Støbt aluminium-magnesium legeringer: Letvægts styrke

1. Resumé

"Støbt aluminium-magnesium" refererer til to relaterede, men adskilte ingeniørfamilier:

(EN) høj-Mg støbte Al-Mg legeringer (Mg-majoritetslegering for at maksimere korrosionsbestandighed og specifik styrke for marine/vægtkritiske dele) og (B) Al-Si-Mg støbelegeringer (Al-Si-base med beskedne Mg-tilsætninger, der bruges til ældningshærdning og styrke).

Al-Mg støbte legeringer giver fremragende korrosionsbestandighed (Især i chloridmiljøer), attraktiv styrke-til-vægt og god sejhed, men de udgør støbe- og smeltehåndteringsudfordringer, fordi Mg let oxiderer og kan fremme porøsitet, hvis procesdisciplinen er svag.

De fleste Al-Mg-støbte legeringer er ikke stærkt nedbørshærdende - forstærkning sker primært ved fast opløsning, mikrostrukturkontrol og termomekanisk behandling frem for konventionelle T6-ruter, der bruges til Al-Si-Mg-legeringer.

2. Hvad vi mener med "støbt Al-Mg" - familier og almindelige karakterer

To praktiske kategorier af støbte Al-Mg-legeringer optræder gentagne gange i industrien:

• Kategori A — Høj-Mg støbte legeringer (Al-Mg familie): legeringer, hvor Mg-indholdet er højt nok til at dominere korrosionsadfærd og specifik densitet/styrke.
  I litteratur og butikspraksis citerer denne klasse almindeligvis Mg i 3–6 vægt% række med små Si tilføjelser (≈0,5-1,0 %) når der er behov for bedre støbeevne. Disse bruges hvor korrosionsbestandighed / let vægt er primært.
• Kategori B — Al-Si-Mg støbelegeringer (Al-Si-Mg familie): næsten eutektiske Al-Si-baserede støbte legeringer (Si ≈ 7-12 vægt%) der omfatter beskedne Mg (≈0,2-0,8 vægt%) at tillade kunstig aldring (Mg2Si-udfældning) og højere styrke efter ældning af T-typen (T6).
  Eksempler omfatter industriarbejdshestelegeringer såsom A356 (Al-Si-Mg) - disse kaldes nogle gange "Al-Mg-holdige støbegods" (men er primært Al-Si-legeringer med Mg som forstærkende element).

I praksis vil du vælge kategori A, når korrosionsbestandighed (marine, kemisk kontakt) og lav tæthed er dominerende; vælg Kategori B ved støbbarhed, dimensionsstabilitet og varmebehandlebar styrke er påkrævet.

3. Typiske kemiske sammensætninger

Tabel: Typiske sammensætningsintervaller (Ingeniørvejledning)

Noter

• Ovenstående områder er praktiske tekniske vinduer - nøjagtige specifikationer skal referere til en standardbetegnelse (ASTM/EN) eller leverandørens certifikat.
• Høj-Mg støbte legeringer nærmer sig sammensætningsområdet for smedede 5xxx legeringer, men er konstrueret til støbning (forskellig urenhedskontrol og størkningsadfærd).

4. Mikrostruktur og fasekemi - hvad styrer ydeevnen

Primære mikrostrukturelle spillere

• a-Al matrix (ansigtscentreret kubisk): den primære bærende fase i alle Al-legeringer.
• Mg i fast opløsning: Mg-atomer opløses i α-Al; ved moderate koncentrationer styrker de matrixen ved fast opløsning.
• Intermetallics / anden faser:

• • Mg-rige intermetalliske materialer (Al3Mg2/p): kan dannes ved høje Mg-niveauer og ved interdendritiske regioner; deres morfologi og fordeling kontrollerer højtemperaturstabilitet og korrosionsadfærd.
  • Mg₂si (i Al-Si-Mg-legeringer): dannes under ældning og er den vigtigste udfældningshærdningsfase i Al-Si-Mg-familien.
  • Fe-bærende faser: Fe-urenheder danner sprøde intermetalliske forbindelser (Al₅FeSi, osv.) som reducerer duktiliteten og kan fremme lokal korrosion; Mn tilsættes ofte i små mængder for at modificere Fe-faser.

Størkningsegenskaber

• Høj-Mg legeringer tendens til at have et relativt simpelt α + intermetallisk størkningsvej, men kan vise segregation, hvis afkølingen er træg; hurtig afkøling forfiner strukturen, men øger risikoen for porøsitet, hvis fodringen er utilstrækkelig.
• Al-Si-Mg legeringer størkne med primær α efterfulgt af en eutektisk α + Og; Mg deltager i senere reaktioner (Mg₂si) hvis Mg-indholdet er tilstrækkeligt.

Mikrostruktur → egenskabslink

• Bøde, ensartet fordelte anden faser give bedre sejhed og undgå skør adfærd.
• Grove intermetalliske materialer eller adskillelse nedbryde træthed, duktilitet og korrosionsevne. Styring via smelteøvelse, kornraffinere og kølehastighed er afgørende.

5. Nøgleydelsesegenskaber

Mekaniske egenskaber (typiske ingeniørområder - støbt tilstand)

Værdierne varierer efter legering, Sektionsstørrelse, støbeproces og varmebehandling. Brug leverandørdata til designkritiske tal.

• Densitet (typisk): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ for Al-Mg støbte legeringer (lille stigning i forhold til ren Al ~2,70).
• Trækstyrke (som cast):

• • Høj-Mg støbte legeringer: ~150-260 MPa (afhængig af Mg indhold, snittykkelse og finish).
  • Al-Si-Mg (rollebesætning + T6): ~240-320 MPa (T6 alderen A356 rækker i den øverste ende).

• Udbyttestyrke: groft 0.5–0,8 × UTS som guide.
• Forlængelse:5–15% afhængig af legering og bearbejdning - høj-Mg støbegods udviser typisk god duktilitet (enfaset tendens), Al-Si med grov Si vil vise lavere forlængelse, medmindre den modificeres.
• Træthed og brudsejhed: god, når mikrostrukturen er sund og porøsiteten lav; træthedsydelse følsom over for støbefejl.

Korrosionsmodstand

• Høj-Mg støbte legeringer vise Fremragende generel korrosionsbestandighed, især i marine og alkaliske miljøer — Mg øger pitting-modstanden sammenlignet med standard 3xxx/6xxx Al-legeringer.
• Til kloridrige miljøer, Al-Mg-legeringer udkonkurrerer ofte almindelige Al-legeringer, men er stadig ringere end rustfrit stål og kræver overfladebeskyttelse i alvorlige tilfælde.

Termiske egenskaber

• Termisk ledningsevne af Al-Mg-legeringer forbliver høj (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ afhængig af legering og mikrostruktur), hvilket gør dem velegnede til termiske huse og varmeafledende dele.

Produktion & svejsning

• Støbemetoder: sandstøbning, Permanent skimmel, gravitationsstøbning og noget højtryksstøbning (med omhyggelig flusning) bruges.
• Svejsbarhed: Al-Mg-legeringer er generelt svejsbare (Gtaw, Gawn), men svejsning af støbte sektioner kræver opmærksomhed på porøsitet og korrosion efter svejsning (brug passende svejselegeringer og eftersvejsning).
• Bearbejdningsevne: retfærdig; værktøjsvalg og hastigheder tilpasset til aluminiumslegeringer.

6. Varmebehandling og termisk behandling

Hvilke legeringer reagerer på varmebehandling?

• Al-Si-Mg støbte legeringer (Kategori B) er Varmebehandling (Alderhærdning): opløsning behandle → dæmpe → kunstig aldring (T6) producerer betydelige styrkeforøgelser via udfældning af Mg2Si.
  Typiske T6-skemaer for A356/A357: opløsning ~495 °C, ældes ved 160-180 °C i flere timer (følge leverandørens vejledning).
• Høj-Mg støbte Al-Mg legeringer (Kategori A) er generelt ikke nedbørshærdbare i samme grad: Mg er en fast opløsningsforstærker, og mange høj-Mg-sammensætninger hærder primært ved belastningsældning eller koldbearbejdning i smedede former frem for konventionel T6-ældning.
  Varmebehandling for støbte høj-Mg legeringer fokuserer på:

• • Homogenisering at reducere kemisk adskillelse (iblødsætning ved lav temperatur for at omfordele opløst stof).
  • Afspændingsudglødning at fjerne støbespændinger (typiske temperaturer: beskedne udglødninger 300–400 °C — nøjagtige cyklusser afhænger af legering og snit).
  • Omhyggelig behandling af opløsning: bruges selektivt til nogle støbte Al-Mg-varianter, men kan fremme uønsket intermetallisk forgrovning — se legeringsdatablade.

Praktisk varmebehandlingsvejledning

• For Al-Si-Mg støbegods beregnet til styrke, planlægge for løsning + Quench + aldring (T6) og design med sektionsstørrelser, der slukker effektivt.
• For høj-Mg støbegods, Angiv homogenisering og afstressning cyklusser for at stabilisere mikrostruktur og dimensionsstabilitet; forvent ikke store aldershærdende gevinster.

7. Støberi praksis og forarbejdningsovervejelser

Smelte- og smeltebeskyttelse

• Magnesium kontrol: Mg oxideres let til MgO. Brug beskyttende dækfluxer (salt flux), kontrolleret overhedning, og minimere slaggdannelse.
• Smeltetemperatur: holde sig inden for anbefalede områder for den valgte legering; overdreven overhedning øger forbrændingstab og oxiddannelse.
• Afgasning og filtrering: fjerne brint og oxider (roterende afgasning, keramiske skumfiltre) for at reducere porøsiteten og forbedre den mekaniske/korrosionsmæssige ydeevne.

Støbemetoder

• Sandstøbning & permanent-skimmel: fælles for høj-Mg legeringer og for større dele.
• Tyngdekraft Die Casting / Lavtryksstøbning: giver bedre mikrostruktur og overfladefinish; god til strukturelle dele.
• Højtryksstøbning: anvendes hovedsageligt til Al-Si-baserede legeringer; forsigtighed med højt Mg-indhold på grund af Mg-oxidation og gasporøsitet.

Fælles defekter & afbødning

• Porøsitet (gas/svind): afbødes ved afgasning, filtrering, korrekt port- og stigrørsdesign, og ved at kontrollere størkningshastigheden.
• Oxid/bifilm defekter: kontrollere hældeturbulens og bruge filtrering.
• Varm rivning: styre via design (undgå bratte sektionsændringer) og styre fodring/størkning.

8. Typiske anvendelser af støbte aluminium-magnesiumlegeringer

Støbt aluminium-magnesiumlegeringer indtager en vigtig mellemting inden for letmetalteknik: de kombinerer lavere densitet og forbedret korrosionsbestandighed i forhold til mange aluminiumslegeringer med acceptabel støbeevne og god sejhed.

Marine og offshore udstyr

• Pumpehuse, ventilhuse og pumpehjul til fersk-/brakvandsservice
• Dækbeslag, servicebeslag, kiler og svøb i sprøjte-/sprøjtezoner
• Rørbeslag, kondensatorhuse og serviceskabe

Automotive og transport

• Strukturelle beslag og underrammer (lavmassesektioner)
• Krop i hvide komponenter, indvendige strukturelle huse og indhegninger
• Kølepladehuse og bæreplader til kraftelektronik (i elbiler)

Pumper, ventiler og væskehåndteringsudstyr (industriel)

• Pumpehuse og volutter til kemikalie- og vandhåndtering
• Ventillegemer, sædehuse og aktuatorhuse

Varmeafledning og elektronikhuse

• Elektroniske huse, termiske spredere og motorstyringsskabe (EV-trækkraft/invertere)
• Kølepladehuse, hvor varmeledningsevne og lav masse er vigtige

Rumfart (ikke-primære strukturer og sekundære komponenter)

• Indvendige beslag, huse, flyelektronik kabinetter, ikke-primære strukturelle paneler og kåber

Forbruger & Sportsvarer, elektronik

• Letvægtsrammer, beskyttende hylstre, huse til bærbare enheder, cykel komponenter (ikke-kritisk), kameralegemer

Industrielle maskiner og VVS-komponenter

• Ventilatorhuse, blæserhuse, varmeveksler endestykker, lette pumpedæksler

Specialapplikationer

• Kryogent udstyr (hvor lav masse er fordelagtig, men legeringer skal være kvalificeret til lavtemperatursejhed)
• Offshore instrumenteringshuse, undersøiske lavvandede komponenter (med tilstrækkelig beskyttelse)

9. Fordele og ulemper

Fordele ved støbte aluminium-magnesiumlegeringer

• Overlegen korrosionsbestandighed (Især i marine miljøer)
• Lav densitet og høj specifik styrke til vægtkritiske applikationer
• Fremragende gastæthed til trykbeholdere og forseglede systemer
• God bearbejdelighed til præcis finish

Ulemper ved støbt aluminium-magnesiumlegeringer

• Dårlig støbeydelse med høj varme-rivningstendens og lav flydeevne
• Oxidationsrisiko og slagger, der kræver beskyttende atmosfærer
• Højere produktionsomkostninger på grund af proceskompleksitet og materialepræmier
• Begrænset anvendelsesområde begrænset til højværdisektorer

10. Sammenlignende analyse: Medvirkende Al-Mg vs. Konkurrerende legeringer

Tabellen nedenfor sammenligner rollebesætning aluminium-magnesiumlegeringer (Cast Al-Mg) med almindeligt konkurrerende støbematerialer, der anvendes i letvægts- og korrosionsfølsomme applikationer.

Sammenligningen fokuserer på centrale ingeniørmæssige beslutningskriterier snarere end kun nominelle materialeegenskaber, muliggør praktisk materialevalg.

Sammenfatning af materialevalg

Vælge støbt aluminium-magnesium legeringer når letvægts, Korrosionsmodstand, og rimelig styrke er påkrævet ved moderate temperaturer.

Til ekstreme miljøer (høj temperatur, tryk, eller aggressive kemikalier), Rustfrit stål forbliver overlegen, mens Al-Si legeringer dominere hvornår kompleks støbegeometri og omkostningseffektivitet er vigtigst.

11. Konklusioner — praktiske tekniske ting

• Støbte Al-Mg legeringer giver en fremragende kombination af lav densitet, korrosionsbestandighed og tilstrækkelig styrke til mange strukturelle applikationer - men det er de ikke et eneste materiale; skelne høj-Mg støbefamilier fra Al-Si-Mg varmebehandlelige støbefamilier.
• Procesdisciplin er vigtig: smeltebeskyttelse, afgasning og filtrering er afgørende for at opnå den forventede mekaniske og korrosionsmæssige ydeevne.
• Varmebehandlingsevnen er forskellig: Al-Si-Mg støbte legeringer reagerer godt på opløsning + aldring (T6) og levere højere styrker; høj-Mg støbte legeringer opnår mindre ved konventionel ældning og er mere afhængige af mikrostrukturkontrol og mekanisk behandling.
• Design til støbning: kontrolsektionens tykkelse, fodring og gating for at undgå almindelige støbefejl, der har størst negativ indflydelse på træthed og korrosionsevne.