на деяких з цих виливків та рентгенологічних знімків, дозволених для перевірки можливих порожнеч на межі відливання-вставки.
Механічне зчеплення зі сталі та алюмінію
При перекритті сталевих стрижнів звичайним властивістю є механічне зчеплення на межі сталь-алюміній. Адгезія вздовж стрижня вимірювалася в кПа, або Ньютонах на мм2 поверхні розділу. Це було зроблено для температури виливу 1310F (710C) і 1400F (760C) і вставити початкові температури 77F (25C) і 617F (325C) у шість місць у вкладиші.
Сталева вставка була розділена на шість зрізів, як показано на рис. 6. Наслідком симетрії є те, що кожна виливка забезпечує три повторні умови місцевого затвердіння. Наприклад, зрізи 3L і 3R на рис. 6 піддаються тим самим місцевим умовам затвердіння. Наведені карти часу затвердіння відповідають часу затвердіння для температури заливки 1310F (710C) і вставки при початковій температурі 77F (25C). Чотири умови (дві температури заливки та дві початкові температури вставки) моделювались із використанням значення 1,550 Вт/м2/° С для коефіцієнта тепловіддачі інтерфейсу для лиття у форму і часу наповнення чотири секунди. Результати наведені в таблиці 1.