3.9 Aluminiumgjutlegeringar

Användningen av aluminiumlegeringar i gjutna produkter har ökat starkt under lång tid. Det är sannolikt att denna ökningen kommer att fortsätta, särskilt när det gäller produkter där låg vikt är ett önskemål.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    3.9.1 Aluminiumgjutlegeringar

    Den främsta orsaken till att aluminiumlegeringar får en allt större användning som konstruktionsmaterial är den gynnsamma kombinationen av låg vikt och goda hållfasthetsegenskaper. Densiteten är 2,7 gram /cm³ jämfört med 7,2 gram/cm³ för gjutjärn.

    Några andra exempel på positiva egenskaper hos aluminiumlegeringar är följande:

    • Har god korrosionsbeständighet
    • Har god värmeledningsförmåga
    • Har god elektrisk ledningsförmåga
    • Har goda skärbarhetsegenskaper
    • Är omagnetiska
    • Har god svetsbarhet
    • Är lätta att återvinna och omsmälta

    Vid en jämförelse med gjutjärn har aluminiumgjutlegeringar en något sämre hållfasthet samt lägre slitstyrka och nötningsbeständighet. Den förhållandevis låga smältpunkten och den låga varmhållfastheten är andra faktorer som ibland är till aluminiumgjutlegeringarnas nackdel. För hög temperatur vid aluminiumgjutning är en annan faktor som är viktigt att undvika eftersom gas- och oxidhalter i smältan ökar. Vidare ställer aluminiumets affinitet till syre krav på att aluminiumtackor förvaras torrt för att minimera explosionsrisker vid smältning av aluminiumlegeringar. Här är det viktigt att chargering av förvärmda tackor och återgång sker i lugn takt.

    Flera argument talar för att användningen av gjutgods i aluminiumlegeringar kommer att öka ytterligare. Några orsaker som talar för detta är:

    • Fordonsindustrin strävar efter att reducera vikten på sina produkter för att därigenom sänka bränsleförbrukningen.
    • De gjutmetoder, som används vid tillverkning av aluminiumgjutgods i långa serier, har stora förutsättningar för att kunna automatiseras.
    • Ny och förbättrad tillverkningsteknologi möjliggör gjutning av mycket tunnväggigt gods med god ytjämnhet och hög måttnoggrannhet.
    • Nya aluminiumgjutlegeringar utvecklas samtidigt som de befintliga förbättras. Idag finns aluminiumlegeringar som uppfyller högt ställda krav beträffande hållfasthet och nötningsbeständighet.

    I gjuterierna används huvudsakligen omsmält, återvunnet aluminium, så kallat sekundäraluminium. Detta är aluminium som av aluminiumleverantörer har omsmälts, renats och legerats med bland annat kisel, koppar och magnesium för att ge legeringarna olika egenskaper. Även andra metaller som till exempel järn, mangan och krom kan ingå, dock med en viss risk att olösliga slampartiklar kan bildas om smält-temperaturen skulle vara för låg. Den stora fördelen med att legera aluminium med järn, är att pålödningstendensen på gjutverktyget minskar. Råvaran utgörs av klipp från stansning, borr-, fräs- och svarvspån samt uttjänta aluminiumprodukter.

    En fördel med aluminium är att det är lätt att återvinna. Omsmältning kräver endast fem procent av den energi som fordras för framställning av nytt aluminium ur råvaran bauxit. Legeringar framställda genom elektrolys av bauxit benämns primäraluminium.

    Generellt gäller att egenskaperna hos primärlegeringar är något bättre än hos legeringar framställda ur återvunnet material, det vill säga sekundärlegeringar. Primärlegeringar används främst där segheten är av speciellt stor betydelse, till exempel inom flyg- och fordonsindustrier.

    Användningsområden

    Det största användningsområdet för aluminiumgjutgods är transportmedelsindustrin. I en medelstor svensktillverkad personbil ingår idag drygt 100 kilo aluminiumgjutgods. Exempel på komponenter som gjuts i aluminium är motorblock, cylinderhuvuden, insugningsrör, bakaxelupphängningar och växellådshus. Ett annat stort användningsområde för aluminiumgjutlegeringar är elektro- och elektronikindustrin. Till elektroindustrin gjuts bland annat brytarhus för högspänningsströmbrytare. Elektronikindustrin använder aluminiumgjutgods i exempelvis kåpor, apparatskåp och mobiltelefoner. Ett område där aluminiumgjutgods används i ökande omfattning är möbelindustrin. Ytterligare användningsområden är hushållsmaskiner och bärbara maskiner.

    3.9.2 Legeringar

    Aluminium legeras i stor utsträckning med andra metaller, exempelvis för att höja hårdheten och förbättra flytbarheten.

    Olegerat aluminium är mjukt, har låg hållfasthet och är besvärligt att gjuta. Det används därför i mycket begränsad omfattning i gjutna produkter. För speciella ändamål exempelvis vid massproduktion av små och medelstora rotorer till elektriska motorer, kommer dock olegerat aluminium till användning. Här används aluminium på grund av dess goda elektriska ledningsförmåga och för att det är omagnetiskt. I detta fall används aluminium både som konstruktionsmaterial och som elektrisk ledare.

    För att höja hårdheten och förbättra flytbarheten legeras aluminium med andra metaller. De viktigaste är kisel, koppar och magnesium. Även andra metaller som till exempel zink, järn och mangan kan ingå. De viktigaste legeringsämnenas inverkan framgår av nedanstående tabell.

     

    Tabell 41. Inverkan av legeringsämnen på aluminiumgjutlegeringar.

    Standarden för aluminiumgjutlegeringar, SS-EN 1706, består av 37 legeringar av vilka några endast skiljer sig obetydligt från varandra. Gjutlegeringarna kan indelas i sju olika huvudgrupper efter legeringssammansättning, se tabell. Generellt skiljer man även på aluminiumgjutlegeringar för pressgjutning och legeringar för kokillgjutning och gjutning i sandform. Anledningen är att järn som legeringsämne i halter upp till 1,2 procent anses ha en positiv inverkan vid pressgjutning. Motiveringen är att risken för pålödning och urspolning i formverktygen då ska minska.

    Järn har däremot en negativ inverkan på de flesta legeringar vid kokillgjutning och gjutning i sandform. Främst påverkas segheten negativt.

    Tabell 42. Egenskaper hos gjutlegeringar.

    Genom lämpliga halter av legeringsämnen ökas flytbarheten. Dock måste även gjuttemperaturen vara väl avvägd utifrån den enskilda detaljen. När gjuttemperaturen ökar i kontakt med luft som innehåller vattenmolekyler, så oxiderar syret aluminiumet samt gör att smältan tar till sig en viss mängd väte. Den drivande kraften benämns som affinitet. Inlösningen av väte ger en förhöjd risk för problem med porer (runda med slät inneryta) i gjutgodset men kan även orsaka att den varma metallen under stelning får en förhöjd risk för sprickbildning. Dessutom kan omgivning såväl som gjutform också bidra till förekomsten av porer. Även materialbrist under stelningsfasen kan leda till porer, oftast då med en inneryta som är dendritisk vilket betyder att den är lite taggig. Dendritiska defekter kan dock också orsakas av för hög smältatempereatur vilket är viktigt att särskilja från andra orsaker. Dessa dendritiska defekter blir oftast lite blankare.

    Smältor skall hanteras så lite som möjligt. Detta för att inte ytoxider och andra föroreningar skall dras med ner i badet och smutsa ner smältan.

    Aluminium-kisel-legeringar
    Aluminium bildar med 11,7 procent kisel ett eutektikum med smältpunkt vid 577°C. De praktiskt användbara legeringarna i denna grupp innehåller sju till tolv procent kisel. Den förhållandevis låga smältpunkten gör att dessa legeringar är lättgjutna med mycket god flytbarhet och formfyllningsförmåga. Kiselhalter i det övre intervallet lämpar sig väl för tunnväggigt och/eller komplicerat gjutgods. Hållfastheten är förhållandevis god. I legeringar där järnhalten är låg är brottförlängningen relativt god. För tunnväggigt pressgjutgods är i många fall en lämplig ugnstemperatur cirka 700-750°C.

    Aluminium-kisel-magnesium-legeringar
    Om man till en aluminium-kisel-legering tillsätter 0,3 – 0,5 procent magnesium blir legeringen härdbar. Vid härdning, vilket sker genom en utskiljningshärdning, bildar kisel och magnesium föreningen Mg2Si. Genom en sådan behandling erhåller materialet förhöjd hållfasthet. För en komponent med krav på maximal sträckgräns – Rp0,2 och brottgräns – Rm väljs legeringens magnesiumhalt högt upp i standardens legeringsintervall. Om hög brottförlängning – A5 är viktigt väljs en magnesiumhalt som ligger lågt i legeringsintervallet.

    Legeringarna i denna grupp har utmärkta gjutegenskaper och efter härdning får de en betydligt ökad hållfasthet. Den hastiga kylningen som sker i samband med härdningen kan dock medföra att godset slår sig. I så fall måste riktning ske innan utskiljningen (åldringen), vilken ingår som ett led i utskiljningshärdningen. Legeringarna har god skärbarhet.

    Aluminium-kisel-koppar-legeringar
    Huvudparten av allt pressgjutgods tillverkas av legeringar i denna grupp. Tillsatsen av koppar ger en höjning av hållfastheten och hårdheten samtidigt som skärbarheten förbättras. Legeringar i denna grupp har goda gjutegenskaper. De värmebehandlas vanligtvis inte. De kännetecknas också av att de har ett lägre pris än legeringar i övriga legeringsgrupper. Om gjutbetingelserna är optimala kan värmebehandling utföras för att höja sträck- och brottgräns.

    En variant i legeringsgruppen Al-Si-Cu är legeringen STENAL (Presslätt). Denna legering har utvecklats vid RISE, Jönköping (tidigare SWEREA SWECAST).

    Legeringen är en sekundärlegering. Typiskt för STENAL är att den är järn- och manganbalanserad och förädlad med strontium. STENAL innehåller 0,1 – 0,5 procent magnesium beroende på vilka egenskaper som eftersträvas. I gjuttillståndet har för STENAL uppnåtts Rp0,2 225 MPa, Rm 357 MPa och A25mm 2,7%. Genom värmebehandling har uppnåtts 391 MPa, 447 MPa respektive 1,3%.

    Aluminium-magnesium-legeringar
    Då mycket stora krav ställs på korrosionsbeständighet eller då materialet skall ha en estetiskt tilltalande anodisering kan en aluminium-magnesium-legering användas. Legeringarna har efter polering en silverliknande färg. Anodisering ger ett gott korrosionsskydd även mot saltvatten och svagt alkaliska lösningar. Legeringarna i denna grupp är svårgjutna och sprickkänsliga.

    Aluminium-zink-magnesium-legeringar
    Denna grupp innehåller endast en standardiserad legering. Den är förhållandevis svårgjuten och varmsprickkänslig. Den har god varmhållfasthet och är polerbar. Legeringen är självåldrande, vilket innebär att den erhåller optimala egenskaper efter cirka fyra veckor i rumstemperatur. Vid åldringen utskiljs fasen MgZn2. Ofta används denna legering då sammansvetsning skall ske med en smidd aluminiumlegering.

    Aluminium-kisel-koppar-magnesium-legeringar
    Legeringar i denna grupp innehåller kiselhalter upp till 17 – 18 procent, vilket innebär att de är hypereutektiska. De primära kristallerna, som bildas vid stelnandet, utgörs av kiselpartiklar. Dessa ger materialet hög hårdhet och god slitstyrka. Genom tillsatser av mindre mängder nickel och krom erhålls även god hållfasthet vid högre temperaturer. Materialet är på grund av sin hårdhet relativt sprött och svårbearbetat. Den goda slitstyrkan har gjort att legeringar i denna grupp fått stor användning i bland annat press- och kokillgjutna motorblock med integrerade cylinderlopp. Slitstyrkan hos dessa blir så god att ingjutna eller inmonterade cylinderfoder i gråjärn inte behövs.

    Aluminium-koppar-titan-magnesium-legeringar
    Legeringar i denna grupp uppvisar hög hållfasthet. Dock är legeringarna svårgjutna och sprickkänsliga. Användningen är därför begränsad.

    3.9.3 Stelningshastighetens inverkan på materialegenskaperna

    Den lokala stelningshastigheten hos en aluminiumgjutlegering har mycket stor betydelse för mikrostrukturen och därmed även för materialets statiska och dynamiska hållfasthetsegenskaper.

    Ett mått på mikrostrukturen är avståndet mellan de sekundära dendritarmarna, DAS (Dendrite Arm Spacing). DAS påverkas av stelningshastigheten och är omvänt proportionell mot denna. Eftersom det är enkelt att mäta DAS i ett ljusmikroskop är det ett enkelt mått för stelningshastigheten och en praktiskt lättkontrollerad parameter.

    Figur 73. Bestämning av dendritarmsavstånd DAS (Dendrite Arm Spacing), n = antalet dendriter som omfattas av avståndsmätningen.

    Undersökningar har visat att ett direkt samband gäller mellan DAS och statisk och dynamisk hållfasthet hos aluminiumgjutlegeringar. Inverkan av DAS är speciellt stor på brottförlängningen (A5), brottgränsen (Rm) och utmattningshållfastheten (se figurerna nedan). Inverkan på resttöjningsgränsen är mindre eftersom denna huvudsakligen bestäms av grundmassans egenskaper.

    Figur 74. Statisk hållfasthet som funktion av DAS hos en AlSi7Mg-legering. Materialet är värmebehandlat kokillgjutgods, som upp-lösningsbehandlats och varmåldrats.

    Olika gjutmetoder ger olika stelningshastigheter beroende på skillnader i värmeledningsförmåga hos formmaterialen och eventuell spaltbildning mellan formvägg och gjutstycke. Figuren nedan visar förväntat DAS som funktion av godstjockleken vid de vanligaste gjutmetoderna. Som framgår av figuren är stelningshastigheten lägst vid gjutning i sandform och högst vid pressgjutning.

    Figur 75. Inverkan av stelningshastighet och gjutmetod på DAS.

    Hos pressgjutgods återfinns ofta porositeter, som härrör från innesluten luft och smörjmedelsgaser. Den positiva effekten som erhålls av det snabba stelnandet vid denna gjutmetod överskuggas av inverkan av dessa porositeter. Därför bör viss försiktighet iakttas vid bedömning av hållfasthetsegenskaperna hos pressgjutgods. Dessa effekter kan motverkas genom tillämpning av avancerad ingjutsteknik som gjutning under vakuum och rätt optimerad ingjutsteknik.

    3.9.4 Smältabehandling av aluminiumgjutlegeringar

    För att önskade mekaniska egenskaper skall erhållas hos aluminiumgjutgods görs i de flesta fall en eller flera behandlingar av smältan före avgjutningen.

    Kornförfining
    En snabb stelning från flytande till fast fas gör aluminiumgjutlegeringar finkorniga, vilket normalt är önskvärt. Hårdheten påverkas positivt och risken för varmsprickor minskar. Vidare är det lättare att erhålla tätt gods vid finkorniga legeringar. Vid grovt gods sker stelnandet långsammare, varvid en grövre struktur erhålls. I sådana fall kan en kornförfining ge en positiv effekt på hållfastheten. Speciellt gäller detta vid aluminiumgjutlegeringar med låg kiselhalt (<4%) och när gjutning sker vid hög temperatur. Till smältan tillsätts då ett kornförfiningsmedel. Genom kornförfining påverkas förutom kornstorleken även gjutbarheten positivt. Som kornförfiningsmedel används normalt titan- eller borhaltiga saltpreparat eller titan-bor-förlegeringar med aluminium.

    Förädling
    Eutektiska och näreutektiska aluminiumgjutlegeringar bildar under stelnandet ett grovkristallint kiseleutektikum, det vill säga att kiselkomponenten framträder som nålformade kristaller. Eftersom denna utformning av stelningsstrukturen påverkar legeringens mekaniska egenskaper i negativ riktning, tillämpas normalt en teknik att framtvinga ett finkristallint stelnande av eutektiskt kisel. Tekniken benämns förädling eller modifiering av mikrostrukturen.

    Som förädlingsmedel används vanligtvis små mängder av natrium eller strontium. Natrium används vid gjutning i sandform och vid grovt kokillgjutgods. Strontium används vid pressgjutning och tunnväggigt kokillgjutgods. Vid användning av strontium krävs hög stelningshastighet för att effekt skall uppnås. För såväl natrium som strontium gäller att den förädlande verkan avtar med tiden i smältan.

    Strontium har blivit ett allt vanligare förädlingsmedel. Detta är mer långtidsverkande än natrium. En nackdel med strontium som förädlingsmedel är att det kräver hög stelningshastighet hos godset. Man kan dock få en avrundning av kiselfasen under upplösningsbehandling även om strontium inte ger full effekt i gjuttillstånd.

    3.9.5 Värmebehandling av aluminiumgjutgods

    För att förbättra de mekaniska egenskaperna hos aluminiumgjutlegeringar utnyttjas ofta olika typer av värmebehandlingar.

    Den vanligaste värmebehandlingen är en så kallad utskiljningshärdning (T6). Normalt tillämpas denna behandling endast vid sand- och kokillgjutgods. Härdningsprocessen baseras på det förhållandet att vissa legeringselement som tillsätts aluminiumsmältor har större löslighet i fast form vid hög temperatur än vid låg. Vid de mest använda aluminiumgjutlegeringarna tillsätts magnesium som verksamt medel för utskiljningshärdningen. Magnesium förenar sig med kisel till Mg2Si.

    Utskiljningshärdning görs i tre steg:

    1. Upplösning
    2. Släckning
    3. Utskiljning (varmåldring)

    Upplösningen syftar till att lösa upp en maximal mängd av utskiljningshärdande ämnen, normalt magnesium, samt att fördela den upplösta mängden så homogent som möjligt i grundmassan. Temperaturen hålls så högt som möjligt, det vill säga strax under den eutektiska temperaturen (520-560 °C). För att pressgjutgods ska kunna upplösnings- behandlas krävs i normalfallet låg porhalt.

    Vid släckningen snabbkyls materialet från upplösningstemperaturen. Legeringsämnena tvingas kvar i fast lösning genom att en tvångslösning erhålls av det utskiljningshärdande ämnet, exempelvis magnesium. Vanligen släcker man genom att sänka ner materialet i vatten, vars temperatur bör vara max 50°C. Överföringen från ugn till vattenbad måste ske snabbt, inom cirka 30 sekunder, om utskiljningar skall undvikas före själva utskiljningsbehandlingen. I det släckta tillståndet kan riktning eller formning av materialet utföras. Detta måste dock ske omedelbart eftersom utskiljningshärdningen för många legeringar sätter igång snabbt, redan vid rumstemperatur.

    I vissa aluminiumlegeringar sker utskiljningen så snabbt vid rumstemperatur att ingen ytterligare värmebehandling är nödvändig. Dessa legeringar benämns kallåldrande. Utskiljningsbehandling vid förhöjd temperatur, varmåldring, sker i regel vid relativt låga temperaturer (150 – 200°C) och under lång tid (5 – 48 timmar) eftersom detta ger optimala egenskaper.