Wytrzymałość odlewów aluminiowych: od czego zależą właściwości mechaniczne i jak je zapisać w wymaganiach

Właściwości mechaniczne odlewów aluminiowych – wytrzymałość, granica plastyczności, wydłużenie i twardość – nie wynikają z samego gatunku stopu. Ten sam stop ma inne właściwości w formie piaskowej, w kokili i w formie ciśnieniowej, a w obrębie jednego odlewu – inne w cienkiej ściance i w masywnym węźle. Wyjaśniamy, skąd biorą się te różnice, co naprawdę gwarantuje norma PN-EN 1706 i jak zapisać wymagania, żeby odbiór odlewów nie skończył się sporem.

W skrócie

• PN-EN 1706:2020+A1:2021 podaje minimalne właściwości dla próbek odlewanych oddzielnie, osobno dla metody odlewania i stanu (np. T6), a nie dla dowolnego miejsca w odlewie.
• Przykład z normy: EN AC-42100 w stanie T6 ma Rm min. 230 MPa przy odlewaniu do formy piaskowej i 290 MPa przy odlewaniu kokilowym.
• Szybkość chłodzenia rośnie od formy piaskowej (0,1–0,5 °C/s) przez kokilę (0,3–1,0 °C/s) do formy ciśnieniowej (50–500 °C/s). Im szybciej krzepnie metal, tym drobniejsza struktura i wyższa wytrzymałość.
• Porowatość, błonki tlenkowe i grube płytki krzemu obniżają przede wszystkim wydłużenie i wytrzymałość zmęczeniową, a w mniejszym stopniu granicę plastyczności.
• Właściwości w samym odlewie, na próbkach z niego wyciętych, trzeba uzgodnić w zamówieniu: miejsce, kształt próbek, częstotliwość badań i wartości.

Skąd się bierze wytrzymałość odlewu aluminiowego?

Czyste aluminium jest miękkie. Według akademickiego podręcznika „Odlewnictwo” (WNT) dodatki stopowe i obróbka cieplna mogą podnieść wytrzymałość stopów aluminium nawet do 500 MPa. Popularne siluminy mają w normie wyraźnie niższe wartości minimalne: od ok. 140 do 290 MPa, zależnie od gatunku, metody odlewania i stanu.

Na wynik składają się trzy grupy czynników:

• skład stopu – krzem poprawia lejność, magnez i miedź umożliwiają umocnienie wydzieleniowe w obróbce cieplnej,
• warunki krzepnięcia – szybkość chłodzenia zależna od formy i od grubości ścianki,
• jakość metalu i odlewu – porowatość, wtrącenia tlenkowe, postać krzemu i wielkość ziarna.

Dodatki stopowe wymagają kompromisów. Miedź zwiększa wytrzymałość i twardość, ale pogarsza odporność korozyjną i może pogorszyć stabilność wymiarową. Dlatego wybór stopu zaczyna się od warunków pracy detalu, a nie od samej liczby Rm. Jak rozkodować symbole typu EN AC-42100 czy AK7, wyjaśniamy w artykule o oznaczeniach gatunków według PN-EN 1706.

Ten sam stop, różne wyniki: wpływ technologii odlewania

Rodzaj formy decyduje o tym, jak szybko metal oddaje ciepło. Różnice między trzema podstawowymi technologiami są duże:

Cecha	Forma piaskowa	Kokila	Forma ciśnieniowa
Szybkość chłodzenia	0,1–0,5 °C/s	0,3–1,0 °C/s	50–500 °C/s
Odległość ramion dendrytów (DAS)	0,05–0,5 mm	0,03–0,07 mm	0,005–0,015 mm
Wielkość ziarna	grube	drobne	bardzo drobne, zwłaszcza przy powierzchni
Wytrzymałość	najmniejsza	doskonała	największa

Źródło: akademicki podręcznik „Odlewnictwo” (WNT), tabl. 3.7.

Efekt widać w danych. Dla stopu AlSi9Mg podręcznik podaje minimalne Rm 170–230 MPa przy odlewaniu do formy piaskowej, 180–280 MPa w kokili i 220–300 MPa przy odlewaniu ciśnieniowym. Dlatego norma PN-EN 1706 podaje właściwości osobno dla każdej metody, oznaczanej literami S (forma piaskowa), K (kokila), D (odlewanie ciśnieniowe) i L (metoda wytapianych modeli).

Grubość ścianki, DAS i węzły cieplne

Stopy aluminium, podobnie jak stopy żelaza, reagują na lokalną szybkość chłodzenia. Ich struktura i właściwości silnie zależą od grubości ścianki i sposobu odlewania. Miarą szybkości chłodzenia jest odległość między ramionami dendrytów drugiego rzędu (DAS, ang. Dendrite Arm Spacing): im mniejsza, tym drobniejsza struktura i lepsze właściwości.

W jednym odlewie oznacza to dużą rozpiętość. Cienka ścianka krzepnie szybko i ma drobną strukturę. Masywny węzeł krzepnie wolno, ma grubszą strukturę i jest narażony na porowatość skurczową.

Podręcznik podaje liczbowy spadek wytrzymałości z grubością ścianki tylko dla żeliwa szarego, które jest na szybkość chłodzenia wyjątkowo wrażliwe, więc tej skali nie należy przenosić na aluminium. Kierunek zmian jest jednak ten sam, dlatego wymagania wytrzymałościowe trzeba łączyć z konstrukcją bez masywnych skupisk metalu. Reguły, które temu służą, opisujemy w przewodniku o tym, jak konstruować odlew bez węzłów cieplnych.

Mikrostruktura: modyfikacja, ziarno i zanieczyszczenia

W siluminach, czyli stopach aluminium z krzemem, o plastyczności decyduje postać krzemu eutektycznego. Niezmodyfikowany krzem tworzy duże płytki, które działają jak karby. Według wykresu w podręczniku modyfikacja sodem lub strontem podnosi wydłużenie z ok. 4–5% do ok. 12%, a niewielki wzrost wytrzymałości wynika głównie z usunięcia miejsc spiętrzenia naprężeń.

Rozdrobnienie ziarna związkami TiB₂ lub TiC daje wyższe właściwości mechaniczne i lepsze efekty obróbki cieplnej, zwłaszcza w odlewach masywnych i wolno stygnących, czyli głównie piaskowych. Zanieczyszczenie żelazem działa odwrotnie: tworzy w siluminach kruche wydzielenia międzymetaliczne i obniża plastyczność, dlatego jego zawartość kontroluje się w składzie każdego wytopu.

Porowatość i błonki tlenkowe

Pory i błonki tlenkowe zmniejszają nośny przekrój i działają jak karby. Najmocniej obniżają wydłużenie i wytrzymałość zmęczeniową, a w mniejszym stopniu granicę plastyczności. Pory mają trzy główne źródła: wodór rozpuszczony w ciekłym metalu, niedostateczne zasilanie masywnych miejsc podczas krzepnięcia oraz gazy z formy i rdzeni. Błonki tlenkowe powstają z kolei przy utlenianiu ciekłego metalu.

Pierwszą przyczynę ogranicza się w topialni przez odgazowanie i rafinację, które opisujemy w artykule odgazowanie i rafinacja aluminium przed odlewaniem. Drugą – konstrukcją i technologią zasilania. Jeśli trzeba sprawdzić, czy w krytycznym przekroju nie ma porowatości, stosuje się radiografię lub tomografię, opisane w tekście o kryteriach odbioru w badaniach RTG i CT.

Obróbka cieplna T6: kiedy ma sens

Stan T6 oznacza według PN-EN 1706 przesycanie i pełne sztuczne starzenie. Umacnia stopy zawierające magnez lub miedź, np. AlSi7Mg0,3, AlSi7Mg i AlSi10Mg. Norma przewiduje też inne stany, m.in.: T64 (przesycanie i niepełne sztuczne starzenie), który daje niższą wytrzymałość przy większym wydłużeniu, oraz T5 (kontrolowane chłodzenie po odlaniu i sztuczne starzenie lub przestarzenie).

Różnicę dobrze widać w minimalnych wartościach dla odlewów kokilowych. EN AC-42000 ma w stanie surowym (F) Rm min. 170 MPa, a po T6 – 260 MPa. EN AC-42100 w stanie T6 ma Rm min. 290 MPa przy wydłużeniu 4%, a w stanie T64 – 250 MPa przy wydłużeniu 8%. Wybór stanu to więc decyzja konstrukcyjna: maksymalna wytrzymałość albo większy zapas plastyczności.

Trzeba pamiętać o kosztach i ograniczeniach. Obróbka cieplna dotyczy każdego odlewu z osobna, więc podnosi cenę jednostkową i wydłuża realizację. Przesycanie z szybkim chłodzeniem może powodować odkształcenia, dlatego obróbkę wykańczającą zwykle wykonuje się po obróbce cieplnej. Odlewów ciśnieniowych zwykle nie przesyca się, bo gaz uwięziony podczas szybkiego wypełniania formy może przy wysokiej temperaturze tworzyć pęcherze na powierzchni; dla typowych stopów do tej technologii, np. EN AC-46000, norma podaje w informacyjnym załączniku A wartości dla stanów F i T5.

Właściwości mechaniczne odlewów aluminiowych w PN-EN 1706: co norma gwarantuje, a czego nie?

Norma podaje minimalne właściwości dla próbek odlewanych oddzielnie, w warunkach określonych dla danej metody. Poniżej wybrane wartości dla stopów stosowanych w odlewach przemysłowych (temperatura badania 20 °C).

Stop	Metoda i stan	Rm min. [MPa]	Rp0,2 min. [MPa]	A min. [%]	Twardość min. [HBW]
EN AC-42100 (AlSi7Mg0,3)	S T6 (forma piaskowa)	230	190	2	75
EN AC-42100 (AlSi7Mg0,3)	K T6 (kokila)	290	210	4	90
EN AC-42000 (AlSi7Mg)	K T6	260	220	1	90
EN AC-43000 (AlSi10Mg(a))	K F	180	90	2,5	55
EN AC-43000 (AlSi10Mg(a))	K T6	260	220	1	90
EN AC-44200 (AlSi12(a))	K F	170	80	6	55
EN AC-46200 (AlSi8Cu3)	K F	170	100	1	75
EN AC-51300 (AlMg5)	K F	180	100	4	60
EN AC-46000 (AlSi9Cu3(Fe))	D F (wartości informacyjne)	240	140	< 1	80

Źródło: PN-EN 1706:2020+A1:2021, próbki odlewane oddzielnie.

Do tabeli norma dodaje dwie uwagi ważne przy odbiorze. Wartości dla odlewania ciśnieniowego silnie zależą od parametrów wtrysku, więc mają charakter wyłącznie orientacyjny. W stanie F podane właściwości mogą zostać osiągnięte dopiero po kilku dniach przechowywania w temperaturze otoczenia, więc badanie tuż po odlaniu może dać zaniżony wynik. Norma podaje też właściwości tylko dla typowych kombinacji metody i stanu; inne trzeba uzgodnić.

Najczęstsze nieporozumienie dotyczy próbek wyciętych z odlewu. Wartości z tabeli opisują próbkę odlewaną w standardowych warunkach, a nie dowolny przekrój detalu. PN-EN 1706 ma osobny punkt o próbkach pobieranych z odlewów, a wydanie z 2020 r. dodało informacyjny załącznik B z właściwościami potencjalnie osiągalnymi w próbkach pobranych z odlewu. Z kolei norma o warunkach dostawy odlewów EN 1559-1 wymaga, żeby właściwości dotyczące określonych miejsc odlewu uzgodnić najpóźniej przy zamówieniu, razem z miejscem pobrania próbki, jej kształtem, warunkami pobierania i kryteriami odbioru.

Jak zapisać wymagania wytrzymałościowe na rysunku i w zamówieniu?

PN-EN 1706 wymaga, żeby pełne oznaczenie stopu było podane na rysunku będącym częścią zamówienia. Pełne oznaczenie łączy stop, metodę i stan, np. EN 1706 AC-42100-K-T6 (norma podaje przykład w postaci numerycznej; zapis chemiczny, np. EN 1706 AC-AlSi7Mg0,3-K-T6, tworzy się analogicznie). Do tego warto dopisać sposób potwierdzania właściwości:

• Materiał: EN 1706 AC-42100-K-T6.
• Właściwości mechaniczne: wg PN-EN 1706, na próbkach odlewanych oddzielnie, np. jeden komplet na wytop lub partię.
• Właściwości w odlewie (jeśli są potrzebne): miejsce pobrania próbek oznaczone na rysunku, kształt próbki, częstotliwość badań i wartości minimalne – uzgodnione z odlewnią przed zamówieniem.
• Twardość: HBW w oznaczonym miejscu odlewu jako szybka kontrola partii, z wartością uzgodnioną z odlewnią.
• Dokument: np. świadectwo odbioru 3.1 wg EN 10204 z wynikami badań; co powinno zawierać, wyjaśniamy w artykule o świadectwie odbioru 3.1 dla odlewów.

Taki zapis chroni obie strony: odlewnia wie, co ma udowodnić, a zamawiający wie, co dostaje.

Najczęściej zadawane pytania

Dobierzemy stop, technologię i stan do wymaganej wytrzymałości

Napisz, jakie obciążenia przenosi detal i jakie właściwości są dla Ciebie krytyczne. Technolog zaproponuje stop, metodę odlewania i stan, a także sposób potwierdzania właściwości przy odbiorze. Dlaczego kokila daje drobną strukturę i stabilne wymiary, wyjaśniamy w opisie odlewania aluminium w kokilach. Rysunek z wymaganiami wytrzymałościowymi możesz dołączyć do zapytania o wycenę.

Źródła i normy

• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium i stopy aluminium – Odlewy – Skład chemiczny i właściwości mechaniczne (pkt 5 i 7, tablice 2–4, załączniki A i B).
• EN 1559-1:2011 – Odlewnictwo – Techniczne warunki dostawy – Część 1: Postanowienia ogólne (pkt 7.3.2).
• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 3.1 „Materiały na odlewy” (s. 116–150, w tym tabl. 3.7 i 3.8) oraz rozdz. 3.3 (s. 183).