Aleaciones de aluminio y magnesio fundido: Fuerza ligera

1. Resumen ejecutivo

“Aluminio fundido-magnesio” se refiere a dos familias de ingeniería relacionadas pero distintas.:

(A) Aleaciones fundidas de Al-Mg con alto contenido de magnesio (Aleación con mayoría de magnesio para maximizar la resistencia a la corrosión y la resistencia específica para piezas marinas/de peso crítico) y (B) Aleaciones de fundición Al-Si-Mg (Base de Al-Si con modestas adiciones de Mg utilizada para endurecer y fortalecer el envejecimiento.).

Las aleaciones fundidas de Al-Mg ofrecen una excelente resistencia a la corrosión. (especialmente en entornos de cloruro), atractiva relación resistencia-peso y buena tenacidad, pero plantean desafíos en el manejo de fundición y fundición porque el Mg se oxida fácilmente y puede promover la porosidad si la disciplina del proceso es débil..

La mayoría de las aleaciones fundidas de Al-Mg no se endurecen fuertemente por precipitación; el fortalecimiento se produce principalmente mediante una solución sólida., control de microestructura y procesamiento termomecánico en lugar de las rutas T6 convencionales utilizadas para aleaciones Al-Si-Mg.

2. Qué queremos decir con “fundido Al-Mg”: familias y grados comunes

Dos categorías prácticas de aleaciones fundidas de Al-Mg aparecen repetidamente en la industria:

• Categoría A: aleaciones fundidas con alto contenido de magnesio (familia Al-Mg): Aleaciones en las que el contenido de Mg es lo suficientemente alto como para dominar el comportamiento a la corrosión y la densidad/resistencia específicas..
  En la literatura y en la práctica comercial, esta clase comúnmente cita Mg en la 3–6% en peso gama con pequeñas adiciones de Si (≈0,5–1,0 %) cuando se necesita una mejor moldeabilidad. Se utilizan donde la resistencia a la corrosión / el peso ligero es primordial.
• Categoría B: aleaciones de fundición Al-Si-Mg (Familia Al – Si – Mg): Aleaciones fundidas a base de Al-Si casi eutécticas (Si ≈ 7–12% en peso) que incluyen modesto Mg (≈0,2–0,8% en peso) para permitir el envejecimiento artificial (Precipitación de Mg₂Si) y mayor resistencia después del envejecimiento tipo T (T6).
  Los ejemplos incluyen aleaciones de caballo de batalla de la industria como A356. (Al-Si-Mg) — A veces se les llama “piezas fundidas que contienen Al-Mg” (pero son principalmente aleaciones de Al-Si con Mg como elemento de refuerzo).

En la práctica, seleccionará la Categoría A cuando la resistencia a la corrosión sea (marina, contacto químico) y la baja densidad son dominantes; Elija la categoría B cuando la castabilidad, Se requiere estabilidad dimensional y resistencia al tratamiento térmico..

3. Composiciones químicas típicas

Mesa: Rangos de composición típicos (orientación de ingeniería)

Notas

• Los rangos anteriores son ventanas de ingeniería prácticas: las especificaciones exactas deben hacer referencia a una designación estándar. (ASTM/EN) o el certificado del proveedor.
• Las aleaciones fundidas con alto contenido de magnesio se aproximan a la región de composición de las aleaciones forjadas 5xxx, pero están diseñadas para fundición. (diferente control de impurezas y comportamiento de solidificación).

4. Microestructura y química de fases: lo que controla el rendimiento

Actores microestructurales primarios

• matriz α-Al (cúbica centrada en las caras): la fase de carga primaria en todas las aleaciones de Al.
• Mg en solución sólida: Los átomos de magnesio se disuelven en α-Al; en concentraciones moderadas fortalecen la matriz mediante el fortalecimiento de solución sólida.
• Intermetálico / segundas fases:

• • Intermetálicos ricos en magnesio (Al₃Mg₂/β): Puede formarse en niveles altos de Mg y en regiones interdendríticas.; su morfología y distribución controlan la estabilidad a altas temperaturas y el comportamiento a la corrosión..
  • Mg₂si (en aleaciones Al-Si-Mg): Se forma durante el envejecimiento y es la principal fase de endurecimiento por precipitación en la familia Al-Si-Mg..
  • Fases portadoras de Fe: Las impurezas de Fe forman intermetálicos frágiles. (Al₅FeSi, etc.) que reducen la ductilidad y pueden promover la corrosión localizada; A menudo se añade Mn en pequeñas cantidades para modificar las fases de Fe..

Características de solidificación

• Aleaciones con alto contenido de magnesio tienden a tener un α relativamente simple + trayectoria de solidificación intermetálica pero puede mostrar segregación si el enfriamiento es lento; El enfriamiento rápido refina la estructura pero aumenta el riesgo de porosidad si la alimentación es inadecuada..
• Aleaciones Al-Si-Mg solidificarse con α primario seguido de un α eutéctico + Y; Mg participa en reacciones posteriores. (Mg₂si) si el contenido de Mg es suficiente.

Enlace microestructura → propiedades

• Bien, segundas fases distribuidas uniformemente dar mejor dureza y evitar el comportamiento frágil.
• Intermetálicos gruesos o segregación. degradar la fatiga, ductilidad y comportamiento a la corrosión. Control mediante práctica de fusión, Los refinadores de granos y la velocidad de enfriamiento son cruciales..

5. Características clave de rendimiento

Propiedades mecánicas (rangos de ingeniería típicos: estado fundido)

Los valores varían según la aleación., tamaño de sección, proceso de fundición y tratamiento térmico. Utilice datos de proveedores para números críticos de diseño.

• Densidad (típico): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ para aleaciones fundidas de Al-Mg (ligero aumento frente al Al puro ~2,70).
• Resistencia a la tracción (talentoso):

• • Aleaciones fundidas con alto contenido de magnesio: ~150–260 MPa (dependiendo del contenido de Mg, espesor y acabado de la sección).
  • Al-Si-Mg (elenco + T6): ~240–320 MPa (El A356 envejecido T6 se sitúa en el extremo superior).

• Fuerza de rendimiento: apenas 0.5–0,8 × UTS como guía.
• Alargamiento:5–15% Dependiendo de la aleación y el procesamiento, las piezas fundidas con alto contenido de magnesio suelen exhibir una buena ductilidad. (tendencia monofásica), Al-Si con Si grueso mostrará un alargamiento menor a menos que se modifique.
• Resistencia a la fatiga y a la fractura.: Bueno cuando la microestructura es sólida y la porosidad baja.; Rendimiento a la fatiga sensible a defectos de fundición..

Resistencia a la corrosión

• Aleaciones fundidas con alto contenido de magnesio espectáculo Excelente resistencia a la corrosión general, especialmente en ambientes marinos y alcalinos: el Mg aumenta la resistencia a las picaduras en comparación con las aleaciones de Al estándar 3xxx/6xxx.
• Para ambientes ricos en cloruro, Las aleaciones de Al-Mg a menudo superan a las aleaciones de Al simples, pero siguen siendo inferiores a los aceros inoxidables y requieren protección de la superficie en casos severos..

Propiedades térmicas

• La conductividad térmica de las aleaciones de Al-Mg sigue siendo alta (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ dependiendo de la aleación y la microestructura), haciéndolos adecuados para carcasas térmicas y piezas disipadoras de calor..

Fabricación & soldadura

• Métodos de fundición: fundición de arena, moho permanente, fundición a presión por gravedad y algo de fundición a presión a alta presión (con cuidadoso fundente) se usan.
• Soldadura: Las aleaciones de Al-Mg generalmente son soldables. (Gtaw, Gawn), pero la soldadura de secciones fundidas requiere atención a la porosidad y a la corrosión posterior a la soldadura. (Utilice aleaciones de relleno adecuadas y limpieza posterior a la soldadura.).
• Maquinabilidad: justo; Selección de herramientas y velocidades ajustadas para aleaciones de aluminio..

6. Tratamiento térmico y procesamiento térmico.

¿Qué aleaciones responden al tratamiento térmico??

• Aleaciones fundidas Al-Si-Mg (Categoría B) son práctico (endurecimiento por edad): solución tratar → apagar → envejecimiento artificial (T6) produce aumentos significativos de resistencia mediante la precipitación de Mg₂Si.
  Horarios típicos de la T6 para A356/A357: solución ~495 °C, envejecer a 160-180 °C durante varias horas (siga las instrucciones del proveedor).
• Aleaciones fundidas de Al-Mg con alto contenido de magnesio (Categoría A) son generalmente no es endurecible por precipitación en el mismo grado: El Mg es un fortalecedor en solución sólida y muchas composiciones con alto contenido de Mg se endurecen principalmente mediante envejecimiento por deformación o trabajo en frío en formas forjadas en lugar del envejecimiento convencional T6..
  El tratamiento térmico para aleaciones fundidas con alto contenido de Mg se centra en:

• • Homogeneización para reducir la segregación química (remojo a baja temperatura para redistribuir el soluto).
  • Recocido para aliviar el estrés para eliminar tensiones de fundición (temperaturas típicas: recocidos modestos 300–400 °C; los ciclos exactos dependen de la aleación y la sección).
  • Tratamiento cuidadoso de la solución.: utilizado selectivamente para algunas variantes fundidas de Al-Mg, pero puede promover un engrosamiento intermetálico indeseable; consulte las hojas de datos de aleaciones.

Guía práctica de tratamiento térmico

• Para Piezas fundidas de Al-Si-Mg destinado a la fuerza, plan para solución + aplacar + envejecimiento (T6) y diseño con tamaños de sección que apaguen eficazmente.
• Para piezas fundidas con alto contenido de magnesio, especificar Homogeneización y alivio del estrés. Ciclos para estabilizar la microestructura y la estabilidad dimensional.; no espere grandes ganancias que endurezcan la edad.

7. Prácticas de fundición y consideraciones de procesamiento.

Protección contra fusión y fusión

• control de magnesio: El Mg se oxida fácilmente a MgO.. Utilice fundentes de cubierta protectora. (flujo de sal), sobrecalentamiento controlado, y minimizar la formación de escoria.
• Temperatura de fusión: Mantener dentro de los rangos recomendados para la aleación elegida.; El sobrecalentamiento excesivo aumenta las pérdidas por combustión y la formación de óxido..
• Desgasificación y filtración: eliminar hidrógeno y óxidos (desgasificación rotativa, filtros de espuma cerámica) para reducir la porosidad y mejorar el rendimiento mecánico/corrosión.

Métodos de fundición

• Fundición de arena & molde permanente: Común para aleaciones con alto contenido de Mg y para piezas más grandes..
• Casting de died de gravedad / lanzamiento de baja presión: Produce una mejor microestructura y acabado superficial.; bueno para piezas estructurales.
• Casting de alta presión: utilizado principalmente para aleaciones basadas en Al-Si; precaución con un alto contenido de Mg debido a la oxidación del Mg y la porosidad del gas.

Defectos comunes & mitigación

• Porosidad (gas/contracción): mitigado por desgasificación, filtración, diseño adecuado de compuerta y elevador, y controlando la tasa de solidificación.
• Defectos de óxido/bifilm: controlar la turbulencia de vertido y utilizar filtración.
• Desgarro caliente: gestionar a través del diseño (evitar cambios bruscos de sección) y controlar la alimentación/solidificación.

8. Aplicaciones típicas de las aleaciones de aluminio fundido y magnesio

Aluminio fundido–Las aleaciones de magnesio ocupan un importante punto medio en la ingeniería de metales ligeros.: combinan una densidad más baja y una resistencia a la corrosión mejorada en relación con muchas aleaciones de aluminio con una capacidad de fundición aceptable y buena tenacidad..

Equipo marino y en alta mar

• Alza de bombas, Cuerpos de válvulas e impulsores para servicio de agua dulce/salobre.
• Accesorios de cubierta, soportes de servicio, refuerzos y cubiertas en zonas de salpicaduras/rociado
• Accesorios de tubería, Alojamientos de condensadores y recintos de servicio.

Automoción y transporte

• Soportes estructurales y submarcos. (secciones de baja masa)
• Cuerpo en componentes blancos., carcasas y cerramientos estructurales interiores
• Cajas de disipadores de calor y placas soporte para electrónica de potencia (en vehículos eléctricos)

Zapatillas, válvulas y hardware de manejo de fluidos (industrial)

• Carcasas de bombas y volutas para manipulación de productos químicos y agua.
• Cuerpos de válvula, carcasas de asiento y carcasas de actuador

Carcasas para disipación de calor y electrónica.

• Carcasa electrónica, Distribuidores térmicos y gabinetes de controladores de motores. (Tracción/inversores para vehículos eléctricos)
• Carcasas de disipadores de calor donde la conductividad térmica y la baja masa son importantes

Aeroespacial (estructuras no primarias y componentes secundarios)

• Soportes interiores, alojamiento, recintos de aviónica, Paneles estructurales no primarios y carenados.

Consumidor & artículos deportivos, electrónica

• Marcos ligeros, carcasas protectoras, carcasas para dispositivos portátiles, componentes de bicicleta (no crítico), cuerpos de la cámara

Maquinaria industrial y componentes HVAC.

• Carcasas de ventilador, carcasas de soplador, tapas finales del intercambiador de calor, cubiertas de bomba livianas

Aplicaciones especiales

• Equipo criogénico (donde una masa baja es ventajosa pero las aleaciones deben estar calificadas para tener tenacidad a baja temperatura)
• Cajas de instrumentación offshore, componentes submarinos poco profundos (con protección adecuada)

9. Ventajas y desventajas

Ventajas de las aleaciones de aluminio fundido y magnesio

• Resistencia a la corrosión superior (especialmente en entornos marinos)
• Baja densidad y alta resistencia específica para aplicaciones de peso crítico
• Excelente estanqueidad al gas para recipientes a presión y sistemas sellados
• Buena maquinabilidad para acabados de precisión.

Desventajas de las aleaciones de aluminio fundido y magnesio

• Rendimiento deficiente de la fundición con alta tendencia al desgarro en caliente y baja fluidez
• Riesgo de oxidación e inclusión de escorias que requieren atmósferas protectoras.
• Mayores costos de producción debido a la complejidad del proceso y las primas de materiales.
• Ámbito de aplicación limitado restringido a sectores de alto valor

10. Análisis comparativo: Fundido Al-Mg vs.. Aleaciones de la competencia

La siguiente tabla compara elenco aluminio–aleaciones de magnesio (Fundido Al-Mg) con materiales de fundición comúnmente competidores utilizados en aplicaciones livianas y sensibles a la corrosión.

La comparación se centra en criterios clave de decisión de ingeniería en lugar de sólo propiedades nominales del material, permitiendo una selección práctica de materiales.

Resumen de selección de materiales

Elegir aleaciones de aluminio y magnesio fundido cuando ligero, resistencia a la corrosión, y fuerza razonable Se requieren a temperaturas moderadas..

Para entornos extremos (temperatura alta, presión, o productos químicos agresivos), acero inoxidable sigue siendo superior, mientras Aleaciones Al-Si dominar cuando geometría de fundición compleja y rentabilidad son primordiales.

11. Conclusiones: conclusiones prácticas de ingeniería

• Aleaciones fundidas de Al-Mg Proporciona una excelente combinación de baja densidad., resistencia a la corrosión y resistencia adecuada para muchas aplicaciones estructurales, pero son ni un solo material; distinguir las familias de fundición con alto contenido de Mg de las familias de fundición tratables térmicamente de Al-Si-Mg.
• La disciplina del proceso importa: protección contra fusión, La desgasificación y la filtración son esenciales para lograr el rendimiento mecánico y anticorrosivo esperado..
• La tratabilidad térmica difiere: Las aleaciones fundidas de Al-Si-Mg responden bien a la solución + envejecimiento (T6) y ofrecer mayores fortalezas; Las aleaciones fundidas con alto contenido de magnesio ganan menos con el envejecimiento convencional y dependen más del control de la microestructura y el procesamiento mecánico..
• Diseño para fundición: espesor de la sección de control, Alimentación y compuerta para evitar defectos comunes de fundición que afectan más negativamente el rendimiento ante la fatiga y la corrosión..