Alliages d'aluminium moulé et de magnésium: Résistance légère

1. Résumé exécutif

« Fonte d'aluminium-magnésium » fait référence à deux familles d'ingénierie liées mais distinctes:

(UN) Alliages Al-Mg moulés à haute teneur en Mg (Alliage à majorité mg pour maximiser la résistance à la corrosion et la résistance spécifique des pièces marines/à poids critique) et (B) Alliages de coulée Al-Si-Mg (Base Al-Si avec de modestes ajouts de Mg utilisée pour le durcissement par vieillissement et la résistance).

Les alliages moulés Al-Mg offrent une excellente résistance à la corrosion (Surtout dans les environnements de chlorure), rapport résistance/poids attrayant et bonne ténacité, mais ils posent des problèmes de coulée et de manipulation de la fonte car le magnésium s'oxyde facilement et peut favoriser la porosité si la discipline du processus est faible..

La plupart des alliages moulés Al – Mg ne durcissent pas fortement par précipitation - le renforcement se produit principalement par une solution solide, contrôle de la microstructure et traitement thermomécanique plutôt que les voies T6 conventionnelles utilisées pour les alliages Al – Si-Mg.

2. Qu'entendons-nous par « Al-Mg moulé » – familles et qualités communes

Deux catégories pratiques d’alliages Al-Mg coulés apparaissent à plusieurs reprises dans l’industrie:

• Catégorie A — Alliages coulés à haute teneur en magnésium (Famille Al-Mg): alliages dans lesquels la teneur en magnésium est suffisamment élevée pour dominer le comportement à la corrosion et la densité/résistance spécifique.
  Dans la littérature et dans la pratique commerciale, cette classe cite généralement Mg dans le 3–6% en poids gamme avec de petits ajouts de Si (≈0,5–1,0 %) quand une meilleure coulabilité est nécessaire. Ceux-ci sont utilisés là où la résistance à la corrosion / la légèreté est primordiale.
• Catégorie B — Alliages de coulée Al–Si–Mg (Famille Al – Si – Mg): alliages coulés à base Al-Si quasi eutectiques (Si ≈ 7–12 % en poids) qui incluent un modeste Mg (≈0,2–0,8 % en poids) permettre un vieillissement artificiel (Précipitation de Mg₂Si) et une résistance plus élevée après un vieillissement de type T (T6).
  Les exemples incluent les alliages de base de l'industrie tels que l'A356. (Al-Si-Mg) — ceux-ci sont parfois appelés « moulages contenant de l'Al-Mg » (mais ce sont principalement des alliages Al-Si avec Mg comme élément de renforcement).

En pratique, vous sélectionnerez la catégorie A lorsque la résistance à la corrosion (marin, contact chimique) et la faible densité sont dominantes; choisir la catégorie B lors de la coulabilité, une stabilité dimensionnelle et une résistance au traitement thermique sont requises.

3. Compositions chimiques typiques

Tableau: Gammes de composition typiques (guidage d'ingénierie)

Remarques

• Les plages ci-dessus sont des fenêtres d'ingénierie pratiques : les spécifications exactes doivent faire référence à une désignation standard. (ASTM/FR) ou le certificat du fournisseur.
• Les alliages coulés à haute teneur en magnésium se rapprochent de la composition des alliages corroyés 5xxx, mais sont conçus pour le moulage. (différents comportements de contrôle des impuretés et de solidification).

4. Microstructure et chimie des phases : qu'est-ce qui contrôle les performances

Principaux acteurs microstructurels

• Matrice α-Al (cubique à faces centrées): la phase porteuse principale dans tous les alliages d'aluminium.
• Mg en solution solide: Les atomes de magnésium se dissolvent dans α-Al; à des concentrations modérées, ils renforcent la matrice par renforcement en solution solide.
• Intermétallique / deuxièmes phases:

• • Intermétalliques riches en magnésium (Al₃Mg₂/β): peut se former à des niveaux élevés de Mg et dans les régions interdendritiques; leur morphologie et leur distribution contrôlent la stabilité à haute température et le comportement à la corrosion.
  • Mg₂si (dans les alliages Al – Si – Mg): se forme au cours du vieillissement et constitue la principale phase de durcissement par précipitation de la famille Al-Si-Mg.
  • Phases porteuses de Fe: Les impuretés Fe forment des intermétalliques fragiles (Al₅FeSi, etc.) qui réduisent la ductilité et peuvent favoriser une corrosion localisée; Le Mn est souvent ajouté en petites quantités pour modifier les phases Fe.

Caractéristiques de solidification

• Alliages à haute teneur en magnésium ont tendance à avoir un α relativement simple + chemin de solidification intermétallique mais peut montrer une ségrégation si le refroidissement est lent; un refroidissement rapide affine la structure mais augmente le risque de porosité si l'alimentation est inadéquate.
• Alliages Al – Si – Mg solidifier avec α primaire suivi d'un eutectique α + Et; Mg participe aux réactions ultérieures (Mg₂si) si le contenu en Mg suffit.

Lien Microstructure → propriétés

• Bien, secondes phases uniformément réparties donner une meilleure ténacité et éviter un comportement fragile.
• Intermétalliques grossiers ou ségrégation dégrader la fatigue, performances de ductilité et de corrosion. Contrôle via la pratique de fusion, les raffineurs de grains et la vitesse de refroidissement sont cruciaux.

5. Caractéristiques de performance clés

Propriétés mécaniques (plages d'ingénierie typiques - état coulé)

Les valeurs varient selon l'alliage, Taille de la section, processus de coulée et traitement thermique. Utiliser les données des fournisseurs pour les numéros critiques en matière de conception.

• Densité (typique): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ pour alliages moulés Al–Mg (légère augmentation par rapport à Al pur ~2,70).
• Résistance à la traction (à l'étranger):

• • Alliages moulés à haute teneur en magnésium: ~150-260 MPa (en fonction de la teneur en Mg, épaisseur et finition des sections).
  • Al-Si-Mg (casting + T6): ~240-320 MPa (Gammes A356 vieillies T6 en haut de gamme).

• Limite d'élasticité: à peu près 0.5–0,8 × UTS comme guide.
• Élongation:5–15% en fonction de l'alliage et du traitement — les pièces moulées à haute teneur en magnésium présentent généralement une bonne ductilité (tendance monophasée), Al – Si avec du Si grossier présentera un allongement plus faible à moins d'être modifié.
• Résistance à la fatigue et à la rupture: bon lorsque la microstructure est saine et la porosité faible; performance en fatigue sensible aux défauts de coulée.

Résistance à la corrosion

• Alliages moulés à haute teneur en magnésium montrer Excellente résistance à la corrosion générale, en particulier dans les environnements marins et alcalins — Le magnésium augmente la résistance aux piqûres par rapport aux alliages d'aluminium standard 3xxx/6xxx.
• Pour les environnements riches en chlorures, Les alliages Al-Mg surpassent souvent les alliages Al ordinaires, mais restent inférieurs aux aciers inoxydables et nécessitent une protection de surface dans les cas graves..

Propriétés thermiques

• La conductivité thermique des alliages Al-Mg reste élevée (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ en fonction de l'alliage et de la microstructure), ce qui les rend adaptés aux boîtiers thermiques et aux pièces dissipant la chaleur.

Fabrication & soudage

• Méthodes de coulée: coulée de sable, moule permanent, moulage sous pression par gravité et certains moulages sous pression à haute pression (avec un fluxage soigné) sont utilisés.
• Soudabilité: Les alliages Al – Mg sont généralement soudables (GTAW, Gawn), mais le soudage des sections moulées nécessite une attention particulière à la porosité et à la corrosion après soudage (utiliser des alliages d'apport appropriés et un nettoyage après soudage).
• Machinabilité: équitable; sélection d'outils et vitesses ajustées pour les alliages d'aluminium.

6. Traitement thermique et traitement thermique

Quels alliages répondent au traitement thermique?

• Alliages coulés Al–Si–Mg (Catégorie B) sont à la chaleur (durcissement): solution traiter → éteindre → vieillissement artificiel (T6) produit des augmentations de résistance significatives via la précipitation de Mg₂Si.
  Horaires T6 typiques pour A356/A357: solution ~495 °C, vieillir à 160-180 °C pendant plusieurs heures (suivre les conseils du fournisseur).
• Alliages Al-Mg moulés à haute teneur en magnésium (Catégorie A) sont généralement pas durcissable par précipitation au même degré: Le magnésium est un agent de renforcement en solution solide et de nombreuses compositions à haute teneur en magnésium durcissent principalement par vieillissement sous contrainte ou par écrouissage sous forme corroyée plutôt que par vieillissement T6 conventionnel..
  Le traitement thermique des alliages coulés à haute teneur en magnésium se concentre sur:

• • Homogénéisation pour réduire la ségrégation chimique (trempage à basse température pour redistribuer le soluté).
  • Stress-relief recuit pour supprimer les contraintes de coulée (températures typiques: recuits modestes 300–400 °C — les cycles exacts dépendent de l'alliage et de la section).
  • Traitement soigneux de la solution: utilisé de manière sélective pour certaines variantes moulées Al – Mg, mais peut favoriser un grossissement intermétallique indésirable — consulter les fiches techniques des alliages.

Conseils pratiques sur le traitement thermique

• Pour Moulages Al–Si–Mg destiné à la force, planifier pour solution + éteindre + vieillissement (T6) et conception avec des tailles de section qui étanchent efficacement.
• Pour moulages à haute teneur en magnésium, spécifier homogénéisation et soulagement du stress cycles pour stabiliser la microstructure et la stabilité dimensionnelle; ne vous attendez pas à des gains importants liés au vieillissement.

7. Considérations sur les pratiques de fonderie et le traitement

Protection contre la fonte et la fonte

• Contrôle du magnésium: Le Mg s'oxyde facilement en MgO. Utiliser des flux de protection (fondant de sel), surchauffe contrôlée, et minimiser la formation de scories.
• Température de fusion: rester dans les plages recommandées pour l’alliage choisi; une surchauffe excessive augmente les pertes par combustion et la formation d'oxyde.
• Dégazage et filtration: éliminer l'hydrogène et les oxydes (dégazage rotatif, filtres en mousse céramique) pour réduire la porosité et améliorer les performances mécaniques/corrosion.

Méthodes de coulée

• Coulée de sable & moule permanent: commun pour les alliages à haute teneur en magnésium et pour les pièces plus grandes.
• Moulage par gravité / casting à basse pression: produit une meilleure microstructure et une meilleure finition de surface; bon pour les pièces structurelles.
• Casting à haute pression: utilisé principalement pour les alliages à base d'Al-Si; prudence en cas de teneur élevée en magnésium en raison de l'oxydation du magnésium et de la porosité du gaz.

Défauts communs & atténuation

• Porosité (gaz/retrait): atténué par le dégazage, filtration, conception appropriée des portes et des colonnes montantes, et en contrôlant le taux de solidification.
• Défauts d'oxyde/bifilm: contrôler les turbulences de coulée et utiliser la filtration.
• Déchirure chaude: gérer via la conception (éviter les changements brusques de section) et contrôler l’alimentation/solidification.

8. Applications typiques des alliages de fonte d'aluminium et de magnésium

Couler en aluminium–les alliages de magnésium occupent une place intermédiaire importante dans l’ingénierie des métaux légers: ils combinent une densité plus faible et une résistance à la corrosion améliorée par rapport à de nombreux alliages d'aluminium avec une coulabilité acceptable et une bonne ténacité.

Équipement marin et offshore

• Boîtiers de pompage, corps de vannes et roues pour le service d'eau douce/saumâtre
• Raccords de terrasse, supports de service, goussets et carénages dans les zones de projection/pulvérisation
• Raccords de tuyaux, boîtiers de condenseur et enceintes de service

Automobile et transports

• Supports structurels et sous-châssis (sections de faible masse)
• Corps en composants blancs, boîtiers et enceintes structurels intérieurs
• Boîtiers de dissipateurs thermiques et plaques de support pour l'électronique de puissance (dans les véhicules électriques)

Pompes, vannes et matériel de gestion des fluides (industriel)

• Corps de pompe et volutes pour la manipulation de produits chimiques et d'eau
• Corps de valve, boîtiers de siège et boîtiers d'actionneurs

Dissipation thermique et boîtiers électroniques

• Logements électroniques, répartiteurs thermiques et boîtiers de contrôleur de moteur (Traction/onduleurs EV)
• Boîtiers de dissipateur thermique où la conductivité thermique et la faible masse sont importantes

Aérospatial (structures non primaires et composants secondaires)

• Supports intérieurs, logements, boîtiers avioniques, panneaux structurels et carénages non primaires

Consommateur & produits de sport, électronique

• Cadres légers, boîtiers de protection, boîtiers pour appareils portables, composants de vélo (non critique), corps de caméra

Machines industrielles et composants CVC

• Boîtiers de ventilateur, carters de soufflante, embouts d'échangeur de chaleur, couvercles de pompe légers

Applications spécialisées

• Équipement cryogénique (où une faible masse est avantageuse mais où les alliages doivent être qualifiés pour la ténacité à basse température)
• Boîtiers pour instruments offshore, composants sous-marins peu profonds (avec une protection adéquate)

9. Avantages et inconvénients

Avantages des alliages fonte d'aluminium et de magnésium

• Résistance à la corrosion supérieure (surtout dans les environnements marins)
• Faible densité et résistance spécifique élevée pour les applications critiques en termes de poids
• Excellente étanchéité aux gaz pour les récipients sous pression et les systèmes scellés
• Bonne usinabilité pour une finition de précision

Inconvénients des alliages fonte d'aluminium et de magnésium

• Mauvaises performances de coulée avec une forte tendance à la déchirure à chaud et une faible fluidité
• Risque d'oxydation et inclusion de scories nécessitant des atmosphères protectrices
• Coûts de production plus élevés en raison de la complexité des processus et des primes en matériaux
• Champ d’application limité aux secteurs à forte valeur ajoutée

10. Analyse comparative: Cast Al-Mg contre. Alliages concurrents

Le tableau ci-dessous compare casting aluminium–alliages de magnésium (Cast Al-Mg) avec des matériaux de coulée couramment concurrents utilisés dans des applications légères et sensibles à la corrosion.

La comparaison se concentre sur critères de décision clés en matière d'ingénierie plutôt que seulement les propriétés nominales des matériaux, permettant une sélection pratique des matériaux.

Résumé de la sélection des matériaux

Choisir alliages de fonte d'aluminium et de magnésium quand léger, résistance à la corrosion, et une force raisonnable sont nécessaires à des températures modérées.

Pour des environnements extrêmes (température élevée, pression, ou produits chimiques agressifs), acier inoxydable reste supérieur, alors que Alliages Al-Si dominer quand géométrie de coulée complexe et rentabilité sont primordiaux.

11. Conclusions - points à retenir en ingénierie pratique

• Alliages Al-Mg coulés offrent une excellente combinaison de faible densité, résistance à la corrosion et résistance adéquate pour de nombreuses applications structurelles - mais elles sont pas un seul matériau; distinguer les familles de coulées à haute teneur en Mg des familles de coulées Al-Si-Mg pouvant être traitées thermiquement.
• La discipline des processus est importante: protection contre la fonte, le dégazage et la filtration sont essentiels pour atteindre les performances mécaniques et anticorrosion attendues.
• La capacité de traitement thermique diffère: Les alliages moulés Al-Si-Mg répondent bien à la solution + vieillissement (T6) et fournir des forces plus élevées; Les alliages moulés à haute teneur en magnésium bénéficient moins du vieillissement conventionnel et dépendent davantage du contrôle de la microstructure et du traitement mécanique..
• Conception pour le moulage: épaisseur de la section de contrôle, alimentation et déclenchement pour éviter les défauts de coulée courants qui nuisent le plus aux performances de fatigue et de corrosion.