Warum benötigen Aluminiumwerke Siliziummetall?

Siliziummetall (Industriesilizium)ist ein zentraler Zusatzstoff bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen. Sein Kernbestandteil ist Si mit einem Si-Anteil von mindestens 98 % (gängige Sorten wie z441#Und3303#), mit streng kontrolliertem Gehalt an Verunreinigungen (Fe kleiner oder gleich 0,4 %, Al kleiner oder gleich 0,4 % usw.). Seine Kompatibilität mit Aluminium beruht auf zwei Hauptmerkmalen:

 Silizium und Aluminium können eine unendliche feste Lösung bilden. Bei einer eutektischen Temperatur von 577 Grad erreicht die maximale Löslichkeit von Silizium in Aluminium 1,65 %, was ausreichend Spielraum für Leistungskontrolle bietet.

 Die Zugabe von Silizium kann den Schmelzpunkt von Aluminiumlegierungen senken (reines Aluminium schmilzt bei 660 Grad, während Aluminiumlegierungen mit 12 % Silizium bei 577 Grad schmelzen), während gleichzeitig die Fließfähigkeit der Schmelze optimiert und die Formungsherausforderungen komplexer Aluminiummaterialien gelöst werden.

(1) Leistungssteigerung: Aufbau des „mechanischen Skeletts“ aus Aluminium

Siliziummetall verbessert die mechanischen Kerneigenschaften von Aluminiumlegierungen erheblich durch einen dualen Mechanismus der Festlösungsverfestigung und der Ausscheidungsverfestigung:

Stärkung der festen Lösung:

Siliziumatome integrieren sich in das Gitter der Aluminiummatrix, was zu einer Gitterverzerrung führt, die Versetzungsbewegung behindert und gleichzeitig die Härte und Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung verbessert.

Niederschlagsverstärkung:

In Al-Mg-Si-Legierungen bilden Silizium und Magnesium eine Mg₂Si-Verfestigungsphase (''-Phase) mit einem Atomverhältnis von 1,73:1. Nach der T6-Alterungsbehandlung fällt die ''-Phase gleichmäßig aus, wodurch die Streckgrenze der Legierung von 100 MPa auf über 300 MPa erhöht wird.

Synergistische Optimierung:

Silizium kann in Kombination mit Elementen wie Mangan und Titan eine dispergierte AlFeMn-Phase (Größe 0,5–2 μm) bilden, die das Kornwachstum hemmt und die Schlagzähigkeit der Aluminiumlegierung um 20–30 % erhöht, wodurch das Risiko eines Sprödbruchs vermieden wird.

(2) Verbesserte Bearbeitung: Reduzierung der „Umformschwierigkeiten“ der Produktion

Metallisches Silizium ist der Schlüssel zur Lösung der Probleme bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen und eignet sich besonders für die Herstellung komplexer Profile und Gussteile:

Verbesserte Gießflüssigkeit:

Silizium kann die Viskosität von Aluminiumlegierungsschmelzen um 30–40 % reduzieren, wodurch die Füllkapazität deutlich erhöht wird und es sich für komplexe Strukturteile wie integrierte Automobildruckguss- und Luft- und Raumfahrtkomponenten eignet.

Reduzierte Heißrissneigung:

Silizium kann die Erstarrungsstruktur von Aluminiumlegierungen verfeinern, den Erstarrungstemperaturbereich verengen und einen gleichmäßigen Spannungsabbau beim Abkühlen des Gussstücks ermöglichen, wodurch das Auftreten von Heißrissdefekten um mehr als 60 % reduziert wird;

Optimierte Bearbeitungsleistung:

Aluminiumgusslegierungen mit 5–13 % Silizium neigen weniger zum Anhaften des Werkzeugs beim Schneiden, wodurch die Bearbeitungseffizienz um 25–30 % erhöht und der Werkzeugverschleiß um 40 % reduziert wird, was sie besonders für die Herstellung bearbeiteter Teile geeignet macht.

(3) Verbesserte Haltbarkeit: Aluminium mit einem „Korrosions- und Verschleißschutzschild“ versehen

Siliziummetall kann die chemische Stabilität und Verschleißfestigkeit von Aluminiumlegierungen optimieren und so deren Lebensdauer verlängern:

Verbesserte Korrosionsbeständigkeit:

Silizium kann einen dichten Oxidfilm (SiO₂-Al₂O₃-Verbundfilm) auf der Oberfläche von Aluminium bilden, der die Reaktion zwischen Sauerstoff und der inneren Matrix behindert und die Korrosionsrate von Aluminiumlegierungen in feuchten, sauren und alkalischen Umgebungen um 50–70 % reduziert, wodurch es für den Schiffsbau, Baumaterialien für den Außenbereich und andere Szenarien geeignet ist;

Verbesserte Verschleißfestigkeit:

Die Siliziumpartikel in Aluminiumlegierungen haben eine hohe Härte (Mohs-Härte 7,0), die eine „Harte-Partikel-Dispersion“-Struktur bilden kann, wodurch der Reibungsverschleiß verringert wird. Mit einem Siliziumgehalt von 3 % weist die Aluminiumlegierung einen Reibungskoeffizienten von nur 0,052 und einen Verschleißwert von nur 64,8 mg auf, was eine optimale Verschleißfestigkeit beweist.

Optimierung der thermischen Stabilität:

Die Luft- und Raumfahrtaluminiumlegierung AA7075 mit 0,1–0,2 % Silizium behält 85–90 % ihrer Festigkeit nach 1000 Stunden Einwirkung bei 150 Grad bei deutlich verringerter Anfälligkeit für Korngrenzenkorrosion.

(4) Anpassbar an mehrere Szenarien: Unterstützung der „grenzüberschreitenden Anwendung“ von Aluminiummaterialien

Die Zusammensetzung von metallischem Silizium kann präzise gesteuert werden, wodurch Aluminiumlegierungen an die Bedürfnisse verschiedener Branchen angepasst werden können. Dies ist die wichtigste Unterstützung für Aluminiumwerke bei der Erweiterung ihrer Märkte:

Luft- und Raumfahrt:

Unter Verwendung von 3303# hochreinem Siliziummetall (Si größer oder gleich 99,3 %, Fe kleiner oder gleich 0,3 %), der Regelung des Siliziumgehalts in Aluminiumlegierungen auf 0,10–0,20 % und der Koordination mit der Regelung des Fe/Si-Verhältnisses (1,5–2,0) kann die Ermüdungslebensdauer von Aluminiummaterialien von 2,1×10⁶ Zyklen auf erhöht werden 3,7×10⁶ Zyklen, erfüllt die strengen Anforderungen von Flugzeugflügelholmen und Raketentreibstofftanks;

Automobilbau:

Verwendung von metallischem 441#-Silizium, Kontrolle des Siliziumgehalts von Aluminiumlegierungen auf 6-10 %, Herstellung wärme-freier integrierter Druckgussteile, Sicherstellung einer Zugfestigkeit von mindestens 300 MPa und Reduzierung der Produktionskosten, geeignet für Karosserien, Radnaben und andere Komponenten neuer Energiefahrzeuge;

Bau und Elektronik:

Gewöhnliche Baumaterialien aus Aluminium werden verwendet553# Siliziummetall(Si größer oder gleich 98 %) mit einem Siliziumgehalt von 0,5–1,5 %, sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Verarbeitbarkeit; Aluminiumlegierungen, die für Gehäuse elektronischer Geräte verwendet werden, beschränken den Siliziumgehalt auf höchstens 0,2 %, um Oberflächenbeschaffenheit und Leitfähigkeit sicherzustellen.

(1) Präzise Kontrolle der Zugabemenge

 Aluminiumgusslegierungen:Der Siliziumgehalt beträgt normalerweise 5–13 %; Bei recycelten Aluminiumlegierungen kann der Zusatz aufgrund des Siliziumgehalts im Altaluminium auf 5–7 % reduziert werden.
 Aluminium-Knetlegierungen:Der Siliziumgehalt liegt meist unter 0,5 % und wird indirekt über Aluminium--Silizium-Zwischenlegierungen hinzugefügt;
 Vermeiden Sie übermäßige Zugabe:Wenn der Siliziumgehalt 13 % übersteigt, nimmt die Dehnung der Aluminiumlegierung erheblich ab (weniger als oder gleich 5 %), die Zähigkeit verschlechtert sich und sie neigt zur Sprödigkeit.

(2) Schmelz- und Reinigungsprozess

 Schmelztemperatur:Kontrolliert bei 720–780 Grad, um eine vollständige Auflösung des Siliziummetalls sicherzustellen und Leistungsmängel durch ungelöste Partikel zu vermeiden;

 Reinigungsbehandlung:Drei-stufige Keramikfiltration (30→50→70 ppi) + elektromagnetisches Rühren (Magnetfeldstärke 0,15 T) werden verwendet, um Siliziumeinschlüsse zu entfernen und die Einschlussgröße von 15 μm auf unter 3 μm zu reduzieren;

 Homogene Behandlung:Um eine gleichmäßige Siliziumverteilung zu gewährleisten und Leistungsschwankungen zu reduzieren, wird ein zweistufiger Erhitzungsprozess (300 Grad/4 Stunden + 450 Grad/12 Stunden) verwendet.