Ligas de alumínio-magnésio fundido: Força leve

1. Sumário executivo

“Alumínio fundido-magnésio” refere-se a duas famílias de engenharia relacionadas, mas distintas:

(UM) ligas de Al-Mg fundidas com alto teor de Mg (Liga com maioria de magnésio para maximizar a resistência à corrosão e a resistência específica para peças marítimas/de peso crítico) e (B) Ligas de fundição Al – Si – Mg (Base de Al-Si com adições modestas de Mg usada para endurecimento e resistência por envelhecimento).

As ligas fundidas de Al-Mg oferecem excelente resistência à corrosão (especialmente em ambientes de cloreto), atraente relação resistência-peso e boa tenacidade, mas eles apresentam desafios de fundição e manuseio porque o Mg oxida facilmente e pode promover porosidade se a disciplina do processo for fraca.

A maioria das ligas fundidas de Al-Mg não são fortemente endurecíveis por precipitação - o fortalecimento ocorre principalmente por solução sólida, controle de microestrutura e processamento termomecânico em vez das rotas T6 convencionais usadas para ligas Al-Si-Mg.

2. O que queremos dizer com “cast Al – Mg” – famílias e classes comuns

Duas categorias práticas de ligas fundidas de Al-Mg aparecem repetidamente na indústria:

• Categoria A — Ligas fundidas com alto teor de Mg (Família Al-Mg): ligas nas quais o teor de Mg é alto o suficiente para dominar o comportamento de corrosão e a densidade/resistência específica.
  Na literatura e na prática comercial, esta classe comumente cita Mg no 3–6% em peso faixa com pequenas adições de Si (≈0,5–1,0 %) quando é necessária melhor moldabilidade. Eles são usados ​​onde a resistência à corrosão / peso leve é ​​primário.
• Categoria B — Ligas de fundição Al–Si–Mg (Família Al – Si – Mg): ligas fundidas à base de Al-Si quase eutéticas (Si ≈ 7–12% em peso) que incluem modesto Mg (≈0,2–0,8% em peso) para permitir o envelhecimento artificial (Precipitação de Mg₂Si) e maior resistência após envelhecimento tipo T (T6).
  Os exemplos incluem ligas industriais, como A356 (Al-Si-Mg) - às vezes são chamados de “fundições contendo Al-Mg” (mas são principalmente ligas de Al-Si com Mg como elemento de reforço).

Na prática você selecionará a Categoria A quando a resistência à corrosão (marinho, contato químico) e baixa densidade são dominantes; escolha a categoria B quando for castável, estabilidade dimensional e resistência tratável termicamente são necessárias.

3. Composições químicas típicas

Mesa: Faixas de composição típicas (Orientação de engenharia)

Notas

• As faixas acima são janelas de engenharia práticas – as especificações exatas devem fazer referência a uma designação de padrão (ASTM/EN) ou o certificado do fornecedor.
• As ligas fundidas com alto teor de Mg aproximam-se da região de composição das ligas 5xxx forjadas, mas são projetadas para fundição (diferente controle de impurezas e comportamento de solidificação).

4. Microestrutura e química de fases – o que controla o desempenho

Jogadores microestruturais primários

• Matriz α-Al (cúbica centrada na face): a fase primária de suporte de carga em todas as ligas de Al.
• Mg em solução sólida: Átomos de Mg se dissolvem em α-Al; em concentrações moderadas, eles fortalecem a matriz pelo fortalecimento da solução sólida.
• Intermetálicos / segundas fases:

• • Intermetálicos ricos em Mg (Al₃Mg₂/β): pode se formar em altos níveis de Mg e em regiões interdendríticas; sua morfologia e distribuição controlam a estabilidade em altas temperaturas e o comportamento à corrosão.
  • Mg₂si (em ligas Al – Si – Mg): se forma durante o envelhecimento e é a principal fase de endurecimento por precipitação na família Al-Si-Mg.
  • Fases portadoras de Fe: Impurezas de Fe formam intermetálicos frágeis (Al₅FeSi, etc.) que reduzem a ductilidade e podem promover corrosão localizada; O Mn é frequentemente adicionado em pequenas quantidades para modificar as fases do Fe.

Características de solidificação

• Ligas com alto teor de Mg tendem a ter um α relativamente simples + caminho de solidificação intermetálica, mas pode apresentar segregação se o resfriamento for lento; o resfriamento rápido refina a estrutura, mas aumenta o risco de porosidade se a alimentação for inadequada.
• Ligas Al – Si – Mg solidificar com α primário seguido por um α eutético + E; Mg participa de reações posteriores (Mg₂si) se o conteúdo de Mg for suficiente.

Microestrutura → link de propriedades

• Multar, segundas fases uniformemente distribuídas dar melhor tenacidade e evitar comportamento frágil.
• Intermetálicos grosseiros ou segregação degradar a fadiga, ductilidade e desempenho contra corrosão. Controle via prática de fusão, refinadores de grãos e taxa de resfriamento são cruciais.

5. Principais características de desempenho

Propriedades mecânicas (faixas típicas de engenharia – estado fundido)

Os valores variam de acordo com a liga, Tamanho da seção, processo de fundição e tratamento térmico. Use dados de fornecedores para números críticos de projeto.

• Densidade (típico): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ para ligas fundidas de Al-Mg (ligeiro aumento em relação ao Al puro ~ 2,70).
• Resistência à tracção (como fundido):

• • Ligas fundidas com alto teor de mg: ~150–260MPa (dependendo do conteúdo de Mg, espessura e acabamento da seção).
  • Al-Si-Mg (elenco + T6): ~240–320MPa (Faixas A356 envelhecidas T6 na extremidade superior).

• Força de escoamento: aproximadamente 0.5–0,8×UTS como um guia.
• Alongamento:5–15% dependendo da liga e do processamento — peças fundidas com alto teor de Mg normalmente exibem boa ductilidade (tendência monofásica), Al – Si com Si grosso apresentará menor alongamento, a menos que seja modificado.
• Fadiga e tenacidade à fratura: bom quando a microestrutura é sólida e a porosidade baixa; desempenho de fadiga sensível a defeitos de fundição.

Resistência à corrosão

• Ligas fundidas com alto teor de mg mostrar Excelente resistência geral à corrosão, especialmente em ambientes marinhos e alcalinos — o Mg aumenta a resistência à corrosão em comparação com as ligas padrão 3xxx/6xxx Al.
• Para ambientes ricos em cloreto, As ligas de Al-Mg geralmente superam as ligas de Al simples, mas ainda são inferiores aos aços inoxidáveis ​​e requerem proteção de superfície em casos graves.

Propriedades térmicas

• A condutividade térmica das ligas Al-Mg permanece alta (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ dependendo da liga e da microestrutura), tornando-os adequados para caixas térmicas e peças dissipadoras de calor.

Fabricante & soldagem

• Métodos de fundição: fundição de areia, molde permanente, fundição por gravidade e alguma fundição sob pressão (com fluxo cuidadoso) são usados.
• Soldabilidade: As ligas Al-Mg são geralmente soldáveis (Gtaw, Gawn), mas a soldagem de seções fundidas requer atenção à porosidade e à corrosão pós-soldagem (use ligas de enchimento apropriadas e limpeza pós-soldagem).
• MACHINABILIDADE: justo; seleção de ferramentas e velocidades ajustadas para ligas de alumínio.

6. Tratamento térmico e processamento térmico

Quais ligas respondem ao tratamento térmico?

• Ligas fundidas Al – Si – Mg (Categoria B) são Trial (endurecimento da idade): solução tratar → saciar → envelhecimento artificial (T6) produz aumentos significativos de resistência por meio da precipitação de Mg₂Si.
  Horários T6 típicos para A356/A357: solução ~495 °C, envelhecer a 160–180 °C por várias horas (siga as orientações do fornecedor).
• Ligas de Al-Mg fundidas com alto teor de Mg (Categoria A) são geralmente não é endurecível por precipitação no mesmo grau: O Mg é um fortalecedor de solução sólida e muitas composições com alto teor de Mg endurecem principalmente por envelhecimento por deformação ou trabalho a frio em formas forjadas, em vez do envelhecimento T6 convencional..
  O tratamento térmico para ligas fundidas com alto teor de Mg concentra-se em:

• • Homogeneização para reduzir a segregação química (imersão em baixa temperatura para redistribuir o soluto).
  • Recozimento de alívio de estresse para remover tensões de fundição (temperaturas típicas: recozimento modesto 300–400 °C — os ciclos exatos dependem da liga e da seção).
  • Tratamento cuidadoso da solução: usado seletivamente para algumas variantes fundidas de Al-Mg, mas pode promover engrossamento intermetálico indesejável - consulte as folhas de dados da liga.

Orientação prática sobre tratamento térmico

• Para Fundições de Al – Si – Mg destinado à força, planejar para solução + Querece + envelhecimento (T6) e design com tamanhos de seção que extinguem efetivamente.
• Para peças fundidas com alto teor de Mg, especificar homogeneização e alívio do estresse ciclos para estabilizar a microestrutura e a estabilidade dimensional; não espere grandes ganhos com o envelhecimento.

7. Prática de fundição e considerações de processamento

Proteção contra derretimento e derretimento

• Controle de magnésio: Mg oxida facilmente em MgO. Use fluxos de cobertura protetora (fluxo de sal), superaquecimento controlado, e minimizar a formação de escória.
• Temperatura de fusão: mantenha-se dentro das faixas recomendadas para a liga escolhida; superaquecimento excessivo aumenta as perdas por queima e a formação de óxido.
• Desgaseificação e filtração: remover hidrogênio e óxidos (desgaseificação rotativa, filtros de espuma cerâmica) para reduzir a porosidade e melhorar o desempenho mecânico/corrosivo.

Métodos de fundição

• Fundição de areia & molde permanente: comum para ligas com alto teor de Mg e para peças maiores.
• Gravity Die Casting / fundição de baixa pressão: produz melhor microestrutura e acabamento superficial; bom para peças estruturais.
• Fundição de dado de alta pressão: usado principalmente para ligas à base de Al-Si; cuidado com alto teor de Mg devido à oxidação de Mg e porosidade do gás.

Defeitos comuns & mitigação

• Porosidade (gás/encolhimento): mitigado pela desgaseificação, filtração, projeto adequado de comporta e riser, e controlando a taxa de solidificação.
• Defeitos de óxido/bifilme: controlar a turbulência do vazamento e usar filtragem.
• Lágrima quente: gerenciar via design (evite mudanças bruscas de seção) e controlar a alimentação/solidificação.

8. Aplicações típicas de ligas fundidas de alumínio-magnésio

Alumínio fundido–as ligas de magnésio ocupam um importante meio-termo na engenharia de metais leves: eles combinam menor densidade e melhor resistência à corrosão em relação a muitas ligas de alumínio com moldabilidade aceitável e boa tenacidade.

Equipamento marinho e offshore

• Altas da bomba, corpos de válvulas e impulsores para serviço de água doce/salobra
• Acessórios de convés, suportes de serviço, reforços e coberturas em zonas de respingo/pulverização
• Acessórios para tubos, carcaças de condensador e gabinetes de serviço

Automotivo e transporte

• Suportes estruturais e chassis auxiliares (seções de baixa massa)
• Corpo em componentes brancos, caixas e gabinetes estruturais internos
• Caixas de dissipadores de calor e placas de suporte para eletrônica de potência (em veículos elétricos)

Bombas, válvulas e hardware de manuseio de fluidos (industrial)

• Carcaças e volutas de bombas para manuseio de produtos químicos e água
• Corpos da válvula, carcaças de assento e carcaças de atuadores

Dissipação de calor e caixas eletrônicas

• Capinhas eletrônicas, espalhadores térmicos e gabinetes de controladores de motor (Tração/inversores EV)
• Carcaças de dissipadores de calor onde a condutividade térmica e a baixa massa são importantes

Aeroespacial (estruturas não primárias e componentes secundários)

• Suportes interiores, caixas, gabinetes de aviônicos, painéis estruturais não primários e carenagens

Consumidor & Artigos esportivos, eletrônica

• Armações leves, invólucros de proteção, caixas de dispositivos portáteis, componentes de bicicleta (não crítico), corpos da câmera

Máquinas industriais e componentes HVAC

• Caixas de ventilador, carcaças de ventilador, tampas finais do trocador de calor, tampas de bomba leves

Aplicações especiais

• Equipamento criogênico (onde a baixa massa é vantajosa, mas as ligas devem ser qualificadas para tenacidade a baixas temperaturas)
• Caixas de instrumentação offshore, componentes submarinos rasos (com proteção adequada)

9. Vantagens e Desvantagens

Vantagens das ligas fundidas de alumínio-magnésio

• Resistência superior à corrosão (especialmente em ambientes marinhos)
• Baixa densidade e alta resistência específica para aplicações com peso crítico
• Excelente estanqueidade a gases para vasos de pressão e sistemas selados
• Boa usinabilidade para acabamento de precisão

Desvantagens das ligas fundidas de alumínio-magnésio

• Baixo desempenho de fundição com alta tendência ao rasgo a quente e baixa fluidez
• Risco de oxidação e inclusão de escória que requerem atmosferas protetoras
• Custos de produção mais elevados devido à complexidade do processo e aos prémios de material
• Escopo de aplicação limitado restrito a setores de alto valor

10. Análise comparativa: Elenco Al-Mg vs. Ligas concorrentes

A tabela abaixo compara elenco alumínio–ligas de magnésio (Elenco Al-Mg) com materiais de fundição comumente concorrentes usados ​​em aplicações leves e sensíveis à corrosão.

A comparação centra-se principais critérios de decisão de engenharia em vez de apenas propriedades nominais do material, permitindo a seleção prática de materiais.

Resumo de seleção de materiais

Escolher ligas fundidas de alumínio-magnésio quando leve, Resistência à corrosão, e força razoável são necessários em temperaturas moderadas.

Para ambientes extremos (alta temperatura, pressão, ou produtos químicos agressivos), aço inoxidável permanece superior, enquanto Ligas de Al-Si dominar quando geometria de fundição complexa e eficiência de custos são fundamentais.

11. Conclusões - conclusões práticas de engenharia

• Ligas fundidas de Al-Mg fornecem uma excelente combinação de baixa densidade, resistência à corrosão e resistência adequada para muitas aplicações estruturais - mas são nem um único material; distinguir famílias fundidas com alto teor de Mg de famílias fundidas tratáveis ​​termicamente Al-Si-Mg.
• A disciplina do processo é importante: proteção contra derretimento, desgaseificação e filtração são essenciais para alcançar o desempenho mecânico e de corrosão esperado.
• A tratabilidade térmica difere: Ligas fundidas Al-Si-Mg respondem bem à solução + envelhecimento (T6) e entregar forças mais altas; ligas fundidas com alto teor de Mg ganham menos com o envelhecimento convencional e dependem mais do controle da microestrutura e do processamento mecânico.
• Projeto para fundição: espessura da seção de controle, alimentação e canal para evitar defeitos comuns de fundição que afetam mais adversamente o desempenho em fadiga e corrosão.