Støpte aluminium-magnesiumlegeringer: Lett styrke

1. Sammendrag

"Støpt aluminium-magnesium" refererer til to beslektede, men distinkte ingeniørfamilier:

(EN) høy-Mg støpte Al-Mg legeringer (Mg-majoritetslegering for å maksimere korrosjonsmotstand og spesifikk styrke for marine/vektkritiske deler) og (B) Al–Si–Mg støpelegeringer (Al–Si-base med beskjedne Mg-tilsetninger brukt for aldersherding og styrke).

Al-Mg støpte legeringer gir utmerket korrosjonsbestandighet (Spesielt i kloridmiljøer), attraktiv styrke-til-vekt og god seighet, men de utgjør støpe- og smeltehåndteringsutfordringer fordi Mg oksiderer lett og kan fremme porøsitet hvis prosessdisiplinen er svak.

De fleste Al-Mg støpte legeringer er ikke sterkt nedbørsherdende - forsterkning skjer først og fremst ved fast løsning, mikrostrukturkontroll og termomekanisk prosessering i stedet for konvensjonelle T6-ruter brukt for Al-Si-Mg-legeringer.

2. Hva vi mener med "cast Al-Mg" - familier og vanlige karakterer

To praktiske kategorier av støpte Al-Mg-legeringer dukker opp gjentatte ganger i industrien:

• Kategori A — Høy-Mg støpte legeringer (Al-Mg-familien): legeringer hvor Mg-innholdet er høyt nok til å dominere korrosjonsadferd og spesifikk tetthet/styrke.
  I litteratur og butikkpraksis siterer denne klassen ofte Mg i 3–6 vekt% rekkevidde med små Si-tilsetninger (≈0,5–1,0 %) når bedre støping er nødvendig. Disse brukes der korrosjonsbestandighet / lett vekt er primær.
• Kategori B – Al–Si–Mg støpelegeringer (Al–Si–Mg-familien): nesten eutektiske Al-Si-baserte støpte legeringer (Si ≈ 7–12 vekt%) som inkluderer beskjedne Mg (≈0,2–0,8 vekt%) for å tillate kunstig aldring (Mg₂Si-utfelling) og høyere styrke etter aldring av T-type (T6).
  Eksempler inkluderer industriarbeidshestlegeringer som A356 (Al-Si-Mg) - disse kalles noen ganger "Al-Mg-holdige støpegods" (men er først og fremst Al–Si-legeringer med Mg som forsterkende element).

I praksis vil du velge kategori A ved korrosjonsbestandighet (Marine, kjemisk kontakt) og lav tetthet er dominerende; velg kategori B ved støpbarhet, dimensjonsstabilitet og varmebehandlebar styrke er nødvendig.

3. Typiske kjemiske sammensetninger

Bord: Typiske komposisjonsområder (Ingeniørveiledning)

Notater

• Områdene ovenfor er praktiske tekniske vinduer - eksakte spesifikasjoner må referere til en standardbetegnelse (ASTM/EN) eller leverandørens sertifikat.
• Høy-Mg støpte legeringer nærmer seg sammensetningsområdet til smidde 5xxx legeringer, men er konstruert for støping (ulik urenhetskontroll og størkningsadferd).

4. Mikrostruktur og fasekjemi - hva som styrer ytelsen

Primære mikrostrukturelle aktører

• a-Al matrise (ansiktssentrert kubikk): den primære bærende fasen i alle Al-legeringer.
• Mg i fast løsning: Mg-atomer oppløses i α-Al; ved moderate konsentrasjoner styrker de matrisen ved fast-løsning-styrking.
• Intermetallics / andre faser:

• • Mg-rike intermetalliske materialer (Al3Mg2/p): kan dannes ved høye Mg-nivåer og ved interdendritiske regioner; deres morfologi og distribusjon kontrollerer høytemperaturstabilitet og korrosjonsadferd.
  • Mg₂si (i Al–Si–Mg-legeringer): dannes under aldring og er den viktigste nedbørsherdingsfasen i Al-Si-Mg-familien.
  • Fe-bærende faser: Fe-urenheter danner sprø intermetalliske forbindelser (Al₅FeSi, etc.) som reduserer duktiliteten og kan fremme lokal korrosjon; Mn tilsettes ofte i små mengder for å modifisere Fe-faser.

Størkningsegenskaper

• Høy-Mg legeringer har en relativt enkel α + intermetallisk størkningsbane, men kan vise segregering hvis kjølingen er treg; rask avkjøling foredler strukturen, men øker risikoen for porøsitet hvis fôringen er utilstrekkelig.
• Al-Si-Mg-legeringer stivne med primær α etterfulgt av en eutektisk α + Og; Mg deltar i senere reaksjoner (Mg₂si) hvis Mg-innholdet er tilstrekkelig.

Mikrostruktur → egenskaper lenke

• Fin, jevnt fordelte andre faser gi bedre seighet og unngå sprø oppførsel.
• Grove intermetalliske materialer eller segregering nedbryte tretthet, duktilitet og korrosjonsytelse. Kontroll via smelteøvelse, kornraffinører og kjølehastighet er avgjørende.

5. Nøkkelytelsesegenskaper

Mekaniske egenskaper (typiske ingeniørområder - støpt tilstand)

Verdiene varierer etter legering, Seksjonsstørrelse, støpeprosess og varmebehandling. Bruk leverandørdata for designkritiske tall.

• Tetthet (typisk): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ for Al-Mg støpte legeringer (svak økning versus ren Al ~2,70).
• Strekkfasthet (som støpt):

• • Høy-Mg støpte legeringer: ~150–260 MPa (avhengig av Mg-innhold, seksjonstykkelse og finish).
  • Al-Si-Mg (støpe + T6): ~240–320 MPa (T6 alderen A356 rekker i den øvre enden).

• Avkastningsstyrke: omtrent 0.5–0,8 × UTS som en guide.
• Forlengelse:5–15% avhengig av legering og prosessering - høy-Mg støpegods viser vanligvis god duktilitet (enfase tendens), Al–Si med grov Si vil vise lavere forlengelse med mindre den er modifisert.
• Tretthet og bruddseighet: bra når mikrostrukturen er lyd og porøsiteten lav; tretthetsytelse som er følsom for støpefeil.

Korrosjonsmotstand

• Høy-Mg støpte legeringer vise Utmerket generell korrosjonsmotstand, spesielt i marine og alkaliske miljøer - Mg øker gropmotstanden sammenlignet med standard 3xxx/6xxx Al-legeringer.
• For kloridrike miljøer, Al-Mg-legeringer overgår ofte vanlige Al-legeringer, men er fortsatt dårligere enn rustfritt stål og krever overflatebeskyttelse i alvorlige tilfeller.

Termiske egenskaper

• Varmeledningsevnen til Al-Mg-legeringer er fortsatt høy (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ avhengig av legering og mikrostruktur), gjør dem egnet for termiske hus og varmeavledende deler.

Produksjon & sveising

• Støpemetoder: Sandstøping, permanent form, gravitasjonsstøping og noe høytrykkspressstøping (med forsiktig flussing) brukes.
• Sveisbarhet: Al-Mg-legeringer er generelt sveisbare (Gtaw, Gawn), men sveising av støpte seksjoner krever oppmerksomhet på porøsitet og korrosjon etter sveising (bruk passende fylllegeringer og rengjøring etter sveising).
• Maskinbarhet: rettferdig; verktøyvalg og hastigheter justert for aluminiumslegeringer.

6. Varmebehandling og termisk behandling

Hvilke legeringer reagerer på varmebehandling?

• Al–Si–Mg støpte legeringer (Kategori B) er Varmebehandlingen (aldersherding): løsning behandle → slukke → kunstig aldring (T6) produserer betydelig styrkeøkning via utfelling av Mg2Si.
  Typiske T6-planer for A356/A357: løsning ~495 °C, eldes ved 160–180 °C i flere timer (følge leverandørens veiledning).
• Høy-Mg støpte Al-Mg legeringer (Kategori A) er generelt ikke nedbørsherdbare i samme grad: Mg er en fast løsningsforsterker, og mange høy-Mg-sammensetninger herder først og fremst ved belastningsaldring eller kaldt arbeid i smidde former i stedet for konvensjonell T6-aldring.
  Varmebehandling for støpte høy-Mg legeringer fokuserer på:

• • Homogenisering for å redusere kjemisk segregering (bløtlegging ved lav temperatur for å omfordele oppløst stoff).
  • Stressavlastende utglødning for å fjerne støpespenninger (typiske temperaturer: beskjedne utglødninger 300–400 °C — eksakte sykluser avhenger av legering og snitt).
  • Forsiktig løsningsbehandling: brukes selektivt for noen støpte Al-Mg-varianter, men kan fremme uønsket intermetallisk forgrovning – se datablader for legeringer.

Praktisk veiledning for varmebehandling

• Til Al–Si–Mg støpegods beregnet på styrke, planlegge for løsning + slukk + aldring (T6) og design med seksjonsstørrelser som slukker effektivt.
• Til høy-Mg støpegods, spesifisere homogenisering og stressavlastning sykluser for å stabilisere mikrostruktur og dimensjonsstabilitet; ikke forvent store aldersherdende gevinster.

7. Støperipraksis og bearbeidingshensyn

Smelte- og smeltebeskyttelse

• Magnesium kontroll: Mg oksiderer lett til MgO. Bruk flussmidler for beskyttelsesdeksel (salt fluks), kontrollert overheting, og minimere slaggdannelse.
• Smeltetemperatur: hold deg innenfor anbefalte områder for den valgte legeringen; overdreven overheting øker forbrenningstap og oksiddannelse.
• Avgassing og filtrering: fjerne hydrogen og oksider (roterende avgassing, keramiske skumfiltre) for å redusere porøsitet og forbedre mekanisk/korrosjonsytelse.

Støpemetoder

• Sandstøping & permanent-mugg: vanlig for høy-Mg legeringer og for større deler.
• Gravity Die Casting / Lavtrykksstøping: gir bedre mikrostruktur og overflatefinish; bra for konstruksjonsdeler.
• Høytrykk die casting: brukes hovedsakelig for Al-Si-baserte legeringer; forsiktighet med høyt Mg-innhold på grunn av Mg-oksidasjon og gassporøsitet.

Vanlige feil & avbøtende

• Porøsitet (gass/svinn): dempes ved avgassing, Filtrering, riktig port- og stigerørdesign, og ved å kontrollere størkningshastigheten.
• Oksyd/bifilm-defekter: kontroller helleturbulens og bruk filtrering.
• Varm riving: administrere via design (unngå brå seksjonsendringer) og kontrollere fôring/størkning.

8. Typiske bruksområder for støpte aluminium-magnesiumlegeringer

Støpt aluminium– Magnesiumlegeringer inntar en viktig mellomting innen lettmetallteknikk: de kombinerer lavere tetthet og forbedret korrosjonsmotstand i forhold til mange aluminiumslegeringer med akseptabel støpeevne og god seighet.

Marine og offshore utstyr

• Pumpehus, ventilhus og løpehjul for fersk-/brakkvannsservice
• Dekkbeslag, servicebraketter, kiler og vanter i sprut-/sprøytesoner
• Rørbeslag, kondensatorhus og servicekapslinger

Bil og transport

• Strukturelle braketter og underrammer (lavmasseseksjoner)
• Kropp i hvite komponenter, innvendige strukturelle hus og kapslinger
• Varmeavlederhus og bæreplater for kraftelektronikk (i elbiler)

Pumper, ventiler og væskehåndteringsutstyr (industriell)

• Pumpehus og volutter for kjemikalie- og vannhåndtering
• Ventillegemer, setehus og aktuatorhus

Varmespredning og elektronikkhus

• Elektroniske hus, termiske spredere og motorkontrollerskap (EV-trekk/invertere)
• Varmeavlederhus hvor varmeledningsevne og lav masse er viktig

Luftfart (ikke-primære strukturer og sekundære komponenter)

• Innvendige braketter, hus, avionikk kabinetter, ikke-primære strukturelle paneler og kåper

Forbruker & sportsvarer, elektronikk

• Lette rammer, beskyttende foringsrør, hus for bærbare enheter, sykkelkomponenter (ikke-kritisk), Kamera kropper

Industrimaskiner og VVS-komponenter

• Viftehus, viftehus, varmeveksler endestykker, lette pumpedeksler

Spesialapplikasjoner

• Kryogent utstyr (where low mass is advantageous but alloys must be qualified for low-temperature toughness)
• Offshore instrumentation housings, subsea shallow components (with adequate protection)

9. Fordeler og ulemper

Fordeler med støpte aluminium-magnesiumlegeringer

• Overlegen korrosjonsmotstand (Spesielt i marine miljøer)
• Low density and high specific strength for weight-critical applications
• Excellent gas tightness for pressure vessels and sealed systems
• Good machinability for precision finishing

Ulemper med støpte aluminium-magnesiumlegeringer

• Poor casting performance with high hot-tear tendency and low fluidity
• Oxidation risk and slag inclusion requiring protective atmospheres
• Higher production costs due to process complexity and material premiums
• Limited application scope restricted to high-value sectors

10. Sammenlignende analyse: Rollebesetning Al–Mg vs. Konkurrerende legeringer

The table below compares støpe aluminium–magnesium alloys (Cast Al–Mg) with commonly competing casting materials used in lightweight and corrosion-sensitive applications.

The comparison focuses on key engineering decision criteria snarere enn bare nominelle materialegenskaper, muliggjør praktisk materialvalg.

Sammendrag av materialvalg

Velge støpte aluminium-magnesium legeringer når Lett, Korrosjonsmotstand, og rimelig styrke kreves ved moderate temperaturer.

For ekstreme miljøer (høy temperatur, trykk, eller aggressive kjemikalier), rustfritt stål forblir overlegen, mens Al-Si legeringer dominere når kompleks støpegeometri og kostnadseffektivitet er viktigst.

11. Konklusjoner - praktiske tekniske ting

• Støpte Al-Mg-legeringer gir en utmerket kombinasjon av lav tetthet, korrosjonsbestandighet og tilstrekkelig styrke for mange strukturelle applikasjoner - men det er de ikke et eneste materiale; skille høy-Mg støpefamilier fra Al-Si-Mg varmebehandlebare støpefamilier.
• Prosessdisiplin er viktig: smeltebeskyttelse, avgassing og filtrering er avgjørende for å oppnå forventet mekanisk ytelse og korrosjonsytelse.
• Varmebehandlingsevnen er forskjellig: Al-Si-Mg støpte legeringer reagerer godt på løsning + aldring (T6) og levere høyere styrker; høy-Mg støpte legeringer får mindre av konvensjonell aldring og er mer avhengig av mikrostrukturkontroll og mekanisk prosessering.
• Design for støping: kontrollseksjonens tykkelse, mating og port for å unngå vanlige støpefeil som har størst negativ innvirkning på tretthet og korrosjonsytelse.