Composizione della lega di alluminio A357: spiegazione del silicio, del magnesio e del trattamento termico

Se un disegno richiama A357-T6 e un fornitore spedisce A356-T6, le parti verranno comunque imbullonate. Continueranno a misurare correttamente su una CMM. Potrebbero anche superare un test al banco. Ciò che non faranno è raggiungere il limite di snervamento presupposto dal progetto, e tale carenza tende a manifestarsi mesi dopo come un alloggiamento incrinato, una faccia di tenuta che piange o un cedimento per fatica in corrispondenza di un'estremità del bullone. La differenza chimica è piccola sulla carta, ed è esattamente il motivo per cui sfugge all'ispezione in entrata.

La composizione della lega di alluminio A357, in peso, è dal 6,5 al 7,5% di silicio, dallo 0,40 allo 0,70% di magnesio, un massimo di 0,20% di ferro, un massimo di 0,20% di rame, un massimo di 0,10% di manganese, un massimo di 0,10% di zinco e un massimo di 0,20% di titanio . L’alluminio costituisce l’equilibrio. Rispetto all'A356, sia il pavimento che il soffitto in magnesio si spostano verso l'alto e il limite del ferro è mantenuto più stretto. Questi due cambiamenti sono ciò che fornisce circa il 15% in più di resistenza allo snervamento dopo un adeguato trattamento termico T6.

Questa è la risposta breve. Il resto di questo articolo analizza la chimica elemento per elemento, confronta A357 con A356 e 356 su numeri reali, quindi spiega come il percorso di fusione e il ciclo di invecchiamento decidono se quella chimica diventa una parte strutturale affidabile o un costoso mucchio di rottami.

Composizione della lega di alluminio A357: la chimica completa, elemento per elemento

La tabella seguente elenca i limiti di composizione pubblicati per la designazione di colata A357.0, insieme a una pratica finestra di destinazione che le fonderie effettivamente mirano a raggiungere entro tali limiti. I limiti derivano dalle specifiche standard della fusione di alluminio utilizzate in tutto il settore e gli stessi numeri compaiono nei fogli di designazione dell’Alluminio Association e nel Manuale ASM, volume 15: Casting, che rimane il riferimento standard per la metallurgia della fusione di alluminio.

Un dettaglio che coglie di sorpresa gli acquirenti: alcune varianti dell'A357 consentono un'aggiunta molto piccola di berillio, compresa tra lo 0,04 e lo 0,07%, per arrotondare le piastrine contenenti ferro. Altri limitano il berillio allo 0,0007% e lo vietano nella pratica. Se una parte è destinata a un ambiente regolamentato o a una cella di lavorazione con rigide regole di trattamento dell'aria, quella singola riga sulla scheda tecnica cambia quale acciaieria può citarti.

Cosa fa effettivamente ciascun elemento all'interno di un casting

Silicio dal 6,5 al 7,5%.

Il silicio è il motivo per cui questa lega può essere colata. Abbassa l'intervallo di fusione e spinge la lega verso l'eutettico alluminio-silicio, che si trova vicino a 577 gradi Celsius. Con circa il 7% di silicio, la lega è ipoeutettica, quindi la struttura solidificata è un mix di dendriti di alluminio circondati da una fine rete eutettica. Questa rete è ciò che garantisce fluidità a parete sottile, resistenza allo strappo a caldo e uno stress da contrazione ragionevolmente basso.

Se si abbassa il silicio al di sotto dell'intervallo, gli errori e gli strappi bollenti diventeranno routine. Spingendolo al di sopra del limite, il silicio eutettico si ingrossa in piastre aciculari che agiscono come tacche interne. Il silicio eutettico non modificato in una fusione di A357 può ridurre l'allungamento del 40% o più rispetto a una fusione adeguatamente modificata, motivo per cui un'aggiunta di stronzio di circa lo 0,010-0,020%, o un modificatore a base di sodio, è una pratica standard.

Magnesio dallo 0,40 allo 0,70%.

Il magnesio è l'elemento indurente e il motivo principale per cui l'A357 esiste come lega separata. Durante l'invecchiamento artificiale, i precipitati fini di siliciuro di magnesio si nucleano in tutta la matrice di alluminio e bloccano il movimento delle dislocazioni. A356 limita il magnesio allo 0,45%; A357 consente fino allo 0,70%. Quel magnesio extra aumenta la resistenza allo snervamento in età di picco di circa 20-30 MPa quando tutto il resto è uguale.

Il compromesso è la sensibilità del processo. A357 si trova più vicino al limite del suo limite di solubilità, quindi un breve trattamento con la soluzione o un raffreddamento non uniforme lascia dietro di sé il siliciuro di magnesio non disciolto e la parte quindi non soddisfa le sue specifiche pur superando un controllo spettrometrico sul lingotto in entrata.

Ferro allo 0,20% massimo

Il ferro è il silenzioso killer della duttilità. Al di sopra di circa lo 0,25% in una lega al 7% di silicio, il ferro forma piastrine Al5FeSi in fase beta che sono fragili, simili a piastre e soggette a fessurazioni sotto carico. Mantenere il ferro allo 0,20% o meno, e preferibilmente allo 0,15% per un lavoro di alta qualità, mantiene le piastrine piccole e meno dannose. Questo limite di ferro più stretto, più di quello di magnesio, è ciò che distingue una fusione A357 premium da una lega secondaria ordinaria.

Titanio e affinazione del grano

Il titanio in una concentrazione compresa tra lo 0,10 e lo 0,15%, normalmente introdotto attraverso una lega madre Al-5Ti-1B, limita la crescita del grano durante la solidificazione. I grani fini equiassici migliorano l'alimentazione, diffondono la porosità da ritiro in pori più piccoli e meglio distribuiti e aumentano sia la resistenza alla trazione che l'allungamento. Una fusione che è stata degassata e modificata ma non raffinata mostrerà grani colonnari grossolani e una dispersione più ampia nei risultati dei test meccanici.

Rame, manganese, zinco e tracce di secchio

Il rame è limitato allo 0,20% perché degrada le prestazioni di corrosione in ambienti umidi o carichi di sale. Il manganese allo 0,10% massimo modifica leggermente la fase del ferro ma non può salvare una fusione che è già ricca di ferro. Lo zinco allo 0,10% massimo è in gran parte un parametro di controllo degli scarti. I limiti generali, 0,05% per ogni singolo elemento non specificato e 0,15% totale, esistono per impedire che residui sconosciuti modifichino il comportamento di solidificazione della lega.

A357 vs A356 vs 356: dove i numeri si separano

Queste tre leghe sono spesso citate in modo intercambiabile e ad una revisione del disegno possono apparire come varianti clericali. Non lo sono. La tabella seguente mostra i valori T6 tipici pubblicati; i numeri effettivi si spostano con il processo di fusione, lo spessore della sezione e la posizione da cui viene tagliato il coupon.

La lettura pratica: se la tua analisi dello stress presuppone la resistenza allo snervamento A357 e tu ricevi A356, hai tranquillamente perso circa 50 MPa di margine. Su una parte con un fattore di sicurezza pari a 3, questa è invisibile. Su una parte dimensionata con un fattore di sicurezza di 1,4, rappresenta la differenza tra il superamento di una prova di fatica e una riprogettazione.

Trattamento termico: perché la sola chimica non è sufficiente

Puoi colpire ogni numero nella Tabella 1 e produrre comunque una parte morbida. La lega raggiunge la resistenza specifica solo dopo un ciclo T6 in tre fasi e ciascuna fase ha una finestra pratica ristretta.

1. Trattamento della soluzione a circa 540 gradi Celsius per 6-12 ore, un tempo sufficiente per dissolvere le fasi ricche di magnesio in una soluzione solida.
2. Tempra, solitamente in acqua calda o in un bagno polimerico, sufficientemente veloce da intrappolare una soluzione solida sovrasatura ma sufficientemente lenta da evitare di deformare le sezioni sottili.
3. Invecchiamento artificiale a circa 155-170 gradi Celsius per 4-8 ore per far precipitare le fini particelle di siliciuro di magnesio che effettuano il rafforzamento effettivo.

La classica modalità di rottura è un ritardo di raffreddamento più lungo di quanto la lega possa tollerare. A357 è più sensibile in questo caso rispetto a A356 perché il carico di magnesio più elevato significa che è necessario trattenere più soluto in soluzione. Un ritardo di alcuni minuti tra il traino del carico e l'impatto con il serbatoio di raffreddamento può far scendere la resistenza allo snervamento ben al di sotto del minimo specificato, lasciando la resistenza alla trazione influenzata solo marginalmente, il che rende il problema difficile da rilevare con un singolo controllo della durezza.

Le parti dei cilindri del motore in alluminio trattato termicamente e simili fusioni strutturali sono un buon esempio del profitto. La stessa geometria, fusa dalla stessa massa fusa, può uscire dal forno con un carico di snervamento di 250 MPa o 290 MPa, a seconda esclusivamente di come è stata gestita la tempra.

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Il percorso di fusione cambia ciò che la stessa chimica offre

L'A357 è in gran parte una lega della famiglia della gravità. Viene versato in stampi di sabbia, gusci di rivestimento, stampi permanenti in acciaio e stampi per pressofusione a bassa pressione. Non è una soluzione naturale per la pressofusione ad alta pressione convenzionale e il motivo è il gas, non la chimica.

La pressofusione ad alta pressione riempie uno stampo in millisecondi e intrappola l'aria e i prodotti della decomposizione del lubrificante dello stampo all'interno del metallo. Quei vuoti sono invisibili finché la parte non entra in un forno per il trattamento della soluzione a 540 gradi Celsius, a quel punto la pressione interna aumenta e la superficie si riempie di bolle. A357 dipende dal T6 per raggiungere la sua resistenza, quindi il processo e la lega tirano in direzioni opposte. Se si desidera la chimica dell'A357 in una parte ad alta pressione, generalmente è necessario accettare una condizione di fusione o invecchiamento a bassa temperatura e una resistenza corrispondentemente inferiore.

La pressofusione a bassa pressione si trova in una utile via di mezzo. Il riempimento è lento e controllato, il tubo montante alimenta il metallo sotto pressione attraverso la solidificazione e l'intrappolamento del gas è molto inferiore rispetto a quello di un getto ad alta pressione. Ciò rende l'A357 a bassa pressione un percorso realistico per le parti che necessitano sia del controllo dello spessore delle pareti che delle proprietà T6 complete. Se desideri informazioni generali su come il processo riempie una cavità, questa spiegazione di come funziona la pressofusione dell'alluminio segue passo dopo passo la sequenza di riempimento.

Un confronto pratico tra i tre percorsi per i lavori tipo A357:

• La fusione in sabbia offre la massima libertà di progettazione e la solidificazione più lenta, che rende grossolana la microstruttura e riduce l'allungamento a meno che non vengano utilizzati i refrigeratori.
• La fusione in stampo permanente accelera il raffreddamento, affina la struttura dei grani e in genere aggiunge da 20 a 30 MPa di resistenza alla trazione rispetto alla sabbia per la stessa lega.
• La pressofusione a bassa pressione combina uno stampo permanente con riempimento controllato, mantenendo la porosità del gas sufficientemente bassa per un ciclo T6 completo su parti a pareti spesse.

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Difetti riconducibili alla composizione o alla manipolazione della fusione

La maggior parte degli scarti dell'A357 non sono causati dal fatto che la lega sia sbagliata. Sono causati dal trattamento sbagliato della massa fusa. I cinque problemi ricorrenti sono questi:

Porosità del gas. La solubilità dell'idrogeno nell'alluminio liquido è circa venti volte la sua solubilità nell'alluminio solido. Qualsiasi idrogeno rimasto nella fusione dopo il degasaggio diventa pori rotondi mentre il metallo congela. La soluzione è il degasaggio rotativo con argon o azoto più una carica pulita e secca e un livello di idrogeno misurato inferiore a circa 0,15 ml per 100 g di alluminio per lavori strutturali.

Porosità da ritiro. L'A357 si contrae all'incirca dal 6 al 7% in volume durante la solidificazione. I percorsi di alimentazione, le colonne montanti e i refrigeratori devono essere progettati in modo che l'ultimo liquido a congelarsi si trovi in ​​una colonna montante anziché in un bullone. Le transizioni da spesso a sottile sono dove questo si manifesta per primo.

Inclusioni di ossidi. L'ossido di alluminio si forma in pochi secondi su una superficie fusa disturbata. Il versamento turbolento piega la pellicola nella fusione e produce un difetto lineare che si presenta su una faccia lavorata come una striscia scura che non si lucida.

Strappo caldo. Il contenuto di silicio dell'A357 gli conferisce una buona resistenza, ma una fusione a basso contenuto di silicio o con grana scarsamente raffinata si strapperà negli angoli interni acuti durante i primi minuti di raffreddamento. Raggiorare gli angoli e mantenere il titanio al centro della sua gamma.

Vesciche durante T6. Si tratta di un errore nella selezione del processo piuttosto che di un errore chimico, ed è la ragione più comune per cui un acquirente scopre che il percorso di fusione scelto non può fornire lo stato d'animo specificato.

Dove le parti dell'A357 guadagnano il loro mantenimento

L'A357 si presenta ovunque una fusione debba sopportare un carico, sopravvivere alle vibrazioni e mantenere comunque una tolleranza lavorata. Le applicazioni seguenti condividono tutte questo modello.

• Getti strutturali di aeromobili e velivoli ad ala rotante, dove il peso è fondamentale e la resistenza alla fatica è il caso di progettazione determinante.
• Sospensioni automobilistiche e nodi del telaio, inclusi bracci di controllo, nocche e staffe del sottotelaio.
• Pompa, compressore e alloggiamenti idraulici che sopportano pressione interna e carico ciclico.
• Alloggiamenti del motore e cappucci terminali, in cui la lega deve trattenere i fori dei cuscinetti durante il ciclo termico.
• Giranti e componenti rotanti, dove l'equilibrio tra resistenza ed allungamento decide il margine di scoppio.
• Componenti di gestione termica nei propulsori elettrificati, dove la combinazione di rigidità e percorso termico conta più della pura resistenza alla trazione.

Un alloggiamento del motore pressofuso è un caso di studio rappresentativo. La parte solitamente ha una parete cilindrica sottile, una flangia di montaggio spessa e sedi dei cuscinetti lavorate su ciascuna estremità. Queste tre caratteristiche spingono il comportamento di solidificazione in tre diverse direzioni contemporaneamente: la parete vuole un raffreddamento rapido, la flangia vuole alimentazione e i fori vogliono stabilità dimensionale dopo il trattamento termico. Ottenere tutti e tre da un'unica lega significa mantenere il silicio nella fascia media per la fluidità, il magnesio nella fascia media per la resistenza e il ferro nella fascia bassa per la lavorabilità.

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Elenco di controllo dell'approvvigionamento prima di rilasciare un ordine di acquisto

Alcune domande iniziali eliminano la maggior parte dei rischi derivanti da un ordine di un A357. Esaminateli in questo ordine e la conversazione tecnica diventerà breve.

1. Confermare la tempra, non solo la lega. A357-F, A357-T5 e A357-T6 sono prodotti diversi con diversi livelli di resistenza e il disegno deve indicare quale.
2. Richiedi gli obiettivi di magnesio e ferro, non solo i limiti. Un fornitore che punta allo 0,45% di magnesio sta effettivamente consegnando l'A356 con l'etichetta A357.
3. Stato da cui verrà ritagliato il tagliando di prova meccanica. Un pezzo tagliato da un montante avrà sempre un aspetto migliore di uno tagliato dalla parte.
4. Concordare il registro del trattamento termico. Tempo di soluzione, ritardo di raffreddamento e temperatura di invecchiamento sono i tre numeri che decidono il risultato.
5. Decidere i criteri di accettazione per la solidità interna prima del primo articolo, perché i risultati radiografici e di sezionamento guidano i cambiamenti degli strumenti.
6. Confermare il sovrametallo di lavorazione. L'A357 lavora in modo pulito, ma i punti duri dovuti alla segregazione o a un eutettico grossolano distruggeranno un inserto in metallo duro e allo stesso tempo un programma di consegna puntuale.

Se desideri una risposta diretta sul fatto che la tua geometria sia adatta all'A357 o a una lega diversa, invia il disegno e la richiesta della lega al nostro team di ingegneri e ti forniremo il percorso del processo, la tempra ottenibile e il sovrametallo di lavorazione in un'unica risposta.

Domande frequenti sulla composizione della lega di alluminio A357

A357 è uguale a 357.0?

Si riferiscono alla stessa famiglia. A357 è la designazione della fusione utilizzata negli standard sulla fusione dell'alluminio e 357.0 è la designazione dell'Aluminium Association per la stessa composizione. Quando vedi 357.0-T6 o A357-T6 su un disegno, leggili come se fossero lo stesso materiale e controlla i limiti di magnesio e ferro per essere sicuro, perché i disegni più vecchi a volte portano tolleranze di ferro più flessibili rispetto alla pratica attuale.

L'A357 può essere pressofuso ad alta pressione?

Può essere colato in una macchina per pressofusione ad alta pressione, ma non è possibile sottoporlo facilmente a un trattamento T6 completo in seguito perché il gas intrappolato si espande alla temperatura della soluzione e forma bolle sulla superficie. In pratica, le parti dell'A357 ad alta pressione vengono fornite allo stato grezzo o deliberatamente sottoinvecchiate. Se il disegno richiede A357-T6, la parte deve essere indirizzata alla pressofusione a bassa pressione, allo stampo permanente, alla sabbia o alla fusione a cera persa.

Perché l'A357 costa più dell'A356?

Tre ragioni. Il limite più severo del ferro richiede materiale di carica più pulito e un migliore controllo della fusione, il che riduce la quantità di rottami a basso costo che una fonderia può utilizzare. Il maggiore carico di magnesio significa un controllo del processo più rigoroso durante il trattamento della soluzione. E i percorsi di processo che possono fornire un risultato T6 autentico, come la bassa pressione o lo stampo permanente, hanno tempi di ciclo più lunghi rispetto a un iniezione ad alta pressione.

Come posso verificare il contenuto di magnesio su un lotto in arrivo?

La spettrometria di emissione ottica su un campione refrigerato dal getto è il metodo standard e richiede solo pochi minuti una volta preparato il campione. Chiedere che il valore del magnesio venga riportato come un numero anziché come un passaggio o un fallimento rispetto a un'ampia finestra e campionare più di una posizione su getti di grandi dimensioni perché il magnesio può segregarsi durante la lenta solidificazione.

L'A357 ha bisogno del berillio?

No, e molte specifiche lo vietano. Un'aggiunta di berillio dallo 0,04 allo 0,07% migliora la morfologia delle fasi contenenti ferro e può aiutare con il comportamento della pelle dell'ossido, ma introduce requisiti di manipolazione nell'impianto di fusione e nella lavorazione. La maggior parte del lavoro strutturale viene invece eseguito con A357 privo di berillio e con uno stretto limite di ferro.

Le parti dell'A357 possono essere saldate?

È possibile, con il giusto riempitivo e il controllo del processo, ma la saldatura di una parte T6 crea una zona locale influenzata dal calore che perde resistenza. Laddove la saldatura non sia strutturale, questo non è un problema. Laddove la saldatura si trova in un percorso di carico, il progetto dovrebbe presupporre una riduzione della resistenza locale in quella zona e tenerne conto.

Quale finitura superficiale e tolleranza posso aspettarmi?

Le superfici come colate da uno stampo permanente o da uno stampo a bassa pressione in genere hanno una Ra compresa tra 3,2 e 6,3 micrometri, a seconda del rivestimento dello stampo e dello spessore della parete. Le facce lavorate sono limitate dalle attrezzature e dai fissaggi piuttosto che dalla lega, e tolleranze generali di lavorazione di più o meno 0,05 mm su fori e facce critici sono di routine su una fusione stabile.

A357 è adatto per parti a parete sottile?

Sì, entro i limiti. Il contenuto di silicio del 7% conferisce una buona fluidità e pareti fino a circa 3 mm sono ottenibili in stampo permanente o colata a bassa pressione. Al di sotto di questo, la sfida si sposta dalla fluidità alla velocità di solidificazione: le sezioni sottili si raffreddano così velocemente che il siliciuro di magnesio può rimanere parzialmente non disciolto anche dopo un trattamento completo della soluzione, e la parte non raggiungerà le proprietà suggerite dalla sua chimica.

Per chiudere il ciclo: la composizione della lega di alluminio A357 è definita dal 6,5 al 7,5% di silicio, dallo 0,40 allo 0,70% di magnesio e un massimo dello 0,20% di ferro, con gli elementi rimanenti mantenuti a livello di tracce e l'alluminio a costituire il resto. La gamma di magnesio è ciò che lo distingue dall'A356 e gli conferisce circa 50 MPa di resistenza allo snervamento extra nella condizione T6. Il limite del ferro è ciò che preserva la duttilità. Inoltre, il percorso di fusione e la disciplina del raffreddamento determinano se uno di questi vantaggi si manifesta effettivamente nel pezzo finito.

Se un preventivo per l'A357-T6 sembra notevolmente più economico rispetto agli altri, la risposta è solitamente in uno di questi tre punti: l'obiettivo in magnesio, il soffitto in ferro o la tempra effettivamente consegnata. Chiedi i numeri e la discussione finisce rapidamente.