Gegoten aluminium-magnesiumlegeringen: Lichtgewicht sterkte

1. Samenvatting

“Gegoten aluminium-magnesium” verwijst naar twee verwante maar verschillende technische families:

(A) gegoten Al-Mg-legeringen met hoog Mg-gehalte (Legering met een meerderheid van Mg om de corrosieweerstand en specifieke sterkte voor maritieme/gewichtskritische onderdelen te maximaliseren) En (B) Al-Si-Mg-gietlegeringen (Al-Si-basis met bescheiden Mg-toevoegingen gebruikt voor verouderingsharding en sterkte).

Al-Mg-gietlegeringen bieden uitstekende corrosieweerstand (vooral in chloride -omgevingen), aantrekkelijke sterkte-gewicht en goede taaiheid, maar ze vormen uitdagingen bij het gieten en smelten, omdat Mg gemakkelijk oxideert en de porositeit kan bevorderen als de procesdiscipline zwak is.

De meeste Al-Mg-gietlegeringen zijn niet sterk precipitatiehardend - versterking vindt voornamelijk plaats door vaste oplossing, microstructuurcontrole en thermomechanische verwerking in plaats van conventionele T6-routes die worden gebruikt voor Al-Si-Mg-legeringen.

2. Wat we bedoelen met ‘cast Al-Mg’ – gezinnen en gewone cijfers

Twee praktische categorieën gegoten Al-Mg-legeringen verschijnen herhaaldelijk in de industrie:

• Categorie A — Gietlegeringen met een hoog Mg-gehalte (Al-Mg-familie): legeringen waarin het Mg-gehalte hoog genoeg is om het corrosiegedrag en de specifieke dichtheid/sterkte te domineren.
  In de literatuur en de winkelpraktijk citeert deze klasse gewoonlijk Mg in de 3–6 gew.% bereik met kleine Si-toevoegingen (≈0,5–1,0 %) wanneer een betere gietbaarheid nodig is. Deze worden gebruikt waar corrosiebestendigheid / lichtgewicht is primair.
• Categorie B — Al-Si-Mg-gietlegeringen (Al-Si-Mg-familie): bijna-eutectische gietlegeringen op Al-Si-basis (Si ≈ 7–12 gew.%) waaronder bescheiden Mg (≈0,2–0,8 gew.%) kunstmatige veroudering mogelijk te maken (Mg₂Si-neerslag) en hogere sterkte na veroudering van het T-type (T6).
  Voorbeelden hiervan zijn industriële werkpaardlegeringen zoals A356 (Al-Si-Mg) — deze worden soms “Al-Mg-bevattende gietstukken” genoemd (maar het zijn voornamelijk Al-Si-legeringen met Mg als versterkend element).

In de praktijk kies je bij corrosiebestendigheid voor Categorie A (marien, chemisch contact) en lage dichtheid zijn dominant; kies Categorie B bij gietbaarheid, maatvastheid en warmtebehandelbare sterkte zijn vereist.

3. Typische chemische samenstellingen

Tafel: Typische compositiebereiken (Technische begeleiding)

Opmerkingen

• De bovenstaande bereiken zijn praktische technische vensters; exacte specificaties moeten verwijzen naar een standaardaanduiding (ASTM/EN) of het leverancierscertificaat.
• Gietlegeringen met een hoog Mg-gehalte benaderen het samenstellingsgebied van gesmede 5xxx-legeringen, maar zijn ontworpen voor gieten (verschillend onzuiverheidscontrole- en stollingsgedrag).

4. Microstructuur en fasechemie: wat de prestaties regelt

Primaire microstructurele spelers

• α-Al-matrix (gezicht-gecentreerde kubus): de primaire dragende fase in alle Al-legeringen.
• Mg in vaste oplossing: Mg-atomen lossen op in α-Al; bij gematigde concentraties versterken ze de matrix door versterking van vaste oplossingen.
• Intermetallics / tweede fasen:

• • Mg-rijke intermetallische stoffen (Al₃Mg₂/β): kan zich vormen bij hoge Mg-niveaus en in interdendritische gebieden; hun morfologie en distributie regelen de stabiliteit bij hoge temperaturen en het corrosiegedrag.
  • Mg₂si (in Al-Si-Mg-legeringen): ontstaat tijdens veroudering en is de belangrijkste fase van precipitatieharding in de Al-Si-Mg-familie.
  • Fe-dragende fasen: Fe-onzuiverheden vormen broze intermetallische verbindingen (Al₅FeSi, enz.) die de ductiliteit verminderen en plaatselijke corrosie kunnen bevorderen; Mn wordt vaak in kleine hoeveelheden toegevoegd om Fe-fasen te modificeren.

Stollingseigenschappen

• Legeringen met een hoog Mg-gehalte hebben meestal een relatief eenvoudige α + intermetallisch stollingspad, maar kan segregatie vertonen als de koeling traag is; snelle koeling verfijnt de structuur, maar verhoogt het risico op porositeit als de voeding onvoldoende is.
• Al-Si-Mg-legeringen stollen met primaire α gevolgd door een eutectische α + En; Mg neemt deel aan latere reacties (Mg₂si) als het Mg-gehalte voldoende is.

Microstructuur → eigenschappenlink

• Prima, gelijkmatig verdeelde tweede fasen geven een betere taaiheid en vermijden broos gedrag.
• Grove intermetallische verbindingen of segregatie vermoeidheid verminderen, ductiliteit en corrosieprestaties. Controle via smeltoefening, graanraffinaderijen en koelsnelheid zijn cruciaal.

5. Belangrijkste prestatiekenmerken

Mechanische eigenschappen (typische technische reeksen - gegoten staat)

Waarden variëren per legering, Sectiegrootte, gietproces en warmtebehandeling. Gebruik leveranciersgegevens voor ontwerpkritische cijfers.

• Dikte (typisch): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ voor Al-Mg-gietlegeringen (lichte stijging vergeleken met zuiver Al ~2,70).
• Treksterkte (als afgewassen):

• • Gietlegeringen met een hoog Mg-gehalte: ~150–260 MPa (afhankelijk van het Mg-gehalte, sectiedikte en afwerking).
  • Al-Si-Mg (vorm + T6): ~240–320 MPa (T6-oudere A356-reeksen aan de bovenkant).

• Levert kracht op: ruwweg 0.5–0,8 × UTS als gids.
• Verlenging:5–15% afhankelijk van de legering en de verwerking vertonen gietstukken met een hoog Mg-gehalte doorgaans een goede ductiliteit (eenfasige tendens), Al-Si met grof Si zal een lagere rek vertonen, tenzij het wordt gewijzigd.
• Vermoeidheid en breuktaaiheid: goed als de microstructuur gezond is en de porositeit laag; vermoeiingsprestaties die gevoelig zijn voor gietfouten.

Corrosieweerstand

• Gietlegeringen met een hoog Mg-gehalte show Uitstekende algemene corrosieweerstand, vooral in maritieme en alkalische omgevingen — Mg verhoogt de putweerstand vergeleken met standaard 3xxx/6xxx Al-legeringen.
• Voor chloorrijke omgevingen, Al-Mg-legeringen presteren vaak beter dan gewone Al-legeringen, maar zijn nog steeds inferieur aan roestvrij staal en vereisen in ernstige gevallen oppervlaktebescherming.

Thermische eigenschappen

• De thermische geleidbaarheid van Al-Mg-legeringen blijft hoog (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ afhankelijk van legering en microstructuur), waardoor ze geschikt zijn voor thermische behuizingen en warmteafvoerende onderdelen.

Fabrikant & las

• Gietmethoden: zandgieten, permanente mal, zwaartekrachtgieten en sommige hogedrukspuitgieten (met voorzichtig vloeien) worden gebruikt.
• Lasbaarheid: Al-Mg-legeringen zijn over het algemeen lasbaar (GTAW, Gawn), maar het lassen van gegoten profielen vereist aandacht voor porositeit en corrosie na het lassen (gebruik geschikte vullegeringen en reiniging na het lassen).
• Machinaliteit: eerlijk; gereedschapsselectie en snelheden aangepast voor aluminiumlegeringen.

6. Warmtebehandeling en thermische verwerking

Welke legeringen reageren op warmtebehandeling?

• Al-Si-Mg-gietlegeringen (Categorie B) Zijn warmte-behandelbaar (leeftijdshardend): oplossing behandelen → blussen → kunstmatige veroudering (T6) produceert aanzienlijke sterktetoename door precipitatie van Mg₂Si.
  Typische T6-schema's voor A356/A357: oplossing ~495 °C, gedurende enkele uren bij 160–180 °C laten rijpen (volg de richtlijnen van de leverancier).
• Hoog-Mg gegoten Al-Mg-legeringen (Categorie A) Zijn doorgaans niet in dezelfde mate precipitatiehardbaar: Mg is een versterkingsmiddel in vaste oplossingen en veel samenstellingen met een hoog Mg-gehalte verharden voornamelijk door spanningsveroudering of koud werk in bewerkte vormen in plaats van conventionele T6-veroudering.
  Warmtebehandeling voor gegoten legeringen met een hoog Mg-gehalte richt zich op:

• • Homogenisering chemische segregatie te verminderen (weken bij lage temperatuur om de opgeloste stof opnieuw te verdelen).
  • Stress-verlichting gloeien om gietspanningen weg te nemen (typische temperaturen: bescheiden gloeien 300–400 °C — exacte cycli zijn afhankelijk van legering en sectie).
  • Zorgvuldige oplossingsbehandeling: selectief gebruikt voor sommige gegoten Al-Mg-varianten, maar kan ongewenste intermetallische verruwing bevorderen - raadpleeg de gegevensbladen van de legering.

Praktische begeleiding bij warmtebehandeling

• Voor Al-Si-Mg-gietstukken bedoeld voor kracht, plannen voor oplossing + uitdoven + veroudering (T6) en ontwerp met sectiegroottes die effectief doven.
• Voor gietstukken met een hoog Mg-gehalte, specificeren homogenisering en stressverlichting cycli om de microstructuur en dimensionale stabiliteit te stabiliseren; verwacht geen grote vergrijzingswinsten.

7. Gieterijpraktijk en verwerkingsoverwegingen

Smelten en smeltbescherming

• Magnesiumcontrole: Mg oxideert gemakkelijk tot MgO. Gebruik beschermende vloeimiddelen (zout flux), gecontroleerde oververhitting, en minimaliseer de vorming van schuim.
• Smelttemperatuur: blijf binnen het aanbevolen bereik voor de gekozen legering; overmatige oververhitting verhoogt de verbrandingsverliezen en de vorming van oxiden.
• Ontgassing en filtratie: waterstof en oxiden verwijderen (roterende ontgassing, keramische schuimfilters) om de porositeit te verminderen en de mechanische/corrosieprestaties te verbeteren.

Gietmethoden

• Zandgieten & permanente schimmel: gebruikelijk voor legeringen met een hoog Mg-gehalte en voor grotere onderdelen.
• Gravity Die casting / lage druk gieting: produceert een betere microstructuur en oppervlakteafwerking; goed voor structurele onderdelen.
• Hogedruk die gieten: voornamelijk gebruikt voor legeringen op basis van Al-Si; voorzichtigheid met een hoog Mg-gehalte vanwege Mg-oxidatie en gasporositeit.

Veel voorkomende gebreken & verzachting

• Porositeit (gas/krimp): verzacht door ontgassing, filtratie, het juiste poort- en stijgleidingontwerp, en door het beheersen van de stollingssnelheid.
• Oxide-/bifilmdefecten: controleer de gietturbulentie en gebruik filtratie.
• Hete scheuren: beheren via ontwerp (vermijd abrupte sectiewisselingen) en controle van voeding/stolling.

8. Typische toepassingen van gegoten aluminium-magnesiumlegeringen

Aluminium gegoten–magnesiumlegeringen nemen een belangrijke middenpositie in in de lichtmetaaltechniek: ze combineren een lagere dichtheid en verbeterde corrosieweerstand in vergelijking met veel aluminiumlegeringen met acceptabele gietbaarheid en goede taaiheid.

Mariene en offshore apparatuur

• Pompbehuizingen, kleplichamen en waaiers voor zoet/brakwatervoorziening
• Dekfittingen, service beugels, inzetstukken en omhulsels in spat-/sproeizones
• Pijpfittingen, condensorbehuizingen en servicebehuizingen

Automobiel en transport

• Structurele beugels en subframes (secties met lage massa)
• Lichaam in witte componenten, structurele binnenbehuizingen en behuizingen
• Koellichaambehuizingen en draagplaten voor vermogenselektronica (in EV’s)

Pompen, kleppen en hardware voor vloeistofbehandeling (industrieel)

• Pomphuizen en slakkenhuis voor chemicaliën- en waterbehandeling
• Kleplichamen, zittingbehuizingen en actuatorbehuizingen

Warmteafvoer en elektronicabehuizingen

• Elektronische behuizingen, thermische spreiders en motorcontrollerbehuizingen (EV-tractie/omvormers)
• Koellichaambehuizingen waarbij thermische geleidbaarheid en lage massa belangrijk zijn

Ruimtevaart (niet-primaire structuren en secundaire componenten)

• Binnenbeugels, behuizingen, luchtvaartelektronica behuizingen, niet-primaire structurele panelen en stroomlijnkappen

Consument & sportgoederen, elektronica

• Lichtgewicht kozijnen, beschermende behuizingen, behuizingen voor draagbare apparaten, fiets onderdelen (niet-kritisch), cameralichamen

Industriële machines en HVAC-componenten

• Ventilatorbehuizingen, ventilatorbehuizingen, eindkappen van de warmtewisselaar, lichtgewicht pompdeksels

Speciale toepassingen

• Cryogene apparatuur (waar een lage massa voordelig is, maar legeringen moeten worden gekwalificeerd voor taaiheid bij lage temperaturen)
• Offshore instrumentatiebehuizingen, onderzeese ondiepe componenten (met voldoende bescherming)

9. Voordelen en nadelen

Voordelen van gegoten aluminium-magnesiumlegeringen

• Superieure corrosieweerstand (vooral in mariene omgevingen)
• Lage dichtheid en hoge specifieke sterkte voor gewichtskritische toepassingen
• Uitstekende gasdichtheid voor drukvaten en gesloten systemen
• Goede bewerkbaarheid voor nauwkeurige afwerking

Nadelen van gegoten aluminium-magnesiumlegeringen

• Slechte gietprestaties met hoge neiging tot heetscheuren en lage vloeibaarheid
• Oxidatierisico en slakkeninsluiting vereisen een beschermende atmosfeer
• Hogere productiekosten als gevolg van procescomplexiteit en materiaalpremies
• Beperkt toepassingsgebied beperkt tot hoogwaardige sectoren

10. Vergelijkende analyse: Cast Al-Mg vs. Concurrerende legeringen

De onderstaande tabel vergelijkt vorm aluminium–magnesiumlegeringen (Cast Al-Mg) met vaak concurrerende gietmaterialen die worden gebruikt in lichtgewicht en corrosiegevoelige toepassingen.

De vergelijking concentreert zich op belangrijkste technische beslissingscriteria in plaats van alleen nominale materiaaleigenschappen, maakt praktische materiaalkeuze mogelijk.

Samenvatting materiaalselectie

Kiezen gegoten aluminium-magnesiumlegeringen wanneer lichtgewicht, corrosieweerstand, en redelijke kracht zijn vereist bij gematigde temperaturen.

Voor extreme omgevingen (hoge temperatuur, druk, of agressieve chemicaliën), roestvrij staal blijft superieur, terwijl Al-Si-legeringen domineren wanneer complexe gietgeometrie en kostenefficiëntie zijn van het grootste belang.

11. Conclusies - praktische technische afhaalpunten

• Gegoten Al-Mg-legeringen bieden een uitstekende combinatie van lage dichtheid, corrosiebestendigheid en voldoende sterkte voor veel structurele toepassingen, maar dat is wel zo geen enkel materiaal; maak een onderscheid tussen gegoten families met een hoog Mg-gehalte en Al-Si-Mg warmtebehandelbare gietfamilies.
• Procesdiscipline is belangrijk: bescherming tegen smelten, ontgassing en filtratie zijn essentieel om de verwachte mechanische en corrosieprestaties te bereiken.
• Warmtebehandelbaarheid verschilt: Al-Si-Mg-gietlegeringen reageren goed op oplossing + veroudering (T6) en hogere sterktes leveren; Gietlegeringen met een hoog Mg-gehalte profiteren minder van conventionele veroudering en zijn meer afhankelijk van microstructuurcontrole en mechanische verwerking.
• Ontwerp voor gieten: dikte van de controlesectie, voeden en poorten om veelvoorkomende gietfouten te voorkomen die de vermoeidheids- en corrosieprestaties het meest negatief beïnvloeden.