Piese turnate hibride din metal Piese turnate moderne
Franco Chiesa, Guy Morin, Bernard Tougas, Metallurgie du Québec și J.F. Corriveau, Colegiul Trois-Rivières, Trois-Rivières, Quebec, Canada
(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.