מדוע מפעלי אלומיניום צריכים מתכת סיליקון?

מתכת סיליקון (סיליקון תעשייתי)הוא תוסף ליבה בייצור סגסוגת אלומיניום. מרכיב הליבה שלו הוא Si גדול מ-98% או שווה ל-98% (דרגות מיינסטרים כגון441#ו3303#), עם תכולת טומאה מבוקר קפדני (Fe פחות מ- או שווה ל-0.4%, Al פחות או שווה ל-0.4% וכו'). התאימות שלו לאלומיניום נובעת משני מאפיינים עיקריים:

 סיליקון ואלומיניום יכולים ליצור פתרון מוצק אינסופי. בטמפרטורה אוקטית של 577 מעלות, המסיסות המקסימלית של סיליקון באלומיניום מגיעה ל-1.65%, מה שמספק מקום מספיק לבקרת ביצועים.

 תוספת של סיליקון יכולה להוריד את נקודת ההיתוך של סגסוגות אלומיניום (אלומיניום טהור נמס ב-660 מעלות, בעוד סגסוגות אלומיניום המכילות 12% סיליקון נמסות ב-577 מעלות), ובמקביל מייעל את יכולת זרימת ההיתוך ופתרון האתגרים המהווים של חומרי אלומיניום מורכבים.

(1) שיפור ביצועים: בניית ה"שלד המכני" של האלומיניום

מתכת סיליקון משפרת באופן משמעותי את תכונות הליבה המכניות של סגסוגות אלומיניום באמצעות מנגנון כפול של חיזוק תמיסות מוצקות וחיזוק משקעים:

חיזוק פתרון מוצק:

אטומי סיליקון משתלבים בסריג מטריצת האלומיניום, גורמים לעיוות סריג, מעכב תנועת נקע, ובו זמנית משפרים את הקשיות וחוזק המתיחה של סגסוגת האלומיניום.

חיזוק משקעים:

בסגסוגות Al-Mg-Si, סיליקון ומגנזיום יוצרים שלב מחזק Mg₂Si (פאזה '') ביחס אטומי של 1.73:1. לאחר טיפול ההזדקנות ב-T6, שלב '' משקע באופן אחיד, ומגדיל את חוזק התפוקה של הסגסוגת מ-100MPa ליותר מ-300MPa.

אופטימיזציה סינרגטית:

סיליקון, בשילוב עם יסודות כמו מנגן וטיטניום, יכולים ליצור שלב מפוזר של AlFeMn (גודל 0.5-2 מיקרומטר), לעכב את צמיחת הגרגרים ולהגדיל את קשיחות ההשפעה של סגסוגת האלומיניום ב-20%-30%, ולמנוע את הסיכון לשבר שביר.

(2) עיבוד שבבי משופר: הפחתת "קושי הגיבוש" של הייצור

סיליקון מתכתי הוא המפתח לפתרון נקודות הכאב של עיבוד שבבי סגסוגת אלומיניום, מתאים במיוחד לייצור פרופילים ויציקות מורכבות:

שיפור נזילות היציקה:

סיליקון יכול להפחית את הצמיגות של נמסות סגסוגת אלומיניום ב-30%-40%, מה שמשפר משמעותית את יכולת המילוי, מה שהופך אותו למתאים לחלקים מבניים מורכבים כמו יציקת יציקה משולבת לרכב ורכיבי תעופה וחלל.

נטייה מופחתת לפיצוח חם:

סיליקון יכול לעדן את מבנה ההתמצקות של סגסוגות אלומיניום, לצמצם את טווח טמפרטורת ההתמצקות ולאפשר שחרור מתח אחיד במהלך קירור היציקה, להפחית את השכיחות של פגמי פיצוח חמים ביותר מ-60%;

ביצועי עיבוד אופטימליים:

סגסוגות אלומיניום יצוק המכילות 5%-13% סיליקון נוטות פחות להידבקות של כלים במהלך חיתוך, מגדילות את יעילות העיבוד ב-25%-30% ומפחיתות את בלאי הכלים ב-40%, מה שהופך אותן למתאימים במיוחד לייצור חלקים מעובדים.

(3) עמידות משופרת: הענקת לאלומיניום "מגן עמידות בפני קורוזיה ובלאי"

מתכת סיליקון יכולה לייעל את היציבות הכימית ועמידות הבלאי של סגסוגות אלומיניום, ולהאריך את חיי השירות שלהן:

עמידות בפני קורוזיה משופרת:

סיליקון יכול ליצור סרט תחמוצת צפוף (SiO₂-סרט מרוכב Al₂O₃) על פני השטח של אלומיניום, להפריע לתגובה בין חמצן למטריצה ​​הפנימית, להפחית את קצב הקורוזיה של סגסוגות אלומיניום בסביבות לחות, חומציות ואלקליות ב-50%-70%, מה שהופך אותו למתאים לבנייה ימית, חומרי הנדסה אחרים, ותרחישים חיצוניים;

עמידות בפני שחיקה משופרת:

חלקיקי הסיליקון בסגסוגות האלומיניום הינם בעלי קשיות גבוהה (Mohs hardness 7.0), אשר יכול ליצור מבנה "פיזור חלקיקים קשיחים", להפחית בלאי חיכוך. עם תכולת סיליקון של 3%, סגסוגת האלומיניום מציגה מקדם חיכוך נמוך כמו 0.052 וכמות שחיקה של 64.8 מ"ג בלבד, מה שמוכיח עמידות אופטימלית לבלאי.

אופטימיזציה של יציבות תרמית:

סגסוגת אלומיניום תעופה וחלל AA7075 המכילה 0.1-0.2% סיליקון שומרת על 85-90% מחוזקה לאחר 1000 שעות של חשיפה ב-150 מעלות, עם רגישות מופחתת משמעותית לקורוזיה בגבול התבואה.

(4) ניתן להתאמה למספר תרחישים: תמיכה ב"יישום חוצה-גבולות" של חומרי אלומיניום

ניתן לשלוט במדויק על הרכב הסיליקון המתכתי, מה שמאפשר לסגסוגות האלומיניום להתאים את עצמן לצרכים של תעשיות שונות, המהווה את התמיכה המרכזית למפעלי אלומיניום להרחיב את השווקים שלהם:

תעופה וחלל:

שימוש במתכת סיליקון ברמת 3303# גבוהה-(Si גדול מ-99.3% או שווה ל-99.3%, Fe פחות או שווה ל-0.3%), שליטה בתכולת הסיליקון בסגסוגות אלומיניום ל-0.10-0.20%, ותיאום עם בקרת יחס Fe/Si (1.5-2.0 של חומרי אלומיניום), יכול להגדיל את חיי חומרי השומן. מחזורים של 2.1×10⁶ עד 3.7×10⁶ מחזורים, העומדים בדרישות המחמירות של כנפי מטוסים ומיכלי הנעה רקטיים;

ייצור רכב:

שימוש בסיליקון מתכתי 441#, שליטה בתכולת הסיליקון של סגסוגות אלומיניום ל-6-10%, הפקת חום-חלקים משולבים ללא יציקה, הבטחת חוזק מתיחה גדול מ-300MPa או שווה ל-300MPa, והפחתת עלויות הייצור, מתאים למרכבי אנרגיה חדשים ורכזות גלגלים אחרים;

בנייה ואלקטרוניקה:

שימוש בחומרי אלומיניום לבניין רגילים553# מתכת סיליקון(Si גדול או שווה ל-98%), עם תכולת סיליקון של 0.5-1.5%, מאזן חוזק ויכולת עיבוד; סגסוגות אלומיניום המשמשות לבתי מכשירים אלקטרוניים שולטות בתכולת הסיליקון לפחות או שווה ל-0.2% כדי להבטיח גימור ומוליכות פני השטח.

(1) שליטה מדויקת בכמות התוספת

 סגסוגות אלומיניום יצוק:תכולת הסיליקון היא בדרך כלל 5%-13%; סגסוגות אלומיניום ממוחזרות, בשל תכולת הסיליקון בפסולת אלומיניום, יכולות להפחית את תוספתן ל-5-7%;
 סגסוגות אלומיניום מחושלות:תכולת הסיליקון היא לרוב מתחת ל-0.5%, מתווספת בעקיפין באמצעות אלומיניום-סגסוגות ביניים של סיליקון;
 הימנע מתוספת מוגזמת:כאשר תכולת הסיליקון עולה על 13%, ההתארכות של סגסוגת האלומיניום תקטן באופן משמעותי (פחות או שווה ל-5%), הקשיחות תתדרדר והיא תהיה נוטה לשבירות.

(2) תהליך התכה וטיהור

 טמפרטורת התכה:נשלט ב-720-780 מעלות כדי להבטיח פירוק מלא של מתכת סיליקון ולהימנע מפגמים בביצועים הנגרמים על ידי חלקיקים לא מומסים;

 טיפול טיהור:סינון קרמי תלת-שלבי (30→50→70ppi) + ערבוב אלקטרומגנטי (חוזק שדה מגנטי 0.15T) משמש להסרת תכלילי סיליקון, ומפחית את גודל הכליל מ-15μm מתחת ל-3μm;

 טיפול הומגני:תהליך חימום דו--שלבי (300 מעלות /4 שעות + 450 מעלות /12 שעות) משמש כדי להבטיח פיזור אחיד של סיליקון ולהפחית את תנודות הביצועים.