Lijevane legure aluminija i magnezija: Lagana snaga

1. Izvršni sažetak

"Lijevani aluminij-magnezij" odnosi se na dvije povezane, ali različite inženjerske obitelji:

(A) lijevane Al–Mg legure s visokim sadržajem magnezija (Legiranje s većinom magnezija za maksimalnu otpornost na koroziju i specifičnu čvrstoću za pomorske/dijelove kritične za težinu) i (B) Al–Si–Mg legure za lijevanje (Al–Si baza sa skromnim dodacima Mg koja se koristi za starenje i čvrstoću).

Al-Mg lijevane legure pružaju izvrsnu otpornost na koroziju (posebno u kloridnim okruženjima), atraktivna čvrstoća prema težini i dobra žilavost, ali predstavljaju izazove u lijevanju i rukovanju taljenjem jer Mg lako oksidira i može potaknuti poroznost ako je procesna disciplina slaba.

Većina Al–Mg lijevanih legura nije jako taložno očvrsnuta — ojačanje se prvenstveno događa pomoću čvrste otopine, kontrola mikrostrukture i termomehanička obrada umjesto konvencionalnih T6 ruta koje se koriste za Al–Si-Mg legure.

2. Što mislimo pod "cast Al–Mg" — obitelji i zajedničke ocjene

U industriji se uvijek iznova pojavljuju dvije praktične kategorije lijevanih Al-Mg legura:

• Kategorija A — lijevane legure s visokim sadržajem magnezija (Obitelj Al–Mg): legure u kojima je sadržaj Mg dovoljno visok da dominira korozijskim ponašanjem i specifičnom gustoćom/čvrstoćom.
  U literaturi i trgovačkoj praksi ova klasa obično navodi Mg u 3–6 tež.% opseg s malim dodacima Si (≈0,5–1,0 %) kada je potrebna bolja livljivost. Koriste se tamo gdje su otporni na koroziju / mala težina je primarna.
• Kategorija B — Al–Si–Mg legure za lijevanje (Obitelj Al–Si–Mg): gotovo eutektičke lijevane legure na bazi Al–Si (Si ≈ 7-12 mas.%) koji uključuju skromne Mg (≈0,2–0,8 mas.%) kako bi se omogućilo umjetno starenje (Taloženje Mg₂Si) i veću čvrstoću nakon T-tipa starenja (T6).
  Primjeri uključuju industrijske legure kao što je A356 (Al–Si–Mg) — oni se ponekad nazivaju "odljevci koji sadrže Al-Mg" (ali su primarno Al–Si legure s Mg kao elementom za ojačavanje).

U praksi ćete odabrati kategoriju A kada je otpornost na koroziju (morski, kemijski kontakt) i niske gustoće su dominantni; odabrati kategoriju B kada je livljivost, potrebna je dimenzijska stabilnost i čvrstoća koja se može toplinski obraditi.

3. Tipični kemijski sastavi

Stol: Tipični rasponi sastava (inženjerski smjernica)

Bilješke

• Gornji rasponi su praktični inženjerski prozori — točne specifikacije moraju upućivati ​​na oznaku standarda (ASTM/EN) ili potvrdu dobavljača.
• Lijevane legure s visokim sadržajem magnezija približavaju se području sastava kovanih legura 5xxx, ali su projektirane za lijevanje (različita kontrola nečistoća i skrućivanje).

4. Mikrostruktura i fazna kemija — što kontrolira performanse

Primarni mikrostrukturni igrači

• α-Al matrica (face-centred kubik): primarna nosiva faza u svim Al legurama.
• Mg u čvrstoj otopini: Atomi Mg otapaju se u α-Al; u umjerenim koncentracijama ojačavaju matricu ojačavanjem krute otopine.
• Intermetalne / druge faze:

• • Intermetali bogati magnezijem (Al₃Mg₂/β): može nastati pri visokim razinama Mg i u interdendritičkim regijama; njihova morfologija i distribucija kontroliraju stabilnost pri visokim temperaturama i korozijsko ponašanje.
  • Mg₂si (u legurama Al–Si–Mg): nastaje tijekom starenja i glavna je faza precipitacijskog otvrdnjavanja u obitelji Al-Si-Mg.
  • Fe-nosne faze: Fe nečistoće tvore krte intermetale (Al₅FeSi, itd.) koji smanjuju duktilnost i mogu potaknuti lokaliziranu koroziju; Mn se često dodaje u malim količinama kako bi se modificirale Fe faze.

Karakteristike skrućivanja

• Legure s visokim sadržajem magnezija obično imaju relativno jednostavan α + intermetalni put skrućivanja, ali može pokazati segregaciju ako je hlađenje sporo; brzo hlađenje pročišćava strukturu, ali povećava rizik od poroznosti ako je hranjenje neadekvatno.
• Al–Si–Mg legure očvrsnuti s primarnim α nakon čega slijedi eutektik α + I; Mg sudjeluje u kasnijim reakcijama (Mg₂si) ako je sadržaj Mg dovoljan.

Mikrostruktura → poveznica svojstva

• Fino, ravnomjerno raspoređene druge faze daju bolju žilavost i izbjegavaju lomljivo ponašanje.
• Grubi intermetali ili segregacija degradirati umor, duktilnost i učinak na koroziju. Kontrola putem prakse taljenja, pročišćivači žitarica i brzina hlađenja je ključna.

5. Ključne karakteristike performansi

Mehanička svojstva (tipični inženjerski rasponi — lijevano stanje)

Vrijednosti se razlikuju ovisno o leguri, Veličina presjeka, postupak lijevanja i toplinska obrada. Koristite podatke dobavljača za brojeve koji su kritični za dizajn.

• Gustoća (tipičan): ~ ~2.66–2,73 g·cm⁻³ za Al–Mg lijevane legure (blagi porast u odnosu na čisti Al ~2,70).
• Zatečna čvrstoća (lijevan):

• • Lijevane legure s visokim sadržajem magnezija: ~150–260 MPa (ovisno o sadržaju Mg, debljina presjeka i završna obrada).
  • Al–Si–Mg (bacanje + T6): ~240–320 MPa (T6 stari A356 nalazi se na vrhu).

• Snaga popuštanja: grubo 0.5–0,8 × UTS kao vodič.
• Produženje:5–15% ovisno o leguri i obradi — odljevci s visokim sadržajem magnezija obično pokazuju dobru duktilnost (jednofazna tendencija), Al–Si s grubim Si pokazat će manje istezanje osim ako se ne modificira.
• Zamor i lomna žilavost: dobro kada je mikrostruktura zdrava i poroznost niska; performanse zamora osjetljive na greške u lijevanju.

Otpor korozije

• Lijevane legure s visokim sadržajem magnezija pokazati Izvrsna opća otpornost na koroziju, posebno u morskim i alkalnim okruženjima — Mg povećava otpornost na piting u usporedbi sa standardnim 3xxx/6xxx Al legurama.
• Za okruženja bogata kloridima, Al–Mg legure često nadmašuju obične Al legure, ali su još uvijek inferiornije od nehrđajućih čelika i zahtijevaju zaštitu površine u teškim slučajevima.

Toplinska svojstva

• Toplinska vodljivost Al-Mg legura ostaje visoka (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ ovisno o legiranju i mikrostrukturi), što ih čini prikladnima za toplinska kućišta i dijelove koji odvode toplinu.

Proizvodnja & zavarivanje

• Metode lijevanja: lijevanje pijeska, stalni kalup, lijevanje pod pritiskom gravitacije i nešto lijevanja pod pritiskom pod visokim pritiskom (uz pažljivo fluksiranje) koriste se.
• Zavarivost: Al–Mg legure općenito su zavarljive (GTAW, Odgajan), ali zavarivanje lijevanih dijelova zahtijeva pozornost na poroznost i koroziju nakon zavarivanja (koristiti odgovarajuće legure za punjenje i čišćenje nakon zavarivanja).
• Obradivost: fer; izbor alata i brzine prilagođene za aluminijske legure.

6. Toplinska obrada i toplinska obrada

Koje legure reagiraju na toplinsku obradu?

• Al–Si–Mg lijevane legure (Kategorija B) jesu toplinski tretiran (doradan): rješenje tretirati → ugasiti → umjetno starenje (T6) proizvodi značajno povećanje čvrstoće taloženjem Mg₂Si.
  Tipični rasporedi T6 za A356/A357: otopina ~495 °C, odležavati na 160–180 °C nekoliko sati (slijedite upute dobavljača).
• Lijevane Al-Mg legure s visokim sadržajem magnezija (Kategorija A) jesu općenito ne otvrdnjavaju taloženjem u istom stupnju: Mg je učvršćivač u čvrstoj otopini i mnogi sastavi s visokim udjelom Mg otvrdnjavaju prvenstveno starenjem pod naprezanjem ili hladnom obradom u kovanim oblicima, a ne uobičajenim starenjem T6.
  Toplinska obrada lijevanih legura s visokim sadržajem magnezija usredotočuje se na:

• • Homogenizacija kako bi se smanjila kemijska segregacija (niskotemperaturno namakanje za redistribuciju otopljene tvari).
  • Žarenje za ublažavanje stresa za uklanjanje naprezanja lijevanja (tipične temperature: skromna žarenja 300–400 °C — točni ciklusi ovise o leguri i presjeku).
  • Pažljivo liječenje otopinom: koristi se selektivno za neke varijante lijevanog Al–Mg, ali može potaknuti nepoželjno intermetalno ogrubljivanje — pogledajte podatkovne listove legura.

Praktične upute za toplinsku obradu

• Za Al–Si–Mg odljevci namijenjen za snagu, plan za otopina + ugasiti + starenje (T6) i dizajn s veličinama presjeka koje učinkovito gase.
• Za odljevci s visokim sadržajem magnezija, odrediti homogenizacija i oslobađanje od stresa ciklusi za stabilizaciju mikrostrukture i dimenzionalne stabilnosti; ne očekujte velike dobitke starenja.

7. Ljevaonička praksa i razmatranja obrade

Taljenje i zaštita od taljenja

• Kontrola magnezija: Mg lako oksidira u MgO. Upotrijebite zaštitne tokove (slani tok), kontrolirano pregrijavanje, i smanjivanje stvaranja troske.
• Temperatura taljenja: držati unutar preporučenih raspona za odabranu leguru; prekomjerno pregrijavanje povećava gubitke izgaranjem i stvaranje oksida.
• Otplinjavanje i filtracija: ukloniti vodik i okside (rotacijsko otplinjavanje, filtri od keramičke pjene) za smanjenje poroznosti i poboljšanje mehaničkih/korozijskih svojstava.

Metode lijevanja

• Lijevanje pijeska & trajno-plijesan: uobičajeno za legure s visokim sadržajem magnezija i za veće dijelove.
• Gravitacijska kasting matrice / lijevanje niskog tlaka: stvara bolju mikrostrukturu i završnu obradu površine; dobar za strukturne dijelove.
• Kasting visokog pritiska kastinga: koristi se uglavnom za legure na bazi Al-Si; oprez s visokim sadržajem Mg zbog oksidacije Mg i plinske poroznosti.

Uobičajene nedostatke & smanjenje

• Poroznost (plin/skupljanje): ublažena otplinjavanjem, filtracija, ispravan dizajn vrata i uspona, te kontroliranjem brzine skrućivanja.
• Defekti oksida/bifilma: kontrolirati turbulenciju izlijevanja i koristiti filtraciju.
• Vruće suzanje: upravljati putem dizajna (izbjegavajte nagle promjene presjeka) i kontrolirati hranjenje/stvrdnjavanje.

8. Tipične primjene lijevanih aluminijsko-magnezijskih legura

Lijeva aluminija–legure magnezija zauzimaju važnu sredinu u inženjerstvu lakih metala: kombiniraju nižu gustoću i poboljšanu otpornost na koroziju u odnosu na mnoge aluminijske legure s prihvatljivom sposobnošću lijevanja i dobrom žilavošću.

Morska i offshore oprema

• Kućiva pumpe, tijela ventila i impeleri za slatku/boćatu vodu
• Okovi, servisne zagrade, umetci i pokrovi u zonama prskanja/prskanja
• Cijevi, kućišta kondenzatora i servisna kućišta

Automobilizam i transport

• Strukturni nosači i podokviri (presjeci male mase)
• Korpus u bijelim komponentama, unutarnja konstrukcijska kućišta i kućišta
• Kućišta hladnjaka i noseće ploče za energetsku elektroniku (u električnim vozilima)

Pumpe, ventili i hardver za rukovanje tekućinom (industrijski)

• Kućišta pumpi i spirale za rukovanje kemikalijama i vodom
• Tijela ventila, kućišta sjedala i kućišta aktuatora

Odvod topline i kućišta elektronike

• Elektronička kućišta, raspršivači topline i kućišta kontrolera motora (EV trakcija/inverteri)
• Kućišta hladnjaka gdje su važni toplinska vodljivost i mala masa

Aerospace (neprimarne strukture i sekundarne komponente)

• Unutarnji nosači, kućište, kućišta avionike, neprimarne konstrukcijske ploče i oplate

Potrošač & sportska roba, elektronika

• Lagani okviri, zaštitne navlake, kućišta prijenosnih uređaja, komponente bicikla (nekritičan), tijela kamere

Industrijski strojevi i HVAC komponente

• Kućišta ventilatora, kućišta puhala, završne kape izmjenjivača topline, lagani poklopci pumpi

Specijalne aplikacije

• Kriogena oprema (gdje je mala masa prednost, ali legure moraju biti kvalificirane za niskotemperaturnu žilavost)
• Kućišta instrumenata na moru, podmorske plitke komponente (uz odgovarajuću zaštitu)

9. Prednosti i nedostaci

Prednosti lijevanih aluminijsko-magnezijskih legura

• Vrhunska otpornost na koroziju (posebno u morskim okruženjima)
• Niska gustoća i visoka specifična čvrstoća za aplikacije kritične težine
• Izvrsna plinonepropusnost za tlačne posude i zabrtvljene sustave
• Dobra obradivost za preciznu završnu obradu

Nedostaci lijevanih aluminijsko-magnezijskih legura

• Loša izvedba lijevanja s velikom tendencijom vrućeg trganja i niskom fluidnošću
• Rizik od oksidacije i uključivanje troske zahtijeva zaštitnu atmosferu
• Veći troškovi proizvodnje zbog složenosti procesa i premija za materijal
• Ograničen opseg primjene ograničen na sektore visoke vrijednosti

10. Komparativna analiza: Uloge Al–Mg vs. Natjecateljske legure

Donja tablica uspoređuje bacanje aluminij– legure magnezija (Uloge Al–Mg) s uobičajenim konkurentskim materijalima za lijevanje koji se koriste u lakim i na koroziju osjetljivim aplikacijama.

Usporedba se fokusira na ključni kriteriji inženjerske odluke nego samo nominalna svojstva materijala, omogućavanje praktičnog odabira materijala.

Sažetak odabira materijala

Odabrati lijevane legure aluminija i magnezija kada lagan, otpor korozije, i razumnu snagu potrebni su na umjerenim temperaturama.

Za ekstremna okruženja (visoka temperatura, pritisak, ili agresivnih kemikalija), nehrđajući čelik ostaje superioran, dok Al-Si legure dominirati kada složena geometrija lijevanja i isplativost su najvažniji.

11. Zaključci — praktični inženjerski zaključci

• Lijevane Al–Mg legure pružaju izvrsnu kombinaciju niske gustoće, otpornost na koroziju i odgovarajuću čvrstoću za mnoge konstrukcijske primjene — ali jesu niti jedan materijal; razlikovati obitelji lijeva s visokim udjelom magnezija od obitelji odljevaka Al–Si–Mg koji se mogu toplinski obraditi.
• Procesna disciplina je važna: zaštita od taljenja, otplinjavanje i filtracija bitni su za postizanje očekivanih mehaničkih i korozijskih učinaka.
• Mogućnost toplinske obrade je različita: Al–Si-Mg lijevane legure dobro reagiraju na otopinu + starenje (T6) i isporučiti veće snage; lijevane legure s visokim sadržajem Mg manje dobivaju od konvencionalnog starenja i više ovise o kontroli mikrostrukture i mehaničkoj obradi.
• Dizajn za lijevanje: kontrolna debljina presjeka, dovod i gatiranje kako bi se izbjegli uobičajeni nedostaci lijevanja koji najnepovoljnije utječu na zamor i koroziju.