آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم-منیزیم: قدرت سبک وزن

1. خلاصه اجرایی

"آلومینیوم ریخته گری منیزیم" به دو خانواده مهندسی مرتبط اما متمایز اشاره دارد:

(بوها) آلیاژهای ریختگی Al-Mg با منیزیم بالا (آلیاژ اکثریت منیزیم برای به حداکثر رساندن مقاومت در برابر خوردگی و استحکام ویژه برای قطعات دریایی / وزن حساس) وت (شرح) آلیاژهای ریخته گری Al-Si-Mg (پایه Al-Si با افزودنی های منیزیم کم که برای سخت شدن و استحکام سن استفاده می شود).

آلیاژهای ریختگی Al-Mg مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند (به خصوص در محیط های کلرید), استحکام به وزن جذاب و چقرمگی خوب, اما آنها چالش‌های ریخته‌گری و رسیدگی به مذاب را ایجاد می‌کنند، زیرا منیزیم به راحتی اکسید می‌شود و اگر نظم فرآیند ضعیف باشد، می‌تواند تخلخل را افزایش دهد..

اکثر آلیاژهای ریخته گری Al-Mg به شدت سخت شونده رسوبی نیستند - تقویت عمدتاً توسط محلول جامد انجام می شود., کنترل ریزساختار و پردازش ترمومکانیکی به جای مسیرهای T6 معمولی که برای آلیاژهای Al-Si-Mg استفاده می شود..

2. منظور ما از "cast Al-Mg" - خانواده ها و نمرات رایج است

دو دسته عملی از آلیاژهای ریختگی Al-Mg به طور مکرر در صنعت ظاهر می شوند:

• رده A - آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا (خانواده Al-Mg): آلیاژهایی که در آنها محتوای منیزیم به اندازه کافی زیاد است که بر رفتار خوردگی و چگالی/استحکام خاص غالب باشد..
  در ادبیات و عمل فروشگاهی، این طبقه معمولاً Mg را در فهرست ذکر می‌کند 3-6 درصد وزنی محدوده با اضافات کوچک Si (≈0.5-1.0 %) زمانی که ریخته گری بهتر مورد نیاز است. اینها در مواردی که مقاومت در برابر خوردگی دارند استفاده می شود / وزن سبک اولیه است.
• رده B - آلیاژهای ریخته گری Al-Si-Mg (خانواده Al-Si-Mg): آلیاژهای ریختگی پایه Al-Si نزدیک به یوتکتیک (Si ≈ 7-12 درصد وزنی) که شامل منیزیم متوسط ​​است (≈0.2-0.8 درصد وزنی) اجازه دادن به پیری مصنوعی (بارش Mg2Si) و استحکام بالاتر پس از پیری تیپ T (t6).
  به عنوان مثال می توان به آلیاژهای اسب کار صنعتی مانند A356 اشاره کرد (Al-Si-Mg) - گاهی اوقات به آنها "ریخته گری حاوی Al-Mg" می گویند. (اما در درجه اول آلیاژهای Al-Si با منیزیم به عنوان یک عنصر تقویت کننده هستند).

در عمل هنگام مقاومت در برابر خوردگی رده A را انتخاب می کنید (دریایی, تماس شیمیایی) و چگالی کم غالب هستند; هنگام ریخته گری رده B را انتخاب کنید, پایداری ابعادی و استحکام قابل عملیات حرارتی مورد نیاز است.

3. ترکیبات شیمیایی معمولی

جدول: محدوده ترکیب معمولی (راهنمایی مهندسی)

یادداشت ها

• محدوده های بالا پنجره های مهندسی عملی هستند - مشخصات دقیق باید به یک تعیین استاندارد اشاره کنند (ASTM/EN) یا گواهی تامین کننده.
• آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا به منطقه ترکیب آلیاژهای فرفورژه 5xxx نزدیک می شوند اما برای ریخته گری مهندسی شده اند. (کنترل ناخالصی و رفتار انجماد متفاوت).

4. ریزساختار و شیمی فاز - آنچه عملکرد را کنترل می کند

بازیگران ریزساختاری اولیه

• ماتریس α-Al (مکعب در مرکز صورت): فاز باربر اولیه در همه آلیاژهای Al.
• Mg در محلول جامد: اتم های Mg در α-Al حل می شوند; در غلظت های متوسط، ماتریکس را با تقویت محلول جامد تقویت می کنند.
• تطبیق / فازهای دوم:

• • بین فلزات غنی از منیزیم (Al3Mg2/β): می تواند در سطوح بالای منیزیم و در مناطق بین دندریتی تشکیل شود; مورفولوژی و توزیع آنها پایداری در دمای بالا و رفتار خوردگی را کنترل می کند.
  • mg₂si (در آلیاژهای Al-Si-Mg): در طول پیری تشکیل می شود و فاز اصلی سخت شدن بارش در خانواده Al-Si-Mg است..
  • فازهای حاوی آهن: ناخالصی های آهن، بین فلزات شکننده را تشکیل می دهند (Al5 FeSi, و غیره) که شکل پذیری را کاهش می دهد و می تواند باعث ایجاد خوردگی موضعی شود; منگنز اغلب در مقادیر کم برای اصلاح فازهای آهن اضافه می شود.

ویژگی های انجماد

• آلیاژهای با منیزیم بالا تمایل به داشتن α نسبتا ساده دارند + مسیر انجماد بین فلزی، اما اگر خنک‌سازی کند باشد، ممکن است جداسازی را نشان دهد; خنک سازی سریع ساختار را اصلاح می کند اما در صورت ناکافی بودن تغذیه، خطر تخلخل را افزایش می دهد.
• آلیاژهای Al-Si-Mg با α اولیه و به دنبال آن α یوتکتیک جامد می شوند + وت; Mg در واکنش های بعدی شرکت می کند (mg₂si) اگر محتوای Mg کافی باشد.

پیوند ریزساختار → خواص

• خوب, فازهای دوم به طور یکنواخت توزیع شده است استحکام بهتری بدهید و از رفتار شکننده اجتناب کنید.
• بین فلزی درشت یا جداسازی کاهش خستگی, شکل پذیری و عملکرد خوردگی. کنترل از طریق تمرین ذوب, پالایشگاه های غلات و سرعت خنک سازی بسیار مهم است.

5. ویژگی های کلیدی عملکرد

خصوصیات مکانیکی (محدوده های مهندسی معمولی - حالت ریخته گری)

مقادیر بر اساس آلیاژ متفاوت است, اندازه بخش, فرآیند ریخته گری و عملیات حرارتی. از داده های تامین کننده برای اعداد حیاتی طراحی استفاده کنید.

• تراکم (معمولی): ~2.66-2.73 گرم · سانتی متر³ برای آلیاژهای ریختگی Al-Mg (افزایش جزئی در مقابل Al خالص ~ 2.70).
• استحکام کششی (دارای بازار بی نظیر):

• • آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا: ~ 150-260 مگاپاسکال (بسته به محتوای Mg, ضخامت و پایان بخش).
  • Al-Si-Mg (بازی کردن + t6): ~ 240-320 مگاپاسکال (T6 قدیمی A356 در انتهای بالایی قرار دارد).

• قدرت عملکرد: تقریباً 0.5-0.8 × UTS به عنوان راهنما.
• کشیدگی:5–15 ٪ بسته به آلیاژ و پردازش - ریخته گری با منیزیم بالا معمولاً شکل پذیری خوبی از خود نشان می دهند (گرایش تک فازی), Al-Si با Si درشت، ازدیاد طول کمتری را نشان می دهد مگر اینکه اصلاح شود.
• خستگی و چقرمگی شکست: وقتی ریزساختار سالم و تخلخل کم باشد خوب است; عملکرد خستگی حساس به عیوب ریخته گری.

مقاومت در برابر خوردگی

• آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا نشان دادن مقاومت در برابر خوردگی عمومی عالی, به ویژه در محیط های دریایی و قلیایی - منیزیم مقاومت حفره ای را در مقایسه با آلیاژهای استاندارد 3xxx/6xxx Al افزایش می دهد..
• برای محیط های غنی از کلرید, آلیاژهای Al-Mg اغلب از آلیاژهای Al ساده بهتر عمل می کنند، اما همچنان نسبت به فولادهای زنگ نزن پایین تر هستند و در موارد شدید نیاز به محافظت از سطح دارند..

خواص حرارتی

• هدایت حرارتی آلیاژهای Al-Mg همچنان بالاست (± 120-180 W·m-1·K-1 بسته به آلیاژ و ریزساختار), آنها را برای محفظه های حرارتی و قطعات اتلاف کننده حرارت مناسب می کند.

تولید & جوش

• روش های ریخته گری: ریخته گری, قالب دائمی, ریخته گری گرانشی و مقداری ریخته گری فشار بالا (با شار دقیق) استفاده می شود.
• قابلیت جوشکاری: آلیاژهای Al-Mg به طور کلی قابل جوش هستند (gtaw, گون), اما جوش مقاطع ریختگی نیازمند توجه به تخلخل و خوردگی پس از جوش است (از آلیاژهای پرکننده مناسب و تمیز کردن پس از جوش استفاده کنید).
• قابلیت تغییر: منصفانه; انتخاب ابزار و سرعت تنظیم شده برای آلیاژهای آلومینیوم.

6. عملیات حرارتی و پردازش حرارتی

کدام آلیاژها به عملیات حرارتی پاسخ می دهند?

• آلیاژهای ریختگی Al-Si-Mg (دسته B) هستند قابل درمان با گرما (سنی): راه حل درمان → خاموش کردن → پیری مصنوعی (t6) افزایش استحکام قابل توجهی از طریق بارش Mg2Si ایجاد می کند.
  برنامه های T6 معمولی برای A356/A357: محلول ~495 درجه سانتیگراد, در دمای 160 تا 180 درجه سانتیگراد به مدت چند ساعت سن کنید (از راهنمایی های تامین کننده پیروی کنید).
• آلیاژهای ریختگی Al-Mg با منیزیم بالا (دسته A) هستند معمولاً در برابر بارندگی قابل سخت شدن نیست: منیزیم یک تقویت کننده محلول جامد است و بسیاری از ترکیبات با منیزیم بالا عمدتاً با پیری کرنش یا کار سرد در فرم های فرفورژه به جای پیری T6 معمولی سخت می شوند..
  عملیات حرارتی برای آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا بر روی تمرکز دارد:

• • همگن سازی برای کاهش تفکیک شیمیایی (خیساندن در دمای پایین برای توزیع مجدد املاح).
  • آنیل کاهش استرس برای حذف تنش های ریخته گری (دمای معمولی: بازپخت متوسط ​​300-400 درجه سانتیگراد - چرخه های دقیق به آلیاژ و مقطع بستگی دارد).
  • درمان دقیق محلول: به طور انتخابی برای برخی از انواع ریختگی Al-Mg استفاده می شود, اما ممکن است باعث درشت شدن نامطلوب بین فلزی شود - به برگه های آلیاژ مراجعه کنید.

راهنمای عملی عملیات حرارتی

• برای ریخته گری Al-Si-Mg برای قدرت در نظر گرفته شده است, برنامه ریزی برای راه حل + خاموش کردن + پیری (t6) و طراحی با اندازه های بخش که به طور موثر خاموش می شود.
• برای ریخته گری با منیزیم بالا, مشخص کنید همگن سازی و کاهش استرس چرخه هایی برای تثبیت ریزساختار و ثبات ابعادی; انتظار افزایش سنی زیاد را نداشته باشید.

7. ملاحظات عملیات ریخته گری و پردازش

حفاظت از ذوب و ذوب

• کنترل منیزیم: Mg به راحتی به MgO اکسید می شود. از شارهای پوشش محافظ استفاده کنید (شار نمک), سوپرگرمای کنترل شده, و تشکیل تفاله را به حداقل برسانید.
• دمای ذوب: در محدوده توصیه شده برای آلیاژ انتخابی نگه دارید; گرمای بیش از حد باعث افزایش تلفات سوختگی و تشکیل اکسید می شود.
• گاز زدایی و فیلتراسیون: هیدروژن و اکسیدها را حذف کنید (گاز زدایی چرخشی, فیلترهای فوم سرامیکی) برای کاهش تخلخل و بهبود عملکرد مکانیکی/خوردگی.

روش های ریخته گری

• ریخته گری & قالب دائمی: برای آلیاژهای با منیزیم بالا و برای قطعات بزرگتر رایج است.
• ریخته گری گرانش / بازیگران کم فشار: ریزساختار و پوشش سطحی بهتری تولید می کند; برای قطعات ساختاری خوب است.
• ریخته گری با فشار بالا: عمدتا برای آلیاژهای مبتنی بر Al-Si استفاده می شود; احتیاط با محتوای منیزیم بالا به دلیل اکسیداسیون منیزیم و تخلخل گاز.

نقص مشترک & کاهش

• تخلخل (گاز/انقباض): با گاز زدایی کاهش می یابد, تصفیه, طراحی مناسب دروازه و بالابر, و با کنترل نرخ انجماد.
• نقص اکسید/بی فیلم: تلاطم ریختن را کنترل کنید و از فیلتراسیون استفاده کنید.
• پارگی گرم: مدیریت از طریق طراحی (اجتناب از تغییرات ناگهانی بخش) و تغذیه/انجماد را کنترل کنید.

8. کاربردهای معمول آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم-منیزیم

آلومینیوم بازیگرانآلیاژهای منیزیم در مهندسی فلزات سبک جایگاه مهمی را اشغال می کنند: آنها چگالی کمتر و مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته را نسبت به بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم با قابلیت ریخته گری قابل قبول و چقرمگی خوب ترکیب می کنند..

تجهیزات دریایی و دریایی

• محفظه پمپاژ, بدنه شیر و پروانه برای سرویس آب شیرین/شیر
• اتصالات عرشه, براکت های سرویس, رگه ها و کفن ها در مناطق پاشش / اسپری
• اتصالات لوله, محفظه های کندانسور و محفظه های خدماتی

خودرو و حمل و نقل

• براکت های ساختاری و زیرفرم ها (بخش های کم جرم)
• بدن در اجزای سفید, محفظه ها و محفظه های ساختاری داخلی
• محفظه های هیت سینک و صفحات حامل برای الکترونیک قدرت (در خودروهای برقی)

پمپ, دریچه ها و سخت افزارهای جابجایی مایعات (صنعتی)

• محفظه ها و لوله های پمپ برای جابجایی مواد شیمیایی و آب
• بدنهای, محفظه صندلی و محفظه محرک

اتلاف گرما و محفظه های الکترونیکی

• محوطه الکترونیکی, پخش کننده های حرارتی و محفظه های کنترل کننده موتور (کشش EV / اینورتر)
• محفظه های هیت سینک که در آن ها هدایت حرارتی و جرم کم اهمیت دارد

هوافضا (ساختارهای غیر اولیه و اجزای ثانویه)

• براکت های داخلی, محوطه, محفظه های اویونیک, پانل ها و فیرینگ های ساختاری غیر اولیه

مصرف کننده & کالاهای ورزشی, الکترونیک

• قاب های سبک, محفظه های محافظ, محفظه دستگاه های قابل حمل, اجزای دوچرخه (غیر بحرانی), بدنهای دوربین

ماشین آلات صنعتی و قطعات HVAC

• محفظه های فن, روکش های دمنده, درپوش های انتهایی مبدل حرارتی, روکش پمپ های سبک وزن

برنامه های تخصصی

• تجهیزات برودتی (جایی که جرم کم سودمند است اما آلیاژها باید برای چقرمگی در دمای پایین واجد شرایط باشند)
• محفظه های ابزار دقیق دریایی, اجزای کم عمق زیر دریا (با حفاظت کافی)

9. مزایا و معایب

مزایای آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم-منیزیم

• مقاومت در برابر خوردگی برتر (به خصوص در محیط های دریایی)
• چگالی کم و استحکام ویژه بالا برای کاربردهای مهم وزن
• گاز تنگی عالی برای مخازن تحت فشار و سیستم های آب بندی شده
• ماشینکاری خوب برای تکمیل دقیق

معایب آلیاژهای ریختگی آلومینیوم-منیزیم

• عملکرد ضعیف ریخته گری با تمایل به پارگی داغ و سیالیت کم
• خطر اکسیداسیون و ورود سرباره که نیاز به اتمسفر محافظ دارد
• هزینه های تولید بالاتر به دلیل پیچیدگی فرآیند و حق بیمه مواد
• دامنه برنامه محدود محدود به بخش های با ارزش بالا

10. تحلیل تطبیقی: Cast Al-Mg در مقابل. آلیاژهای رقیب

جدول زیر مقایسه می کند بازی کردن الومینیوم– آلیاژهای منیزیم (Cast Al-Mg) با مواد ریخته گری رقیب که در کاربردهای سبک وزن و حساس به خوردگی استفاده می شود.

مقایسه روی معیارهای کلیدی تصمیم گیری مهندسی به جای خواص اسمی مواد, امکان انتخاب مواد عملی.

خلاصه انتخاب مواد

انتخاب کردن آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم-منیزیم چه زمانی سبک وزن, مقاومت در برابر خوردگی, و قدرت معقول در دماهای متوسط ​​مورد نیاز است.

برای محیط های شدید (درجه حرارت بالا, فشار, یا مواد شیمیایی تهاجمی), فولاد ضد زنگ برتر باقی می ماند, در حالی که آلیاژهای Al-Si چیره شدن وقتی هندسه ریخته گری پیچیده و کارایی هزینه مهم هستند.

11. نتیجه گیری - نکات کاربردی مهندسی

• آلیاژهای ریختگی Al-Mg ترکیبی عالی از چگالی کم را ارائه می دهد, مقاومت در برابر خوردگی و استحکام کافی برای بسیاری از کاربردهای ساختاری - اما اینطور هستند نه یک ماده واحد; خانواده های ریخته گری با منیزیم بالا را از خانواده های ریخته گری قابل عملیات حرارتی Al-Si-Mg تشخیص دهید.
• نظم فرآیند مهم است: حفاظت از ذوب, گاز زدایی و فیلتراسیون برای دستیابی به عملکرد مکانیکی و خوردگی مورد انتظار ضروری است.
• قابلیت عملیات حرارتی متفاوت است: آلیاژهای ریختگی Al-Si-Mg به خوبی به محلول پاسخ می دهند + پیری (t6) و نقاط قوت بالاتری ارائه دهد; آلیاژهای ریخته گری با منیزیم بالا از پیری معمولی سود کمتری می برند و بیشتر به کنترل ریزساختار و پردازش مکانیکی بستگی دارند..
• طراحی برای ریخته گری: کنترل ضخامت بخش, تغذیه و دروازه برای جلوگیری از عیوب معمول ریخته گری که بیشترین تأثیر نامطلوب بر خستگی و عملکرد خوردگی دارد..