Sursă de turnare a pieselor turnate metalice hibride
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 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.