Kā izgatavot alumīnija un vara sakausējumus
Pendahuluan
Sakausējums ir materiāls, kas iegūts, apvienojot divus vai vairākus metāla elementus (vai metālus ar citiem elementiem), lai iegūtu labākas īpašības nekā tīram metālam. Viens no rūpniecībā plaši izmantotajiem sakausējumiem ir alumīnija (Al) un vara (Cu) sakausējums. Šis sakausējums ir pazīstams ar savu pievilcīgo īpašību kombināciju: alumīnijs nodrošina vieglu svaru un labu izturību pret koroziju, savukārt varš veicina lielāku izturību, cietību un nodilumizturību. Rūpnieciskajā praksē Al-Cu sakausējumus ļoti bieži izmanto lidmašīnu detaļās, automobiļu detaļās, inženiertehniskajās iekārtās un konstrukcijās, kurām nepieciešama augsta stiprības un svara attiecība.
Šajā rakstā ir aplūkots alumīnija un vara sakausējumu ražošanas vispārējais process, sākot no materiāla sagatavošanas, kausēšanas, sajaukšanas, liešanas un beidzot ar termisko apstrādi, lai iegūtu optimālas mehāniskās īpašības.
Sākot no
1. Alumīnija-vara sakausējumu pamatprincipi
Alumīnijs un varš var veidot sakausējumus ar plašu sastāva diapazonu. Al-Cu sistēmā varš parasti tiek pievienots noteiktā diapazonā (piemēram, aptuveni 2–10% Cu daudzos inženiersakausējumos), jo kontrolēta Cu pievienošana var palielināt izturību, izmantojot cietinošu šķīdumu un nokrišņu sacietēšanas mehānismus.
Tomēr Al-Cu sakausējumi rada arī izaicinājumus: varš var samazināt alumīnija izturību pret koroziju, ja tas netiek pareizi aizsargāts vai apstrādāts, un kausēšanas process ir jākontrolē, lai nodrošinātu viendabīgu maisījumu un samazinātu tādus defektus kā porainība un oksīdu ieslēgumi.
Sākot no
2. Nepieciešamie materiāli un aprīkojums
a. Materiāli
1. Tīrs alumīnijs vai alumīnija lietnis (piemēram, Al 99% vai bāzes alumīnija sakausējums, ja nepieciešams).
2. Tīrs varš (vara stienis/pulveris/lietnis).
3. Flukss (tīrīšanas līdzeklis), kas palīdz saistīt oksīdus un netīrumus izkausētā metālā.
4. Inerta gāze (pēc izvēles), piemēram, argons vai slāpeklis, lai samazinātu oksidēšanos kausēšanas un degazēšanas laikā.
b. Aprīkojums
1. Kušanas krāsns: var būt elektriskā, indukcijas vai gāzes krāsns.
2. Tīģelis (kušanas trauks), kas izgatavots no grafīta vai karstumizturīga materiāla.
3. Termopārs/temperatūras mērīšanas instruments temperatūras kontrolei.
4. Metāla maisītājs vai grafīta stienis homogenizācijai.
5. Veidne: smiltis, pastāvīgs metāls vai ieguldīšanas veidne atkarībā no mērķa.
6. Drošības aprīkojums: karstumizturīgi cimdi, sejas aizsargs, priekšauts, drošības apavi.
Sākot no
3. Sagatavošanas posms pirms kausēšanas
a. Nosakiet sakausējuma sastāvu
Pirmais solis ir noteikt Al-Cu sastāvu atbilstoši nepieciešamajām galīgajām īpašībām. Piemēram, ja vēlams ievērojams stiprības pieaugums, Cu procentuālo daudzumu var palielināt, taču ņemot vērā blakusparādības, piemēram, samazinātu izturību pret koroziju un iespējamo trausluma palielināšanos noteiktos apstākļos.
b. Izejvielu tīrīšana
Alumīnijs un varš ir jāattīra no eļļas, putekļiem, bieziem oksīdiem vai citiem piesārņotājiem. Piesārņojums var izraisīt liešanas defektus, piemēram, porainību, plaisas vai ieslēgumus.
c. Sagatavojiet veidni
Veidnei jābūt sausai un, ja nepieciešams, iepriekš uzkarsētai, lai samazinātu termisko šoku un atvieglotu izkausētā metāla plūsmu. Mitra veidne var izraisīt kaitīgu ūdens tvaiku veidošanos un palielināt poru parādīšanos lējumā.
Sākot no
4. Kušanas un sajaukšanas process
a. Alumīnija kausēšana
Parasti alumīnijs tiek kausēts vispirms, jo tā kušanas temperatūra ir zemāka (aptuveni 660 °C) nekā vara kušanas temperatūra (aptuveni 1085 °C). Praksē alumīnijs tiek uzkarsēts virs tā kušanas temperatūras un sasniedz noteiktu darba temperatūru (parasti no vairākiem desmitiem līdz simtiem grādu virs 660 °C atkarībā no mēroga un liešanas tehnikas), lai tas kļūtu pietiekami šķidrs un viegli sajaucams.
b. Vara pievienošana
Varu var pievienot pēc tam, kad alumīnijs ir pilnībā izkusis. Tā kā varu ir grūtāk šķīdināt pārāk zemā temperatūrā, kušanas temperatūra parasti tiek uzturēta pietiekami augsta, lai varš ātri izšķīstu un sakausējums kļūtu homogēns. Pievienošana tiek veikta lēni, lai izvairītos no krasas temperatūras pazemināšanās un samazinātu oksidēšanos.
Dažās praksēs varu var pievienot šādā veidā:
– Mazi stieņi ātrai izkausēšanai vai
– Galvenais sakausējums (sakausējums starp Al un augstu Cu saturu), lai veicinātu šķīšanu un paātrinātu homogenizāciju.
c. Maisīšana un homogenizācija
Pēc vara ievadīšanas izkausēto metālu maisa, izmantojot grafīta stieni vai speciālu maisītāju. Tas nodrošina vienmērīgu vara sadalījumu un novērš segregāciju (sastāvdaļu atdalīšanos), kas var rasties sakausējumam atdziestot.
d. Plūstīšana un degazēšana
Oksidēšanās ir izplatīta problēma alumīnija kausēšanā, jo alumīnijs viegli veido oksīda slāni. Fluksu izmanto, lai saistītu oksīdu un piemaisījumus, lai tos varētu atdalīt kā izdedžus (sārņus). Turklāt izkausēts alumīnijs viegli absorbē ūdeņradi, kas sacietējot var izraisīt porainību. Tāpēc degazēšanas process (izšķīdušo gāzu noņemšana) dažreiz tiek veikts, izmantojot inertu gāzi, piemēram, argonu, ko burbuļo caur izkausēto metālu.
Sākot no
5. Ielešana (liešana) veidnē
a. Sārņu noņemšana (izdedžu noņemšana)
Pirms liešanas izkausētā metāla virsmas izdedži/sārņi tiek notīrīti (noskrāpēti), lai samazinātu ieslēgumus lējumā.
b. Kontrolēta liešana
Izkausēts metāls tiek ielejts veidnē vienmērīgā ātrumā. Pārāk ātra liešana var radīt turbulenci, iesprostot gaisu un palielinot porainību. Pārāk lēna liešana rada aukstuma aizsprostojuma risku (metāls sacietē, pirms veidnes dobums ir pilnībā piepildīts).
c. Atdzesēšana un sasaldēšana
Pēc ieliešanas metālam ļauj sacietēt. Dzesēšanas ātrums ietekmē graudu lielumu un mehāniskās īpašības. Ātra dzesēšana parasti rada smalkākus graudus, kas bieži vien korelē ar palielinātu izturību, taču tā ir jākontrolē, lai izvairītos no atlikušo spriegumu un plaisāšanas veidošanās.
Sākot no
6. Pēcliešanas process
a. Pelējuma noņemšana un tīrīšana
Lējumu izņem no veidnes un attīra no atlikušajām smiltīm vai formēšanas materiāla. Vārti un stāvvads tiek nogriezti.
b. Termiskā apstrāde (termiskā apstrāde)
Daudziem Al-Cu sakausējumiem izturības palielināšanai tiek izmantota termiskā apstrāde, galvenokārt ar nokrišņu sacietēšanu. Biežāk sastopamie posmi ir šādi:
1. Šķīduma termiskā apstrāde: sakausējuma karsēšana tā, lai Cu izšķīst alumīnija matricā.
2. Rūdīšana: ātra atdzesēšana, lai “nofiksētu” pārsātināto cieto šķīdumu.
3. Novecošana: karsēšana noteiktā temperatūrā (vai atstāšana istabas temperatūrā dabiskai novecošanai), lai veidotos smalkas nogulsnes, kas stiprina materiālu.
Temperatūras un laika parametri ir ļoti atkarīgi no sakausējuma sastāva un mērķa īpašībām (izturības, elastības, sīkstuma).
c. Apdares process
Atkarībā no vajadzībām sakausējums var tikt pakļauts:
– Apstrāde
– Pulēšana
– Pārklāšana/anodēšana, lai uzlabotu izturību pret koroziju (lai gan Al-Cu sakausējumi ne vienmēr ir tikpat ideāli anodēšanai kā citi Al sakausējumi atkarībā no Cu satura).
Sākot no
7. Bieži sastopamās problēmas un to pārvarēšana
1. Porainība ūdeņraža dēļ: pārvarama, degazējot un uzturot izkausēto metālu tīru.
2. Oksīda ieslēgumi: tiek samazināti ar plūsmas apstrādi, virskārtas noslaucīšanu un liešanu bez turbulences.
3. Sastāva segregācija: novēršama, pienācīgi maisot un kontrolējot dzesēšanu.
4. Karstā plaisāšana: kontrolējama ar labu veidnes konstrukciju, pareizu sastāvu un dzesēšanas ātruma kontroli.
Sākot no
Secinājums
Alumīnija un vara sakausējumu ražošana būtībā ietver materiāla sagatavošanu, alumīnija kausēšanu, vara pievienošanu, homogenizāciju, degazāciju, liešanu un termisko apstrādi, lai optimizētu mehāniskās īpašības. Veiksmīga procesa atslēga ir temperatūras kontrole, izkausēta metāla tīrība, pareizas liešanas metodes un atbilstošas termiskās apstrādes izvēle. Ar pareizām procedūrām Al-Cu sakausējumi var ražot izturīgus, relatīvi vieglus un augstvērtīgus materiālus dažādiem inženiertehniskiem un rūpnieciskiem pielietojumiem.
Ja vēlaties, varu pielāgot šo rakstu tehniskākā versijā (ar konkrētu sakausējumu sastāvu un to termiskās apstrādes parametru piemēriem) vai vienkāršākā versijā skolas ziņojumam.
