Алюминиевые литья: от производства дисков до аэрокосмических применений

Добыча, переработка и литье в литейных цехах

Растущая популярность алюминия

Алюминий — третий по распространенности элемент в мире и самый распространенный металл в земной коре. Его доля составляет более 8% массы ядра Земли. Однако его сложно рафинировать по сравнению с другими металлами, такими как железо. Именно поэтому применение алюминия отставало от других металлопродуктов до тех пор, пока не были разработаны эффективные и экономичные методы преодоления этих сложностей.

Между алюминиевой и стальной промышленностью существует множество сходств. Обе отрасли опираются на добычу металлов из руд, встречающихся на поверхности Земли. Производственные процессы обеих являются энергозатратными и включают литье жидкого металла в формы или использование машин непрерывной литья. Алюминий и сталь также конкурируют на похожих рынках — в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли. Однако существуют существенные различия в обработке и свойствах этих металлов.

Переработка алюминия

Боксит — осадочная порода с высоким содержанием алюминия, обычно 46–60%. Бокситы часто покрыты несколькими метрами породы и глины, которые необходимо сначала удалить. Затем боксит проходит через дробильно-сортировочные или обогатительные заводы перед транспортировкой на переработку.

В середине 1880-х годов были изобретены два различных метода, применяемых последовательно для производства алюминия. Метод Баера использует химический процесс для извлечения алюминия из боксита. Процесс Холла-Эру использует электролиз для получения алюминия из алькида (оксида алюминия), полученного методом Баера.

Процесс Баера

Боксит дробят и смешивают с едким натром для получения суспензии с мелкодисперсными частицами руды. Суспензию держат при температуре 140–280 °C в зависимости от типа руды. За это время алюминий растворяется в растворе едкого натра. Все примеси оседают в осадок — «красную грязь».

Финальный этап — добавление семенных кристаллов в раствор едкого натра. Растворенный алькид оседает на этих кристаллах. Готовый продукт процесса Баера — алькид или оксид алюминия, выглядящий как белое порошковое вещество.

Процесс Холла-Эру

Редукционная единица алюминиевого завода состоит из редукционных горшков или ячеек, соединенных последовательно. Каждый горшок — стальная оболочка с углеродной выстилкой. В каждый горшок заливают расплавленную криолит (фтористый минерал), содержащий оксид алюминия, и погружают углеродные электроды сверху. При прохождении тока через раствор криолита алюминий отделяется от кислорода, образуя углекислый газ. Жидкий алюминий собирается на дне горшка.

Жидкий алькид периодически откачивают из редукционных горшков вакуумными ковшами, перегоняют в печь и отливают в слитки в формах или на машине непрерывной литья. Алюминий, полученный этим способом, имеет чистоту около 99,8%. Электролитический процесс производства алюминия крайне энергозатратен — 15 МВт·ч на тонну продукции. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются рядом с источниками энергии, например гидроэлектростанциями.

Литье алюминия

После добычи и переработки алюминий отливают в изделия. Алюминиевые литья формируют литьем расплава в формы, созданные по модели желаемого изделия. Используют три основных метода формовочки: литье в кокиль (дай-кастинг), литье в металлические кокели и литье в песок.

Литье под давлением (дай-кастинг)

Метод использует давление для прессования расплавленного алюминия в стальную форму (кокиль). Применяется для серийного производства деталей, требующих минимальной доработки. Циклы короткие, но инструментальная оснастка дорогая. Давление создает прочную внешнюю оболочку, но внутренняя структура слабее, чем при литье в постоянные кокели. Существует два типа: низкое и высокое давление.

ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

НИЗКОЕ ДАВЛЕНИЕ

ВЫСОКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Хорошие прочностные показатели

Низкие прочностные показатели

Подходит для автоматизации

Подходит для автоматизации

Простая технология формы и оборудования

Сложные и дорогие кокели

Медленные циклы литья

Быстрые циклы литья

Низкие инвестиционные и операционные затраты

Высокие инвестиционные и операционные затраты

Минимальная толщина стенки ~3 мм

Подходит для тонкостенных деталей

Литье в постоянные кокели

Используются стальные или иные металлические кокели и сердечники. Литье расплава алюминия в кокель дает прочные заготовки. Постоянные кокели обеспечивают высокую повторяемость деталей и согласованность. Высокие скорости охлаждения формируют более однородную микроструктуру, что значительно улучшает механические свойства.

Метод применяют для производства литых дисков. Алюминиевые диски легче стальных, требуют меньше энергии для вращения. Обеспечивают большую топливную эффективность, а также лучшее управление, разгон и торможение. Однако для тяжелых промышленных путей чаще используют стальные диски — их прочность делает их практически неуязвимыми к изгибу и трещинам. На путях стальные диски более прощают нерегулярности, повышая безопасность.

Песчаное литье

Песчаные литья создают уплотнением кварцевой песочной смеси вокруг модели изделия. Модель немного больше конечного изделия для компенсации усадки алюминия при остывании. Песчаное литье экономично — песок можно многократно использовать. Эффективно для крупных заготовок или сложных форм. Начальные затраты на оснастку низкие, но стоимость единицы выше, что делает метод подходящим для мелкосерийного и единичного производства.

Контроль расплавленного алюминия напрямую влияет на качество литья. Легирующие добавки вводят в расплав для получения требуемого марка и свойств. Контролируемое легирование и равномерное распределение добавок по объему гарантируют качество изделия и заданные механические свойства.

Алюминий кристаллизуется с колончато-зернистой структурой. Колонны растут до контакта с другими зернами — чем больше зерен, тем мельче структура. Зерноутончение титаном и бором создает центры кристаллизации для получения мелкозернистой структуры.

Водород — примесь, вызывающая пористость при затвердевании. При литье требуется дегазация и пурга для удаления водорода и других примесей, портящих изделие.

Литейные сплавы

Существует широкий ассортимент литейных сплавов под различные применения. Каждый сплав обладает собственной сварностью, режучестью, коррозионной стойкостью и свойствами при термической обработке.

Расплавленный алюминий имеет характеристики, которыми можно управлять для улучшения литейных свойств. Он склонен поглощать водород и оксиды в жидком состоянии и чувствителен к микроимпуритям. Хотя некоторые декоративные или коммерческие литья не требуют доп. обработки, дополнительная финишная обработка часто полезна. Строгий контроль расплава и специализированные методы обработки расплава дают улучшенные механические свойства.

Покрытия и отделка алюминия

Одна из эстетических привлекательностей алюминия — высокая отражательная способность. Эта характеристика используют для создания премиальных потребительских товаров с чистой поверхностью. Естественное образование тонкого оксидного слоя на поверхности усиливает этот эффект. Слой можно утолщить анодированием. Оксидный слой эффективно изолирует алюминий от дальнейшего окисления, обеспечивая высокую коррозионную стойкость. Различные покрытия помогают достичь блестящего, но прочного качества.

Отделка

Определенные алюминиевые сплавы термически обрабатывают для улучшения свойств под конкретные задачи. Цельное литой алюминий нагревают до заданной температуры, что выравнивает микроструктуру по всему объему. Быстрое закалание закрепляет структуру и нужные свойства.

Сплавы, не поддающиеся термической обработке, обрабатывают холодной деформацией — преимущественно прокаткой. Прочность значительно возрастает за счет минимизации дефектов микроструктуры при плотной упаковке молекул.

Покрытия

Алюминий имеет качественную поверхность, уже эстетически приятную. Однако разные покрытия дают дополнительные преимущества.

ПВДФ-покрытия

ПВДФ-покрытия — растворимые краски с очень высокой стойкостью к выветриванию. Их можно поцарапать. ПВДФ не выгорает на солнце и может имитировать металлический блеск.

Жидкие краски

Жидкие краски дешевле ПВДФ, но свойства хуже. Качество покрытия ниже, стойкость к погоде слабее.

Порошковые покрытия

Порошковые покрытия соответствуют самым строгим требованиям долговечности — так же как ПВДФ. Отличный внешний вид, популярны в строительстве для окон, дверей, а также для уличной мебели — столбов, велопарковок. Выдерживают повышенные нагрузки, часто указывают для зон с высоким трафиком — отелей, магазинов.

Анодирование

Анодирование утолщает оксидный слой и повышает коррозионную стойкость. Покрытие твердое, долговечное, саморегенерирующееся — популярный выбор архитекторов. Процесс проходит в последовательности ванн.

Свойства алюминия

Алюминий известен своей легкостью. Он почти в 3 раза легче железа, плотность 2700 кг/м³. Низкая плотность не снижает прочность. Алюминиевые сплавы имеют диапазон предельного сопротивления от 70 до 700 МПа. При низких температурах прочность растет, при высоких — падает.

Алюминий легко режется, требуемая мощность низкая из-за малой плотности. Высокая ковкость позволяет легко экструдировать — гнуть, катить, что ключево для производства алюминиевой фольги.

https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov

Качество и стандарты алюминия

Алюминиевые изделия сертифицируются по легирующим элементам. Наиболее частые:

• Кремний
• Железо
• Медь
• Магний
• Цинк

КЛАССИФИКАЦИЯ АЛЮМИНИЯ ПО СЕРИЯМ: СВОЙСТВА, СОСТАВ И ПРИМЕНЕНИЕ

Серия	% Al	Основной легирующий элемент	Термоукрепляемый	Ключевые свойства	Применение
1xxx	>99,xx	—	Нет	Отличная коррозионная стойкость, технологичность; высокая тепло- и электро-проводность	Трансмиссии, линии электропередач
2xxx	>99,xx	Медь	Да	Высокая прочность и вязкость; низкая коррозионная стойкость	Авиация
3xxx	>99,xx	Марганец	Нет	Средняя прочность; хорошая технологичность	Теплообменники, посуда, банки для напитков
4xxx	>99,xx	Кремний	Нет	Ниже точка плавления без хрупкости	Проволока для сварки, паяльные прутки
5xxx	>99,xx	Магний	Нет	Средняя-высокая прочность; стойкость к коррозии в морской среде; хорошая сварность	Строительство, резервуары, емкости под давление, судостроение
6xxx	>99,xx	Кремний + Магний	Да	Средне-высокая прочность; отличная коррозионная стойкость; высокая сварность	Архитектура, конструкции, грузовики, морские рамы
7xxx	>99,xx	Цинк	Да	Очень высокая прочность	Авиация, Apple Watch

Здоровье и безопасность

В процессе Холла-Эру выделяется много газов. Их улавливают и очищают — токсичные фтористые соединения должны быть удалены перед выбросом в атмосферу. Производство алюминия генерирует CO₂, увеличивая углеродный след. Многие производители размещают алюминиевые печи возле возобновляемых источников — ГЭС — вместо сжигания ископаемого топлива.

В растворимой форме Al³⁺ алюминий токсичен для растений. Кислые почвы ускоряют высвобождение Al³⁺ из минералов и снижают урожайность. Поскольку почти половина пахотных земель мира кислые, негативное влияние алюминия на урожай может быть серьезным.

На организм человека алюминий также влияет. Накопление алюминия связывают с повышенным риском болезни Альцгеймера и некоторых раков, хотя это не доказано окончательно. В высоких концентрациях алюминий — нейротоксин, поражающий мозг и костную структуру. Алюминий содержится в разрыхлителях, эмульгаторах, красителях и некоторых антацидах.

Применение алюминия

Алюминий — универсальный металл с блестящей поверхностью, удовлетворяющий разнообразный рынок: от бытовых товаров до промышленных изделий.

Аэрокосмическая отрасль

Прогресс в аэрокосмике во многом зависит от развития алюминиевых материалов. Их сочетание свойств — легкость и прочность — позволило создавать аппараты, достаточно прочные и легкие, чтобы преодолеть атмосферу. Братья Райт использовали алюминий для картера двигателя своего первого биплана. Современные пассажирские лайнеры на 80% состоят из алюминия — в основном в силовом каркасе: фюзеляжи и крылья. В космической отрасли алюминий широко применяют для шаттлов и конструкций МКС.

Строительство и архитектура

Электросети и линии передач перешли на алюминий вместо меди благодаря отличной проводимости и малому весу для длительных кабельных трасс. Алюминиевые сплавы используют в строительстве для прочных рам, выдерживающих вес крупногабаритных стеклопакетов. Архитекторы активно применяют эти свойства в аэропортах и небоскребах.

Уличная мебель и малые архитектурные формы

Хотя большинство элементов уличной мебели (скамейки, урны, велопарковки) стационарны, съемные штанги-облиматели — устройства для регулирования трафика, которые устанавливают для запрета въезда или убирают для разрешения. Алюминий часто используют для съемных облимателей из-за легкости — персонал мероприятий без труда перемещает их.

Пищевая и напиточная промышленность

Консервы и напитки — рынок, где алюминий доминирует. Алюминиевые банки быстро остывают и дают отличную поверхность для печати. Высокая перерабатываемость делает алюминий привлекательным для отрасли. Они также защищают вкус и целостность содержимого за счет барьера от кислорода, света и загрязнений.

Бытовая техника и электроника

Бытовая техника также استفода от свойств алюминия. Тепловые свойства идеальны для холодильной техники, а малый вес упрощает перемещение и транспортировку. С появлением «наждаченного алюминия» создают эстетичные изделия для премиального сегмента. Компания Apple задала тренд алюминиевых ноутбуков из цельного блока. Плоские телевизоры также выигрывают от легкости алюминия — стальной аналог был бы слишком тяжел для настенного монтажа.

Автопром

Автопроизводители под давлением снизить углеродный след. Легкие алюминиевые рамы, панели кузова и двигатели улучшают топливную экономичность. Есть и экологические бонусы: почти 90% алюминиевого лома в автопроме собирают для переработки.

Переработка алюминия

Большинство алюминия можно перерабатывать. Банки и автозапчасти — отрасли с высоким сбором лома. Собранный алюминий везут на завод, сортируют по маркам, очищают. Металл расплавляют для удаления покрытий, красок, примесей. На этом этапе при необходимости вводят легирующие добавки, затем отливают в слитки. Слитки поставляют в литейные цеха для литья или на другие заводы для дальнейшей обработки. Переработанный алюминий может вернуться на рынок как новая продукция всего за 6 недель.

Чистка и уход за алюминием

Большинство алюминиевых изделий достаточно мыть водой или мягким мылом/средством. При устойчивых пятнах используют теребин или неагрессивные химические чистящие. Для усиленного действия — восковые полироли, абразивные воски или абразивные чистящие. Важно вытирать алюминий после мытья, чтобы избежать разводов, и удалять остатки средств с кромок и швов.

За дополнительной информацией об алюминии или запросом котировки на индивидуальный проект — свяжитесь с нами.