Valetut alumiini-magnesium-seokset: Kevyt Vahvuus

1. Tiivistelmä

"Valettu alumiini-magnesium" viittaa kahteen toisiinsa liittyvään mutta erilliseen suunnitteluperheeseen:

(Eräs) korkea-Mg-valettu Al-Mg-seokset (Mg-enemmistöinen seostus maksimoi korroosionkestävyyden ja ominaislujuuden laiva-/painokriittisille osille) ja (B -) Al-Si-Mg valulejeeringit (Al-Si-pohja, jossa on maltillisia Mg-lisäaineita, joita käytetään ikääntymiskovettumiseen ja lujuuteen).

Al-Mg-valuseokset tarjoavat erinomaisen korroosionkestävyyden (etenkin kloridiympäristöissä), houkutteleva lujuus-painosuhde ja hyvä sitkeys, mutta ne aiheuttavat valun ja sulatuksen käsittelyn haasteita, koska Mg hapettuu helposti ja voi edistää huokoisuutta, jos prosessikuri on heikko.

Useimmat Al-Mg-valulejeeringit eivät ole voimakkaasti saostumiskovettuvia – vahvistuminen tapahtuu pääasiassa kiinteällä liuoksella, mikrorakenteen ohjaus ja termomekaaninen käsittely Al-Si-Mg-seoksille käytettyjen tavanomaisten T6-reittien sijaan.

2. Mitä tarkoitamme "valettu Al-Mg" - perheet ja yhteiset arvosanat

Teollisuudessa esiintyy toistuvasti kahta käytännön luokkaa valettuja Al-Mg-seoksia:

• Luokka A – runsaasti magnesiumia sisältävät valuseokset (Al-Mg perhe): seokset, joissa Mg-pitoisuus on tarpeeksi korkea hallitsemaan korroosiokäyttäytymistä ja ominaistiheyttä/lujuutta.
  Kirjallisuudessa ja kauppakäytännössä tässä luokassa mainitaan yleisesti Mg 3–6 painoprosenttia valikoima pienillä Si-lisäyksillä (≈0,5–1,0 %) kun parempaa heitettävyyttä tarvitaan. Näitä käytetään korroosionkestävissä paikoissa / kevyt paino on ensisijainen.
• Luokka B – Al–Si–Mg-valulejeeringit (Al-Si-Mg perhe): lähes eutektiset Al-Si-pohjaiset valuseokset (Si ≈ 7–12 painoprosenttia) jotka sisältävät vaatimattoman Mg (≈0,2–0,8 painoprosenttia) keinotekoisen ikääntymisen mahdollistamiseksi (Mg2Si-saostuminen) ja suurempi lujuus T-tyypin ikääntymisen jälkeen (T6).
  Esimerkkejä ovat teollisuuden työhevosseokset, kuten A356 (Al-Si-Mg) - näitä kutsutaan joskus "Al-Mg-pitoisiksi valukappaleiksi" (mutta ovat ensisijaisesti Al-Si-seoksia, joissa Mg on vahvistuselementti).

Käytännössä valitset luokan A, kun korroosionkestävyys (meren-, kemiallinen kosketus) ja alhainen tiheys ovat hallitsevia; valitse luokka B, kun castability, vaaditaan mittapysyvyyttä ja lämpökäsiteltävää lujuutta.

3. Tyypilliset kemialliset koostumukset

Taulukko: Tyypilliset koostumusalueet (tekniikan ohjaus)

Huomautuksia

• Yllä olevat alueet ovat käytännöllisiä teknisiä ikkunoita – tarkkojen teknisten tietojen on viitattava standardin nimeämiseen (ASTM/FI) tai toimittajan todistus.
• Valetut seokset, joissa on paljon magnesiumia, lähestyvät muokatun 5xxx-seosten koostumusaluetta, mutta ne on suunniteltu valua varten (erilainen epäpuhtauksien hallinta ja jähmettymiskäyttäytyminen).

4. Mikrorakenne ja faasikemia – mikä ohjaa suorituskykyä

Ensisijaiset mikrorakenteen pelaajat

• α-Al matriisi (kasvokeskeinen kuutio): ensisijainen kantava vaihe kaikissa Al-seoksissa.
• Mg kiinteässä liuoksessa: Mg-atomit liukenevat α-Aliin; kohtalaisissa pitoisuuksissa ne vahvistavat matriisia kiinteän liuoksen vahvistamisella.
• Metallienväliset / toiset vaiheet:

• • Mg-pitoiset intermetallit (Al3Mg2/β): voi muodostua korkeilla Mg-tasoilla ja dendriittisillä alueilla; niiden morfologia ja jakautuminen säätelevät stabiilisuutta ja korroosiokäyttäytymistä korkeissa lämpötiloissa.
  • Mg₂si (Al-Si-Mg-seoksissa): muodostuu ikääntymisen aikana ja on tärkein saostuskovetusvaihe Al-Si-Mg-perheessä.
  • Fe-pitoiset vaiheet: Fe-epäpuhtaudet muodostavat hauraita intermetallisia (Al₅FeSi, jne.) jotka vähentävät taipuisuutta ja voivat edistää paikallista korroosiota; Mn:a lisätään usein pieninä määrinä Fe-faasien modifioimiseksi.

Kiinteytysominaisuudet

• Korkea-Mg-seokset niillä on yleensä suhteellisen yksinkertainen α + metallien välistä jähmettymisreittiä, mutta se voi osoittaa erottumista, jos jäähtyminen on hidasta; nopea jäähdytys jalostaa rakennetta, mutta lisää huokoisuuden riskiä, ​​jos syöttö on riittämätön.
• Al-Si-Mg-seokset jähmettyy primäärisellä α:lla, jota seuraa eutektinen α + Ja; Mg osallistuu myöhemmissä reaktioissa (Mg₂si) jos Mg-pitoisuus riittää.

Mikrorakenne → ominaisuudet -linkki

• Hieno, tasaisesti jakautuneet toiset vaiheet antaa paremman sitkeyden ja välttää hauras käyttäytyminen.
• Karkea metallien välinen erotus tai erottelu vähentää väsymystä, sitkeys ja korroosiokyky. Ohjaus sulatusharjoittelulla, viljan jauhimet ja jäähdytysnopeus ovat ratkaisevan tärkeitä.

5. Tärkeimmät suorituskykyominaisuudet

Mekaaniset ominaisuudet (tyypilliset suunnittelualueet - valutila)

Arvot vaihtelevat seoksen mukaan, leikkauskoko, valuprosessi ja lämpökäsittely. Käytä toimittajatietoja suunnittelukriittisiin lukuihin.

• Tiheys (tyypillinen): ~ ~2.66–2,73 g·cm⁻³ Al-Mg-valuseoksille (lievä nousu verrattuna puhtaaseen Al ~ 2,70).
• Vetolujuus (valettu):

• • Korkea-Mg-valumetalliseokset: ~150-260 MPa (riippuen Mg-pitoisuudesta, osan paksuus ja viimeistely).
  • Al-Si-Mg (heittää + T6): ~240-320 MPa (T6-ikäinen A356 on yläpäässä).

• Tuottolujuus: karkeasti 0.5–0,8 × UTS oppaana.
• Pidennys:5–15% riippuen lejeeringistä ja prosessoinnista – korkean Mg-pitoisuuden omaavilla valukappaleilla on tyypillisesti hyvä sitkeys (yksivaiheinen taipumus), Al-Si karkealla Si:llä näyttää pienemmän venymän, ellei sitä muuteta.
• Väsymys ja murtolujuus: hyvä, kun mikrorakenne on ehjä ja huokoisuus alhainen; väsymiskyky herkkä valuvirheille.

Korroosionkestävyys

• Korkea-Mg-valumetalliseokset show Erinomainen yleinen korroosionkestävyys, erityisesti meri- ja emäksisessä ympäristössä — Mg lisää pistesyöpymiskestävyyttä tavallisiin 3xxx/6xxx Al-seoksiin verrattuna.
• Kloridipitoisiin ympäristöihin, Al-Mg-seokset ovat usein parempia kuin tavalliset Al-seokset, mutta ovat silti huonompia kuin ruostumattomat teräkset ja vaativat pintasuojauksen vaikeissa tapauksissa.

Lämpöominaisuudet

• Al-Mg-seosten lämmönjohtavuus on edelleen korkea (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ seoksesta ja mikrorakenteesta riippuen), joten ne sopivat lämpökoteloihin ja lämpöä haihduttaviin osiin.

Valmistus & hitsaus

• Valumenetelmät: hiekkavalu, pysyvä muotti, painovoiman painevalu ja jotkut korkeapaineiset painevalut (huolellisella sulatuksella) käytetään.
• Hitsaus: Al-Mg-seokset ovat yleensä hitsattavia (Gtaw, Juontaa), mutta valuprofiilien hitsaus vaatii huokoisuuden ja hitsauksen jälkeisen korroosion huomioimista (käytä sopivia täyteaineseoksia ja hitsauksen jälkeistä puhdistusta).
• Konettavuus: reilua; työkalun valinta ja nopeudet on säädetty alumiiniseoksille.

6. Lämpökäsittely ja lämpökäsittely

Mitkä seokset reagoivat lämpökäsittelyyn?

• Al-Si-Mg valuseokset (Luokka B) are lämmönkäsitettävä (ikävä): liuoshoito → sammuttaa → keinotekoinen vanheneminen (T6) tuottaa merkittäviä lujuuslisäyksiä Mg2Si:n saostumisen kautta.
  Tyypilliset T6-aikataulut malleille A356/A357: liuos ~495 °C, kypsytä 160–180 °C:ssa useita tunteja (noudata toimittajan ohjeita).
• Korkea-Mg-valettu Al-Mg-seokset (Luokka A) are ei yleensä sadekarkaistu samalla tavalla: Mg on kiinteän liuoksen vahvistaja, ja monet korkean Mg-pitoisuuden sisältävät koostumukset kovettuvat ensisijaisesti jännitysvanhentamisella tai kylmätyöstyksellä muokatuissa muodoissa tavanomaisen T6-vanhentamisen sijaan.
  Valettujen korkean Mg-seosten lämpökäsittely keskittyy:

• • Homogenisointi vähentämään kemiallista segregaatiota (liotus matalassa lämpötilassa liuenneen aineen uudelleen jakautumiseksi).
  • Stressihihna valujännityksen poistamiseksi (tyypillisiä lämpötiloja: vaatimattomat hehkutukset 300–400 °C – tarkat syklit riippuvat lejeeringistä ja poikkileikkauksesta).
  • Huolellinen liuoskäsittely: käytetään valikoivasti joillekin valetuille Al-Mg-varianteille, mutta saattaa edistää ei-toivottua metallien välistä karhentumista – katso seosten teknisiä tietoja.

Käytännön lämpökäsittelyn opastus

• Puolesta Al-Si-Mg-valut tarkoitettu vahvuuteen, suunnitella ratkaisu + sammuttaa + ikääntyminen (T6) ja suunnittelu osiokoilla, jotka sammuttavat tehokkaasti.
• Puolesta korkea-Mg-valut, määrittää homogenisointi ja stressin lievitys syklit stabiloimaan mikrorakennetta ja mittavakautta; älä odota suuria ikääntymisen kovettuvia voittoja.

7. Valimokäytäntö ja käsittelynäkökohdat

Sulamis- ja sulamissuoja

• Magnesiumin hallinta: Mg hapettuu helposti MgO:ksi. Käytä suojakuoren sulatteita (suolavirtaus), ohjattu tulistaminen, ja minimoi kuonan muodostuminen.
• Sulamislämpötila: pysy suositelluilla alueilla valitulle seokselle; liiallinen tulistus lisää palohäviöitä ja oksidin muodostumista.
• Kaasunpoisto ja suodatus: poistaa vetyä ja oksideja (pyörivä kaasunpoisto, keraamiset vaahtosuodattimet) huokoisuuden vähentämiseksi ja mekaanisen/korroosiokyvyn parantamiseksi.

Valumenetelmät

• Hiekkavalu & pysyvä-muotti: yleinen korkea-Mg-seoksille ja suuremmille osille.
• Gravity Die Casting / matalapaineinen valu: tuottaa paremman mikrorakenteen ja pinnan viimeistelyn; hyvä rakenneosille.
• Korkeapaineinen kuolema: käytetään pääasiassa Al-Si-pohjaisissa metalliseoksissa; varovaisuus korkean Mg-pitoisuuden kanssa Mg:n hapettumisen ja kaasun huokoisuuden vuoksi.

Yleiset viat & lieventäminen

• Huokoisuus (kaasu/kutistuminen): lieventää kaasunpoistoa, suodatus, oikea portti- ja nousuputken suunnittelu, ja säätelemällä jähmettymisnopeutta.
• Oksidi-/bikalvovaurioita: hallitse kaadon turbulenssia ja käytä suodatusta.
• Kuuma repiminen: hallita suunnittelun kautta (vältä äkillisiä osien muutoksia) ja valvoa ruokintaa/kiinteytymistä.

8. Valualumiini-magnesiumseosten tyypilliset sovellukset

Valettu alumiini–magnesiumlejeeringit ovat tärkeä keskitie kevytmetallitekniikassa: niissä yhdistyy pienempi tiheys ja parempi korroosionkestävyys verrattuna moniin alumiiniseoksiin hyväksyttävällä valukyvyllä ja hyvällä sitkeydellä.

Meri- ja offshore -laitteet

• Pumppukotelot, venttiilirungot ja juoksupyörät makean/murtoveden huoltoon
• Kannen varusteet, huoltokannattimet, kulmat ja suojukset roiske-/sumutusalueilla
• Putkivarusteet, lauhdutinkotelot ja huoltokotelot

Autot ja kuljetus

• Rakenteelliset kiinnikkeet ja apurungot (pienimassaiset osat)
• Runko valkoisia osia, sisärakenteiset kotelot ja kotelot
• Jäähdytyselementtien kotelot ja kannatinlevyt tehoelektroniikkaan (sähköautoissa)

Pumput, venttiilit ja nesteenkäsittelylaitteet (teollisuus-)

• Pumppukotelot ja kierukat kemikaalien ja veden käsittelyyn
• Venttiilirungot, istuinkotelot ja toimilaitteiden kotelot

Lämmönpoisto- ja elektroniikkakotelot

• Elektroniset kotelot, lämpölevittimet ja moottoriohjainkotelot (Sähköauton veto/invertterit)
• Jäähdytyslevykotelot, joissa lämmönjohtavuus ja pieni massa ovat tärkeitä

Ilmailu- (ei-primääriset rakenteet ja toissijaiset komponentit)

• Sisäpuoliset kiinnikkeet, kotelot, ilmailutekniikan kotelot, ei-pääasialliset rakennepaneelit ja suojukset

Kuluttaja & urheilutavarat, elektroniikka

• Kevyet kehykset, suojakotelot, kannettavien laitteiden kotelot, polkupyörän komponentit (ei-kriittinen), kamerankappaleet

Teollisuuskoneet ja LVI-komponentit

• Tuulettimen kotelot, puhaltimien kotelot, lämmönvaihtimen päätykappaleet, kevyet pumpun kannet

Erikoissovellukset

• Kryogeeniset laitteet (joissa alhainen massa on edullinen, mutta seokset on kelpuutettava matalan lämpötilan sitkeyteen)
• Offshore-instrumenttien kotelot, merenalaisia ​​matalia komponentteja (riittävällä suojalla)

9. Edut ja haitat

Valualumiini-magnesiumseosten edut

• Ylivoimainen korroosionkestävyys (etenkin meriympäristöissä)
• Matala tiheys ja korkea ominaislujuus painokriittisiin sovelluksiin
• Erinomainen kaasutiiviys paineastioihin ja suljetuille järjestelmille
• Hyvä työstettävyys tarkkuusviimeistelyyn

Valualumiini-magnesiumseosten haitat

• Huono valusuorituskyky, korkea kuumarepeämiskyky ja alhainen juoksevuus
• Hapetusvaara ja kuonavaara, jotka edellyttävät suojailmaa
• Korkeammat tuotantokustannukset prosessin monimutkaisuuden ja materiaalikustannusten vuoksi
• Rajoitettu sovellusalue, joka on rajoitettu arvokkaille aloille

10. Vertaileva analyysi: Valettu Al-Mg vs. Kilpailevat seokset

Alla oleva taulukko vertaa heittää alumiini-magnesiumseokset (Valettu Al-Mg) yleisesti kilpailevien valumateriaalien kanssa, joita käytetään kevyissä ja korroosiolle herkissä sovelluksissa.

Vertailu keskittyy keskeiset teknisen päätöksen kriteerit eikä vain nimellisiä materiaaliominaisuuksia, mahdollistaa käytännön materiaalin valinnan.

Materiaalin valinnan yhteenveto

Valita valetut alumiini-magnesium-seokset kun kevyt, korroosionkestävyys, ja kohtuullinen vahvuus tarvitaan kohtuullisissa lämpötiloissa.

Äärimmäisiin ympäristöihin (korkea lämpötila, paine, tai aggressiivisia kemikaaleja), ruostumaton teräs pysyy ylivoimaisena, kun taas Al-Si-seokset hallitsevat milloin monimutkainen valugeometria ja kustannustehokkuus ovat ensiarvoisia.

11. Johtopäätökset – käytännön tekniikan poimintoja

• Valetut Al-Mg-seokset tarjoavat erinomaisen yhdistelmän matalaa tiheyttä, korroosionkestävyys ja riittävä lujuus moniin rakennesovelluksiin - mutta ne ovat ei yhtä materiaalia; erottaa runsaasti Mg:tä sisältävät valuperheet Al-Si-Mg lämpökäsitellyistä valuperheistä.
• Prosessin kurilla on väliä: sulamissuoja, kaasunpoisto ja suodatus ovat välttämättömiä odotetun mekaanisen ja korroosiokyvyn saavuttamiseksi.
• Lämpökäsittely vaihtelee: Al-Si-Mg-valuseokset reagoivat hyvin liuokseen + ikääntyminen (T6) ja tuottaa suurempia vahvuuksia; korkea-Mg valuseokset hyötyvät vähemmän tavanomaisesta vanhenemisesta ja ovat enemmän riippuvaisia ​​mikrorakenteen hallinnasta ja mekaanisesta käsittelystä.
• Suunnittelu valua varten: ohjausosan paksuus, syöttö ja portti yleisten valuvirheiden välttämiseksi, jotka vaikuttavat eniten väsymiseen ja korroosion suorituskykyyn.