鋳造アルミニウム - マグネシウム合金: 軽量強度

1. エグゼクティブサマリー

“Cast aluminum–magnesium” refers to two related but distinct engineering families:

(a) high-Mg cast Al–Mg alloys (Mg-majority alloying to maximize corrosion resistance and specific strength for marine/weight-critical parts) そして (b) Al–Si–Mg casting alloys (Al–Si base with modest Mg additions used for age hardening and strength).

Al–Mg cast alloys deliver excellent corrosion resistance (特に塩化物環境で), attractive strength-to-weight and good toughness, しかし、Mg はすぐに酸化し、プロセス規律が弱い場合には多孔性を促進する可能性があるため、鋳造や溶湯の取り扱いに課題が生じます。.

ほとんどの Al-Mg 鋳造合金は析出硬化が強くありません。強化は主に固溶体によって起こります。, Al-Si-Mg 合金に使用される従来の T6 ルートではなく、微細構造制御と熱機械加工.

2. 「鋳造 Al-Mg」の意味 - 系統と共通グレード

鋳造 Al-Mg 合金の 2 つの実用的なカテゴリが業界で繰り返し登場します:

• カテゴリー A — 高マグネシウム鋳造合金 (Al-Mg系): Mg含有量が腐食挙動と比密度/強度を支配するのに十分な量である合金.
  文献や店舗での実践では、このクラスでは一般的に Mg が引用されます。 3–6重量% 少量の Si 添加による範囲 (≈0.5～1.0 %) より優れたキャスタビリティが必要な場合. 耐食性が求められる場所に使用されます。 / 軽量が第一です.
• カテゴリー B — Al-Si-Mg 鋳造合金 (Al-Si-Mg系): 近共晶Al-Si基鋳造合金 (Si ≈ 7 ～ 12 wt%) 適度なマグネシウムを含む (≈0.2～0.8 wt%) 人工的な老化を可能にする (Mg₂Siの析出) T型時効後の強度向上 (T6).
  例としては、A356 などの業界の主力合金が挙げられます。 (Al-Si-Mg) — これらは「Al-Mg含有鋳物」と呼ばれることもあります。 (ただし、主に強化元素として Mg を含む Al-Si 合金です。).

実際には、耐食性の場合はカテゴリー A を選択します。 (海兵隊, 化学的接触) と低密度が支配的です; キャスタビリティの場合はカテゴリーBを選択してください, 寸法安定性と熱処理強度が必要.

3. 代表的な化学組成

テーブル: 代表的な組成範囲 (エンジニアリングガイダンス)

メモ

• 上記の範囲は実用的なエンジニアリングウィンドウです。正確な仕様は規格指定を参照する必要があります。 (ASTM/EN) またはサプライヤーの証明書.
• 高 Mg 鋳造合金は、鍛造 5xxx 合金の組成領域に近づきますが、鋳造用に設計されています。 (異なる不純物制御と凝固挙動).

4. 微細構造と相化学 – 性能を左右するもの

主要な微細構造プレーヤー

• α-Alマトリックス (面心立方体): すべてのAl合金における主要な耐荷重相.
• 固溶体のMg: Mg原子はα-Alに溶解します; 適度な濃度では、固溶強化によってマトリックスを強化します。.
• 金属間 / 第二段階:

• • Mgが豊富な金属間化合物 (Al₃Mg₂/β): 高濃度の Mg および樹枝状領域で形成される可能性がある; その形態と分布が高温安定性と腐食挙動を制御します.
  • mg₂si (Al-Si-Mg合金の場合): 時効中に形成され、Al-Si-Mg 系の主要な析出硬化相です.
  • 鉄含有相: Fe 不純物は脆い金属間化合物を形成します (Al₅FeSi, 等) 延性が低下し、局所的な腐食が促進される可能性があります; Mn は、Fe 相を改質するために少量添加されることがよくあります。.

凝固特性

• 高マグネシウム合金 比較的単純なαを持つ傾向がある + 金属間化合物の凝固経路ですが、冷却が遅い場合は偏析が発生する可能性があります; 急速冷却は構造を微細化しますが、供給が不十分な場合は多孔性のリスクが高まります.
• Al-Si-Mg合金 初晶αで凝固し、その後共晶αで凝固する + そして; Mg はその後の反応に関与します (mg₂si) Mg含有量が十分であれば.

微細構造→特性リンク

• 大丈夫, 均一に分散された第 2 フェーズ 靭性が向上し、脆性挙動が回避されます.
• 粗大な金属間化合物または偏析 疲労を悪化させる, 延性と耐食性. メルトの実践によるコントロール, 結晶粒精製装置と冷却速度が重要です.

5. 主要なパフォーマンス特性

機械的特性 (典型的なエンジニアリング範囲 - 鋳造状態)

値は合金によって異なります, セクションサイズ, 鋳造工程と熱処理. 設計上重要な数値についてはサプライヤーのデータを使用する.

• 密度 (典型的な): 〜2.66–2.73g・cm⁻³ Al-Mg鋳造合金用 (純粋なAlと比べてわずかに増加 ~2.70).
• 抗張力 (as-cast):

• • 高マグネシウム鋳造合金: ～150～260MPa (Mg含有量に応じて, 断面の厚さと仕上げ).
  • Al-Si-Mg (キャスト + T6): ～240～320MPa (T6 エイジド A356 がトップエンドに位置します).

• 降伏強度: だいたい 0.5–0.8 × UTS ガイドとして.
• 伸長:5–15％ 合金と加工に応じて – 高マグネシウム鋳物は通常、良好な延性を示します (単相傾向), 粗大な Si を含む Al-Si は、修正しない限り伸びが低くなります.
• 疲労および破壊靱性: 微細構造が健全で気孔率が低い場合に良好; 鋳造欠陥の影響を受けやすい疲労性能.

耐食性

• 高マグネシウム鋳造合金 見せる 優れた一般腐食抵抗, 特に海洋およびアルカリ環境において - Mg は標準の 3xxx/6xxx Al 合金と比較して耐孔食性を高めます.
• 塩化物が豊富な環境向け, Al-Mg 合金は多くの場合、普通の Al 合金よりも優れていますが、それでもステンレス鋼には劣っており、厳しい場合には表面保護が必要です。.

熱特性

• Al-Mg合金の熱伝導率は依然として高い (≈ 120–180W・m⁻¹・K⁻¹ 合金化と微細構造に応じて), 熱ハウジングや放熱部品に適しています。.

製造 & 溶接

• 鋳造方法: 砂鋳造, 永久型, 重力ダイカストおよび一部の高圧ダイカスト (注意深くフラックスをかけて) 使用されています.
• 溶接性: Al-Mg 合金は一般に溶接可能です (gtaw, ゴーン), ただし、鋳造部分の溶接では気孔率と溶接後の腐食に注意する必要があります。 (適切な溶加合金を使用し、溶接後の洗浄を行う).
• 加工性: 公平; アルミニウム合金用に調整された工具の選択と速度.

6. 熱処理と熱加工

どの合金が熱処理に反応するか?

• Al-Si-Mg鋳造合金 (カテゴリーB) は 熱処理可能 (年齢層): 溶液処理→急冷→人工時効 (T6) Mg₂Si の析出により強度が大幅に向上します.
  A356/A357 の一般的な T6 スケジュール: 溶液 ~495 °C, 160 ～ 180 °C で数時間熟成 (サプライヤーのガイダンスに従ってください).
• 高マグネシウム鋳造Al-Mg合金 (カテゴリーA) は 一般に同程度の析出硬化性はありません: Mg は固溶強化剤であり、多くの高 Mg 組成物は、従来の T6 時効ではなく、主に鍛造形状でのひずみ時効または冷間加工によって硬化します。.
  鋳造高マグネシウム合金の熱処理は次の点に焦点を当てています。:

• • 均質化 化学物質の偏析を減らすため (溶質を再分配するための低温浸漬).
  • 応力除去焼鈍 鋳造応力を取り除くため (典型的な温度: 300 ～ 400 °C で適度な焼きなまし - 正確なサイクルは合金とセクションによって異なります).
  • 丁寧な溶解処理: 一部の鋳造 Al-Mg バリアントに選択的に使用されます, ただし、望ましくない金属間粗大化を促進する可能性があります - 合金のデータシートを参照してください.

実践的な熱処理指導

• のために Al-Si-Mg鋳物 強さを目的とした, の計画を立てる 解決 + クエンチ + エージング (T6) 効果的に焼入れできる断面サイズの設計.
• のために 高マグネシウム鋳物, 特定 均質化とストレス軽減 微細構造と寸法安定性を安定させるためのサイクル; 大幅な時効硬化効果は期待できません.

7. 鋳造工場の実践と加工に関する考慮事項

溶融と溶融保護

• マグネシウムの管理: Mgは容易にMgOに酸化します. 保護カバー用フラックスを使用する (塩フラックス), 制御された過熱度, ドロスの生成を最小限に抑えます.
• 溶融温度: 選択した合金の推奨範囲内に維持してください; 過度の過熱により燃焼損失が増加し、酸化物の生成が増加します.
• 脱気と濾過: 水素と酸化物を除去する (ロータリー脱気, セラミックフォームフィルター) 気孔率を減らし、機械的/腐食的性能を向上させる.

鋳造方法

• 砂鋳造 & パーマネントモールド: 高マグネシウム合金および大型部品に一般的.
• 重力ダイキャスティング / 低圧鋳造: より優れた微細構造と表面仕上げを実現; 構造部品に適しています.
• 高圧ダイキャスティング: 主にAl-Si系合金に使用; Mg の酸化とガスの多孔性による高 Mg 含有量には注意してください.

一般的な欠陥 & 緩和

• 気孔率 (ガス/収縮): 脱ガスにより軽減される, 濾過, 適切なゲートとライザーの設計, 固化速度を制御することにより.
• 酸化物/バイフィルム欠陥: 注湯の乱流を制御し、濾過を使用する.
• 熱い涙: デザインによる管理 (セクションの突然の変更を避ける) 供給・固化を制御.

8. 鋳造アルミニウム - マグネシウム合金の代表的な用途

鋳造アルミニウム–マグネシウム合金は軽金属工学において重要な中間点を占めます: 多くのアルミニウム合金に比べて密度が低く、耐食性が向上し、許容可能な鋳造性と良好な靭性を兼ね備えています。.

海洋およびオフショア機器

• ポンプハウジング, 淡水/汽水サービス用のバルブ本体とインペラ
• デッキフィッティング, サービスブラケット, 飛沫/スプレーゾーンのガセットとシュラウド
• パイプフィッティング, コンデンサーハウジングとサービスエンクロージャー

自動車および輸送

• 構造ブラケットとサブフレーム (低質量セクション)
• ホワイトコンポーネントのボディ, 内部構造ハウジングおよびエンクロージャ
• パワーエレクトロニクス用のヒートシンク ハウジングとキャリア プレート (EVで)

パンプス, バルブと流体処理ハードウェア (産業)

• 化学薬品および水処理用のポンプ ケーシングとボリュート
• バルブボディ, シートハウジングとアクチュエーターハウジング

放熱と電子機器の筐体

• 電子ハウジング, サーマルスプレッダーとモーターコントローラーエンクロージャ (EVトラクション/インバーター)
• 熱伝導率と低質量が重要なヒートシンク ハウジング

航空宇宙 (非一次構造と二次コンポーネント)

• 内側ブラケット, ハウジング, アビオニクスエンクロージャ, 非一次構造パネルおよびフェアリング

消費者 & スポーツ用品, エレクトロニクス

• 軽量フレーム, 保護ケース, ポータブルデバイスのハウジング, 自転車部品 (非クリティカル), カメラボディ

Industrial machinery and HVAC components

• ファンハウジング, ブロワーケーシング, 熱交換器エンドキャップ, 軽量ポンプカバー

Specialty applications

• 極低温装置 (質量が小さいことが有利ですが、合金は低温靱性を備えている必要があります。)
• 海洋計装ハウジング, 海底浅部コンポーネント (適切な保護を備えた状態で)

9. メリットとデメリット

Advantages of Cast Aluminum–Magnesium Alloys

• 優れた腐食抵抗 (特に海洋環境で)
• 重量が重要な用途向けの低密度および高比強度
• 圧力容器や密閉システム向けの優れた気密性
• 機械加工性が良く、精密仕上げが可能

Disadvantages of Cast Aluminum–Magnesium Alloys

• 熱間引裂傾向が高く、流動性が低いため、鋳造性能が低い
• 酸化のリスクとスラグ混入のため保護雰囲気が必要
• プロセスの複雑さと材料の割増による生産コストの上昇
• 適用範囲が高価値セクターに限定される限定的

10. 比較分析: Cast Al–Mg vs. 競合する合金

以下の表で比較します キャスト アルミニウム–マグネシウム合金 (鋳造Al-Mg) 軽量で腐食に敏感な用途で使用される一般的に競合する鋳造材料との併用.

比較の焦点は、 主要なエンジニアリング上の決定基準 公称の材料特性だけではなく, 実用的な材料選択を可能にする.

Material Selection Summary

選ぶ 鋳造アルミニウム - マグネシウム合金 いつ 軽量, 耐食性, そして適度な強度 適度な温度で必要です.

極端な環境の場合 (高温, プレッシャー, または攻撃的な化学物質), ステンレス鋼 優れたまま, その間 Al-Si合金 いつ支配するか 複雑な鋳造形状とコスト効率 最も重要です.

11. Conclusions — practical engineering takeaways

• 鋳造Al-Mg合金 低密度の優れた組み合わせを提供します, 多くの構造用途に適した耐食性と十分な強度を備えていますが、それらは 単一の材料ではありません; 高 Mg 鋳物ファミリーと Al-Si-Mg 熱処理可能な鋳物ファミリーを区別する.
• プロセス規律が重要: 溶融保護, 期待される機械的性能と腐食性能を達成するには、脱気と濾過が不可欠です.
• 熱処理性が異なる: Al-Si-Mg 鋳造合金は溶液によく反応します + エージング (T6) より高い強度を実現します; 高 Mg 鋳造合金は従来の時効による劣化が少なく、微細構造制御と機械的処理に大きく依存します。.
• 鋳造用の設計: コントロールセクションの厚さ, 疲労と腐食性能に最も悪影響を与える一般的な鋳造欠陥を回避するための供給とゲート.