Leghe di alluminio-magnesio pressofuso: Resistenza leggera

1. Sintesi

Il termine “fusione di alluminio-magnesio” si riferisce a due famiglie tecniche correlate ma distinte:

(UN) leghe Al-Mg colate ad alto contenuto di Mg (Lega a maggioranza di magnesio per massimizzare la resistenza alla corrosione e la resistenza specifica per parti marine/peso critiche) E (B) Leghe da fusione Al–Si–Mg (Base Al-Si con modeste aggiunte di Mg utilizzata per l'indurimento e la resistenza all'invecchiamento).

Le leghe fuse Al-Mg offrono un'eccellente resistenza alla corrosione (Soprattutto negli ambienti di cloruro), interessante rapporto resistenza-peso e buona tenacità, ma pongono sfide nella colata e nella gestione della fusione perché il Mg si ossida facilmente e può favorire la porosità se la disciplina del processo è debole.

La maggior parte delle leghe per fusione Al-Mg non sono fortemente indurite per precipitazione: il rafforzamento avviene principalmente tramite soluzione solida, controllo della microstruttura e lavorazione termomeccanica piuttosto che i percorsi T6 convenzionali utilizzati per le leghe Al-Si-Mg.

2. Cosa intendiamo per “cast Al-Mg”: famiglie e gradi comuni

Due categorie pratiche di leghe Al-Mg fuse compaiono ripetutamente nell'industria:

• Categoria A — Leghe per colata ad alto contenuto di Mg (Famiglia Al-Mg): leghe in cui il contenuto di Mg è sufficientemente elevato da dominare il comportamento alla corrosione e la densità/resistenza specifica.
  Nella letteratura e nella pratica commerciale questa classe cita comunemente Mg nel 3–6% in peso gamma con piccole aggiunte di Si (≈0,5–1,0 %) quando è necessaria una migliore colabilità. Questi sono usati dove resistenza alla corrosione / la leggerezza è primaria.
• Categoria B: leghe da fusione Al–Si–Mg (Famiglia Al-Si-Mg): leghe di fusione a base Al-Si quasi eutettiche (Si ≈ 7–12% in peso) che includono modesti Mg (≈0,2–0,8% in peso) consentire l’invecchiamento artificiale (Precipitazione di Mg₂Si) e maggiore resistenza dopo l'invecchiamento di tipo T (T6).
  Gli esempi includono leghe da lavoro del settore come A356 (Al-Si-Mg) — questi sono talvolta chiamati “getti contenenti Al–Mg” (ma sono principalmente leghe Al-Si con Mg come elemento rinforzante).

In pratica selezionerai la Categoria A in termini di resistenza alla corrosione (marino, contatto chimico) e la bassa densità sono dominanti; scegli la Categoria B quando è lanciabile, sono richieste stabilità dimensionale e resistenza al trattamento termico.

3. Composizioni chimiche tipiche

Tavolo: Intervalli di composizione tipici (Guida ingegneristica)

Note

• Gli intervalli di cui sopra sono finestre ingegneristiche pratiche: le specifiche esatte devono fare riferimento a una designazione di standard (ASTM/EN) o il certificato del fornitore.
• Le leghe per colata ad alto contenuto di Mg si avvicinano alla regione compositiva delle leghe 5xxx per lavorazione plastica, ma sono progettate per la fusione (diverso controllo delle impurità e comportamento di solidificazione).

4. Microstruttura e chimica di fase: cosa controlla le prestazioni

Attori microstrutturali primari

• Matrice α-Al (cubico a facce centrate): la fase portante primaria in tutte le leghe di Al.
• Mg in soluzione solida: Gli atomi di Mg si dissolvono in α-Al; a concentrazioni moderate rafforzano la matrice rafforzando la soluzione solida.
• Intermetallici / seconde fasi:

• • Intermetallici ricchi di Mg (Al₃Mg₂/β): può formarsi ad alti livelli di Mg e nelle regioni interdendritiche; la loro morfologia e distribuzione controllano la stabilità alle alte temperature e il comportamento alla corrosione.
  • Mg₂si (nelle leghe Al-Si-Mg): si forma durante l'invecchiamento ed è la principale fase di indurimento per precipitazione nella famiglia Al-Si-Mg.
  • Fasi contenenti ferro: Le impurità di Fe formano fragili intermetallici (Al₅FeSi, ecc.) che riducono la duttilità e possono favorire la corrosione localizzata; Il Mn viene spesso aggiunto in piccole quantità per modificare le fasi Fe.

Caratteristiche di solidificazione

• Leghe ad alto contenuto di Mg tendono ad avere un α relativamente semplice + percorso di solidificazione intermetallico ma può mostrare segregazione se il raffreddamento è lento; il raffreddamento rapido affina la struttura ma aumenta il rischio di porosità se l'alimentazione è inadeguata.
• Leghe Al–Si–Mg solidificare con α primario seguito da un α eutettico + E; Il Mg partecipa alle reazioni successive (Mg₂si) se il contenuto di Mg è sufficiente.

Collegamento microstruttura → proprietà

• Bene, seconde fasi uniformemente distribuite dare una migliore tenacità ed evitare comportamenti fragili.
• Intermetallici grossolani o segregazione degradare la fatica, duttilità e prestazioni alla corrosione. Controllo tramite pratica di fusione, gli affinatori del grano e la velocità di raffreddamento sono cruciali.

5. Principali caratteristiche prestazionali

Proprietà meccaniche (intervalli tecnici tipici: stato fuso)

I valori variano in base alla lega, Dimensione della sezione, processo di fusione e trattamento termico. Utilizza i dati dei fornitori per i numeri critici per la progettazione.

• Densità (tipico): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ per leghe di fusione Al-Mg (leggero aumento rispetto all'Al puro ~2,70).
• Resistenza alla trazione (as-cast):

• • Leghe per fusione ad alto contenuto di Mg: ~150–260 MPa (a seconda del contenuto di Mg, spessore e finitura della sezione).
  • Al-Si-Mg (lancio + T6): ~240–320 MPa (L'A356 invecchiato T6 si trova nella fascia alta).

• Forza di snervamento: all'incirca 0.5–0,8 × UTS come guida.
• Allungamento:5–15% a seconda della lega e della lavorazione, i getti ad alto contenuto di Mg mostrano generalmente una buona duttilità (tendenza monofase), Al-Si con Si grossolano mostrerà un allungamento inferiore se non modificato.
• Tenacità a fatica e frattura: buono quando la microstruttura è sana e la porosità bassa; prestazione a fatica sensibile ai difetti di fusione.

Resistenza alla corrosione

• Leghe per fusione ad alto contenuto di Mg spettacolo Eccellente resistenza alla corrosione generale, soprattutto in ambienti marini e alcalini: il Mg aumenta la resistenza alla vaiolatura rispetto alle leghe Al standard 3xxx/6xxx.
• Per ambienti ricchi di cloruri, Le leghe Al-Mg spesso superano le prestazioni delle leghe Al semplici, ma sono comunque inferiori agli acciai inossidabili e richiedono protezione superficiale nei casi più gravi.

Proprietà termiche

• La conduttività termica delle leghe Al-Mg rimane elevata (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ a seconda della lega e della microstruttura), rendendoli adatti per alloggiamenti termici e parti che dissipano il calore.

Produzione & saldatura

• Metodi di fusione: Casting di sabbia, stampo permanente, pressofusione a gravità e alcuni pressofusione ad alta pressione (con un accurato flussaggio) sono usati.
• Saldabilità: Le leghe Al-Mg sono generalmente saldabili (Gtaw, Gawn), ma la saldatura delle sezioni fuse richiede attenzione alla porosità e alla corrosione post-saldatura (utilizzare leghe d'apporto adeguate e pulizia post-saldatura).
• Machinabilità: Giusto; selezione degli utensili e velocità adattate per le leghe di alluminio.

6. Trattamenti termici e lavorazioni termiche

Quali leghe rispondono al trattamento termico?

• Leghe da fusione Al–Si–Mg (Categoria B) Sono trattabile con calore (inducendo l'età): soluzione trattare → dissetare → invecchiamento artificiale (T6) produce aumenti significativi di resistenza tramite la precipitazione di Mg₂Si.
  Orari tipici T6 per A356/A357: soluzione ~495 °C, invecchiare a 160–180 °C per diverse ore (seguire le indicazioni del fornitore).
• Leghe Al-Mg colate ad alto contenuto di Mg (Categoria A) Sono generalmente non induribile per precipitazione nella stessa misura: Il Mg è un rinforzante in soluzione solida e molte composizioni ad alto contenuto di Mg si induriscono principalmente mediante invecchiamento a deformazione o lavorazione a freddo in forme lavorate piuttosto che mediante invecchiamento T6 convenzionale.
  Il trattamento termico delle leghe colate ad alto contenuto di Mg si concentra su:

• • Omogeneizzazione per ridurre la segregazione chimica (immergere a bassa temperatura per ridistribuire il soluto).
  • Ricottura di distensione per eliminare le tensioni di fusione (temperature tipiche: ricotture modeste 300–400 ° C: i cicli esatti dipendono dalla lega e dalla sezione).
  • Trattamento accurato della soluzione: utilizzato selettivamente per alcune varianti Al-Mg fuse, ma può favorire un ingrossamento intermetallico indesiderato: consultare le schede tecniche delle leghe.

Guida pratica al trattamento termico

• Per Getti di Al-Si-Mg destinato alla forza, pianificare per soluzione + spegnere + invecchiamento (T6) e progettare con dimensioni di sezione che si dissetano in modo efficace.
• Per getti ad alto contenuto di Mg, specificare omogeneizzazione e riduzione dello stress cicli per stabilizzare la microstruttura e la stabilità dimensionale; non aspettatevi grandi guadagni legati all’invecchiamento.

7. Pratica di fonderia e considerazioni sulla lavorazione

Fusione e protezione dalla fusione

• Controllo del magnesio: Il Mg si ossida facilmente in MgO. Utilizzare flussi di copertura protettivi (flusso di sale), surriscaldamento controllato, e minimizzare la formazione di scorie.
• Temperatura di fusione: mantenersi entro gli intervalli consigliati per la lega scelta; un surriscaldamento eccessivo aumenta le perdite per combustione e la formazione di ossidi.
• Degasaggio e filtrazione: rimuovere idrogeno e ossidi (degasaggio rotativo, filtri in schiuma ceramica) per ridurre la porosità e migliorare le prestazioni meccaniche/corrosive.

Metodi di fusione

• Casting di sabbia & muffa permanente: comune per le leghe ad alto contenuto di Mg e per le parti più grandi.
• Gravità muore casting / Casting a bassa pressione: produce una migliore microstruttura e finitura superficiale; buono per le parti strutturali.
• Casting da dado ad alta pressione: utilizzato principalmente per le leghe a base Al-Si; cautela con un contenuto elevato di Mg a causa dell'ossidazione del Mg e della porosità del gas.

Difetti comuni & mitigazione

• Porosità (gas/restringimento): mitigato dal degasaggio, filtrazione, corretta progettazione del cancello e del montante, e controllando la velocità di solidificazione.
• Difetti di ossido/bifilm: controllare la turbolenza del versamento e utilizzare la filtrazione.
• Lacrime calda: gestire tramite la progettazione (evitare bruschi cambi di sezione) e controllare l'alimentazione/solidificazione.

8. Applicazioni tipiche delle leghe di alluminio-magnesio pressofuso

Alluminio cast–Le leghe di magnesio occupano un’importante via di mezzo nell’ingegneria dei metalli leggeri: combinano una densità inferiore e una migliore resistenza alla corrosione rispetto a molte leghe di alluminio con colabilità accettabile e buona tenacità.

Attrezzatura marina e offshore

• Alloggiamenti della pompa, corpi valvola e giranti per servizi con acqua dolce/salmastra
• Raccordi del mazzo, fasce di servizio, fazzoletti e protezioni nelle zone schizzi/spruzzi
• Raccordi per tubi, alloggiamenti di condensatori e armadi di servizio

Automotive e trasporti

• Staffe strutturali e controtelai (sezioni di massa ridotta)
• Corpo in componenti bianchi, alloggiamenti strutturali interni e recinzioni
• Custodie per dissipatori di calore e piastre portanti per l'elettronica di potenza (nei veicoli elettrici)

Pompe, valvole e hardware per la gestione dei fluidi (industriale)

• Corpi e volute di pompe per la movimentazione di prodotti chimici e acqua
• Corpi valvole, alloggiamenti dei sedili e alloggiamenti degli attuatori

Dissipazione del calore e custodie per l'elettronica

• Alloggi elettronici, diffusori termici e involucri di controller motore (Trazione/inverter per veicoli elettrici)
• Custodie per dissipatori di calore in cui conduttività termica e massa ridotta sono importanti

Aerospaziale (strutture non primarie e componenti secondari)

• Staffe interne, Alloggi, custodie avioniche, pannelli strutturali e carenature non primarie

Consumatore & articoli sportivi, elettronica

• Telai leggeri, involucri protettivi, alloggiamenti per dispositivi portatili, componenti della bicicletta (non critico), corpi della telecamera

Macchinari industriali e componenti HVAC

• Alloggiamenti dei ventilatori, involucri dei ventilatori, tappi terminali dello scambiatore di calore, coperture leggere della pompa

Applicazioni speciali

• Attrezzatura criogenica (dove la massa ridotta è vantaggiosa ma le leghe devono essere qualificate per la tenacità a bassa temperatura)
• Custodie per strumentazione offshore, componenti sottomarini superficiali (con una protezione adeguata)

9. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi delle leghe di alluminio fuso-magnesio

• Resistenza alla corrosione superiore (Soprattutto negli ambienti marini)
• Bassa densità ed elevata resistenza specifica per applicazioni critiche in termini di peso
• Eccellente tenuta al gas per recipienti a pressione e sistemi sigillati
• Buona lavorabilità per finiture di precisione

Svantaggi delle leghe di alluminio fuso-magnesio

• Scarse prestazioni di lancio con elevata tendenza all'hot-tear e bassa fluidità
• Rischio di ossidazione e inclusione di scorie che richiedono atmosfere protettive
• Costi di produzione più elevati dovuti alla complessità del processo e ai costi dei materiali
• Campo di applicazione limitato limitato a settori ad alto valore

10. Analisi comparativa: Cast Al-Mg vs. Leghe in competizione

La tabella seguente mette a confronto lancio alluminio–leghe di magnesio (Cast Al-Mg) con materiali di colata comunemente concorrenti utilizzati in applicazioni leggere e sensibili alla corrosione.

Il confronto si concentra su criteri decisionali chiave dell’ingegneria piuttosto che solo proprietà materiali nominali, consentendo la selezione pratica dei materiali.

Riepilogo della selezione dei materiali

Scegliere leghe di alluminio-magnesio pressofuso Quando leggero, Resistenza alla corrosione, e forza ragionevole sono necessari a temperature moderate.

Per ambienti estremi (alta temperatura, pressione, o prodotti chimici aggressivi), acciaio inossidabile rimane superiore, Mentre Al–Si alloys dominare quando geometria di fusione complessa ed efficienza dei costi sono fondamentali.

11. Conclusioni: spunti pratici di ingegneria

• Leghe Al-Mg fuse fornire un'eccellente combinazione di bassa densità, resistenza alla corrosione e resistenza adeguata per molte applicazioni strutturali, ma lo sono nemmeno un singolo materiale; distinguere le famiglie di colate ad alto contenuto di Mg dalle famiglie di colate Al-Si-Mg trattabili termicamente.
• La disciplina del processo è importante: protezione dallo scioglimento, il degasaggio e la filtrazione sono essenziali per ottenere le prestazioni meccaniche e anticorrosione previste.
• La trattabilità termica è diversa: Le leghe fuse Al-Si-Mg rispondono bene alla soluzione + invecchiamento (T6) e fornire punti di forza più elevati; le leghe colate ad alto contenuto di Mg guadagnano meno dall'invecchiamento convenzionale e dipendono maggiormente dal controllo della microstruttura e dalla lavorazione meccanica.
• Progettazione per la fusione: spessore della sezione di controllo, alimentazione e colata per evitare i comuni difetti di fusione che influiscono maggiormente negativamente sulle prestazioni di fatica e corrosione.