Odlewane stopy aluminium i magnezu: Lekka siła

1. Podsumowanie wykonawcze

„Odlew aluminiowo-magnezowy” odnosi się do dwóch powiązanych, ale odrębnych rodzin inżynieryjnych:

(A) stopy odlewnicze Al–Mg o wysokiej zawartości Mg (Dodatek stopowy zawierający większość Mg, maksymalizujący odporność na korozję i wytrzymałość właściwą dla części morskich/części o znaczeniu krytycznym) I (B) Stopy odlewnicze Al–Si–Mg (Baza Al – Si z niewielkimi dodatkami Mg stosowana do utwardzania wydzieleniowego i wytrzymałości).

Stopy odlewnicze Al–Mg zapewniają doskonałą odporność na korozję (szczególnie w środowiskach chlorkowych), atrakcyjny stosunek wytrzymałości do masy i dobra wytrzymałość, ale stwarzają wyzwania związane z odlewaniem i obsługą stopu, ponieważ Mg łatwo się utlenia i może sprzyjać porowatości, jeśli dyscyplina procesu jest słaba.

Większość stopów odlewniczych Al – Mg nie utwardza ​​się silnie wydzieleniowo - wzmocnienie następuje głównie przez roztwór stały, kontrola mikrostruktury i obróbka termomechaniczna zamiast konwencjonalnych metod T6 stosowanych w przypadku stopów Al – Si – Mg.

2. Co rozumiemy przez „odlew Al–Mg” — rodziny i zwykłe gatunki

W przemyśle wielokrotnie pojawiają się dwie praktyczne kategorie odlewanych stopów Al–Mg:

• Kategoria A — Stopy odlewnicze o wysokiej zawartości Mg (rodzina Al–Mg): stopy, w których zawartość Mg jest wystarczająco wysoka, aby zdominować zachowanie korozyjne i gęstość/wytrzymałość właściwą.
  W literaturze i praktyce warsztatowej klasa ta powszechnie przytacza Mg w 3–6% wag. z małymi dodatkami Si (≈0,5–1,0 %) gdy wymagana jest lepsza lejność. Są one stosowane tam, gdzie są odporne na korozję / lekkość to podstawa.
• Kategoria B — stopy odlewnicze Al–Si–Mg (Rodzina Al – Si – Mg): prawie eutektyczne stopy odlewnicze Al – Si (Si ≈ 7–12% wag.) które obejmują skromny Mg (≈0,2–0,8% wag.) aby umożliwić sztuczne starzenie się (Wytrącanie Mg₂Si) i wyższą wytrzymałość po starzeniu typu T (T6).
  Przykłady obejmują stopy robocze, takie jak A356 (Al – Si – Mg) — czasami nazywane są „odlewami zawierającymi Al–Mg” (ale są to głównie stopy Al – Si z Mg jako elementem wzmacniającym).

W praktyce wybierzesz kategorię A, jeśli chodzi o odporność na korozję (morski, kontakt chemiczny) i niska gęstość są dominujące; wybierz kategorię B, jeśli chodzi o lejność, wymagana jest stabilność wymiarowa i wytrzymałość przy obróbce cieplnej.

3. Typowe składy chemiczne

Tabela: Typowe zakresy składu (Wytyczne inżynierskie)

Notatki

• Powyższe zakresy to praktyczne okna inżynieryjne — dokładne specyfikacje muszą odnosić się do oznaczeń norm (ASTM/EN) lub certyfikat dostawcy.
• Stopy odlewnicze o wysokiej zawartości Mg mają podobny skład do stopów 5xxx do obróbki plastycznej, ale są przeznaczone do odlewania (różna kontrola zanieczyszczeń i zachowanie podczas krzepnięcia).

4. Mikrostruktura i chemia fazowa — co decyduje o wydajności

Pierwsi gracze mikrostrukturalni

• matryca α-Al (sześcienny skupiony na twarzy): podstawowa faza nośna we wszystkich stopach Al.
• Mg w roztworze stałym: Atomy Mg rozpuszczają się w α-Al; w umiarkowanych stężeniach wzmacniają matrycę poprzez wzmocnienie w roztworze stałym.
• Intermetaliki / drugie fazy:

• • Międzymetaliki bogate w Mg (Al₃Mg₂/β): może tworzyć się przy wysokich poziomach Mg i w obszarach międzydendrytycznych; ich morfologia i rozkład kontrolują stabilność w wysokiej temperaturze i zachowanie korozyjne.
  • Mg₂si (w stopach Al – Si – Mg): tworzy się podczas starzenia i jest główną fazą utwardzania wydzieleniowego w rodzinie Al-Si-Mg.
  • Fazy ​​zawierające żelazo: Zanieczyszczenia Fe tworzą kruche związki międzymetaliczne (Al₅FeSi, itp.) które zmniejszają plastyczność i mogą sprzyjać miejscowej korozji; Mn często dodaje się w małych ilościach w celu modyfikacji faz Fe.

Charakterystyka krzepnięcia

• Stopy wysokomagnezowe mają zazwyczaj stosunkowo proste α + ścieżkę krzepnięcia międzymetalicznego, ale może wykazywać segregację, jeśli chłodzenie jest powolne; szybkie chłodzenie poprawia strukturę, ale zwiększa ryzyko porowatości, jeśli zasilanie jest niewystarczające.
• Stopy Al – Si – Mg zestalać się z pierwotnym α, po którym następuje eutektyka α + I; Mg bierze udział w późniejszych reakcjach (Mg₂si) jeśli zawartość Mg jest wystarczająca.

Mikrostruktura → łącze właściwości

• Cienki, równomiernie rozłożone drugie fazy zapewnić lepszą wytrzymałość i uniknąć kruchego zachowania.
• Grube związki międzymetaliczne lub segregacja osłabić zmęczenie, plastyczność i odporność na korozję. Kontrola poprzez praktykę topienia, rafinatory ziarna i szybkość chłodzenia mają kluczowe znaczenie.

5. Kluczowe cechy wydajności

Właściwości mechaniczne (typowe zakresy inżynieryjne — stan odlewu)

Wartości różnią się w zależności od stopu, Rozmiar sekcji, proces odlewania i obróbka cieplna. Użyj danych dostawcy w przypadku liczb krytycznych dla projektu.

• Gęstość (typowy): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ do stopów odlewniczych Al–Mg (niewielki wzrost w porównaniu do czystego Al ~2,70).
• Wytrzymałość na rozciąganie (jak cast):

• • Stopy odlewnicze o wysokiej zawartości Mg: ~150–260 MPa (w zależności od zawartości Mg, grubość przekroju i wykończenie).
  • Al – Si – Mg (rzucać + T6): ~240–320 MPa (T6 w wieku A356 mieści się w górnej części).

• Granica plastyczności: mniej więcej 0.5–0,8 × UTS jako przewodnik.
• Wydłużenie:5–15% w zależności od stopu i obróbki — odlewy o wysokiej zawartości Mg zazwyczaj wykazują dobrą ciągliwość (tendencja jednofazowa), Al – Si z grubym Si będzie wykazywał mniejsze wydłużenie, chyba że zostanie zmodyfikowany.
• Odporność na zmęczenie i pękanie: dobre, gdy mikrostruktura jest zdrowa, a porowatość niska; wydajność zmęczeniowa wrażliwa na wady odlewu.

Odporność na korozję

• Stopy odlewnicze o wysokiej zawartości Mg pokazywać Doskonała ogólna odporność na korozję, szczególnie w środowiskach morskich i alkalicznych — Mg zwiększa odporność na wżery w porównaniu ze standardowymi stopami Al 3xxx/6xxx.
• Do środowisk bogatych w chlorki, Stopy Al – Mg często przewyższają zwykłe stopy Al, ale nadal są gorsze od stali nierdzewnych i w ciężkich przypadkach wymagają ochrony powierzchni.

Właściwości termiczne

• Przewodność cieplna stopów Al – Mg pozostaje wysoka (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ w zależności od stopu i mikrostruktury), dzięki czemu nadają się do obudów termicznych i części rozpraszających ciepło.

Produkcja & spawalniczy

• Metody odlewania: Casting piasku, Stała pleśń, odlewanie ciśnieniowe grawitacyjne i niektóre odlewy ciśnieniowe (z ostrożnym topnikiem) są używane.
• Spawalność: Stopy Al – Mg są na ogół spawalne (GTAW, Bawn), ale spawanie kształtowników żeliwnych wymaga zwrócenia uwagi na porowatość i korozję po spawaniu (stosować odpowiednie stopy wypełniające i czyścić po spawaniu).
• Maszyna: sprawiedliwy; dobór narzędzi i prędkości obrotowe dostosowane do stopów aluminium.

6. Obróbka cieplna i obróbka cieplna

Które stopy reagują na obróbkę cieplną?

• Stopy odlewnicze Al–Si–Mg (Kategoria B) Czy obróbki cieplne (Harding wiekowy): obróbka roztworowa → hartowanie → sztuczne starzenie (T6) powoduje znaczny wzrost wytrzymałości poprzez wytrącanie Mg₂Si.
  Typowe rozkłady jazdy T6 dla A356/A357: roztwór ~495°C, dojrzewać w temperaturze 160–180°C przez kilka godzin (postępuj zgodnie ze wskazówkami dostawcy).
• Stopy odlewane Al–Mg o wysokiej zawartości Mg (Kategoria A) Czy generalnie nie utwardza ​​się wydzieleniowo w tym samym stopniu: Mg jest środkiem wzmacniającym w roztworze stałym, a wiele kompozycji o wysokiej zawartości Mg utwardza ​​się głównie w wyniku starzenia odkształceniowego lub obróbki plastycznej na zimno, a nie konwencjonalnego starzenia T6.
  Obróbka cieplna odlewanych stopów wysokomagnezowych skupia się na:

• • Homogenizacja w celu zmniejszenia segregacji chemicznej (namaczanie w niskiej temperaturze w celu redystrybucji substancji rozpuszczonej).
  • Wyżarzanie odprężające do usuwania naprężeń odlewniczych (typowe temperatury: umiarkowane wyżarzanie 300–400 ° C - dokładne cykle zależą od stopu i przekroju).
  • Ostrożne leczenie roztworem: stosowany selektywnie do niektórych wariantów odlewów Al – Mg, ale może powodować niepożądane zgrubienie międzymetaliczne — zapoznaj się z arkuszami danych stopów.

Praktyczne wskazówki dotyczące obróbki cieplnej

• Dla Odlewy Al–Si–Mg przeznaczony na siłę, zaplanuj rozwiązanie + ugasić + starzenie się (T6) i projekt o rozmiarach przekrojów, które skutecznie hartują.
• Dla odlewy wysokomagnezowe, sprecyzować homogenizacja i odprężenie cykle stabilizujące mikrostrukturę i stabilność wymiarową; nie należy się spodziewać dużych zysków związanych ze starzeniem się.

7. Praktyka odlewnicza i rozważania dotyczące przetwarzania

Topienie i ochrona przed topnieniem

• Kontrola magnezu: Mg łatwo utlenia się do MgO. Stosować topniki ochronne (strumień soli), kontrolowane przegrzanie, i zminimalizować tworzenie się żużlu.
• Temperatura topnienia: utrzymywać w zalecanych dla wybranego stopu zakresach; nadmierne przegrzanie zwiększa straty w wyniku spalania i powstawanie tlenków.
• Odgazowanie i filtracja: usunąć wodór i tlenki (odgazowanie obrotowe, ceramiczne filtry piankowe) w celu zmniejszenia porowatości i poprawy właściwości mechanicznych/korozyjnych.

Metody odlewania

• Casting piasku & trwała pleśń: typowe dla stopów o wysokiej zawartości Mg i większych części.
• Casting grawitacyjny / Odlewanie niskiego ciśnienia: zapewnia lepszą mikrostrukturę i wykończenie powierzchni; dobry do części konstrukcyjnych.
• Odlewanie matrycy wysokiego ciśnienia: stosowany głównie do stopów na bazie Al – Si; zachować ostrożność przy wysokiej zawartości Mg ze względu na utlenianie Mg i porowatość gazu.

Powszechne wady & łagodzenie

• Porowatość (gaz/skurcz): złagodzone przez odgazowanie, filtrowanie, właściwy projekt wlewu i pionu, oraz poprzez kontrolowanie szybkości krzepnięcia.
• Defekty tlenkowe/bifilmowe: kontrolować turbulencje zalewania i stosować filtrację.
• Gorące łzy: zarządzać poprzez projektowanie (unikaj nagłych zmian sekcji) i kontrolować podawanie/zestalanie.

8. Typowe zastosowania odlewanych stopów aluminium i magnezu

Rzuć aluminium– stopy magnezu zajmują ważne miejsce pośrednie w inżynierii metali lekkich: łączą w sobie niższą gęstość i lepszą odporność na korozję w porównaniu z wieloma stopami aluminium z akceptowalną lejnością i dobrą wytrzymałością.

Sprzęt morski i morski

• Pompowanie obudowa, korpusy zaworów i wirniki do wody słodkiej/słonawej
• Złączki pokładowe, wsporniki serwisowe, wstawki i osłony w strefach rozprysków/rozpylania
• Złącza do rury, obudowy skraplaczy i obudowy serwisowe

Motoryzacja i transport

• Wsporniki konstrukcyjne i ramy pomocnicze (sekcje o małej masie)
• Korpus z białych elementów, wewnętrzne obudowy konstrukcyjne i obudowy
• Obudowy radiatorów i płyty nośne do energoelektroniki (w pojazdach elektrycznych)

Lakierki, zawory i osprzęt do obsługi płynów (przemysłowy)

• Obudowy i spirale pomp do transportu chemikaliów i wody
• Ciała zaworów, obudowy gniazd i obudowy siłowników

Obudowy odprowadzające ciepło i elektronikę

• Obudowy elektroniczne, rozpraszacze ciepła i obudowy sterowników silników (Trakcja/falowniki pojazdów elektrycznych)
• Obudowy radiatorów, w których ważna jest przewodność cieplna i niska masa

Aerospace (struktury inne niż podstawowe i elementy drugorzędne)

• Wsporniki wewnętrzne, obudowy, obudowy awioniki, inne niż główne panele konstrukcyjne i owiewki

Konsument & towary sportowe, elektronika

• Lekkie ramki, osłony ochronne, obudowy urządzeń przenośnych, elementy roweru (niekrytyczne), ciała aparatu

Maszyny przemysłowe i komponenty HVAC

• Obudowy wentylatorów, obudowy dmuchaw, zaślepki wymienników ciepła, lekkie osłony pomp

Aplikacje specjalistyczne

• Sprzęt kriogeniczny (gdzie korzystna jest niska masa, ale stopy muszą spełniać wymagania wytrzymałości w niskich temperaturach)
• Obudowy oprzyrządowania offshore, płytkie elementy podmorskie (z odpowiednią ochroną)

9. Zalety i wady

Zalety odlewanych stopów aluminium i magnezu

• Najwyższy odporność na korozję (Zwłaszcza w środowiskach morskich)
• Niska gęstość i wysoka wytrzymałość właściwa do zastosowań, w których waga ma krytyczne znaczenie
• Doskonała szczelność gazowa zbiorników ciśnieniowych i systemów zamkniętych
• Dobra skrawalność dla precyzyjnego wykończenia

Wady odlewanych stopów aluminium i magnezu

• Słabe właściwości odlewnicze, wysoka skłonność do rozdzierania na gorąco i niska płynność
• Ryzyko utleniania i wtrącenia żużla wymagające atmosfer ochronnych
• Wyższe koszty produkcji ze względu na złożoność procesu i premie materiałowe
• Ograniczony zakres zastosowania ograniczony do sektorów o wysokiej wartości

10. Analiza porównawcza: Odlew Al – Mg vs. Konkurujące stopy

Poniższa tabela porównuje rzucać aluminium–stopy magnezu (Odlew Al – Mg) z powszechnie konkurencyjnymi materiałami odlewniczymi stosowanymi w zastosowaniach lekkich i wrażliwych na korozję.

Porównanie skupia się na kluczowe kryteria podejmowania decyzji inżynieryjnych a nie tylko nominalne właściwości materiału, umożliwiając praktyczny dobór materiału.

Podsumowanie wyboru materiału

Wybierać odlewane stopy aluminiowo-magnezowe Kiedy lekki, Odporność na korozję, i rozsądną siłę są wymagane w umiarkowanych temperaturach.

Dla ekstremalnych środowisk (wysoka temperatura, ciśnienie, lub agresywnych środków chemicznych), stal nierdzewna pozostaje lepszy, chwila Stopy Al – Si dominować, kiedy złożona geometria odlewu i efektywność kosztowa są najważniejsze.

11. Wnioski — praktyczne wnioski inżynierskie

• Odlewane stopy Al – Mg zapewniają doskonałe połączenie niskiej gęstości, odporność na korozję i odpowiednią wytrzymałość do wielu zastosowań konstrukcyjnych – ale tak jest ani jednego materiału; odróżnić rodziny odlewów o wysokiej zawartości Mg od rodzin odlewów obrabianych cieplnie Al – Si – Mg.
• Dyscyplina procesu ma znaczenie: zabezpieczenie przed stopieniem, odgazowanie i filtracja są niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych właściwości mechanicznych i antykorozyjnych.
• Obróbka cieplna jest różna: Stopy odlewnicze Al – Si – Mg dobrze reagują na roztwór + starzenie się (T6) i zapewniają wyższą wytrzymałość; Stopy odlewnicze o wysokiej zawartości Mg zyskują mniej na starzeniu konwencjonalnym i bardziej zależą od kontroli mikrostruktury i obróbki mechanicznej.
• Projekt do odlewu: kontrolować grubość przekroju, zasilanie i bramkowanie, aby uniknąć typowych wad odlewów, które najbardziej niekorzystnie wpływają na zmęczenie i odporność na korozję.