Legure livenog aluminijuma i magnezijuma: Lightweight Strength

1. Izvršni sažetak

“Ljevani aluminijum–magnezijum” odnosi se na dvije povezane, ali različite inženjerske porodice:

(A) livene legure Al–Mg sa visokim sadržajem Mg (Legura s većinom magnezija radi maksimiziranja otpornosti na koroziju i specifične čvrstoće za brodske dijelove/djelove kritične za težinu) i (B) Al–Si–Mg legure za livenje (Al-Si baza sa skromnim dodacima Mg koja se koristi za starenje i čvrstoću).

Al-Mg livene legure pružaju odličnu otpornost na koroziju (posebno u okruženjima hlorida), atraktivna snaga prema težini i dobra žilavost, ali predstavljaju izazove lijevanja i rukovanja topljenjem jer Mg lako oksidira i može promovirati poroznost ako je disciplina procesa slaba.

Većina lijevanih legura Al–Mg nije jako taloženo stvrdnjavajuća – ojačanje se događa prvenstveno čvrstim rastvorom, kontrola mikrostrukture i termomehanička obrada umjesto konvencionalnih T6 puteva koji se koriste za legure Al-Si-Mg.

2. Ono što podrazumijevamo pod "livenim Al-Mg" - porodice i uobičajene ocjene

Dvije praktične kategorije livenih Al-Mg legura se stalno pojavljuju u industriji:

• Kategorija A — livene legure sa visokim sadržajem magnezijuma (Al–Mg porodica): legure u kojima je sadržaj Mg dovoljno visok da dominira ponašanjem korozije i specifičnom gustinom/čvrstoćom.
  U literaturi i prodajnoj praksi ova klasa obično citira Mg u 3–6 tež.% raspon sa malim dodacima Si (≈0,5–1,0 %) kada je potrebna bolja sposobnost livenja. Koriste se za otpornost na koroziju / mala težina je primarna.
• Kategorija B — Al–Si–Mg legure za livenje (Al–Si–Mg porodica): skoro eutektičke Al–Si bazne livene legure (Si ≈ 7–12 tež.%) koji uključuju skroman Mg (≈0,2–0,8 tež.%) da se dozvoli veštačko starenje (Mg₂Si padavine) i veća čvrstoća nakon starenja tipa T (T6).
  Primjeri uključuju industrijske legure kao što je A356 (Al–Si–Mg) — oni se ponekad nazivaju „odlivci koji sadrže Al–Mg“ (ali su prvenstveno legure Al–Si sa Mg kao elementom za jačanje).

U praksi ćete odabrati kategoriju A kada je otpornost na koroziju (marine, hemijski kontakt) i niske gustine su dominantne; odaberite kategoriju B kada se može liveti, potrebna je dimenzionalna stabilnost i čvrstoća termički obrađena.

3. Tipični hemijski sastavi

Tablica: Tipični rasponi sastava (inženjerski vodstvo)

Bilješke

• Gore navedeni rasponi su praktični inženjerski prozori - tačne specifikacije moraju upućivati ​​na oznaku standarda (ASTM/EN) ili sertifikat dobavljača.
• Livene legure s visokim sadržajem magnezija približavaju se području sastava kovanih legura 5xxx, ali su dizajnirane za livenje (različita kontrola nečistoća i ponašanje očvršćavanja).

4. Mikrostruktura i hemija faza — ono što kontroliše performanse

Primarni mikrostrukturni akteri

• α-Al matrica (lice centriran kubik): primarna nosiva faza u svim Al legurama.
• Mg u čvrstom rastvoru: Atomi Mg se rastvaraju u α-Al; u umjerenim koncentracijama jačaju matriks jačanjem u čvrstoj otopini.
• Intermetallics / druge faze:

• • Intermetali bogati Mg (Al₃Mg₂/β): mogu se formirati na visokim nivoima Mg i u interdendritskim regijama; njihova morfologija i distribucija kontrolišu stabilnost pri visokim temperaturama i korozijsko ponašanje.
  • Mg₂si (u legurama Al–Si–Mg): formira se tokom starenja i glavna je faza precipitacijskog očvršćavanja u porodici Al-Si-Mg.
  • Fe-noseće faze: Nečistoće Fe formiraju krte intermetale (Al₅FeSi, itd.) koji smanjuju duktilnost i mogu potaknuti lokaliziranu koroziju; Mn se često dodaje u malim količinama kako bi se modificirale Fe faze.

Karakteristike očvršćavanja

• Legure sa visokim sadržajem magnezija imaju tendenciju da imaju relativno jednostavan α + intermetalni put očvršćavanja, ali može pokazati segregaciju ako je hlađenje sporo; brzo hlađenje poboljšava strukturu, ali povećava rizik od poroznosti ako je hranjenje neadekvatno.
• Al–Si–Mg legure učvrsti se primarnim α nakon čega slijedi eutektika α + I; Mg učestvuje u kasnijim reakcijama (Mg₂si) ako je sadržaj Mg dovoljan.

Mikrostruktura → link svojstava

• U redu, ravnomerno raspoređene druge faze daju bolju čvrstoću i izbjegavaju krto ponašanje.
• Grubi intermetali ili segregacija degradirati umor, duktilnost i performanse korozije. Kontrola kroz praksu topljenja, rafinerije žitarica i brzina hlađenja je ključna.

5. Ključne karakteristike performansi

Mehanička svojstva (tipični inženjerski opsezi — liveno stanje)

Vrijednosti variraju u zavisnosti od legure, Veličina sekcije, proces livenja i termička obrada. Koristite podatke dobavljača za kritične brojeve za dizajn.

• Gustina (tipičan): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ za Al–Mg livene legure (blago povećanje u odnosu na čisti Al ~2,70).
• Zatezna čvrstoća (as-cast):

• • Livene legure sa visokim sadržajem magnezijuma: ~150–260 MPa (zavisno od sadržaja Mg, debljina preseka i završna obrada).
  • Al–Si–Mg (bacati + T6): ~240–320 MPa (T6 stari A356 rasponi na gornjem kraju).

• Snaga prinosa: otprilike 0.5–0,8 × UTS kao vodič.
• Izduženje:5-15% u zavisnosti od legure i obrade — odljevci s visokim sadržajem Mg obično pokazuju dobru duktilnost (jednofazna tendencija), Al–Si s grubim Si će pokazati niže izduženje osim ako se ne modificira.
• Otpornost na zamor i lom: dobro kada je mikrostruktura zdrava i mala poroznost; performanse zamora osjetljive na defekte livenja.

Otpornost na koroziju

• Livene legure sa visokim sadržajem magnezijuma pokazati Izvrsna opća otpornost na koroziju, posebno u morskim i alkalnim okruženjima — Mg povećava otpornost na pitting u poređenju sa standardnim 3xxx/6xxx Al legurama.
• Za okruženja bogata hloridima, Al-Mg legure često nadmašuju obične Al legure, ali su još uvijek inferiornije od nehrđajućeg čelika i zahtijevaju površinsku zaštitu u teškim slučajevima.

Termička svojstva

• Toplotna provodljivost Al–Mg legura ostaje visoka (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ zavisno od legure i mikrostrukture), što ih čini pogodnim za termička kućišta i dijelove koji raspršuju toplinu.

Ucenost & zavarivanje

• Metode livenja: livenje pijeska, stalni kalup, gravitacijsko tlačno livenje i neko livenje pod visokim pritiskom (uz pažljivo fluksiranje) koriste se.
• Zavarljivost: Al-Mg legure su općenito zavarljive (GTAW, Zasjeniti), ali zavarivanje livenih profila zahteva pažnju na poroznost i koroziju nakon zavarivanja (koristite odgovarajuće legure za punjenje i čišćenje nakon zavarivanja).
• Obratnost: pošteno; izbor alata i brzine prilagođene aluminijskim legurama.

6. Toplinska obrada i termička obrada

Koje legure reaguju na termičku obradu?

• Al–Si–Mg livene legure (Kategorija B) su toplotni (Ovrtanje starosti): tretman rastvorom → gašenje → veštačko starenje (T6) proizvodi značajno povećanje čvrstoće putem taloženja Mg₂Si.
  Tipični T6 rasporedi za A356/A357: rastvor ~495 °C, stare na 160–180 °C nekoliko sati (slijedite upute dobavljača).
• Al-Mg legure sa visokim sadržajem magnezija (Kategorija A) su generalno ne otvrdnjavaju na padavinama u istom stepenu: Mg je učvršćivač u čvrstoj otopini i mnoge kompozicije s visokim sadržajem magnezija stvrdnjavaju se prvenstveno starenjem naprezanja ili hladnim radom u kovanim oblicima, a ne konvencionalnim starenjem T6.
  Toplinska obrada za livene legure sa visokim sadržajem Mg fokusira se na:

• • Homogenizacija za smanjenje hemijske segregacije (namakanje na niskoj temperaturi radi preraspodjele otopljene tvari).
  • Žarenje za ublažavanje stresa za uklanjanje naprezanja livenja (tipične temperature: skromno žarenje 300–400 °C — tačni ciklusi zavise od legure i presjeka).
  • Pažljiv tretman rastvorom: koristi se selektivno za neke livene Al-Mg varijante, ali može potaknuti neželjeno intermetalno grublje - konsultujte listove sa podacima o legurama.

Praktično uputstvo za termičku obradu

• Za Al–Si–Mg odljevci namenjeno snazi, plan za rešenje + utapati + starenje (T6) i dizajn sa veličinama sekcija koje efikasno gase.
• Za odljevci sa visokim sadržajem magnezija, navesti homogenizacija i oslobađanje od stresa ciklusi za stabilizaciju mikrostrukture i dimenzionalne stabilnosti; ne očekujte velike dobitke u vezi sa starenjem.

7. Livnička praksa i razmatranja obrade

Topljenje i zaštita od topljenja

• Kontrola magnezijuma: Mg lako oksidira u MgO. Koristite zaštitne fluksove (fluks soli), kontrolisano pregrevanje, i minimiziraju stvaranje šljake.
• Temperatura topljenja: držati unutar preporučenih raspona za odabranu leguru; prekomjerno pregrijavanje povećava gubitke izgaranja i stvaranje oksida.
• Otplinjavanje i filtracija: ukloniti vodonik i okside (rotaciono otplinjavanje, filteri od keramičke pjene) to reduce porosity and improve mechanical/corrosion performance.

Metode livenja

• Livenje pijeska & trajni kalup: common for high-Mg alloys and for larger parts.
• Gravitacijsko die livenje / Lepljenje niskog pritiska: produces better microstructure and surface finish; good for structural parts.
• Livenje visokog pritiska: used mainly for Al–Si based alloys; caution with high-Mg content due to Mg oxidation and gas porosity.

Uobičajene mane & ublažavanje

• Poroznost (gas/skupljanje): mitigated by degassing, filtracija, proper gating and riser design, and by controlling solidification rate.
• Oxide/bifilm defects: control pouring turbulence and use filtration.
• Vruće suze: manage via design (avoid abrupt section changes) and control feeding/solidification.

8. Tipične primjene livenih aluminij-magnezijumskih legura

Lijev aluminijum–magnesium alloys occupy an important middle ground in light-metal engineering: they combine lower density and improved corrosion resistance relative to many aluminium alloys with acceptable castability and good toughness.

Oprema za morsku i offshore

• Kućišta pumpe, tijela ventila i impeleri za slatku/bočatu vodu
• Deck oprema, servisni nosači, ulošci i poklopci u zonama prskanja/prskanja
• Priključci za cijevi, kućišta kondenzatora i servisna kućišta

Automobili i transport

• Konstruktivni nosači i podokviri (sekcije male mase)
• Telo u bijelim komponentama, unutrašnja konstrukcijska kućišta i kućišta
• Kućišta hladnjaka i noseće ploče za energetsku elektroniku (u EVs)

Pumpe, ventili i hardver za rukovanje fluidima (industrijski)

• Kućišta i spirale pumpi za hemikalije i rukovanje vodom
• Tijela ventila, kućišta sjedišta i kućišta aktuatora

Kućišta za odvođenje topline i elektronike

• Elektronska kućišta, termalni raspršivači i kućišta kontrolera motora (EV trakcija/invertori)
• Kućišta hladnjaka gdje su toplinska provodljivost i mala masa važni

Vazdušni prostor (neprimarne strukture i sekundarne komponente)

• Unutrašnji nosači, Kućišta, kućišta avionike, neprimarni strukturni paneli i obloge

Potrošač & Sportska oprema, elektronika

• Lagani okviri, zaštitna kućišta, kućišta prenosivih uređaja, komponente bicikla (nekritičan), Tijela kamere

Industrijske mašine i HVAC komponente

• Kućišta ventilatora, kućišta duvaljki, završni poklopci izmjenjivača topline, lagani poklopci pumpe

Specijalne aplikacije

• Kriogena oprema (gdje je mala masa prednost, ali legure moraju biti kvalificirane za žilavost na niskim temperaturama)
• Kućišta za instrumente na moru, podmorske plitke komponente (uz adekvatnu zaštitu)

9. Prednosti i nedostaci

Prednosti livenih legura aluminijum-magnezijum

• Vrhunska otpornost na koroziju (posebno u morskim okruženjima)
• Mala gustina i visoka specifična čvrstoća za aplikacije sa kritičnom težinom
• Odlična gasopropusnost za posude pod pritiskom i zaptivene sisteme
• Dobra obradivost za preciznu završnu obradu

Nedostaci livenih aluminijumsko-magnezijumskih legura

• Loše performanse livenja sa velikom tendencijom vrućeg kidanja i malom fluidnošću
• Rizik od oksidacije i uključivanje šljake koja zahtijeva zaštitnu atmosferu
• Veći troškovi proizvodnje zbog složenosti procesa i premije materijala
• Ograničeni opseg primjene ograničen na sektore visoke vrijednosti

10. Uporedna analiza: Cast Al–Mg vs. Konkurentski legura

Tabela ispod upoređuje bacati aluminijum-legure magnezijuma (Cast Al–Mg) sa uobičajeno konkurentnim materijalima za livenje koji se koriste u lakim aplikacijama osetljivim na koroziju.

Poređenje se fokusira na ključni kriterijumi inženjerske odluke a ne samo nominalna svojstva materijala, omogućavajući praktičan odabir materijala.

Sažetak odabira materijala

Izabrati livene legure aluminijum-magnezijum kada lagan, Otpornost na koroziju, i razumne snage potrebni su na umjerenim temperaturama.

Za ekstremne okruženja (Visoka temperatura, pritisak, ili agresivne hemikalije), nehrđajući čelik ostaje superioran, dok Al-Si legure dominirati kada složena geometrija livenja i isplativost su najvažniji.

11. Zaključci — praktični inženjerski zaključci

• Livene legure Al–Mg pružaju odličnu kombinaciju niske gustine, otpornost na koroziju i adekvatna čvrstoća za mnoge konstrukcijske primjene — ali jesu niti jedan materijal; razlikovati familije odlivaka sa visokim sadržajem magnezijuma od familija odlivaka koji se obrađuju toplotom Al–Si–Mg.
• Procesna disciplina je bitna: zaštita od topljenja, otplinjavanje i filtracija su neophodni za postizanje očekivanih mehaničkih i korozijskih performansi.
• Termička obrada se razlikuje: Al–Si-Mg livene legure dobro reaguju na rastvor + starenje (T6) i isporučuju veće snage; livene legure s visokim sadržajem magnezija dobivaju manje od konvencionalnog starenja i više zavise od kontrole mikrostrukture i mehaničke obrade.
• Dizajn za livenje: kontrolna debljina presjeka, dovod i zatvaranje kako bi se izbjegli uobičajeni defekti odljevka koji najnepovoljnije utječu na zamor i učinak korozije.