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

hibride

(Faceți clic aici pentru a vedea povestea așa cum apare în Modern Casting din februarie.)

Printre utilizările sale potențiale, acoperirea metalelor ușoare pe substratul metalic este o tehnologie cheie care permite reducerea greutății vehiculului. 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

Un studiu metalurgic, mecanic și de transfer de căldură a fost efectuat la interfața tijelor de oțel și a tuburilor de cupru acoperite cu aluminiu A356 prin procesul de matriță permanentă de joasă presiune. Technology Magnesium & Aluminium Inc., Trois-Rivières, Quebec, Canada, a participat la tiraj.

Primul obiectiv a fost măsurarea aderenței mecanice, exprimată în kPa, la interfața oțel-aluminiu de 0,2 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 realizată pentru turnarea temperaturilor de 1.310F (710C) și 1.400F (760C) și pentru inserarea temperaturilor inițiale de 77F (25C) 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 diametrul de 6 mm și tuburile de cupru au fost acoperite în secțiunea mai groasă (1,0 in. [26 mm]) a unei piese turnate așa cum este schematizat în Fig. 2. Suporturi trapezoidale au fost montate la fiecare extremitate a 0.2-in. (6mm) tije și tuburi pentru o poziționare precisă și extracție ușoară la ejecție. Figura 3 prezintă tuburi de cupru și tije de oțel înainte de preîncălzire și introducere în matriță.

Figura 4 prezintă fața plană a turnării în trepte după ce matrița este deschisă chiar înainte de ejectare. Au fost testate două temperaturi de turnare din aluminiu A356 (1.460F [760C] și 1.310F [710C]) și temperaturi de inserare (77F [25C] și 617F [325C]). Figura 5 prezintă piesele turnate 1, 2 și 3 turnate pentru a aduce matrița la un echilibru termic dinamic, împreună cu prima turnare (4) turnată cu o inserție.

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.

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 kPa sau Newton per 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.

Insertul de oțel a fost secționat în șase felii, așa cum este ilustrat în Fig. 6. O consecință a simetriei este că fiecare turnare oferă trei condiții locale de solidificare repetate. De exemplu, feliile 3L și 3R din Fig. 6 sunt supuși acelorași condiții locale de solidificare. Hărțile de timp de solidificare prezentate corespund timpului de solidificare pentru o temperatură de turnare de 1.310F (710C) și o inserție la o temperatură inițială de 77F (25C). 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. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 1.

În orice moment, soluția numerică asigură condițiile termice în fiecare punct din interiorul inserției, turnării și interfeței. Aceste date sunt utile pentru a găsi cea mai bună corelație între aderența mecanică a turnării inserției și un parametru termic adecvat, cum ar fi:

  • Temperatura maximă de inserare la interfață.
  • Temperatura de turnare la interfață când insertul atinge temperatura maximă.
  • Timpul necesar pentru a ajunge la lichid.
  • Timpul scurs între începutul și sfârșitul solidificării (timpul local de solidificare).

Pumnul și matrița folosită pentru a măsura forța necesară pentru a extrage inserția din aluminiu acoperit este prezentată în Fig. 7. Prin împărțirea forței măsurate la suprafața interfeței oțel-aluminiu, se obține o valoare pentru aderență în MPa (sau ksi). Forța maximă este atinsă de îndată ce apare alunecarea la interfața oțel-aluminiu. Figura 8 prezintă o tijă de oțel împinsă parțial în afara testului de aderență.

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 tinde să fie mai mare pentru un timp de solidificare mai scurt.

S-a constatat că aderența inserției a fost aproximativ împărțită la două când s-a aplicat un tratament T6 la turnarea din aluminiu.

Interfața cupru-aluminiu

La acoperirea tuburilor de cupru, proprietatea predominantă necesară este un bun contact termic la interfața cupru-aluminiu. Acest contact termic este exprimat ca un coeficient de transfer de căldură la suprafață, hAl-Cu, măsurat în W/m2/° C; hAl-Cu a fost determinat pentru turnarea temperaturilor de 1.310F (710C) și 1.400F (760C) și a temperaturilor inițiale ale tubului de cupru de 77F (25C) și 617F (325C).

1-in. Placa groasă (25 mm) a piesei turnate a fost tăiată și apa fierbinte termoreglată a fost pompată prin tubul de cupru la o rată constantă de 2,1 qt. (2 L)/min. Un termocuplu de joncțiune expus a fost introdus chiar în centrul blocului de aluminiu (vezi Fig. 9). Pe măsură ce a început debitul de apă, creșterea temperaturii a fost înregistrată la o achiziție pe secundă. Pentru cele patru condiții de turnare investigate, diferențele dintre valorile măsurate ale coeficienților de transfer de căldură au fost foarte mici.

Deși aderența mecanică a inserțiilor tuburilor de cupru este mai puțin importantă decât în ​​cazul tijelor de oțel, este totuși interesant să o măsurăm. Acest lucru a fost făcut pe 0,25-in. (6mm) felii groase, astfel încât forța de presiune necesară pentru extragerea inserției nu a fost mai mare decât rezistența la forfecare a cuprului. 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 și a rezistenței mai mari opuse de oțel la solicitările termice de compresie aplicate de aluminiu înconjurător, pe măsură ce se răcește la temperatura camerei.

Analiza microscopică

O micrografie tipică la interfața dintre tija de oțel și aluminiu este prezentată în Fig. 10 pentru o temperatură de turnare de 1.310F (710C) și o temperatură inițială de inserare de 77F (25C). Secțiunea transversală totală a porozității este mai mică de 1%. Aliajul constă din dendrite primare de aluminiu aproape pure (albe) cu o cantitate mai mică de Al-Si eutectic (întunecat). Spațiul secundar al brațului dendrit (SDAS) este de aproximativ 35µm cu o structură ușor mai fină la capătul final al fluxului de aluminiu în jurul insertului.

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 precum AlFeMgSi (scris chinezesc) sau Al5FeSi (acicular), 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 HV0,5 kgf (media de trei citiri). Microduritatea fazei albe (ferită) a fost egală cu 225 HV10gf în timp ce cea a constituentului întunecat (perlit) a fost de 261 HV10gf.

Pentru tuburile de cupru acoperite cu aluminiu, micrografiile optice tipice ale interfeței la două măriri sunt prezentate în Fig. 11a și 11b, pentru o temperatură de turnare de 1.310F (710C) și o temperatură inițială de inserare de 77F (25C). Tuburile de cupru 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. 11b) fără sudură sau difuzie încrucișată între cupru și aliajul de aluminiu.

Analiza spectrografică a opt puncte dintr-o turnare (condiții de turnare: 1,400F [760C], 77F [25C]) 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 era 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 stratului de oxid de cupru format la suprafața tubului prin procesul de preîncălzire. Acest strat de oxid, gros de aproximativ 2µm, este vizibil în Fig. 12.

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 40 la 65 de secunde, aderența scade de la aproximativ 25 la 15MPa.

2. La aluminiu nu se observă captarea fierului în mod discernabil la acoperirea tijelor 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.