Franco Chiesa, Guy Morin, Bernard Tougas, Metallurgie du Québec și J.F. Corriveau, Colegiul Trois-Rivières, Trois-Rivières, Quebec, Canada

sursă

(Faceți clic aici pentru a vedea povestea așa cum apare în proiectarea și achizițiile de turnare a metalelor din martie/aprilie 2014).

Deoarece reducerea greutății vehiculului continuă să fie un motor în proiectarea și dezvoltarea pieselor, sunt dezvoltate diferite strategii noi pentru a oferi rezistență la greutate redusă. O strategie este procesul de turnare a unui metal ușor precum aluminiu sau magneziu pe un substrat metalic mai greu. Suprapunerea oțelului sau cuprului cu aluminiu sau magneziu permite să profitați de rezistența oțelului și de rezistența la coroziune și capacitatea de transfer de căldură a cuprului fără a compromite greutatea redusă căutată în multe aplicații. După înlocuirea aluminiului cu piese turnate feroase în industria auto, inovațiile ulterioare implică adoptarea de soluții hibride în care se combină un amestec de materiale foarte diferite.

De exemplu, rezistența mecanică ridicată a oțelului poate fi aliată cu ușurința magneziului, ca în exemplul prezentat în Fig. 1. Un alt exemplu spectaculos de ansamblu hibrid este motorul BMW cu șase cilindri în linie. În acest caz, reducerea greutății a fost realizată prin turnarea magneziului peste aluminiu care, spre deosebire de magneziu, rezistă agresivității corozive a fluidului de răcire. Suprapunerea poate fi avantajoasă în reducerea costurilor de prelucrare sau în îmbunătățirea transferului de căldură, cum ar fi prin încorporarea țevilor de cupru în aluminiu. În mod similar, inserțiile pot fi utilizate în piesele turnate din aluminiu pentru a spori local rezistența, proprietățile de transfer de căldură sau rezistența la uzură.

Piesele turnate din aluminiu și magneziu oferă economii semnificative de masă în comparație cu piesele feroase sau din cupru. Secțiunile goale sunt, în general, mai eficiente în reducerea eforturilor într-un ansamblu mecanic. Aceste secțiuni pot fi obținute prin acoperirea tuburilor de materiale „grele” cu aluminiu, care pot acomoda complexitatea în formă oferită de procesul de turnare a metalelor.

Dovedirea procesului

Pentru a testa o metodă de acoperire pentru a realiza o turnare hibridă de metal, Technology Magnesium & Aluminium Inc., Trois-Rivières, Québec, Canada, a efectuat piese de turnare pentru un studiu metalurgic, mecanic și de transfer de căldură efectuat la interfața tijelor de oțel și a tuburilor de cupru acoperit cu aluminiu A356 prin procesul de mucegai permanent cu presiune scăzută.

Primul obiectiv a fost măsurarea aderenței mecanice, exprimată în MPa, la interfața oțel-aluminiu de 0,25 in. (6mm) inserții cilindrice din oțel acoperite cu aluminiu A356 și, la fel, rezistența termică la interfața cupru-aluminiu a tuburilor de cupru încorporate în aluminiu A356. Această rezistență, exprimată printr-un coeficient de transfer de căldură în W/m2/° C, a fost măsurată pentru temperaturile de turnare de 710C și 1.300F (760C) și pentru temperaturile inițiale de inserare de 25F și 617F (325C).

Pentru fiecare condiție, radiografiile și structurile metalografice de la interfață au fost observate pentru a evalua conformitatea suprafeței și posibila lipire sau dizolvare a inserției. Modelarea de umplere și solidificare a permis determinarea condițiilor termice locale de-a lungul interfeței. Cercetarea a încercat să coreleze acești parametri termici cu proprietățile măsurate la interfață, și anume, aderența mecanică pentru tijele de oțel și rezistența termică pentru tuburile de cupru. Aceasta extinde rezultatele cantitative la o varietate de dimensiuni ale inserției și forme de turnare.

0,2 in. Tijele de oțel cu diametru de 6 mm și tuburile de cupru au fost acoperite în secțiunea mai groasă (1,0 in. [25 mm]) a unei piese turnate, așa cum este schematizat în Fig. 2. Treizeci și opt de piese turnate au fost investigate în studii ulterioare. De regulă, aceleași condiții de turnare au fost aplicate de trei ori pentru a evalua repetabilitatea aderenței măsurate și a coeficienților de transfer de căldură pentru tije de oțel și, respectiv, tuburi de cupru. Microscopia metalografică și SEM în jurul interfeței au fost efectuate pe unele dintre aceste piese turnate și fotografii radiografice permise pentru verificarea posibilelor goluri la interfața de turnare-inserare.

Înțelegerea schimbărilor metalurgice și mecanice care pot avea loc în timpul acoperirii cu acoperire îi vor ajuta pe turnătorii să stabilească metoda optimă pentru producerea de piese turnate hibride de metal pentru a reduce greutatea vehiculelor.

Aderență mecanică oțel-aluminiu

La acoperirea tijelor de oțel, proprietatea obișnuită necesară este aderența mecanică la interfața oțel-aluminiu. Aderența de-a lungul tijei a fost măsurată în MPa sau N/mm2 de interfață. Acest lucru a fost făcut pentru turnarea temperaturilor de 1.310F (710C) și 1.400F (760C) și pentru introducerea temperaturilor inițiale de 77F (25C) și 617F (325C) în șase locații din insert.

Cele patru condiții (două temperaturi de turnare și două temperaturi inițiale de inserare) au fost modelate folosind o valoare de 1.550 W/m2/° C pentru coeficientul de transfer de căldură al interfeței de turnare a matriței și un timp de umplere de patru secunde.

Cea mai bună corelație a fost obținută atunci când aderența a fost reprezentată grafic în raport cu timpul local de solidificare, adică timpul scurs între începutul și sfârșitul solidificării. Pentru intervalul de timp de solidificare local investigat (de la 45 la 65 de secunde) aderența a variat între 15 și 25 MPa (2,1 până la 3,6 ksi); a fost mai mare pentru timpi de solidificare mai scurți.

Interfața cupru-aluminiu

La acoperirea tuburilor de cupru, proprietatea predominantă necesară este un bun contact termic la interfața cupru-aluminiu. S-a determinat un coeficient de transfer de căldură de suprafață pentru temperaturi de turnare de 710C și 1.300F (760C) și temperaturi inițiale ale tubului de cupru de 77F (25C) și 617F (325C).

Pentru cele patru condiții de turnare investigate, diferențele dintre valorile măsurate ale coeficienților de transfer de căldură au fost foarte mici. S-a constatat că aderența mecanică la interfața cupru-aluminiu variază între 5 și 9 MPa. Este de trei ori mai puțin decât ceea ce s-a observat la acoperirea tijei de oțel, probabil din cauza coeficientului mai mic de expansiune termică a oțelului, de unde rezistența mai mare opusă de oțel la contracția aluminiului înconjurător pe măsură ce se răcește la temperatura camerei.

Analiza microscopică

FIG. 3 prezintă o micrografie tipică la interfața dintre tija de oțel și aluminiu. Aliajul constă din dendrite primare de aluminiu aproape pure (albe) cu o cantitate mai mică de Al-Si eutectic (întunecat). Distanța secundară a brațului dendrit (SDAS) este de aproximativ 35µm.

O parte din eutectica Al-Si a fost în contact cu inserția ca urmare a segregării inverse. Nu s-a observat nici un fier care conține faze intermetalice, ceea ce înseamnă că nu s-a dizolvat o cantitate semnificativă de fier în fluxul de aluminiu lichid.

Nu s-a observat nicio modificare a structurii de oțel în apropierea interfeței. Macroduritatea oțelului ușor extras la rece a fost de 226 HV0,5kgf. Microduritatea fazei albe (ferită) a fost egală cu 225 HV10gf în timp ce cea a constituentului întunecat (perlit) a fost de 261 HV10gf.

Tuburile de cupru acoperite cu aluminiu au fost deformate din cauza anizotropiei din tensiunile de compresiune rezultate din coeficientul mai mare de contracție termică a aluminiului.

Similar cu ceea ce s-a observat cu inserțiile de oțel, cele două materiale se potrivesc perfect la interfață (Fig. 4) fără sudură sau difuzie încrucișată între cupru și aliajul de aluminiu.

Analiza spectrografică a opt puncte într-o turnare a arătat dovezi ale dizolvării cuprului în topitură, cu conținut de cupru variind de la 0,25 la 0,27%, în timp ce conținutul original de aliaj A356 a fost de 0,08% Cu. Din aceste rezultate, se poate calcula că o grosime medie a tubului de 80 um a fost dizolvată în fluxul lichid de aluminiu. Această dizolvare a cuprului a fost mult mai mică cu inserții preîncălzite datorită prezenței protectoare a unui strat de oxid de cupru format la suprafața tubului în timpul preîncălzirii.

Concluzii asupra acoperirii cu aluminiu

Turnarea unei serii de piese turnate din aluminiu A356 peste tije de oțel și tuburi de cupru a demonstrat următoarele:

  1. Aderența la contactul aluminiu-oțel este pur mecanică. Pentru timpii de solidificare locali la interfață variind de la 45 la 65 de secunde, aderența scade de la 25 la 15 MPa (3,6 la 2,1 ksi).
  2. La aluminiu nu se observă captarea fierului în mod discernabil la acoperirea cu tije de oțel.
  3. Aplicarea unui tratament termic T6 pe placa de aluminiu scade la jumătate din aderența inserției, foarte probabil datorită ameliorării stresului provocată de deformarea plastică a aliajului de aluminiu în timpul tratamentului de soluționare.
  4. Coeficientul de transfer de căldură la interfața cupru-aluminiu a inserțiilor tubului de cupru variază puțin în funcție de temperaturile de turnare și preîncălzire. Valoarea sa este apropiată de 10 kW/m2/° C.
  5. Cuprul este parțial dizolvat în topitura de aluminiu, în special cu inserțiile de temperatura camerei în care nu există oxid la suprafață.
  6. Nu există sudare sau difuzie încrucișată la interfața aluminiu-cupru. Aderența mecanică este de aproximativ trei ori mai mică decât cea măsurată cu inserțiile tijei de oțel. ■

Acest articol a fost adaptat din „Tevi de oțel acoperite și tuburi de cupru în matriță permanentă cu presiune scăzută”, prezentat la Congresul AFS Metalcasting din St. Louis din 2013. Louis.