Литые алюминиево-магниевые сплавы: Легкая прочность

1. Управляющее резюме

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

(А) high-Mg cast Al–Mg alloys (Mg-majority alloying to maximize corrosion resistance and specific strength for marine/weight-critical parts) и (Беременный) 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 (Особенно в хлоридной среде), attractive strength-to-weight and good toughness, но они создают проблемы при литье и обращении с расплавом, поскольку магний легко окисляется и может способствовать образованию пористости, если технологическая дисциплина слаба..

Большинство литейных сплавов Al-Mg не обладают сильной дисперсионным твердением - упрочнение происходит в основном за счет твердого раствора., контроль микроструктуры и термомеханическая обработка, а не традиционные маршруты Т6, используемые для сплавов Al-Si-Mg..

2. Что мы подразумеваем под «литым Al–Mg» — семейства и распространенные сорта

В промышленности неоднократно появляются две практические категории литых сплавов Al–Mg.:

• Категория А — Литейные сплавы с высоким содержанием магния (Семья Аль-Мг): сплавы, в которых содержание Mg достаточно велико, чтобы доминировать над коррозионными свойствами и удельной плотностью/прочностью..
  В литературе и практической практике этот класс обычно упоминает Mg в 3–6% масс. диапазон с небольшими добавками Si (≈0,5–1,0 %) когда необходима лучшая литейность. Они используются там, где устойчивость к коррозии / легкий вес имеет первостепенное значение.
• Категория Б — Литейные сплавы Al–Si–Mg (Семейство Al-Si-Mg): литейные сплавы на основе почти эвтектического Al – Si (Si ≈ 7–12 мас.%.) которые включают скромный Mg (≈0,2–0,8% масс.) разрешить искусственное старение (Осадки Mg₂Si) и более высокая прочность после старения Т-типа (T6).
  Примеры включают промышленные сплавы, такие как A356. (Al–Si–Mg) - их иногда называют «отливками, содержащими Al-Mg» (но в основном представляют собой сплавы Al-Si с Mg в качестве упрочняющего элемента.).

На практике вы выберете категорию А, если устойчивость к коррозии (морской пехотинец, химический контакт) и низкая плотность являются доминирующими; выберите категорию B, когда литье, требуется стабильность размеров и прочность при термообработке.

3. Типичные химические составы

Стол: Типичные диапазоны составов (инженерное руководство)

Примечания

• Вышеуказанные диапазоны представляют собой практические инженерные окна — точные спецификации должны ссылаться на обозначение стандартов. (АСТМ/ЕН) или сертификат поставщика.
• Литые сплавы с высоким содержанием магния приближаются к составу деформируемых сплавов 5ххх, но предназначены для литья. (различный контроль примесей и поведение при затвердевании).

4. Микроструктура и фазовый состав — что влияет на производительность

Первичные микроструктурные игроки

• матрица α-Al (гранецентрированный кубический): основная несущая фаза во всех алюминиевых сплавах.
• Мг в твердом растворе: Атомы Mg растворяются в α-Al; в умеренных концентрациях они укрепляют матрицу за счет упрочнения твердого раствора..
• Интерметаллические / вторые фазы:

• • Интерметаллиды с высоким содержанием магния (Al₃Mg₂/β): может образовываться при высоких уровнях Mg и в междендритных областях; их морфология и распределение контролируют высокотемпературную стабильность и коррозионное поведение..
  • Mg₂si (в сплавах Al–Si–Mg): образуется во время старения и является основной фазой дисперсионного твердения в семействе Al-Si-Mg..
  • Feсодержащие фазы: Примеси железа образуют хрупкие интерметаллиды. (Al₅FeSi, и т. д.) которые снижают пластичность и могут способствовать локализованной коррозии.; Mn часто добавляют в небольших количествах для модификации фаз Fe..

Характеристики затвердевания

• Высокомагниевые сплавы имеют тенденцию иметь относительно простой α + путь интерметаллического затвердевания, но может наблюдаться сегрегация, если охлаждение происходит медленно; быстрое охлаждение улучшает структуру, но повышает риск пористости, если подача неадекватна.
• Сплавы Al–Si–Mg затвердевать с первичным α, за которым следует эвтектический α + И; Mg участвует в более поздних реакциях (Mg₂si) если содержания Mg достаточно.

Микроструктура → ссылка на свойства

• Отлично, равномерно распределенные вторые фазы придать лучшую прочность и избежать хрупкого поведения.
• Грубые интерметаллиды или сегрегация снижать усталость, пластичность и коррозионная стойкость. Контроль с помощью практики плавления, зерноочистители и скорость охлаждения имеют решающее значение.

5. Ключевые характеристики производительности

Механические свойства (типичные инженерные диапазоны — литое состояние)

Значения различаются в зависимости от сплава, размер секции, процесс литья и термообработка. Используйте данные поставщика для получения критически важных показателей.

• Плотность (типичный): ~2.66–2,73 г·см⁻³ для литых сплавов Al–Mg (небольшое увеличение по сравнению с чистым Al ~2,70).
• Предел прочности (Ассоциация):

• • Литые сплавы с высоким содержанием магния: ~150–260 МПа (в зависимости от содержания Mg, толщина и отделка сечения).
  • Al–Si–Mg (бросать + T6): ~240–320 МПа (A356 в возрасте T6 находится на верхнем уровне).

• Урожайность: грубо 0.5–0,8 × УТС в качестве гида.
• Удлинение:5–15% в зависимости от сплава и обработки — отливки с высоким содержанием магния обычно обладают хорошей пластичностью. (однофазная тенденция), Al-Si с крупным кремнием будет демонстрировать меньшее удлинение, если его не модифицировать..
• Усталость и вязкость разрушения: хорошо, когда микроструктура прочная и пористость низкая; усталостные характеристики чувствительны к дефектам литья.

Коррозионная стойкость

• Литые сплавы с высоким содержанием магния показывать Отличная общая коррозионная стойкость, особенно в морской и щелочной среде — магний повышает устойчивость к точечной коррозии по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами 3xxx/6xxx..
• Для сред с высоким содержанием хлоридов, Сплавы Al–Mg часто превосходят обычные алюминиевые сплавы, но все же уступают нержавеющим сталям и в тяжелых случаях требуют защиты поверхности..

Термические свойства

• Теплопроводность сплавов Al–Mg остается высокой (≈ 120–180 Вт·м⁻¹·К⁻¹ в зависимости от легирования и микроструктуры), что делает их пригодными для термокорпусов и теплорассеивающих деталей..

Производство & сварка

• Методы литья: кастинг песка, Постоянная плесень, гравитационное литье и некоторое литье под высоким давлением (при тщательном флюсовании) используются.
• Сварка: Сплавы Al–Mg обычно свариваются. (Gtaw, Голн), но сварка литых секций требует внимания к пористости и послесварочной коррозии. (используйте соответствующие присадочные сплавы и очистку после сварки.).
• Механизм: справедливый; выбор инструмента и скорости с учетом алюминиевых сплавов.

6. Термическая обработка и термическая обработка

Какие сплавы поддаются термообработке?

• Литые сплавы Al–Si–Mg (Категория Б) являются теплопроводимый (возраст): обработка раствором → закалка → искусственное старение (T6) обеспечивает значительное увеличение прочности за счет осаждения Mg₂Si..
  Типичные расписания T6 для A356/A357: раствор ~495 °С, выдержка при 160–180 °C в течение нескольких часов (следовать указаниям поставщика).
• Высокомагниевые литейные сплавы Al–Mg (Категория А) являются как правило, не дисперсионно-твердеющие в той же степени: Mg является упрочнителем на твердом растворе, и многие композиции с высоким содержанием Mg затвердевают в основном за счет деформационного старения или холодной обработки деформируемых форм, а не обычного старения T6..
  Термическая обработка литых сплавов с высоким содержанием магния фокусируется на:

• • Гомогенизация уменьшить химическую сегрегацию (низкотемпературное замачивание для перераспределения растворенного вещества).
  • Стресс-рельеф отжиг для снятия литейных напряжений (типичные температуры: умеренные отжиги 300–400 °C — точные циклы зависят от сплава и сечения).
  • Бережное обращение с раствором: используется выборочно для некоторых литых вариантов Al – Mg, но может способствовать нежелательному интерметаллическому огрублению — см. технические характеристики сплавов..

Практическое руководство по термообработке

• Для Отливки Al–Si–Mg предназначен для силы, планировать решение + утомить + старение (T6) и конструкция с размерами секций, обеспечивающими эффективную закалку.
• Для отливки с высоким содержанием магния, указать гомогенизация и снятие стресса циклы для стабилизации микроструктуры и стабильности размеров; не ждите больших результатов с возрастом.

7. Практика литейного производства и аспекты обработки

Плавление и защита от расплавления

• Контроль магния: Mg легко окисляется до MgO.. Используйте защитные флюсы (соляной поток), контролируемый перегрев, и минимизировать образование окалины.
• Температура плавления: Соблюдайте рекомендуемые диапазоны для выбранного сплава; чрезмерный перегрев увеличивает потери при горении и образование оксидов.
• Дегазация и фильтрация: удалить водород и оксиды (ротационная дегазация, пенокерамические фильтры) для уменьшения пористости и улучшения механических/коррозионных характеристик.

Методы литья

• Кастинг песка & постоянная форма: обычно для сплавов с высоким содержанием магния и для более крупных деталей.
• Гравитация литья / кастинг низкого давления: обеспечивает лучшую микроструктуру и чистоту поверхности; хорош для структурных частей.
• Кастинг с высоким давлением: используется в основном для сплавов на основе Al-Si; осторожность при высоком содержании Mg из-за окисления Mg и пористости газа..

Общие дефекты & смягчение последствий

• Пористость (газ/усадка): смягчается дегазацией, Фильтрация, правильная конструкция ворот и стояка, и контролируя скорость затвердевания.
• Дефекты оксида/бипленки: контролировать турбулентность потока и использовать фильтрацию.
• Горячий разрыв: управлять через дизайн (избегайте резких смен разделов) и контролировать подачу/затвердевание.

8. Типичные области применения литых алюминиево-магниевых сплавов

Литой алюминий– магниевые сплавы занимают важное промежуточное положение в машиностроении легких металлов.: они сочетают в себе меньшую плотность и улучшенную коррозионную стойкость по сравнению со многими алюминиевыми сплавами с приемлемой литейностью и хорошей ударной вязкостью..

Морское и оффшорное оборудование

• Насосные корпусы, Корпуса клапанов и рабочие колеса для пресной/солоноватой воды
• Палуба, сервисные кронштейны, косынки и кожухи в зонах брызг/распыления
• Трубные фитинги, корпуса конденсаторов и сервисные шкафы

Автомобили и транспорт

• Структурные кронштейны и подрамники (секции малой массы)
• Корпус из белых компонентов, внутренние конструкционные корпуса и ограждения
• Корпуса радиаторов и несущие пластины для силовой электроники (в электромобилях)

Насос, клапаны и оборудование для работы с жидкостями (промышленное)

• Корпуса и улитки насосов для перекачивания химикатов и воды
• Клапанские тела, Корпуса сидений и корпуса приводов

Теплоотдача и корпуса электроники

• Электронные корпусы, распределительные щиты и корпуса контроллеров двигателей (EV тяговые/инверторы)
• Корпуса радиаторов, для которых важны теплопроводность и малая масса

Аэрокосмическая промышленность (непервичные структуры и вторичные компоненты)

• Внутренние кронштейны, корпусы, корпуса авионики, неосновные конструкционные панели и обтекатели

Потребитель & спортивные товары, электроника

• Легкие рамы, защитные кожухи, корпуса портативных устройств, компоненты велосипеда (некритический), тела камеры

Industrial machinery and HVAC components

• Корпуса вентиляторов, кожухи воздуходувки, торцевые крышки теплообменника, легкие крышки насоса

Specialty applications

• Криогенное оборудование (где малая масса предпочтительна, но сплавы должны быть сертифицированы на низкотемпературную вязкость)
• Корпуса для морских приборов, подводные мелководные компоненты (с адекватной защитой)

9. Преимущества и недостатки

Advantages of Cast Aluminum–Magnesium Alloys

• Превосходная коррозионная стойкость (Особенно в морской среде)
• Низкая плотность и высокая удельная прочность для применений, где вес критически важен.
• Превосходная газонепроницаемость для сосудов под давлением и герметичных систем.
• Хорошая обрабатываемость для точной чистовой обработки.

Disadvantages of Cast Aluminum–Magnesium Alloys

• Плохие характеристики литья, высокая склонность к горячему разрыву и низкая текучесть.
• Риск окисления и включения шлака, требующие защитной атмосферы
• Более высокие производственные затраты из-за сложности процесса и стоимости материалов.
• Ограниченная область применения, ограниченная секторами с высокой добавленной стоимостью

10. Сравнительный анализ: Cast Al–Mg vs. Конкурирующие сплавы

В таблице ниже сравниваются бросать алюминий– магниевые сплавы (В ролях Аль-Мг) с обычно конкурирующими литейными материалами, используемыми в легких и чувствительных к коррозии изделиях.

Сравнение фокусируется на ключевые критерии инженерного решения а не только номинальные свойства материала, возможность практичного выбора материала.

Material Selection Summary

Выбирать литые алюминиево-магниевые сплавы когда легкий, коррозионная стойкость, и разумная сила необходимы при умеренных температурах.

Для экстремальных сред (высокая температура, давление, или агрессивные химикаты), нержавеющая сталь остается превосходным, пока Сплавы Al–Si доминировать, когда сложная геометрия отливки и экономическая эффективность имеют первостепенное значение.

11. Conclusions — practical engineering takeaways

• Литые сплавы Al–Mg обеспечивают превосходное сочетание низкой плотности, коррозионная стойкость и достаточная прочность для многих конструкционных применений, но они ни одного материала; отличать семейства отливок с высоким содержанием Mg от семейств термообрабатываемых отливок Al-Si-Mg.
• Дисциплина процесса имеет значение: защита от расплава, дегазация и фильтрация необходимы для достижения ожидаемых механических и коррозионных характеристик..
• Термическая обработка отличается: Литые сплавы Al-Si-Mg хорошо реагируют на раствор. + старение (T6) и обеспечить более высокие сильные стороны; литые сплавы с высоким содержанием магния меньше выигрывают от обычного старения и больше зависят от контроля микроструктуры и механической обработки..
• Дизайн для литья: толщина контрольного сечения, подача и литование, чтобы избежать распространенных дефектов литья, которые наиболее отрицательно влияют на усталостные и коррозионные характеристики..