En la cadena industrial de aleaciones de aluminio,metal de silicio(también conocido comosilicio industrial, con una pureza generalmente superior a98%) es uno de los aditivos principales. Sus propiedades químicas y físicas únicas lo hacen desempeñar un papel insustituible en la producción de aleaciones de aluminio.
El silicio metálico (Si) es un elemento semi-metálico con propiedades semiconductoras, con un punto de fusión de hasta 1414 grados y una densidad de 2,33 g/cm³. En la producción de aleaciones de aluminio, el silicio metálico se introduce en forma de aditivos de elementos de silicio y cambia el comportamiento de cristalización y la microestructura de la aleación formando un sistema de aleación binaria de Al-Si con aluminio (Al).
Clasificación de pureza y estándares industriales
| Grados de pureza | Contenido de silicio (Si mayor o igual a ) | Contenido total de impurezas (Fe+Al+Ca menor o igual a) | Tipo de núcleo | Áreas de aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Grado metalúrgico | 98.5%-99.5% | 1.5%-0.5% | 553#,441# | Aleaciones de aluminio, desoxidación de acero, organosilicio. |
| Grado electrónico | 99,999% (5N) o más | 0,001% o menos | 2202#,1101# | Semiconductores, polisilicio fotovoltaico. |
Escenarios de aplicación principales del silicio metálico en la producción de aleaciones de aluminio.
1. Optimización del rendimiento de aleaciones de aluminio fundido (aleaciones Al-Si)
(1) Mejorar la procesabilidad de la fundición
Mejorando la fluidez:En las aleaciones de fundición de Al-Si (como A356, ADC12, etc.), el contenido de silicio suele ser del 7 % al 12 %. La adición de silicio puede reducir la temperatura de fusión de la aleación, mejorar la fluidez de la masa fundida, facilitar el llenado de moldes complejos y reducir los defectos de fundición (como el cierre en frío y el vertido insuficiente).
Reducir la tendencia al craqueo térmico:El silicio puede reducir el coeficiente de expansión térmica de la aleación (por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica de la aleación Al-12Si es aproximadamente 20×10⁻⁶/grado, que es inferior a 23×10⁻⁶/grado del aluminio puro), reducir la tensión de contracción durante el proceso de enfriamiento de la fundición y reducir el riesgo de agrietamiento térmico.
(2) Fortalecimiento de las propiedades mecánicas.
Refinamiento de grano:El silicio como partícula de segunda fase se distribuye uniformemente en la matriz de aluminio, lo que puede dificultar el crecimiento de los granos, formar una estructura cristalina fina equiaxial y mejorar la resistencia y tenacidad de la aleación. Por ejemplo, la aleación Al-7Si-0,3Mg (una aleación de fundición comúnmente utilizada en el sector aeroespacial) puede alcanzar una resistencia a la tracción de más de 270 MPa mediante microaleaciones de silicio.
Mejora de la resistencia al desgaste:En aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio (como aleaciones hipereutécticas que contienen 18%-22% de silicio), precipitarán partículas de silicio primarias duras y quebradizas (dureza de aproximadamente 1000HV), lo que mejora significativamente la resistencia al desgaste de la aleación. A menudo se utiliza para fabricar piezas resistentes al desgaste, como cilindros y pistones de motores de automóviles.
2. Microaleación de aleaciones de aluminio deformadas (aleaciones procesadas)
En las aleaciones de aluminio deformadas (como las aleaciones de aluminio de la serie 6xxx, la serie Al-Mg-Si), el silicio metálico se utiliza principalmente como fuente de silicio para formar una fase de refuerzo de Mg₂Si con magnesio. Por ejemplo:
Aleación 6061 (Al-1Mg-0.6Si):El silicio reacciona con el magnesio para formar partículas de Mg₂Si. A través del proceso de fortalecimiento por envejecimiento, el límite elástico de la aleación alcanza los 276 MPa, que se utiliza ampliamente en la construcción de perfiles y piezas estructurales de aviación.
Aleación 6082 (Al-1Si-0,8Mg):Tiene un alto contenido de silicio y es apto para moldeo por extrusión. A menudo se utiliza para fabricar carrocerías de vagones de tránsito ferroviario, estructuras industriales, etc.
3. Regulación personalizada de aleaciones de aluminio de rendimiento especial.
Aleación de aluminio de baja expansión:Al agregar una alta proporción de silicio metálico (como aleaciones de Al-Si que contienen entre un 50% y un 70% de silicio), el coeficiente de expansión térmica se puede reducir a menos de 5×10⁻⁶/grado, lo que se utiliza en campos con altos requisitos de estabilidad térmica, como sustratos de embalajes electrónicos y componentes de instrumentos ópticos.
Aleación de aluminio de alta conductividad térmica:Aunque la conductividad térmica del silicio (148 W/m・K) es menor que la del aluminio (205 W/m・K), la distribución uniforme de las partículas de silicio en la aleación Al-Si puede formar una red térmica, mejorar la conductividad térmica general de la aleación y es adecuada para radiadores de estaciones base 5G, disipadores de calor de CPU y otros escenarios.
Tendencia de aplicación e impacto en la industria del silicio metálico.
Con el rápido desarrollo de nuevos campos energéticos, ligeros y otros, la aplicación del silicio metálico en aleaciones de aluminio muestra las siguientes tendencias:
Campo de vehículos de nueva energía:La carcasa de la batería, la cubierta del extremo del motor y otros componentes utilizan una gran cantidad de aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio (como Al-12Si), aprovechando su resistencia al desgaste y buenas características de disipación de calor para cumplir con los requisitos de confiabilidad y eficiencia energética de los vehículos de nueva energía.
Peso ligero aeroespacial:Las aleaciones de aluminio de baja-densidad y alta-resistencia (como Al-8Si-3Cu-2Li) desarrolladas mediante microaleaciones de silicio metálico se pueden utilizar para fabricar revestimientos de aeronaves, nervaduras de alas y otras piezas estructurales para reducir el peso de las aeronaves.
Promoción de la economía circular:En la industria del aluminio reciclado, el silicio metálico se puede utilizar como "suplemento de silicio" para ajustar el contenido de silicio de los materiales reciclados, mantener la estabilidad del rendimiento de la aleación y ajustarse a la tendencia de la fabricación ecológica.
Como "regulador de rendimiento" para la producción de aleaciones de aluminio, el silicio metálico proporciona a las aleaciones de aluminio una variedad de propiedades mecánicas y físicas al controlar con precisión el contenido de silicio y la microestructura, lo que respalda el desarrollo de industrias clave, desde la fabricación de automóviles hasta la aeroespacial. Con el avance de la tecnología de fundición (como el proceso de purificación de silicio de bajo-energía) y la expansión de escenarios de aplicaciones emergentes, se resaltará aún más el valor del silicio metálico en el campo de las aleaciones de aluminio.
