Öntött alumínium-magnézium ötvözetek: Könnyű Erő

1. Vezetői összefoglaló

Az „öntött alumínium-magnézium” két rokon, de különálló mérnöki családra utal:

(A) magas magnéziumtartalmú öntött Al–Mg ötvözetek (Mg-többségű ötvözet a korrózióállóság és a fajlagos szilárdság maximalizálása érdekében a tengeri/súlykritikus alkatrészeknél) és (B) Al–Si–Mg öntőötvözetek (Al-Si alap szerény Mg adalékokkal, öregedési keményedés és szilárdság érdekében).

Az Al-Mg öntött ötvözetek kiváló korrózióállóságot biztosítanak (Különösen klorid környezetben), vonzó szilárdság/súly és jó szívósság, de kihívást jelentenek az öntéssel és az olvadékkezeléssel kapcsolatban, mivel a Mg könnyen oxidálódik, és gyenge folyamatfegyelem esetén elősegítheti a porozitást.

A legtöbb Al-Mg öntött ötvözet nem erősen csapadékkeményítő – a szilárdítás elsősorban szilárd oldattal történik, mikroszerkezet-szabályozás és termomechanikus feldolgozás az Al-Si-Mg ötvözetek hagyományos T6-utak helyett.

2. Mit értünk „öntött Al–Mg” alatt – családok és közös osztályzatok

Az öntött Al–Mg ötvözetek két gyakorlati kategóriája ismételten megjelenik az iparban:

• A kategória – Magas Mg-tartalmú öntött ötvözetek (Al–Mg család): olyan ötvözetek, amelyekben a Mg-tartalom elég magas ahhoz, hogy uralja a korróziós viselkedést és a fajlagos sűrűséget/szilárdságot.
  Az irodalomban és a bolti gyakorlatban ez az osztály gyakran idézi a Mg-t a 3–6 tömeg% tartomány kis Si-kiegészítésekkel (≈0,5–1,0 %) amikor jobb önthetőségre van szükség. Ezeket ott használják, ahol korrózióálló / a könnyű súly az elsődleges.
• B kategória – Al–Si–Mg öntvényötvözetek (Al–Si–Mg család): közel eutektikus Al–Si alapöntvény ötvözetek (Si ≈ 7-12 tömeg%) amelyek szerény magnéziumot tartalmaznak (≈0,2–0,8 tömeg%) hogy lehetővé tegye a mesterséges öregedést (Mg₂Si csapadék) és nagyobb szilárdság a T-típusú öregedés után (T6).
  Példák az ipari igásló ötvözetek, például az A356 (Al-Si-Mg) – ezeket néha „Al-Mg tartalmú öntvényeknek” is nevezik (de elsősorban Al–Si ötvözetek Mg-mal erősítő elemként).

A gyakorlatban az A kategóriát választja, ha korrózióálló (tengeri, kémiai érintkezés) és az alacsony sűrűség a domináns; válasszuk a B kategóriát a dobhatóságnál, méretstabilitás és hőkezelhető szilárdság szükséges.

3. Tipikus kémiai összetételek

Táblázat: Tipikus összetételi tartományok (műszaki útmutatás)

Megjegyzések

• A fenti tartományok praktikus mérnöki ablakok – a pontos specifikációknak hivatkozniuk kell egy szabványmegjelölésre (ASTM/EN) vagy a szállítói igazolást.
• A magas Mg-tartalmú öntött ötvözetek megközelítik a kovácsolt 5xxx ötvözetek összetételi tartományát, de öntésre tervezték őket (eltérő szennyeződésszabályozás és szilárdulási viselkedés).

4. Mikrostruktúra és fáziskémia – mi szabályozza a teljesítményt

Elsődleges mikrostrukturális szereplők

• α-Al mátrix (arcközpontú köbös): az elsődleges teherviselő fázis minden Al-ötvözetben.
• Mg szilárd oldatban: A Mg atomok α-Alban oldódnak; mérsékelt koncentrációban szilárd oldatos erősítéssel erősítik a mátrixot.
• Intermetallik / második fázisok:

• • Mg-ben gazdag intermetallikusok (Al3Mg2/β): magas Mg-szinten és interdendrites régiókban képződhetnek; morfológiájuk és eloszlásuk szabályozza a magas hőmérsékleti stabilitást és a korróziós viselkedést.
  • Mg₂si (Al–Si–Mg ötvözetekben): az öregedés során képződik, és az Al-Si-Mg család fő csapadékos keményedési fázisa.
  • Fe-tartalmú fázisok: A Fe-szennyeződések törékeny intermetallikus anyagokat képeznek (Al₅FeSi, stb.) amelyek csökkentik a rugalmasságot és elősegíthetik a helyi korróziót; Mn-t gyakran adnak hozzá kis mennyiségben a vas-fázisok módosítására.

Megszilárdulási jellemzők

• Magas Mg-tartalmú ötvözetek általában viszonylag egyszerű α-val rendelkeznek + intermetallikus megszilárdulási út, de elkülönülést mutathat, ha a hűtés lassú; A gyors hűtés finomítja a szerkezetet, de növeli a porozitás kockázatát, ha az adagolás nem megfelelő.
• Al-Si-Mg ötvözetek primer α-val megszilárdul, majd ezt követi az eutektikus α + És; A Mg részt vesz a későbbi reakciókban (Mg₂si) ha elegendő a Mg-tartalom.

Mikrostruktúra → tulajdonságok hivatkozás

• Finom, egyenletes eloszlású második fázis jobb szívósságot biztosít, és elkerüli a rideg viselkedést.
• Durva intermetallikus vagy szegregáció csökkenti a fáradtságot, hajlékonyság és korróziós teljesítmény. Vezérlés olvasztási gyakorlattal, a gabonafinomítók és a hűtési sebesség döntő fontosságú.

5. Főbb teljesítményjellemzők

Mechanikai tulajdonságok (tipikus műszaki tartományok — öntött állapot)

Az értékek ötvözetenként változnak, szakaszméret, öntési folyamat és hőkezelés. A tervezés szempontjából kritikus számokhoz használja a szállítói adatokat.

• Sűrűség (tipikus): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ Al–Mg öntött ötvözetekhez (enyhe növekedés a tiszta Al-hoz képest ~2,70).
• Szakítószilárdság (esett):

• • Magas Mg-tartalmú öntött ötvözetek: ~150-260 MPa (Mg tartalomtól függően, szelvény vastagsága és kivitele).
  • Al-Si-Mg (öntvény + T6): ~240-320 MPa (A T6 öregített A356-os tartomány a felső végén található).

• Hozamszilárdság: durván 0.5–0,8 × UTS útmutatóként.
• Meghosszabbítás:5–15% az ötvözettől és a feldolgozástól függően – a magas Mg-tartalmú öntvények jellemzően jó hajlékonyságot mutatnak (egyfázisú tendencia), Az Al-Si durva Si-vel kisebb nyúlást mutat, hacsak nem módosítják.
• Fáradtság és törésállóság: jó, ha a mikrostruktúra szilárd és alacsony a porozitása; öntési hibákra érzékeny kifáradási teljesítmény.

Korrózióállóság

• Magas Mg-tartalmú öntött ötvözetek megmutat Kiváló általános korrózióállóság, különösen tengeri és lúgos környezetben – a magnézium növeli a lyukasztási ellenállást a szabványos 3xxx/6xxx Al ötvözetekhez képest.
• Kloridban gazdag környezetekhez, Az Al-Mg ötvözetek gyakran felülmúlják a sima Al-ötvözeteket, de még mindig gyengébbek a rozsdamentes acéloknál, és súlyos esetekben felületvédelmet igényelnek.

Termikus tulajdonságok

• Az Al–Mg ötvözetek hővezető képessége továbbra is magas (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ az ötvözettől és a mikroszerkezettől függően), alkalmassá téve azokat termikus házakhoz és hőleadó alkatrészekhez.

Gyártás & hegesztés

• Öntési módszerek: homoköntés, állandó penész, gravitációs présöntés és néhány nagynyomású présöntés (gondos folyósítással) használják.
• Hegesztés: Az Al–Mg ötvözetek általában hegeszthetők (GTAW, Harapás), de az öntött szakaszok hegesztése figyelmet igényel a porozitásra és a hegesztés utáni korrózióra (megfelelő töltőötvözeteket és hegesztés utáni tisztítást használjon).
• Megmunkálhatóság: igazságos; szerszámválasztás és az alumíniumötvözetekhez beállított fordulatszámok.

6. Hőkezelés és hőkezelés

Mely ötvözetek reagálnak a hőkezelésre?

• Al–Si–Mg öntött ötvözetek (B kategória) vannak hőkezelhető (életkorra nehezedő): oldatos kezelés → oltás → mesterséges öregítés (T6) jelentős szilárdságnövekedést produkál a Mg2Si kiválása révén.
  Tipikus T6 menetrendek az A356/A357 számára: oldat ~495 °C, 160-180 °C-on néhány órán át érleljük (kövesse a szállítói útmutatást).
• Magas Mg-tartalmú öntött Al-Mg ötvözetek (A kategória) vannak általában nem ugyanolyan mértékben keményedik a csapadékban: A Mg szilárd oldatos erősítőszer, és sok magas Mg-tartalmú készítmény elsősorban feszített öregítéssel vagy kovácsolt formában hideg munkával keményedik meg, nem pedig a hagyományos T6 öregítéssel..
  Az öntött, magas Mg-tartalmú ötvözetek hőkezelése a:

• • Homogenizálás a kémiai szegregáció csökkentésére (alacsony hőmérsékletű áztatás az oldott anyag újraelosztására).
  • Stresszoldó lágyítás az öntési feszültségek eltávolítására (tipikus hőmérsékletek: szerény hőkezelés 300-400 °C - a pontos ciklusok az ötvözettől és a metszettől függenek).
  • Gondos oldatkezelés: egyes öntött Al–Mg változatokhoz szelektíven alkalmazzák, de elősegítheti a nemkívánatos intermetallikus durvulást – tekintse meg az ötvözet adatlapjait.

Gyakorlati hőkezelési útmutató

• Mert Al–Si–Mg öntvények erőre szánták, tervére megoldás + eloltás + öregedés (T6) és hatékonyan kioltó szakaszméretekkel tervezzen.
• Mert magas Mg-tartalmú öntvények, meghatároz homogenizálás és stresszoldás ciklusok a mikrostruktúra és a méretstabilitás stabilizálására; ne számítsunk nagy öregedést okozó nyereségre.

7. Öntödei gyakorlat és feldolgozási szempontok

Olvadás- és olvadásvédelem

• Magnézium szabályozás: A Mg könnyen oxidálódik MgO-vá. Használjon védőburkolatot (sófolyadék), szabályozott túlhevítés, és minimalizálja a salakképződést.
• Olvadási hőmérséklet: tartsa a választott ötvözethez ajánlott tartományokat; a túlzott túlmelegedés növeli az égési veszteségeket és az oxidképződést.
• Gáztalanítás és szűrés: távolítsa el a hidrogént és az oxidokat (rotációs gáztalanítás, kerámia habszűrők) a porozitás csökkentésére és a mechanikai/korróziós teljesítmény javítására.

Öntési módszerek

• Homoköntés & állandó-penész: gyakori a magas Mg-tartalmú ötvözetek és a nagyobb alkatrészek esetében.
• Gravitációs halálos casting / alacsony nyomású öntvény: jobb mikroszerkezetet és felületi minőséget eredményez; jó szerkezeti részekhez.
• Nagynyomású szerszám casting: főleg Al-Si alapú ötvözetekhez használják; óvatosság a magas Mg tartalommal a Mg oxidáció és a gáz porozitása miatt.

Általános hibák & enyhítése

• Porozitás (gáz/zsugorodás): gáztalanítással mérsékelhető, szűrés, megfelelő kapuzat és felszálló kialakítás, és a megszilárdulási sebesség szabályozásával.
• Oxid/bifilm hibák: szabályozza az öntés turbulenciáját és használjon szűrést.
• Forró szakadás: tervezésen keresztül kezelni (kerülje a hirtelen szakaszváltásokat) és szabályozza az etetést/szilárdulást.

8. Az alumínium-magnézium ötvözetek tipikus alkalmazásai

Öntött alumínium– A magnéziumötvözetek fontos középutat foglalnak el a könnyűfém mérnöki munkában: egyesítik az alacsonyabb sűrűséget és a jobb korrózióállóságot számos alumíniumötvözethez képest elfogadható önthetőség és jó szívósság mellett.

Tengeri és tengeri berendezések

• Szivattyúház, szeleptestek és járókerekek édes-/sóvíz szolgáltatáshoz
• Fedélzeti szerelvények, szerviz tartókonzolok, szegélyek és burkolatok a fröccsenő/permetező zónákban
• Csőszerelvények, kondenzátorházak és szervizházak

Autóipar és közlekedés

• Szerkezeti konzolok és segédkeretek (kis tömegű szakaszok)
• A test fehér alkatrészekből készült, belső szerkezeti házak és burkolatok
• Hűtőbordaházak és tartólemezek teljesítményelektronikához (elektromos járművekben)

Szivattyúk, szelepek és folyadékkezelő hardverek (ipari)

• Szivattyúházak és spirálok vegyszer- és vízkezeléshez
• Szeleptestek, ülésházak és aktuátorházak

Hőelvezető és elektronikai házak

• Elektronikus házak, hőszórók és motorvezérlők burkolatai (EV vontatás/inverterek)
• Hűtőbordaházak, ahol fontos a hővezető képesség és a kis tömeg

Repülőgép (nem elsődleges szerkezetek és másodlagos alkatrészek)

• Belső konzolok, házak, repüléselektronikai burkolatok, nem elsődleges szerkezeti panelek és burkolatok

Fogyasztó & sportcikkek, elektronika

• Könnyű keretek, védőburkolatok, hordozható készülékházak, kerékpár alkatrészek (nem kritikus), kameratest

Ipari gépek és HVAC alkatrészek

• Ventilátorházak, légfúvó burkolatok, hőcserélő végsapkák, könnyű szivattyúfedelek

Speciális alkalmazások

• Kriogén berendezések (ahol az alacsony tömeg előnyös, de az ötvözeteket alacsony hőmérsékleten való szívósságra minősíteni kell)
• Offshore műszerházak, tenger alatti sekély alkatrészek (megfelelő védelemmel)

9. Előnyök és hátrányok

Öntött alumínium-magnézium ötvözetek előnyei

• Kiemelkedő korrózióállóság (Különösen a tengeri környezetben)
• Alacsony sűrűség és nagy fajlagos szilárdság a súlykritikus alkalmazásokhoz
• Kiváló gáztömörség nyomástartó edényekhez és zárt rendszerekhez
• Jó megmunkálhatóság a precíziós simításhoz

Az öntött alumínium-magnézium ötvözetek hátrányai

• Gyenge öntési teljesítmény magas forró szakadási hajlam és alacsony folyékonyság mellett
• Oxidációs kockázat és salakzárvány, amely védőatmoszférát igényel
• Magasabb gyártási költségek a folyamat összetettsége és az anyagprémiumok miatt
• Korlátozott alkalmazási kör a nagy értékű ágazatokra korlátozódik

10. Összehasonlító elemzés: Öntött Al-Mg vs. Versengő ötvözetek

Az alábbi táblázat összehasonlítja öntvény alumínium-magnéziumötvözetek (Öntött Al–Mg) gyakran versengő öntvényanyagokkal, amelyeket könnyű és korrózióérzékeny alkalmazásokban használnak.

Az összehasonlítás arra összpontosít kulcsfontosságú mérnöki döntési kritériumok nem pedig csak névleges anyagtulajdonságokat, gyakorlati anyagválasztást tesz lehetővé.

Anyagválasztási összefoglaló

Választ öntött alumínium-magnézium ötvözetek amikor könnyűsúlyú, korrózióállóság, és ésszerű erővel mérsékelt hőmérsékleten szükségesek.

Szélsőséges környezetekhez (magas hőmérséklet, nyomás, vagy agresszív vegyszerek), rozsdamentes acél felsőbbrendű marad, míg Al-Si ötvözetek uralni mikor összetett öntési geometria és költséghatékonyság legfontosabbak.

11. Következtetések – gyakorlati mérnöki kivonatok

• Öntött Al-Mg ötvözetek az alacsony sűrűség kiváló kombinációját biztosítják, korrózióállóság és megfelelő szilárdság számos szerkezeti alkalmazáshoz – de igen egyetlen anyag sem; megkülönböztetni a magas magnéziumtartalmú öntvénycsaládokat az Al–Si–Mg hőkezelhető öntvénycsaládoktól.
• A folyamatok fegyelme számít: olvadás elleni védelem, a gáztalanítás és a szűrés elengedhetetlen a várt mechanikai és korróziós teljesítmény eléréséhez.
• A hőkezelés eltérő: Az Al-Si-Mg öntött ötvözetek jól reagálnak az oldatra + öregedés (T6) és nagyobb erőket biztosítanak; A magas Mg-tartalmú öntött ötvözetek kevesebbet nyernek a hagyományos öregedésből, és jobban függenek a mikroszerkezet-szabályozástól és a mechanikai feldolgozástól.
• Tervezés öntéshez: ellenőrzési szakasz vastagsága, adagolás és kapuzás a gyakori öntési hibák elkerülése érdekében, amelyek a leginkább befolyásolják a fáradtságot és a korróziós teljesítményt.