Gjutna aluminium-magnesiumlegeringar: Lättviktsstyrka

1. Sammanfattning

"Gjutet aluminium–magnesium" syftar på två relaterade men distinkta ingenjörsfamiljer:

(En) hög-Mg gjutna Al-Mg legeringar (Mg-majoritetslegering för att maximera korrosionsbeständighet och specifik hållfasthet för marina/viktkritiska delar) och (B) Al–Si–Mg gjutlegeringar (Al-Si-bas med blygsamma Mg-tillsatser som används för åldringshärdning och styrka).

Al-Mg gjutna legeringar ger utmärkt korrosionsbeständighet (särskilt i kloridmiljöer), attraktiv hållfasthet till vikt och god seghet, men de utgör utmaningar för gjutning och smälthantering eftersom Mg oxiderar lätt och kan främja porositet om processdisciplinen är svag.

De flesta Al-Mg gjutna legeringar är inte starkt fällningshärdande - förstärkning sker främst genom fast lösning, mikrostrukturkontroll och termomekanisk bearbetning snarare än konventionella T6-vägar som används för Al-Si-Mg-legeringar.

2. Vad vi menar med "cast Al-Mg" - familjer och vanliga betyg

Två praktiska kategorier av gjutna Al-Mg-legeringar dyker upp upprepade gånger inom industrin:

• Kategori A — Hög-Mg gjutna legeringar (Al-Mg familj): legeringar där Mg-halten är tillräckligt hög för att dominera korrosionsbeteende och specifik densitet/hållfasthet.
  I litteratur och butik praxis denna klass ofta citerar Mg i 3–6 vikt% sortiment med små Si-tillägg (≈0,5–1,0 %) när bättre gjutbarhet behövs. Dessa används där korrosionsbeständighet / låg vikt är primär.
• Kategori B – Al–Si–Mg gjutlegeringar (Familjen Al–Si–Mg): nästan eutektiska Al-Si-baserade gjutna legeringar (Si ≈ 7–12 viktprocent) som inkluderar blygsamma Mg (≈0,2–0,8 viktprocent) för att tillåta artificiellt åldrande (Mg2Si-utfällning) och högre styrka efter åldring av T-typ (T6).
  Exempel inkluderar industriarbetshästlegeringar som A356 (Al-Si-Mg) — dessa kallas ibland "Al-Mg-innehållande gjutgods" (men är i första hand Al–Si-legeringar med Mg som stärkande element).

I praktiken kommer du att välja kategori A vid korrosionsbeständighet (marin, kemisk kontakt) och låg densitet är dominerande; välj kategori B vid gjutbarhet, dimensionsstabilitet och värmebehandlingsbar hållfasthet krävs.

3. Typiska kemiska sammansättningar

Tabell: Typiska sammansättningsintervall (teknisk vägledning)

Anteckningar

• The ranges above are practical engineering windows — exact specifications must reference a standards designation (ASTM/EN) or the supplier’s certificate.
• High-Mg cast alloys approach the composition region of wrought 5xxx alloys but are engineered for casting (different impurity control and solidification behavior).

4. Mikrostruktur och faskemi — vad som styr prestanda

Primära mikrostrukturella aktörer

• α-Al matrix (ansiktscentrerad kubisk): the primary load-bearing phase in all Al alloys.
• Mg in solid solution: Mg atoms dissolve in α-Al; at moderate concentrations they strengthen the matrix by solid-solution strengthening.
• Intermetallisk / second phases:

• • Mg-rich intermetallics (Al₃Mg₂/β): can form at high Mg levels and at interdendritic regions; deras morfologi och distribution kontrollerar stabilitet vid hög temperatur och korrosionsbeteende.
  • Mg₂si (i Al–Si–Mg-legeringar): bildas under åldrandet och är den huvudsakliga nederbördshärdningsfasen i Al-Si-Mg-familjen.
  • Fe-bärande faser: Fe-föroreningar bildar spröda intermetalliska material (Al5FeSi, etc.) som minskar duktiliteten och kan främja lokal korrosion; Mn tillsätts ofta i små mängder för att modifiera Fe-faser.

Solidifieringsegenskaper

• Hög-Mg legeringar tenderar att ha ett relativt enkelt α + intermetallisk stelningsbana men kan visa segregation om kylningen är trög; snabb kylning förfinar strukturen men ökar risken för porositet om utfodringen är otillräcklig.
• Al–Si–Mg-legeringar stelna med primär α följt av en eutektisk α + Och; Mg deltar i senare reaktioner (Mg₂si) om Mg-innehållet räcker.

Mikrostruktur → egenskaper länk

• Bra, likformigt fördelade andra faser ger bättre seghet och undvik sprött beteende.
• Grova intermetaller eller segregering försämra trötthet, duktilitet och korrosionsprestanda. Styrning via smältövning, spannmålsraffinörer och kylningshastighet är avgörande.

5. Nyckelprestandaegenskaper

Mekaniska egenskaper (typiska tekniska intervall — gjutet tillstånd)

Värdena varierar beroende på legering, sektionsstorlek, gjutprocess och värmebehandling. Använd leverantörsdata för designkritiska siffror.

• Densitet (typisk): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ för Al–Mg gjutna legeringar (liten ökning jämfört med ren Al ~2,70).
• Dragstyrka (som den är gjuten):

• • Hög-Mg gjutna legeringar: ~150–260 MPa (beroende på Mg-innehåll, sektionstjocklek och finish).
  • Al-Si-Mg (kasta + T6): ~240–320 MPa (T6 åldrade A356 sträcker sig i den övre änden).

• Avkastningsstyrka: grovt 0.5–0,8 × UTS som en guide.
• Förlängning:5–15% beroende på legering och bearbetning — hög-Mg gjutgods uppvisar vanligtvis god duktilitet (enfasig tendens), Al–Si med grov Si kommer att visa lägre förlängning om den inte modifieras.
• Trötthet och brottseghet: bra när mikrostrukturen är sund och porositeten låg; utmattningsprestanda känslig för gjutdefekter.

Korrosionsmotstånd

• Hög-Mg gjutna legeringar visa Utmärkt allmän korrosionsmotstånd, speciellt i marina och alkaliska miljöer — Mg höjer gropmotståndet jämfört med standard 3xxx/6xxx Al-legeringar.
• För kloridrika miljöer, Al-Mg-legeringar överträffar ofta vanliga Al-legeringar men är fortfarande sämre än rostfria stål och kräver ytskydd i svåra fall.

Termiska egenskaper

• Värmeledningsförmågan för Al-Mg-legeringar är fortfarande hög (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ beroende på legering och mikrostruktur), vilket gör dem lämpliga för termiska höljen och värmeavledande delar.

Tillverkning & svetsning

• Gjutmetoder: sandgjutning, permanent mögel, gravitationspressgjutning och viss högtryckspressgjutning (med försiktig flusning) används.
• Svetbarhet: Al-Mg-legeringar är i allmänhet svetsbara (Gtaw, Gäver), men svetsning av gjutna sektioner kräver uppmärksamhet på porositet och korrosion efter svetsning (använd lämpliga tillsatslegeringar och eftersvetsrengöring).
• Bearbetbarhet: rättvis; verktygsval och hastigheter anpassade för aluminiumlegeringar.

6. Värmebehandling och termisk behandling

Vilka legeringar svarar på värmebehandling?

• Al–Si–Mg gjutna legeringar (Kategori B) are värmebehandlingsbar (åldershärdning): lösning behandla → släcka → artificiellt åldrande (T6) producerar betydande styrkeökningar via utfällning av Mg2Si.
  Typiska T6-scheman för A356/A357: lösning ~495 °C, åldras vid 160–180 °C i flera timmar (följa leverantörens vägledning).
• Hög-Mg gjutna Al-Mg legeringar (Kategori A) are i allmänhet inte nederbördshärdbara i samma grad: Mg är ett förstärkningsmedel i fast lösning och många kompositioner med hög Mg härdar främst genom åldring eller kallbearbetning i smide snarare än konventionell T6-åldring.
  Värmebehandling för gjutna hög-Mg legeringar fokuserar på:

• • Homogenisering för att minska kemisk segregation (blötläggning vid låg temperatur för att omfördela löst ämne).
  • Avspänningsglödgning för att ta bort gjutspänningar (typiska temperaturer: blygsamma glödgning 300–400 °C — exakta cykler beror på legering och sektion).
  • Noggrann lösningsbehandling: används selektivt för vissa gjutna Al-Mg-varianter, men kan främja oönskad intermetallisk förgrovning — se legeringsdatablad.

Praktisk vägledning för värmebehandling

• För Al–Si–Mg gjutgods avsedd för styrka, planera för lösning + släcka + åldrande (T6) och design med sektionsstorlekar som släcker effektivt.
• För hög-Mg gjutgods, specificera homogenisering och stressavlastning cykler för att stabilisera mikrostruktur och dimensionsstabilitet; förvänta dig inte stora åldershärdande vinster.

7. Överväganden i gjuteripraktik och bearbetning

Smält- och smältskydd

• Magnesiumkontroll: Mg oxiderar lätt till MgO. Använd skyddskåpa flussmedel (saltflöde), kontrollerad överhettning, och minimera slaggbildning.
• Smälttemperatur: håll dig inom rekommenderade intervall för den valda legeringen; överhettning ökar brännförlusterna och oxidbildningen.
• Avgasning och filtrering: ta bort väte och oxider (roterande avgasning, keramiska skumfilter) för att minska porositeten och förbättra mekanisk/korrosionsprestanda.

Gjutmetoder

• Sandgjutning & permanent-mögel: vanligt för hög-Mg-legeringar och för större delar.
• Gravity Die Casting / lågtrycksgjutning: ger bättre mikrostruktur och ytfinish; bra för konstruktionsdelar.
• Högtrycksgjutning: används främst för Al-Si-baserade legeringar; försiktighet med högt Mg-innehåll på grund av Mg-oxidation och gasporositet.

Gemensamma brister & lindring

• Porositet (gas/krympning): mildras genom avgasning, filtrering, korrekt design av grindar och stigare, och genom att kontrollera stelningshastigheten.
• Oxid/bifilmdefekter: kontrollera hällturbulens och använd filtrering.
• Hett rivning: hantera via design (undvik plötsliga sektionsbyten) och kontrollera utfodring/stelning.

8. Typiska tillämpningar av gjutna aluminium-magnesiumlegeringar

Gjutande aluminium–magnesiumlegeringar upptar en viktig medelväg inom lättmetallteknik: de kombinerar lägre densitet och förbättrad korrosionsbeständighet jämfört med många aluminiumlegeringar med acceptabel gjutbarhet och god seghet.

Marin- och offshore -utrustning

• Pumphus, ventilhus och pumphjul för färsk-/bräckvattenservice
• Däckbeslag, servicefästen, kilar och höljen i stänk-/sprayzoner
• Rörbeslag, kondensorhus och servicekapslingar

Fordon och transporter

• Konstruktionsfästen och hjälpramar (lågmassasektioner)
• Stomme i vita komponenter, interiöra strukturella höljen och kapslingar
• Kylflänshus och bärplattor för kraftelektronik (i elbilar)

Pumps, ventiler och vätskehanteringsutrustning (industriell)

• Pumpkåpor och spiraler för kemikalie- och vattenhantering
• Ventilkroppar, säteshus och ställdonhus

Värmeavledning och elektronikhus

• Elektroniska hus, termiska spridare och kapslingar för motorstyrning (EV-dragkraft/växelriktare)
• Kylflänshus där värmeledningsförmåga och låg massa är viktigt

Flyg- (icke-primära strukturer och sekundära komponenter)

• Invändiga fästen, inhus, avionikkapslingar, icke-primära strukturella paneler och kåpor

Konsument & sportartiklar, elektronik

• Lätta ramar, skyddande höljen, bärbara enhetshöljen, cykelkomponenter (icke-kritisk), kamerakroppar

Industrimaskiner och VVS-komponenter

• Fläkthus, fläkthus, värmeväxlarens ändlock, lätta pumpkåpor

Specialapplikationer

• Kryogen utrustning (där låg massa är fördelaktigt men legeringar måste vara kvalificerade för seghet vid låg temperatur)
• Offshore instrumenthus, undervattens grunda komponenter (med tillräckligt skydd)

9. Fördelar och nackdelar

Fördelar med gjutna aluminium-magnesiumlegeringar

• Överlägsen korrosionsmotstånd (särskilt i marina miljöer)
• Låg densitet och hög specifik hållfasthet för viktkritiska applikationer
• Utmärkt gastäthet för tryckkärl och förseglade system
• God bearbetbarhet för precisionsbearbetning

Nackdelar med gjutna aluminium-magnesiumlegeringar

• Dålig gjutprestanda med hög hot-tear-tendens och låg fluiditet
• Oxidationsrisk och slagginneslutning som kräver skyddande atmosfärer
• Högre produktionskostnader på grund av processkomplexitet och materialpremier
• Begränsat tillämpningsområde begränsat till högvärdiga sektorer

10. Jämförande analys: Medverkande Al–Mg vs. Konkurrerande legeringar

Tabellen nedan jämför kasta aluminium-magnesiumlegeringar (Cast Al–Mg) med vanligt konkurrerande gjutmaterial som används i lätta och korrosionskänsliga applikationer.

Jämförelsen fokuserar på viktiga tekniska beslutskriterier snarare än endast nominella materialegenskaper, möjliggör praktiskt materialval.

Sammanfattning av materialval

Välja gjutna aluminium-magnesiumlegeringar när lättvikt, korrosionsmotstånd, och rimlig styrka krävs vid måttliga temperaturer.

För extrema miljöer (hög temperatur, tryck, eller aggressiva kemikalier), rostfritt stål förblir överlägsen, medan Al-Si-legeringar dominera när komplex gjutningsgeometri och kostnadseffektivitet är av största vikt.

11. Slutsatser — praktiska tekniska takeaways

• Gjutna Al-Mg-legeringar ger en utmärkt kombination av låg densitet, korrosionsbeständighet och tillräcklig hållfasthet för många strukturella applikationer - men det är de inte ett enda material; skilja gjutfamiljer med högt Mg från Al-Si-Mg värmebehandlade gjutfamiljer.
• Processdisciplin spelar roll: smältskydd, avgasning och filtrering är avgörande för att uppnå förväntad mekanisk prestanda och korrosionsprestanda.
• Värmebehandlingsbarheten skiljer sig åt: Al-Si-Mg gjutna legeringar svarar bra på lösning + åldrande (T6) och leverera högre styrkor; hög-Mg gjutna legeringar vinner mindre på konventionell åldring och är mer beroende av mikrostrukturkontroll och mekanisk bearbetning.
• Design för gjutning: kontrollsektionens tjocklek, matning och grindning för att undvika vanliga gjutdefekter som mest negativt påverkar utmattnings- och korrosionsprestanda.