Зачем алюминиевым заводам нужен металлический кремний?

Кремний металлический (технический кремний)является основной добавкой в ​​производстве алюминиевых сплавов. Его основным компонентом является Si, превышающий или равный 98% (основные марки, такие как441#и3303#), со строго контролируемым содержанием примесей (Fe менее или равно 0,4 %, Al менее или равно 0,4 % и т. д.). Его совместимость с алюминием обусловлена ​​двумя основными характеристиками:

 Кремний и алюминий могут образовывать бесконечный твердый раствор. При эвтектической температуре 577 градусов максимальная растворимость кремния в алюминии достигает 1,65%, что обеспечивает широкие возможности для контроля производительности.

 Добавление кремния может снизить температуру плавления алюминиевых сплавов (чистый алюминий плавится при 660 градусах, а алюминиевые сплавы, содержащие 12% кремния, плавятся при 577 градусах), одновременно оптимизируя текучесть расплава и решая проблемы формования сложных алюминиевых материалов.

(1) Повышение производительности: создание «механического скелета» из алюминия

Металлический кремний значительно улучшает основные механические свойства алюминиевых сплавов за счет двойного механизма упрочнения твердого раствора и дисперсионного упрочнения:

Усиление твердого раствора:

Атомы кремния интегрируются в решетку алюминиевой матрицы, вызывая искажение решетки, препятствуя движению дислокаций и одновременно улучшая твердость и прочность алюминиевого сплава.

Усиление осадков:

В сплавах Al-Mg-Si кремний и магний образуют упрочняющую фазу Mg₂Si (фазу '') с атомным соотношением 1,73:1. После старения Т6 фаза '' выделяется равномерно, увеличивая предел текучести сплава со 100 МПа до более 300 МПа.

Синергетическая оптимизация:

Кремний в сочетании с такими элементами, как марганец и титан, может образовывать дисперсную фазу AlFeMn (размером 0,5–2 мкм), подавляя рост зерен и повышая ударную вязкость алюминиевого сплава на 20–30%, избегая риска хрупкого разрушения.

(2) Улучшенная обработка: снижение «сложности формовки» производства.

Металлический кремний является ключом к решению проблем обработки алюминиевых сплавов, особенно подходит для производства сложных профилей и отливок:

Улучшенная текучесть литья:

Кремний может снизить вязкость расплавов алюминиевых сплавов на 30-40%, значительно повышая заполняющую способность, что делает его пригодным для сложных конструкционных деталей, таких как интегрированное автомобильное литье под давлением и компоненты аэрокосмической промышленности.

Снижение склонности к горячему растрескиванию:

Кремний может улучшить структуру затвердевания алюминиевых сплавов, сузить диапазон температур затвердевания и обеспечить равномерное снятие напряжений во время охлаждения отливки, снижая количество дефектов горячего растрескивания более чем на 60%;

Оптимизированная производительность обработки:

Литые алюминиевые сплавы, содержащие 5-13% кремния, менее склонны к прихвату инструмента во время резки, что повышает эффективность обработки на 25-30% и снижает износ инструмента на 40%, что делает их особенно подходящими для производства механически обработанных деталей.

(3) Повышенная долговечность: придание алюминию «защиты от коррозии и износа».

Металлический кремний может оптимизировать химическую стабильность и износостойкость алюминиевых сплавов, продлевая срок их службы:

Повышенная коррозионная стойкость:

Кремний может образовывать плотную оксидную пленку (композитную пленку SiO₂-Al₂O₃) на поверхности алюминия, препятствуя реакции между кислородом и внутренней матрицей, снижая скорость коррозии алюминиевых сплавов во влажных, кислых и щелочных средах на 50%-70%, что делает его пригодным для морской техники, строительных материалов для наружного применения и других сценариев;

Улучшенная износостойкость:

Частицы кремния в алюминиевых сплавах имеют высокую твердость (твердость по шкале Мооса 7,0), которая может образовывать структуру «дисперсии твердых частиц», уменьшая фрикционный износ. При содержании кремния 3% алюминиевый сплав имеет коэффициент трения всего 0,052 и степень износа всего 64,8 мг, демонстрируя оптимальную износостойкость.

Оптимизация термической стабильности:

Аэрокосмический алюминиевый сплав АА7075, содержащий 0,1-0,2% кремния, сохраняет 85-90% своей прочности после 1000 часов воздействия при температуре 150 градусов, со значительно сниженной подверженностью зернограничной коррозии.

(4) Возможность адаптации к множеству сценариев: поддержка «трансграничного-применения» алюминиевых материалов.

Состав металлического кремния можно точно контролировать, что позволяет алюминиевым сплавам адаптироваться к потребностям различных отраслей промышленности, что является основной поддержкой алюминиевых заводов в расширении своих рынков:

Аэрокосмическая промышленность:

Используя металлический кремний высокой - чистоты (Si больше или равно 99,3 %, Fe меньше или равно 0,3 %), контролируя содержание кремния в алюминиевых сплавах до 0,10–0,20 % и координируя контроль соотношения Fe/Si (1,5–2,0), усталостную долговечность алюминиевых материалов можно увеличить с 2,1 × 10⁶ циклов до 3,7×10⁶ циклов, что соответствует строгим требованиям к лонжеронам крыльев самолетов и бакам ракетного топлива;

Автомобильное производство:

Использование металлического кремния 441#, контроль содержания кремния в алюминиевых сплавах до 6-10 %, производство интегрированных литых деталей без нагрева-, обеспечение прочности на разрыв, превышающей или равной 300 МПа, и снижение производственных затрат, подходящих для кузовов транспортных средств на новой энергии, ступиц колес и других компонентов;

Строительство и электроника:

Использование обычных строительных алюминиевых материалов553 # кремниевый металл(Si больше или равно 98%), с содержанием кремния 0,5-1,5%, обеспечивает баланс прочности и технологичности; алюминиевые сплавы, используемые для корпусов электронных устройств, контролируют содержание кремния на уровне менее или равного 0,2%, чтобы обеспечить чистоту поверхности и проводимость.

(1) Точный контроль суммы добавления

 Литые алюминиевые сплавы:Содержание кремния обычно составляет 5-13%; в перерабатываемые алюминиевые сплавы из-за содержания кремния в отходах алюминия их добавление может быть снижено до 5-7%;
 Деформируемые алюминиевые сплавы:Содержание кремния в основном ниже 0,5 % и добавляется косвенно через алюминиево-кремниевые промежуточные сплавы;
 Избегайте чрезмерного добавления:Когда содержание кремния превышает 13%, удлинение алюминиевого сплава значительно уменьшится (менее или равно 5%), ударная вязкость ухудшится, и он будет склонен к хрупкости.

(2) Процесс плавки и очистки

 Температура плавки:Контролируется при температуре 720-780 градусов, чтобы обеспечить полное растворение металлического кремния и избежать дефектов производительности, вызванных нерастворенными частицами;

 Очистка:Трех-ступенчатая керамическая фильтрация (30→50→70ppi) + электромагнитное перемешивание (напряженность магнитного поля 0,15 Тл) используется для удаления включений кремния, уменьшая размер включений с 15 мкм до менее 3 мкм;

 Гомогенное лечение:Двухэтапный процесс нагрева (300 градусов/4 часа + 450 градусов/12 часов) используется для обеспечения равномерного распределения кремния и снижения колебаний производительности.