Lité slitiny hliníku a hořčíku: Lehká Síla

1. Shrnutí

„Litý hliník – hořčík“ odkazuje na dvě příbuzné, ale odlišné konstrukční rodiny:

(A) lité slitiny Al–Mg s vysokým obsahem hořčíku (Většinové legování Mg pro maximalizaci odolnosti proti korozi a specifické pevnosti pro námořní díly/díly kritické z hlediska hmotnosti) a (B) Slévárenské slitiny Al–Si–Mg (Al–Si báze s mírnými přísadami Mg používaná pro stárnutí a pevnost).

Slitiny Al-Mg poskytují vynikající odolnost proti korozi (zejména v prostředí chloridu), atraktivní pevnost v poměru k hmotnosti a dobrá houževnatost, ale představují problémy při odlévání a manipulaci s taveninou, protože Mg snadno oxiduje a může podporovat pórovitost, pokud je procesní disciplína slabá..

Většina litých slitin Al–Mg není silně precipitační – ke zpevnění dochází především tuhým roztokem, řízení mikrostruktury a termomechanické zpracování spíše než konvenční cesty T6 používané pro slitiny Al–Si-Mg.

2. Co rozumíme pod pojmem „odlitý Al-Mg“ – rodiny a běžné třídy

V průmyslu se opakovaně objevují dvě praktické kategorie litých slitin Al–Mg:

• Kategorie A — Slitiny s vysokým obsahem hořčíku (rodina Al-Mg): slitiny, ve kterých je obsah Mg dostatečně vysoký, aby dominoval koroznímu chování a specifické hustotě/pevnosti.
  V literatuře a obchodní praxi tato třída běžně uvádí Mg v 3–6 % hmotn. rozsah s malými přídavky Si (≈0,5–1,0 %) když je potřeba lepší slévatelnost. Používají se tam, kde jsou odolné proti korozi / primární je nízká hmotnost.
• Kategorie B — slévárenské slitiny Al–Si–Mg (Rodina Al-Si-Mg): téměř eutektické odlévané slitiny na bázi Al-Si (Si ≈ 7–12 % hmotn.) které zahrnují skromné ​​Mg (≈0,2–0,8 % hmotn.) umožnit umělé stárnutí (Srážení Mg2Si) a vyšší pevnost po stárnutí typu T (T6).
  Příklady zahrnují průmyslové slitiny, jako je A356 (Al-Si-Mg) — někdy se jim říká „odlitky obsahující Al-Mg“ (ale jsou to především slitiny Al–Si s Mg jako zpevňujícím prvkem).

V praxi zvolíte kategorii A při odolnosti proti korozi (námořní, chemický kontakt) a nízká hustota jsou dominantní; zvolte kategorii B při slévatelnosti, je vyžadována rozměrová stabilita a tepelně zpracovatelná pevnost.

3. Typické chemické složení

Tabulka: Typické rozsahy složení (inženýrské pokyny)

Poznámky

• Výše uvedené rozsahy jsou praktická technická okna – přesné specifikace musí odkazovat na označení normy (ASTM/EN) nebo certifikát dodavatele.
• Slitiny s vysokým obsahem hořčíku se blíží složení k tvářeným slitinám 5xxx, ale jsou určeny pro odlévání (odlišná kontrola nečistot a chování při tuhnutí).

4. Mikrostruktura a fázová chemie — to, co řídí výkon

Primární mikrostrukturální hráči

• α-Al matrice (kubický na obličej): primární nosná fáze u všech slitin Al.
• Mg v tuhém roztoku: Atomy Mg se rozpouštějí v α-Al; při středních koncentracích zpevňují matrici zpevňováním tuhého roztoku.
• Intermetalics / druhé fáze:

• • Intermetalické látky bohaté na hořčík (Al3Mg2/p): se mohou tvořit při vysokých hladinách Mg a v interdendritických oblastech; jejich morfologie a distribuce řídí vysokoteplotní stabilitu a korozní chování.
  • Mg₂si (ve slitinách Al–Si–Mg): tvoří se během stárnutí a je hlavní fází precipitačního vytvrzování v rodině Al-Si-Mg.
  • Fáze nesoucí Fe: Nečistoty Fe tvoří křehká intermetalika (Al₅FeSi, atd.) které snižují tažnost a mohou podporovat lokalizovanou korozi; Mn se často přidává v malých množstvích pro modifikaci Fe fází.

Vlastnosti tuhnutí

• Slitiny s vysokým obsahem hořčíku mívají relativně jednoduché α + cesta intermetalického tuhnutí, ale může vykazovat segregaci, pokud je chlazení pomalé; rychlé chlazení zjemňuje strukturu, ale zvyšuje riziko poréznosti, pokud je dávkování nedostatečné.
• Slitiny Al–Si–Mg ztuhnout s primárním α následovaným eutektickým α + A; Mg se účastní pozdějších reakcí (Mg₂si) pokud obsah Mg stačí.

Mikrostruktura → vlastnosti odkaz

• Dobře, rovnoměrně rozložené druhé fáze poskytnout lepší houževnatost a vyhnout se křehkému chování.
• Hrubé intermetalické látky nebo segregace snížit únavu, tažnost a korozní vlastnosti. Ovládání pomocí tavného cvičení, rafinace zrna a rychlost chlazení je rozhodující.

5. Klíčové výkonové charakteristiky

Mechanické vlastnosti (typické technické rozsahy — litý stav)

Hodnoty se liší podle slitiny, Velikost sekce, proces odlévání a tepelné zpracování. Pro čísla kritická pro návrh použijte data dodavatele.

• Hustota (typický): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ pro lité slitiny Al–Mg (mírné zvýšení oproti čistému Al ~2,70).
• Pevnost v tahu (as-cast):

• • Slitiny s vysokým obsahem hořčíku: ~150–260 MPa (v závislosti na obsahu Mg, tloušťka průřezu a konečná úprava).
  • Al-Si-Mg (obsazení + T6): ~240–320 MPa (T6 ve věku A356 se pohybuje na horním konci).

• Výnosová síla: zhruba 0.5-0,8 × UTS jako průvodce.
• Prodloužení:5–15% v závislosti na slitině a zpracování – odlitky s vysokým obsahem hořčíku typicky vykazují dobrou tažnost (jednofázová tendence), Al-Si s hrubým Si bude vykazovat nižší prodloužení, pokud nebude upraveno.
• Únavová a lomová houževnatost: dobré, když je mikrostruktura zdravá a pórovitost nízká; únavový výkon citlivý na vady odlitku.

Odolnost proti korozi

• Slitiny s vysokým obsahem hořčíku show Vynikající obecná odolnost proti korozi, zejména v mořském a alkalickém prostředí — Mg zvyšuje odolnost proti důlkové korozi ve srovnání se standardními slitinami Al 3xxx/6xxx.
• Pro prostředí bohatá na chloridy, Slitiny Al-Mg často předčí běžné slitiny Al, ale stále jsou horší než nerezové oceli a v těžkých případech vyžadují povrchovou ochranu.

Tepelné vlastnosti

• Tepelná vodivost slitin Al–Mg zůstává vysoká (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ v závislosti na legování a mikrostruktuře), díky tomu jsou vhodné pro tepelná pouzdra a díly odvádějící teplo.

Výroba & svařování

• Metody lití: lití písku, Trvalá forma, gravitační tlakové lití a některé vysokotlaké tlakové lití (s pečlivým tavením) jsou použity.
• Svařovatelnost: Slitiny Al-Mg jsou obecně svařitelné (GTAW, Gawn), ale svařování litých profilů vyžaduje pozornost na poréznost a korozi po svařování (používejte vhodné přídavné slitiny a čištění po svařování).
• Machinability: veletrh; výběr nástrojů a rychlosti přizpůsobené pro hliníkové slitiny.

6. Tepelné zpracování a tepelné zpracování

Které slitiny reagují na tepelné zpracování?

• Slitiny Al–Si–Mg (Kategorie B) jsou tepelně léčené (Věk zhoršování): ošetřit roztokem → uhasit → umělé stárnutí (T6) způsobuje výrazné zvýšení pevnosti prostřednictvím srážení Mg2Si.
  Typické plány T6 pro A356/A357: roztok ~495 °C, stárnout při 160–180 °C po dobu několika hodin (postupujte podle pokynů dodavatele).
• Slitiny Al–Mg s vysokým obsahem hořčíku (Kategorie A) jsou obecně není precipitačně vytvrditelný ve stejném stupni: Mg je zpevňovač v pevném roztoku a mnoho kompozic s vysokým obsahem hořčíku tvrdne primárně deformačním stárnutím nebo prací za studena v tvářených formách spíše než konvenčním stárnutím T6.
  Tepelné zpracování litých slitin s vysokým obsahem hořčíku se zaměřuje na:

• • Homogenizace ke snížení chemické segregace (nízkoteplotní namáčení k redistribuci rozpuštěné látky).
  • Žíhání uvolňující napětí k odstranění licích pnutí (typické teploty: mírné žíhání 300–400 °C — přesné cykly závisí na slitině a průřezu).
  • Pečlivé ošetření roztokem: používá se selektivně pro některé lité varianty Al–Mg, ale může podporovat nežádoucí intermetalické hrubnutí – prostudujte si technické listy slitin.

Praktické vedení tepelného zpracování

• Pro Al–Si–Mg odlitky určený pro sílu, plánovat řešení + uhasit + stárnutí (T6) a design s velikostmi sekcí, které účinně kalí.
• Pro odlitky s vysokým obsahem hořčíku, zadejte homogenizace a uvolnění napětí cykly pro stabilizaci mikrostruktury a rozměrové stability; neočekávejte velké přírůstky stárnutí.

7. Slévárenská praxe a úvahy o zpracování

Tavení a ochrana taveniny

• Kontrola hořčíku: Mg snadno oxiduje na MgO. Používejte ochranné krycí tavidla (solný tok), řízené přehřátí, a minimalizovat tvorbu strusky.
• Teplota tání: dodržujte doporučené rozsahy pro vybranou slitinu; nadměrné přehřátí zvyšuje ztráty spálením a tvorbu oxidů.
• Odplynění a filtrace: odstranit vodík a oxidy (rotační odplyňování, keramické pěnové filtry) ke snížení poréznosti a zlepšení mechanického/korozního výkonu.

Metody lití

• Lití písku & trvalá plíseň: běžné pro slitiny s vysokým obsahem hořčíku a pro větší díly.
• Gravity Die Casting / nízkotlaké lití: vytváří lepší mikrostrukturu a povrchovou úpravu; dobré pro konstrukční díly.
• Vysokotlaké lití: používá se především pro slitiny na bázi Al–Si; opatrně s vysokým obsahem Mg kvůli oxidaci Mg a poréznosti plynu.

Běžné vady & zmírnění

• Pórovitost (plyn/smršťování): zmírněno odplyněním, filtrace, správný návrh vtoku a stoupačky, a řízením rychlosti tuhnutí.
• Oxidové/bifilmové vady: řídit turbulenci lití a používat filtraci.
• Horké trhání: spravovat přes design (vyhnout se náhlým změnám sekcí) a řídit podávání/tuhnutí.

8. Typické aplikace litých slitin hliníku a hořčíku

Obsazení hliníku– slitiny hořčíku zaujímají důležitý střed ve strojírenství lehkých kovů: kombinují nižší hustotu a zlepšenou odolnost proti korozi ve srovnání s mnoha hliníkovými slitinami s přijatelnou slévatelností a dobrou houževnatostí.

Marine a offshore vybavení

• Čerpadlo, ventilová tělesa a oběžná kola pro sladkou/brakickou vodu
• Palubní armatury, servisní závorky, klíny a kryty v zónách postřiku/rozstřiku
• Potrubí, kryty kondenzátorů a servisní kryty

Automobilový průmysl a doprava

• Konstrukční konzoly a pomocné rámy (nízkohmotné úseky)
• Tělo z bílých komponentů, vnitřní konstrukční kryty a kryty
• Pouzdra chladičů a nosné desky pro výkonovou elektroniku (v EV)

Čerpadla, ventily a zařízení pro manipulaci s kapalinami (průmyslový)

• Tělesa a spirály čerpadel pro manipulaci s chemikáliemi a vodou
• Tělesa ventilu, kryty sedadel a kryty pohonů

Odvod tepla a pouzdra elektroniky

• Elektronické pouzdra, rozvaděče tepla a kryty ovladačů motoru (EV trakce/měniče)
• Pouzdra chladičů, kde je důležitá tepelná vodivost a nízká hmotnost

Letectví (neprimární struktury a sekundární komponenty)

• Vnitřní držáky, pouzdra, kryty avioniky, neprimární konstrukční panely a kapotáže

Spotřebitel & sportovní zboží, elektronika

• Lehké rámy, ochranné obaly, kryty přenosných zařízení, komponenty jízdních kol (nekritický), těla kamery

Průmyslové stroje a komponenty HVAC

• Skříně ventilátorů, pláště ventilátorů, koncovky výměníku tepla, lehké kryty čerpadel

Speciální aplikace

• Kryogenní zařízení (kde je výhodná nízká hmotnost, ale slitiny musí být kvalifikovány pro nízkoteplotní houževnatost)
• Offshore přístrojová pouzdra, podmořské mělké složky (s dostatečnou ochranou)

9. Výhody a nevýhody

Výhody litých slitin hliníku a hořčíku

• Vynikající odolnost proti korozi (zejména v mořském prostředí)
• Nízká hustota a vysoká specifická pevnost pro aplikace s kritickou hmotností
• Vynikající plynotěsnost pro tlakové nádoby a hermeticky uzavřené systémy
• Dobrá obrobitelnost pro přesné dokončování

Nevýhody litých slitin hliníku a hořčíku

• Špatný odlévací výkon s vysokou tendencí k roztržení za tepla a nízkou tekutostí
• Nebezpečí oxidace a inkluze strusky vyžadující ochranné atmosféry
• Vyšší výrobní náklady v důsledku složitosti procesu a materiálových prémií
• Omezený rozsah použití omezený na sektory s vysokou hodnotou

10. Srovnávací analýza: Cast Al-Mg vs. Konkurenční slitiny

Níže uvedená tabulka porovnává obsazení hliník– slitiny hořčíku (Lití Al-Mg) s běžně konkurenčními odlévacími materiály používanými v lehkých aplikacích citlivých na korozi.

Srovnání se zaměřuje na klíčová inženýrská rozhodovací kritéria spíše než pouze nominální vlastnosti materiálu, umožňuje praktický výběr materiálu.

Shrnutí výběru materiálu

Vybrat lité slitiny hliníku a hořčíku když lehký, odolnost proti korozi, a přiměřenou sílu jsou vyžadovány při mírných teplotách.

Pro extrémní prostředí (vysoká teplota, tlak, nebo agresivních chemikálií), nerez zůstává nadřazený, zatímco Slitiny Al-Si dominovat kdy složitá geometrie odlitku a nákladová efektivita jsou prvořadé.

11. Závěry – praktické poznatky z inženýrství

• Lité slitiny Al–Mg poskytují vynikající kombinaci nízké hustoty, odolnost proti korozi a přiměřená pevnost pro mnoho konstrukčních aplikací – ale jsou ani jeden materiál; odlišit rodiny odlitků s vysokým obsahem hořčíku od rodin tepelně zpracovatelných odlitků Al–Si–Mg.
• Důležitá je procesní disciplína: ochrana taveniny, odplynění a filtrace jsou zásadní pro dosažení očekávaného mechanického a korozního výkonu.
• Tepelná zpracovatelnost je různá: Odlévané slitiny Al–Si-Mg dobře reagují na roztok + stárnutí (T6) a poskytují vyšší síly; Slitiny s vysokým obsahem hořčíku získávají méně konvenčním stárnutím a více závisí na kontrole mikrostruktury a mechanickém zpracování.
• Design pro odlévání: kontrolní tloušťka sekce, podávání a vstřikování, aby se předešlo běžným vadám odlitku, které nejvíce nepříznivě ovlivňují únavové a korozní vlastnosti.