Литі алюмінієво-магнієві сплави: Легка міцність

1. Резюме

«Литий алюміній-магній» відноситься до двох споріднених, але різних інженерних сімейств:

(A) високомагнітні литі сплави Al–Mg (Магнієвий сплав для максимізації корозійної стійкості та питомої міцності для морських/важливих деталей) і (Б) Ливарні сплави Al–Si–Mg (Основа Al–Si з невеликими добавками магнію, що використовується для зміцнення під час старіння та міцності).

Литі сплави Al–Mg забезпечують чудову стійкість до корозії (особливо в хлоридних умовах), привабливе співвідношення міцності до ваги та хороша міцність, але вони створюють проблеми з литтям і обробкою розплаву, оскільки Mg легко окислюється і може сприяти пористості, якщо дисципліна процесу слабка.

Більшість литих сплавів Al–Mg не мають сильного дисперсійного зміцнення — зміцнення відбувається переважно твердим розчином, контроль мікроструктури та термомеханічна обробка, а не звичайні маршрути T6, що використовуються для сплавів Al–Si-Mg.

2. Що ми маємо на увазі під «литим Al–Mg» — родини та загальні класи

У промисловості неодноразово з’являються дві практичні категорії литих сплавів Al–Mg:

• Категорія А — високомагнезійні ливарні сплави (Родина Аль-Мг): сплави, в яких вміст Mg достатньо високий, щоб домінувати в корозійній поведінці та питомій щільності/міцності.
  У літературі та торговій практиці цей клас зазвичай цитує Mg у 3–6 мас.% діапазон з невеликими добавками Si (≈0,5–1,0 %) коли потрібна краща здатність до лиття. Вони використовуються там, де стійкі до корозії / легка вага є основним.
• Категорія B — Ливарні сплави Al–Si–Mg (Родина Al–Si–Mg): майжеевтектичні сплави на основі Al–Si (Si ≈ 7–12 мас.%) які включають скромний Mg (≈0,2–0,8 мас.%) дозволити штучне старіння (Осадження Mg₂Si) і більш висока міцність після Т-типу старіння (T6).
  Приклади включають промислові сплави, такі як A356 (Al–Si–Mg) — їх іноді називають «виливки, що містять Al–Mg» (але це переважно сплави Al–Si з Mg як зміцнюючий елемент).

На практиці ви виберете категорію А, коли стійкість до корозії (морський, хімічний контакт) і низької щільності є домінуючими; вибрати категорію B, коли здатність до лиття, необхідна стабільність розмірів і міцність при термічній обробці.

3. Типовий хімічний склад

Стіл: Типові діапазони складу (Інженерне керівництво)

Нотатки

• Наведені вище діапазони є практичними інженерними вікнами — точні специфікації мають посилатися на стандартне позначення (ASTM/EN) або сертифікат постачальника.
• Литі сплави з високим вмістом магнію наближаються до області деформованих сплавів 5xxx, але розроблені для лиття (різний контроль домішок і поведінка твердіння).

4. Мікроструктура та хімічний склад фаз — що контролює продуктивність

Первинні мікроструктурні гравці

• α-Al матриця (гранецентрований куб): первинна несуча фаза у всіх сплавах Al.
• Mg у твердому розчині: Атоми Mg розчиняються в α-Al; при помірних концентраціях зміцнюють матрицю твердорозчинним зміцненням.
• Інтерметаліка / другі фази:

• • Багаті магнієм інтерметаліди (Al₃Mg₂/β): може утворюватися при високих рівнях Mg і в міждендритних областях; їх морфологія та розподіл контролюють стійкість до високих температур і корозійну поведінку.
  • Mg₂si (в сплавах Al–Si–Mg): утворюється під час старіння і є основною фазою дисперсійного зміцнення в сімействі Al-Si-Mg.
  • Залізовмісні фази: Домішки Fe утворюють крихкі інтерметаліди (Al₅FeSi, тощо) які знижують пластичність і можуть сприяти локальній корозії; Mn часто додають у невеликих кількостях для модифікації фаз Fe.

Характеристики затвердіння

• Високомагнітні сплави як правило, мають відносно просте α + інтерметалічний шлях затвердіння, але може виявляти сегрегацію, якщо охолодження відбувається повільно; швидке охолодження покращує структуру, але підвищує ризик пористості, якщо подача неадекватна.
• Сплави Al–Si–Mg затвердіти з первинним α, за яким слідує евтектичний α + І; Mg бере участь у подальших реакціях (Mg₂si) якщо вміст Mg достатній.

Мікроструктура → властивості

• Штраф, рівномірно розподілені другі фази забезпечують кращу міцність і уникають ламкості.
• Грубі інтерметаліди або сегрегація зменшити втому, пластичність і стійкість до корозії. Контроль за допомогою практики розплаву, рафінери зерна та швидкість охолодження має вирішальне значення.

5. Ключові експлуатаційні характеристики

Механічні властивості (типові технічні ряди — литий стан)

Значення залежать від сплаву, Розмір секції, процес лиття та термообробка. Використовуйте дані постачальника для критичних для дизайну чисел.

• Щільність (типовий): ~2.66–2,73 г·см⁻³ для литих сплавів Al–Mg (невелике збільшення порівняно з чистим Al ~2,70).
• Сила на розрив (неухильний):

• • Литі сплави з високим вмістом магнію: ~150–260 МПа (залежно від вмісту Mg, товщина та обробка профілю).
  • Al–Si–Mg (касто + T6): ~240–320 МПа (T6 у віці A356 діапазонів у верхній частині).

• Похідна сила: грубо 0.5–0,8 × UTS як посібник.
• Подовження:5–15% залежно від сплаву та обробки — виливки з високим вмістом магнію зазвичай демонструють добру пластичність (однофазна тенденція), Al–Si з грубим кремнієм демонструватиме менше подовження, якщо не змінити.
• Втома і в'язкість руйнування: добре, коли мікроструктура здорова і пористість низька; характеристики втоми, чутливі до дефектів лиття.

Корозійна стійкість

• Литі сплави з високим вмістом магнію показувати Відмінна загальна резистентність до корозії, особливо в морських і лужних середовищах — Mg підвищує стійкість до точкової корекції порівняно зі стандартними сплавами Al 3xxx/6xxx.
• Для середовищ, багатих хлоридами, Сплави Al–Mg часто перевершують звичайні сплави Al, але все ще поступаються нержавіючим сталям і вимагають захисту поверхні у важких випадках.

Теплові властивості

• Теплопровідність сплавів Al–Mg залишається високою (≈ 120–180 Вт·м⁻¹·K⁻¹ в залежності від легування і мікроструктури), що робить їх придатними для теплових корпусів і частин, що розсіюють тепло.

Виробництво & зварювання

• Методи лиття: пісочний кастинг, постійна цвіль, гравітаційне лиття під тиском і деяке лиття під високим тиском (з ретельним флюсуванням) використовуються.
• Зварюваність: Сплави Al–Mg, як правило, піддаються зварюванню (Gtaw, Ганчір), але зварювання литих секцій вимагає уваги до пористості та корозії після зварювання (використовуйте відповідні наповнювачі та очищення після зварювання).
• Обробка: ярмарок; вибір інструменту та швидкість, налаштована для алюмінієвих сплавів.

6. Термічна обробка і термічна обробка

Які сплави піддаються термічній обробці?

• Литі сплави Al–Si–Mg (Категорія В) є теплообробка (віком): розчин лікування → гарт → штучне старіння (T6) забезпечує значне збільшення міцності через осадження Mg₂Si.
  Типові розклади T6 для A356/A357: розчин ~495 °C, витримують при 160–180 °C протягом кількох годин (слідувати вказівкам постачальника).
• Литі Al–Mg сплави з високим вмістом магнію (Категорія А) є як правило, не піддається осадженню до такого ж ступеня: Mg є твердорозчинним підсилювачем, і багато композицій з високим вмістом магнію тверднуть в основному шляхом деформаційного старіння або холодної обробки в кованих формах, а не традиційного старіння T6.
  Термічна обробка литих сплавів з високим вмістом магнію зосереджена на:

• • Гомогенізація зменшити хімічну сегрегацію (низькотемпературне замочування для перерозподілу розчиненої речовини).
  • Відпал для зняття напруги для зняття ливарних напруг (типові температури: помірні відпали 300–400 °C — точні цикли залежать від сплаву та перерізу).
  • Дбайливе лікування розчином: використовується вибірково для деяких литих варіантів Al–Mg, але може сприяти небажаному інтерметалічному укрупненню — зверніться до таблиць даних сплавів.

Практична інструкція з термічної обробки

• для Виливки Al–Si–Mg призначений для міцності, план для розчин + гасіння + старіння (T6) і дизайн із розмірами секцій, які ефективно гасять.
• для виливки з високим вмістом магнію, вказувати гомогенізація та зняття стресу цикли для стабілізації мікроструктури та стабільності розмірів; не чекайте великих приростів вікового зміцнення.

7. Практика ливарного виробництва та міркування щодо обробки

Плавлення та захист від розплаву

• Контроль магнію: Mg легко окислюється до MgO. Використовуйте захисні флюси (сольовий флюс), контрольований перегрів, і мінімізувати утворення шлаку.
• Температура плавлення: дотримуватися рекомендованих діапазонів для вибраного сплаву; надмірний перегрів збільшує втрати при горінні та утворення оксиду.
• Дегазація і фільтрація: видалити водень і оксиди (ротаційна дегазація, пінокерамічні фільтри) для зменшення пористості та покращення механічних/корозійних характеристик.

Методи лиття

• Пісочний кастинг & постійна-пліснява: загальний для сплавів з високим вмістом магнію та для більших деталей.
• Гравітаційна кастинг / Кастинг низького тиску: створює кращу мікроструктуру та якість поверхні; підходить для структурних частин.
• Кастинг з високим тиском: використовується в основному для сплавів на основі Al-Si; обережно з високим вмістом Mg через окислення Mg і пористість газу.

Поширені дефекти & пом'якшення

• Пористість (газ/усадка): пом'якшується дегазацією, фільтрація, правильна конструкція литників і стояків, і контролюючи швидкість затвердіння.
• Дефекти оксиду/біплівки: контролюйте турбулентність наливу та використовуйте фільтрацію.
• Гаряче розрив: керувати через дизайн (уникайте різких змін розділу) і контролювати подачу/затвердіння.

8. Типове застосування литих алюмінієво-магнієвих сплавів

Литий алюміній– магнієві сплави займають важливу золоту середину в легких металобудуваннях: вони поєднують у собі нижчу щільність і покращену корозійну стійкість порівняно з багатьма алюмінієвими сплавами з прийнятною литтєвою здатністю та хорошою міцністю.

Морське та морське обладнання

• Насосні корпуси, корпуси клапанів і робочі колеса для прісної/солонуватої води
• Фурнітура, службові кронштейни, ластовиці та кожухи в зонах бризок/бризків
• Фурнітура, корпуси конденсаторів і сервісні корпуси

Автомобілебудування та транспорт

• Конструктивні кронштейни та підрамники (маломасові секції)
• Корпус у білих компонентах, внутрішні конструкційні корпуси та корпуси
• Корпуси радіаторів і несучі пластини для силової електроніки (в EV)

Насос, клапани та обладнання для обробки рідини (промисловий)

• Корпуси насосів і спіралі для обробки хімічних речовин і води
• Тіла клапана, корпуси сидінь і корпуси приводів

Розсіювання тепла та корпуси електроніки

• Електронні корпуси, терморозподільники та корпуси контролерів двигунів (Тяга EV/інвертори)
• Корпуси радіаторів, де важливі теплопровідність і мала маса

Аерокосмічний (непервинні структури та вторинні компоненти)

• Внутрішні кронштейни, корпус, корпуси авіоніки, неосновні конструкційні панелі та обтічники

Споживач & Спортивні товари, електроніка

• Легкі рами, захисні кожухи, корпуси портативних пристроїв, велосипедні компоненти (некритичний), Тіла камери

Промислове обладнання та компоненти HVAC

• Корпуси вентиляторів, корпуси повітродувок, торцеві кришки теплообмінника, легкі кришки насосів

Спеціальні програми

• Кріогенне обладнання (де низька маса є перевагою, але сплави повинні бути кваліфіковані на в'язкість при низьких температурах)
• Корпуси морських приладів, підводні мілководні компоненти (з належним захистом)

9. Переваги та недоліки

Переваги литих алюмінієво-магнієвих сплавів

• Вища резистентність до корозії (особливо в морських умовах)
• Низька щільність і висока питома міцність для критично важливих застосувань
• Відмінна газонепроникність для посудин під тиском і герметичних систем
• Хороша оброблюваність для точної обробки

Недоліки литих алюмінієво-магнієвих сплавів

• Погана продуктивність лиття з високою схильністю до гарячого розриву та низькою текучістю
• Ризик окислення та включення шлаку вимагає захисної атмосфери
• Вищі витрати на виробництво через складність процесу та витрати на матеріали
• Обмежена сфера застосування обмежена секторами високої вартості

10. Порівняльний аналіз: У ролях Al–Mg проти. Конкуруючі сплави

Таблиця нижче порівнює касто алюміній– магнієві сплави (Литий Al–Mg) із зазвичай конкуруючими ливарними матеріалами, що використовуються в легких і чутливих до корозії застосувань.

Порівняння фокусується на ключові критерії інженерного рішення а не тільки номінальні властивості матеріалу, можливість практичного вибору матеріалу.

Резюме вибору матеріалу

Вибирати литі алюмінієво-магнієві сплави коли легкий, Корозійна стійкість, і розумної міцності потрібні при помірних температурах.

Для екстремальних умовах (висока температура, тиск, або агресивні хімікати), нержавіюча сталь залишається вищим, в той час Сплави Al–Si домінувати коли складна геометрія лиття та економічна ефективність є першорядними.

11. Висновки — практичні інженерні висновки

• Литі Al–Mg сплави забезпечують відмінне поєднання низької щільності, корозійна стійкість і достатня міцність для багатьох будівельних застосувань — але вони є жодного матеріалу; відрізняти сімейства лиття з високим вмістом магнію від сімейства лиття, що піддається термообробці Al–Si–Mg.
• Дисципліна процесу має значення: захист від розплавлення, дегазація та фільтрація необхідні для досягнення очікуваних механічних і корозійних характеристик.
• Відрізняється здатність до термічної обробки: Литі сплави Al-Si-Mg добре реагують на розчин + старіння (T6) і забезпечити вищу міцність; литі сплави з високим вмістом магнію виграють менше від звичайного старіння та більше залежать від контролю мікроструктури та механічної обробки.
• Дизайн для лиття: контроль товщини зрізу, подача та литник, щоб уникнути типових дефектів лиття, які найбільш негативно впливають на втому та корозійні характеристики.