Liate zliatiny hliníka a horčíka: Ľahká pevnosť

1. Zhrnutie

„Hliník-liaty horčík“ sa vzťahuje na dve súvisiace, ale odlišné konštrukčné rodiny:

(A) zliatiny Al-Mg s vysokým obsahom horčíka (Mg-väčšinové legovanie na maximalizáciu odolnosti proti korózii a špecifickej pevnosti pre námorné/hmotnostne kritické časti) a (B) Odlievacie zliatiny Al–Si–Mg (Al-Si základ s miernymi prísadami Mg používaný na starnutie a pevnosť).

Liate zliatiny Al-Mg poskytujú vynikajúcu odolnosť proti korózii (najmä v prostredí chloridu), atraktívna pevnosť v pomere k hmotnosti a dobrá húževnatosť, ale predstavujú problémy pri odlievaní a manipulácii s taveninou, pretože Mg ľahko oxiduje a môže podporovať pórovitosť, ak je procesná disciplína slabá.

Väčšina zliatin Al-Mg nie je silne vytvrdzovaná precipitáciou – k spevneniu dochádza predovšetkým tuhým roztokom, riadenie mikroštruktúry a termomechanické spracovanie namiesto konvenčných ciest T6 používaných pre zliatiny Al-Si-Mg.

2. Čo máme na mysli pod pojmom „liate Al-Mg“ – rodiny a bežné triedy

V priemysle sa opakovane objavujú dve praktické kategórie odlievaných zliatin Al–Mg:

• Kategória A – Zliatiny s vysokým obsahom Mg (Rodina Al-Mg): zliatiny, v ktorých je obsah Mg dostatočne vysoký na to, aby dominoval koróznemu správaniu a špecifickej hustote/pevnosti.
  V literatúre a obchodnej praxi táto trieda bežne uvádza Mg v 3– 6 % hmotn. rozsah s malými prídavkami Si (≈0,5–1,0 %) keď je potrebná lepšia zlievateľnosť. Používajú sa tam, kde sú odolné voči korózii / primárna je nízka hmotnosť.
• Kategória B – Zliatiny na odlievanie Al–Si–Mg (Rodina Al-Si-Mg): takmer eutektické liate zliatiny na báze Al-Si (Si ≈ 7–12 % hmotn.) ktoré zahŕňajú skromné ​​Mg (≈0,2–0,8 % hmotn.) umožniť umelé starnutie (Zrážanie Mg2Si) a vyššiu pevnosť po starnutí typu T (T6).
  Príklady zahŕňajú priemyselné zliatiny, ako je A356 (Al–Si–Mg) — niekedy sa nazývajú „odliatky obsahujúce Al-Mg“ (ale sú to predovšetkým zliatiny Al-Si s Mg ako spevňovacím prvkom).

V praxi vyberiete kategóriu A, keď je odolnosť proti korózii (námorný, chemický kontakt) a nízka hustota sú dominantné; vyberte kategóriu B pri zlievateľnosti, je potrebná rozmerová stálosť a tepelne spracovateľná pevnosť.

3. Typické chemické zloženie

Tabuľka: Typické rozsahy zloženia (inžinierstvo)

Poznámky

• Vyššie uvedené rozsahy sú praktické technické okná – presné špecifikácie musia odkazovať na označenie noriem (ASTM/EN) alebo certifikát dodávateľa.
• Zliatiny s vysokým obsahom Mg sa približujú oblasti zloženia tvárneným zliatinám 5xxx, ale sú navrhnuté na odlievanie (odlišná kontrola nečistôt a správanie pri tuhnutí).

4. Mikroštruktúra a fázová chémia – čo riadi výkon

Primárni mikroštrukturálni hráči

• α-Al matrica (tvárovo centrovaný kubický): primárna nosná fáza vo všetkých Al zliatinách.
• Mg v tuhom roztoku: Atómy Mg sa rozpúšťajú v α-Al; pri miernych koncentráciách spevňujú matricu spevňovaním v tuhom roztoku.
• Intermetalicia / druhé fázy:

• • Intermetalické látky bohaté na horčík (Al3Mg2/p): sa môžu tvoriť pri vysokých hladinách Mg a v interdendritických oblastiach; ich morfológia a distribúcia riadia vysokoteplotnú stabilitu a korózne správanie.
  • Mg₂si (v zliatinách Al–Si–Mg): tvorí sa počas starnutia a je hlavnou fázou precipitačného vytvrdzovania v rodine Al-Si-Mg.
  • Fázy nesúce Fe: Nečistoty Fe tvoria krehké intermetalické látky (Al₅FeSi, atď.) ktoré znižujú ťažnosť a môžu podporovať lokalizovanú koróziu; Mn sa často pridáva v malých množstvách na modifikáciu Fe fáz.

Charakteristika tuhnutia

• Zliatiny s vysokým obsahom Mg majú tendenciu mať relatívne jednoduché α + intermetalickú dráhu tuhnutia, ale môže vykazovať segregáciu, ak je chladenie pomalé; rýchle chladenie zjemňuje štruktúru, ale zvyšuje riziko pórovitosti, ak je dávkovanie nedostatočné.
• Zliatiny Al-Si-Mg stuhnúť s primárnym α, po ktorom nasleduje eutektické α + A; Mg sa zúčastňuje neskorších reakcií (Mg₂si) ak je obsah Mg dostatočný.

Mikroštruktúra → vlastnosti odkaz

• Pokuta, rovnomerne rozložené druhé fázy poskytnúť lepšiu húževnatosť a vyhnúť sa krehkému správaniu.
• Hrubé intermetalické látky alebo segregácia degradovať únavu, ťažnosť a korózne vlastnosti. Kontrola pomocou taveniny, rafinácie obilia a rýchlosť chladenia je rozhodujúca.

5. Kľúčové výkonové charakteristiky

Mechanické vlastnosti (typické inžinierske rozsahy – stav odliatku)

Hodnoty sa líšia podľa zliatiny, veľkosť sekcie, proces odlievania a tepelného spracovania. Pre čísla kritické pre dizajn použite údaje dodávateľa.

• Hustota (typický): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ pre liate zliatiny Al-Mg (mierne zvýšenie oproti čistému Al ~2,70).
• Pevnosť v ťahu (ako cast):

• • Zliatiny s vysokým obsahom Mg: ~150–260 MPa (v závislosti od obsahu Mg, hrúbka a povrchová úprava prierezu).
  • Al–Si–Mg (vrhnúť + T6): ~240–320 MPa (T6 vo veku A356 sa pohybuje na hornom konci).

• Výnosová sila: zhruba 0.5-0,8 × UTS ako sprievodca.
• Predĺženie:5–15% v závislosti od zliatiny a spracovania – odliatky s vysokým obsahom Mg zvyčajne vykazujú dobrú ťažnosť (jednofázová tendencia), Al-Si s hrubým Si bude vykazovať nižšie predĺženie, pokiaľ sa nezmení.
• Únavová a lomová húževnatosť: dobré, keď je mikroštruktúra zdravá a pórovitosť nízka; únavový výkon citlivý na chyby odliatku.

Odpor

• Zliatiny s vysokým obsahom Mg ukázať Vynikajúci všeobecný odpor korózie, najmä v morskom a alkalickom prostredí – Mg zvyšuje odolnosť proti jamkovej korózii v porovnaní so štandardnými zliatinami Al 3xxx/6xxx.
• Pre prostredia bohaté na chloridy, Zliatiny Al-Mg často prekonávajú bežné zliatiny Al, ale sú stále horšie ako nehrdzavejúce ocele a v ťažkých prípadoch vyžadujú ochranu povrchu.

Tepelné vlastnosti

• Tepelná vodivosť zliatin Al-Mg zostáva vysoká (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ v závislosti od legovania a mikroštruktúry), vďaka čomu sú vhodné pre tepelné kryty a časti odvádzajúce teplo.

Výroba & zváranie

• Metódy odlievania: odlievanie piesku, stála forma, gravitačné liatie a niektoré vysokotlakové liatie (s opatrným tavením) používajú sa.
• Zvárateľnosť: Zliatiny Al-Mg sú vo všeobecnosti zvárateľné (Gtaw, Zaniknúť), ale zváranie odliatkov vyžaduje pozornosť na pórovitosť a koróziu po zváraní (použite vhodné plniace zliatiny a čistenie po zváraní).
• Machináovateľnosť: spravodlivý; výber nástrojov a rýchlosti prispôsobené hliníkovým zliatinám.

6. Tepelné spracovanie a tepelné spracovanie

Ktoré zliatiny reagujú na tepelné spracovanie?

• Zliatiny Al–Si–Mg (Kategória B) byť tepelne liečiteľný (vek): roztok liečiť → uhasiť → umelé starnutie (T6) vytvára výrazné zvýšenie pevnosti prostredníctvom zrážania Mg2Si.
  Typické plány T6 pre A356/A357: roztok ~495 °C, starnúť pri 160–180 °C niekoľko hodín (postupujte podľa pokynov dodávateľa).
• Zliatiny Al-Mg s vysokým obsahom horčíka (Kategória A) byť vo všeobecnosti nie je vytvrditeľný precipitáciou v rovnakom stupni: Mg je posilňovač v tuhom roztoku a mnoho kompozícií s vysokým obsahom Mg tvrdne predovšetkým starnutím namáhaním alebo prácou za studena v tvárnených formách, a nie konvenčným starnutím T6.
  Tepelné spracovanie liatych zliatin s vysokým obsahom Mg sa zameriava na:

• • Homogenizácia znížiť chemickú segregáciu (nízkoteplotné namáčanie na redistribúciu rozpustenej látky).
  • Žíhanie na zmiernenie stresu na odstránenie odlievacích napätí (typické teploty: mierne žíhania 300–400 °C — presné cykly závisia od zliatiny a prierezu).
  • Opatrné ošetrenie roztokom: používané selektívne pre niektoré liate varianty Al–Mg, ale môže podporovať nežiaduce intermetalické zhrubnutie – pozrite si technické listy zliatin.

Praktický návod na tepelné spracovanie

• Pre Al–Si–Mg odliatky určený na silu, plánovať riešenie + uhasiť + starnutie (T6) a dizajn s veľkosťami sekcií, ktoré účinne uhasia.
• Pre odliatky s vysokým obsahom Mg, určiť homogenizácia a uvoľnenie stresu cyklov na stabilizáciu mikroštruktúry a rozmerovej stability; nečakajte veľké prírastky zosilňovania vekom.

7. Zlievárenská prax a úvahy o spracovaní

Tavenie a ochrana taveniny

• Kontrola horčíka: Mg ľahko oxiduje na MgO. Používajte ochranné krycie tavidlá (soľný tok), riadené prehriatie, a minimalizovať tvorbu trosiek.
• Teplota topenia: dodržujte odporúčané rozsahy pre zvolenú zliatinu; nadmerné prehriatie zvyšuje straty horením a tvorbu oxidov.
• Odplynenie a filtrácia: odstrániť vodík a oxidy (rotačné odplyňovanie, keramické penové filtre) na zníženie pórovitosti a zlepšenie mechanického/korózneho výkonu.

Metódy odlievania

• Odlievanie piesku & permanentná forma: bežné pre zliatiny s vysokým obsahom Mg a pre väčšie diely.
• Odlievanie gravitácie / odlievanie s nízkym tlakom: vytvára lepšiu mikroštruktúru a povrchovú úpravu; dobré pre konštrukčné diely.
• Odlievanie s vysokým tlakom: používa sa hlavne pre zliatiny na báze Al-Si; opatrnosť pri vysokom obsahu Mg kvôli oxidácii Mg a pórovitosti plynu.

Spoločné chyby & zmiernenie

• Pórovitosť (plyn/zmršťovanie): zmiernené odplyňovaním, filtrácia, správna konštrukcia brány a stúpačky, a riadením rýchlosti tuhnutia.
• Oxidové/bifilmové defekty: kontrolovať turbulenciu odlievania a používať filtráciu.
• Roztrhnutie: spravovať cez dizajn (vyhnúť sa náhlym zmenám sekcií) a kontrolovať kŕmenie/tuhnutie.

8. Typické aplikácie zliatin hliníka a horčíka

Hliník– horčíkové zliatiny zaujímajú dôležitý stred v inžinierstve ľahkých kovov: kombinujú nižšiu hustotu a zlepšenú odolnosť proti korózii v porovnaní s mnohými hliníkovými zliatinami s prijateľnou zlievateľnosťou a dobrou húževnatosťou.

Morské a pobrežné vybavenie

• Čerpacie puzdrá, ventilové telesá a obežné kolesá pre čerpanie sladkej/brakickej vody
• Panela, servisné konzoly, kliny a kryty v zónach postriekania/rozstreku
• Potrubie, kryty kondenzátorov a servisné kryty

Automobilový priemysel a doprava

• Konštrukčné konzoly a pomocné rámy (nízkohmotné úseky)
• Telo z bielych komponentov, vnútorné konštrukčné kryty a kryty
• Kryty chladičov a nosné dosky pre výkonovú elektroniku (v EV)

Čerpadlá, ventily a hardvér na manipuláciu s kvapalinami (priemyselný)

• Telesá a špirály čerpadiel na manipuláciu s chemikáliami a vodou
• Telá ventilu, kryty sedadiel a kryty ovládačov

Odvod tepla a kryty elektroniky

• Elektronické kryty, rozvádzače tepla a kryty ovládačov motora (EV trakcia/invertory)
• Kryty chladiča, kde je dôležitá tepelná vodivosť a nízka hmotnosť

Letectvo a kozmonautika (neprimárne štruktúry a sekundárne zložky)

• Vnútorné držiaky, puzdro, kryty avioniky, neprimárne konštrukčné panely a aerodynamické kryty

Spotrebiteľ & športový tovar, elektronika

• Ľahké rámy, ochranné obaly, kryty prenosných zariadení, komponenty bicyklov (nekritický), telá fotoaparátu

Priemyselné stroje a komponenty HVAC

• Kryty ventilátorov, plášte ventilátorov, koncovky výmenníkov tepla, ľahké kryty čerpadiel

Špeciálne aplikácie

• Kryogénne vybavenie (kde je výhodná nízka hmotnosť, ale zliatiny musia byť kvalifikované na húževnatosť pri nízkych teplotách)
• Kryty prístrojov na mori, podmorské plytké zložky (s primeranou ochranou)

9. Výhody a nevýhody

Výhody zliatin hliníka a horčíka

• Vynikajúca odolnosť proti korózii (Najmä v morskom prostredí)
• Nízka hustota a vysoká špecifická pevnosť pre aplikácie s kritickou hmotnosťou
• Vynikajúca plynotesnosť pre tlakové nádoby a utesnené systémy
• Dobrá opracovateľnosť pre presné dokončovanie

Nevýhody zliatin hliníka a horčíka

• Slabý odlievací výkon s vysokou tendenciou k roztrhnutiu za tepla a nízkou tekutosťou
• Riziko oxidácie a inklúzia trosky vyžadujúce ochranné atmosféry
• Vyššie výrobné náklady v dôsledku zložitosti procesu a materiálových prémií
• Obmedzený rozsah použitia obmedzený na sektory s vysokou hodnotou

10. Porovnávacia analýza: Cast Al-Mg vs. Konkurenčné zliatiny

Nižšie uvedená tabuľka porovnáva vrhnúť hliník-zliatiny horčíka (Odliatok Al-Mg) s bežne konkurenčnými odlievacími materiálmi používanými v ľahkých aplikáciách citlivých na koróziu.

Porovnanie sa zameriava na kľúčové kritériá inžinierskeho rozhodovania než len nominálne vlastnosti materiálu, umožňuje praktický výber materiálu.

Zhrnutie výberu materiálu

Zvoliť si zliatiny hliníka a horčíka kedy ľahký, odpor, a primeranú silu sú potrebné pri miernych teplotách.

Pre extrémne prostredie (vysoká teplota, tlak, alebo agresívne chemikálie), nehrdzavejúca oceľ zostáva nadradený, zatiaľ čo zliatiny Al-Si dominovať kedy komplexná geometria odlievania a efektívnosť nákladov sú prvoradé.

11. Závery – praktické poznatky z inžinierstva

• Liate zliatiny Al-Mg poskytujú vynikajúcu kombináciu nízkej hustoty, odolnosť proti korózii a primeraná pevnosť pre mnohé konštrukčné aplikácie - ale sú ani jeden materiál; odlíšiť rodiny odliatkov s vysokým obsahom Mg od rodín tepelne spracovateľných odliatkov Al–Si–Mg.
• Dôležitá je procesná disciplína: ochrana taveniny, odplynenie a filtrácia sú nevyhnutné na dosiahnutie očakávaného mechanického a korózneho výkonu.
• Tepelná úprava je rôzna: Liate zliatiny Al-Si-Mg dobre reagujú na roztok + starnutie (T6) a poskytujú vyššiu silu; Zliatiny s vysokým obsahom Mg získavajú menej z konvenčného starnutia a viac závisia od kontroly mikroštruktúry a mechanického spracovania.
• Dizajn na odlievanie: hrúbka regulačnej sekcie, dávkovanie a vtok, aby sa predišlo bežným chybám odliatkov, ktoré najnepriaznivejšie ovplyvňujú únavový a korózny výkon.