Hợp kim nhôm-magiê đúc: Sức mạnh nhẹ

1. Tóm tắt điều hành

“Nhôm-magiê đúc” dùng để chỉ hai họ kỹ thuật có liên quan nhưng khác biệt:

(MỘT) hợp kim Al–Mg đúc có hàm lượng Mg cao (Hợp kim chứa hàm lượng lớn Mg để tối đa hóa khả năng chống ăn mòn và độ bền riêng cho các bộ phận hàng hải/có trọng lượng quan trọng) Và (B) Hợp kim đúc Al–Si–Mg (Đế Al–Si với lượng bổ sung Mg khiêm tốn được sử dụng để làm cứng và tăng độ bền theo tuổi).

Hợp kim đúc Al–Mg mang lại khả năng chống ăn mòn tuyệt vời (đặc biệt là trong môi trường clorua), sức mạnh hấp dẫn và độ dẻo dai tốt, nhưng chúng đặt ra những thách thức về đúc và xử lý nóng chảy vì Mg dễ bị oxy hóa và có thể thúc đẩy độ xốp nếu kỷ luật quy trình yếu.

Hầu hết các hợp kim đúc Al–Mg không có tính cứng kết tủa mạnh - sự tăng cường xảy ra chủ yếu bằng dung dịch rắn, kiểm soát cấu trúc vi mô và xử lý cơ nhiệt thay vì các tuyến T6 thông thường được sử dụng cho hợp kim Al–Si-Mg.

2. Ý của chúng tôi khi nói “đúc Al–Mg” - các họ và các lớp thông thường

Hai loại hợp kim Al–Mg đúc thực tế xuất hiện nhiều lần trong công nghiệp:

• Loại A - Hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao (Họ Al–Mg): hợp kim trong đó hàm lượng Mg đủ cao để chi phối hành vi ăn mòn và mật độ/cường độ riêng.
  Trong tài liệu và thực hành tại cửa hàng, lớp này thường trích dẫn Mg trong 3–6% khối lượng phạm vi với sự bổ sung Si nhỏ (≈0,5–1,0 %) khi cần khả năng đúc tốt hơn. Chúng được sử dụng khi khả năng chống ăn mòn / Trọng lượng nhẹ là chính.
• Loại B - Hợp kim đúc Al–Si–Mg (Họ Al–Si–Mg): hợp kim đúc cơ sở Al–Si gần như eutectic (Si ≈ 7–12% khối lượng) bao gồm Mg khiêm tốn (≈0,2–0,8% trọng lượng) cho phép lão hóa nhân tạo (Lượng mưa Mg₂Si) và cường độ cao hơn sau khi lão hóa loại T (T6).
  Ví dụ bao gồm các hợp kim đặc trưng của ngành như A356 (Al–Si–Mg) - đôi khi chúng được gọi là “vật đúc chứa Al–Mg” (nhưng chủ yếu là hợp kim Al–Si với Mg là nguyên tố tăng cường).

Trong thực tế bạn sẽ chọn Loại A khi khả năng chống ăn mòn (hàng hải, tiếp xúc hóa học) và mật độ thấp chiếm ưu thế; chọn Loại B khi khả năng thi triển, cần có độ ổn định kích thước và độ bền nhiệt.

3. Thành phần hóa học điển hình

Bàn: Phạm vi thành phần điển hình (Hướng dẫn kỹ thuật)

Ghi chú

• Các phạm vi trên là cửa sổ kỹ thuật thực tế - thông số kỹ thuật chính xác phải tham chiếu đến chỉ định tiêu chuẩn (ASTM/EN) hoặc giấy chứng nhận của nhà cung cấp.
• Hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao tiếp cận vùng thành phần của hợp kim rèn 5xxx nhưng được thiết kế để đúc (kiểm soát tạp chất khác nhau và hành vi hóa rắn).

4. Cấu trúc vi mô và hóa học pha - những gì kiểm soát hiệu suất

Người chơi cấu trúc vi mô chính

• ma trận α-Al (khối lập phương tâm mặt): pha chịu tải chính trong tất cả các hợp kim Al.
• Mg trong dung dịch rắn: Nguyên tử Mg hòa tan trong α-Al; ở nồng độ vừa phải, chúng tăng cường nền bằng cách tăng cường dung dịch rắn.
• Intermetallics / giai đoạn thứ hai:

• • Các kim loại giàu Mg (Al₃Mg₂/β): có thể hình thành ở mức Mg cao và ở các vùng liên nhánh; hình thái và sự phân bố của chúng kiểm soát độ ổn định ở nhiệt độ cao và hành vi ăn mòn.
  • Mg₂si (trong hợp kim Al–Si–Mg): hình thành trong quá trình lão hóa và là giai đoạn đông cứng kết tủa chính trong họ Al-Si-Mg.
  • Pha mang Fe: Tạp chất Fe tạo thành các kim loại giòn (Al₅FeSi, vân vân.) làm giảm độ dẻo và có thể thúc đẩy sự ăn mòn cục bộ; Mn thường được thêm vào một lượng nhỏ để biến đổi pha Fe.

Đặc điểm kiên cố hóa

• Hợp kim có hàm lượng Mg cao có xu hướng có một α tương đối đơn giản + đường hóa rắn liên kim loại nhưng có thể hiển thị sự phân tách nếu làm mát chậm; làm lạnh nhanh giúp cải thiện cấu trúc nhưng làm tăng nguy cơ xốp nếu cho ăn không đủ.
• Hợp kim Al–Si–Mg hóa rắn với α sơ cấp theo sau là α eutectic + Và; Mg tham gia các phản ứng sau (Mg₂si) nếu hàm lượng Mg đủ.

Cấu trúc vi mô → liên kết thuộc tính

• Khỏe, giai đoạn thứ hai phân bố đồng đều cho độ dẻo dai tốt hơn và tránh hành vi giòn.
• Các kim loại thô hoặc sự phân tách làm giảm mệt mỏi, độ dẻo và hiệu suất ăn mòn. Kiểm soát thông qua thực hành tan chảy, máy tinh chế ngũ cốc và tốc độ làm mát là rất quan trọng.

5. Đặc điểm hiệu suất chính

Tính chất cơ học (phạm vi kỹ thuật điển hình - trạng thái đúc)

Giá trị khác nhau tùy theo hợp kim, Kích thước phần, quá trình đúc và xử lý nhiệt. Sử dụng dữ liệu nhà cung cấp cho các số liệu quan trọng về thiết kế.

• Tỉ trọng (đặc trưng): ~2.66–2,73 g·cm⁻³ cho hợp kim đúc Al–Mg (tăng nhẹ so với Al nguyên chất ~ 2,70).
• Độ bền kéo (như đúc):

• • Hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao: ~150–260 MPa (tùy theo hàm lượng Mg, độ dày phần và kết thúc).
  • Al–Si–Mg (dàn diễn viên + T6): ~240–320 MPa (Phạm vi A356 tuổi T6 ở đầu cuối).

• Sức mạnh năng suất: đại khái 0.5–0,8 × UTS như một người hướng dẫn.
• Kéo dài:5–15% tùy thuộc vào hợp kim và quá trình xử lý - vật đúc có hàm lượng Mg cao thường có độ dẻo tốt (xu hướng một pha), Al–Si với Si thô sẽ có độ giãn dài thấp hơn trừ khi được sửa đổi.
• Độ bền mỏi và gãy xương: tốt khi cấu trúc vi mô ổn định và độ xốp thấp; hiệu suất mệt mỏi nhạy cảm với khuyết tật đúc.

Kháng ăn mòn

• Hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao trình diễn Kháng ăn mòn chung tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường biển và kiềm - Mg tăng khả năng chống rỗ so với hợp kim Al 3xxx/6xxx tiêu chuẩn.
• Đối với môi trường giàu clorua, Hợp kim Al–Mg thường hoạt động tốt hơn hợp kim Al trơn nhưng vẫn kém hơn thép không gỉ và cần được bảo vệ bề mặt trong những trường hợp nghiêm trọng.

Tính chất nhiệt

• Độ dẫn nhiệt của hợp kim Al–Mg vẫn cao (≈ 120–180 W·m⁻¹·K⁻¹ tùy thuộc vào hợp kim và cấu trúc vi mô), làm cho chúng phù hợp với vỏ nhiệt và các bộ phận tản nhiệt.

Sản xuất & Hàn

• Phương pháp đúc: Đúc cát, khuôn vĩnh viễn, đúc khuôn trọng lực và một số khuôn đúc áp suất cao (với dòng chảy cẩn thận) được sử dụng.
• Khả năng hàn: Hợp kim Al–Mg thường có thể hàn được (GTAW, Gawn), nhưng hàn các phần đúc đòi hỏi phải chú ý đến độ xốp và ăn mòn sau hàn (sử dụng hợp kim phụ thích hợp và làm sạch sau hàn).
• Khả năng gia công: hội chợ; lựa chọn công cụ và điều chỉnh tốc độ cho hợp kim nhôm.

6. Xử lý nhiệt và xử lý nhiệt

Hợp kim nào đáp ứng với xử lý nhiệt?

• Hợp kim đúc Al–Si–Mg (Loại B) là có thể xử lý nhiệt (làm cứng tuổi): giải pháp xử lý → dập tắt → lão hóa nhân tạo (T6) tạo ra sự tăng cường độ đáng kể thông qua kết tủa Mg₂Si.
  Lịch trình T6 điển hình cho A356/A357: dung dịch ~495°C, tuổi ở 160–180°C trong vài giờ (làm theo hướng dẫn của nhà cung cấp).
• Hợp kim Al–Mg đúc có hàm lượng Mg cao (loại A) là nói chung là không thể làm cứng kết tủa ở cùng mức độ: Mg là chất tăng cường dung dịch rắn và nhiều chế phẩm có hàm lượng Mg cao cứng lại chủ yếu do lão hóa theo biến dạng hoặc gia công nguội ở dạng rèn thay vì lão hóa T6 thông thường.
  Xử lý nhiệt cho hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao tập trung vào:

• • Đồng nhất hóa để giảm sự phân chia hóa học (ngâm ở nhiệt độ thấp để phân phối lại chất tan).
  • Ủ giảm căng thẳng để loại bỏ ứng suất đúc (nhiệt độ điển hình: ủ khiêm tốn 300–400 °C - chu kỳ chính xác phụ thuộc vào hợp kim và mặt cắt).
  • Giải pháp xử lý cẩn thận: được sử dụng có chọn lọc cho một số biến thể đúc Al–Mg, nhưng có thể thúc đẩy sự thô hóa giữa các kim loại không mong muốn - hãy tham khảo bảng dữ liệu hợp kim.

Hướng dẫn xử lý nhiệt thực tế

• Vì Vật đúc Al–Si–Mg dành cho sức mạnh, kế hoạch cho giải pháp + làm dịu + Lão hóa (T6) và thiết kế với kích thước phần dập tắt hiệu quả.
• Vì vật đúc có hàm lượng Mg cao, Chỉ định đồng nhất và giảm căng thẳng chu trình để ổn định cấu trúc vi mô và ổn định kích thước; đừng mong đợi những lợi ích lớn lao khi già đi.

7. Thực hành đúc và cân nhắc xử lý

Nóng chảy và bảo vệ tan chảy

• Kiểm soát magiê: Mg dễ bị oxy hóa thành MgO. Sử dụng chất trợ dung phủ bảo vệ (dòng muối), kiểm soát quá nhiệt, và giảm thiểu sự hình thành cặn.
• Nhiệt độ nóng chảy: giữ trong phạm vi được đề xuất cho hợp kim đã chọn; quá nhiệt quá mức làm tăng tổn thất đốt cháy và hình thành oxit.
• Khử khí và lọc: loại bỏ hydro và oxit (khử khí quay, bộ lọc bọt gốm) để giảm độ xốp và cải thiện hiệu suất cơ học/ăn mòn.

Phương pháp đúc

• Đúc cát & khuôn vĩnh viễn: phổ biến cho các hợp kim có hàm lượng Mg cao và cho các bộ phận lớn hơn.
• Trọng lực chết đúc / Đúc áp suất thấp: tạo ra cấu trúc vi mô và bề mặt hoàn thiện tốt hơn; tốt cho các bộ phận kết cấu.
• Đúc chết áp suất cao: được sử dụng chủ yếu cho hợp kim dựa trên Al–Si; thận trọng với hàm lượng Mg cao do quá trình oxy hóa Mg và độ xốp của khí.

Khiếm khuyết chung & giảm nhẹ

• Độ xốp (khí/co ngót): giảm nhẹ bằng cách khử khí, lọc, thiết kế cổng và cửa đứng phù hợp, và bằng cách kiểm soát tốc độ hóa rắn.
• Khiếm khuyết oxit/bifilm: kiểm soát sự hỗn loạn đổ và sử dụng lọc.
• Nóng rách: quản lý thông qua thiết kế (tránh thay đổi phần đột ngột) và kiểm soát việc cho ăn/đóng rắn.

8. Các ứng dụng điển hình của hợp kim nhôm-magiê đúc

Nhôm đúc–Hợp kim magiê chiếm vị trí trung gian quan trọng trong kỹ thuật kim loại nhẹ: chúng kết hợp mật độ thấp hơn và khả năng chống ăn mòn được cải thiện so với nhiều hợp kim nhôm với khả năng đúc chấp nhận được và độ bền tốt.

Thiết bị biển và ngoài khơi

• Vỏ bơm, valve bodies and impellers for fresh/brackish water service
• Phụ kiện boong, service brackets, gussets and shrouds in splash/spray zones
• Phụ kiện ống, condenser housings and service enclosures

Ô tô và vận tải

• Structural brackets and subframes (low-mass sections)
• Body in white components, interior structural housings and enclosures
• Heat-sink housings and carrier plates for power electronics (in EVs)

Bơm, van và phần cứng xử lý chất lỏng (công nghiệp)

• Pump casings and volutes for chemical and water handling
• Thân van, seat housings and actuator housings

Vỏ tản nhiệt và thiết bị điện tử

• Vỏ điện tử, thermal spreaders and motor controller enclosures (EV traction/inverters)
• Heat-sink housings where thermal conductivity and low mass are important

Hàng không vũ trụ (cấu trúc không chính và các thành phần thứ cấp)

• Interior brackets, vỏ, avionics enclosures, non-primary structural panels and fairings

Người tiêu dùng & hàng thể thao, Điện tử

• Lightweight frames, protective casings, portable device housings, bicycle components (không quan trọng), thân máy ảnh

Máy móc công nghiệp và linh kiện HVAC

• Fan housings, blower casings, heat exchanger end-caps, lightweight pump covers

Ứng dụng đặc biệt

• Cryogenic equipment (trong đó khối lượng thấp là lợi thế nhưng hợp kim phải đủ tiêu chuẩn về độ bền ở nhiệt độ thấp)
• Vỏ thiết bị ngoài khơi, thành phần nông dưới biển (với sự bảo vệ đầy đủ)

9. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm của hợp kim nhôm-magiê đúc

• Kháng ăn mòn vượt trội (đặc biệt là trong môi trường biển)
• Mật độ thấp và cường độ riêng cao cho các ứng dụng quan trọng về trọng lượng
• Độ kín khí tuyệt vời cho bình chịu áp lực và hệ thống kín
• Khả năng gia công tốt để hoàn thiện chính xác

Nhược điểm của hợp kim nhôm-magiê đúc

• Hiệu suất đúc kém với xu hướng rách nóng cao và tính lưu động thấp
• Nguy cơ oxy hóa và tạo xỉ cần có môi trường bảo vệ
• Chi phí sản xuất cao hơn do quy trình phức tạp và phí bảo hiểm vật liệu
• Phạm vi ứng dụng hạn chế, giới hạn ở các lĩnh vực có giá trị cao

10. Phân tích so sánh: Đúc Al–Mg vs. Hợp kim cạnh tranh

Bảng dưới đây so sánh dàn diễn viên nhôm-hợp kim magie (Đúc Al–Mg) với các vật liệu đúc cạnh tranh phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng nhẹ và nhạy cảm với ăn mòn.

Việc so sánh tập trung vào tiêu chí quyết định kỹ thuật quan trọng chứ không chỉ là những đặc tính vật chất danh nghĩa, cho phép lựa chọn vật liệu thực tế.

Tóm tắt lựa chọn vật liệu

Chọn hợp kim nhôm-magiê đúc khi nhẹ, kháng ăn mòn, và sức mạnh hợp lý được yêu cầu ở nhiệt độ vừa phải.

Cho môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp lực , hoặc hóa chất mạnh), thép không gỉ vẫn vượt trội, trong khi Hợp kim Al–Si chiếm ưu thế khi hình học đúc phức tạp và hiệu quả chi phí là tối quan trọng.

11. Kết luận - bài học kỹ thuật thực tế

• Hợp kim đúc Al–Mg cung cấp một sự kết hợp tuyệt vời của mật độ thấp, khả năng chống ăn mòn và cường độ phù hợp cho nhiều ứng dụng kết cấu - nhưng chúng không một vật liệu nào; phân biệt các họ đúc có hàm lượng Mg cao với các họ đúc có thể xử lý nhiệt bằng Al–Si–Mg.
• Vấn đề kỷ luật quy trình: bảo vệ tan chảy, khử khí và lọc là cần thiết để đạt được hiệu suất cơ học và ăn mòn như mong đợi.
• Khả năng xử lý nhiệt khác nhau: Hợp kim đúc Al–Si-Mg đáp ứng tốt với dung dịch + Lão hóa (T6) và mang lại sức mạnh cao hơn; hợp kim đúc có hàm lượng Mg cao thu được ít hơn từ quá trình lão hóa thông thường và phụ thuộc nhiều hơn vào việc kiểm soát cấu trúc vi mô và xử lý cơ học.
• Thiết kế để đúc: độ dày phần kiểm soát, cấp liệu và gắp để tránh các khuyết tật đúc thông thường ảnh hưởng xấu nhất đến hiệu suất mỏi và ăn mòn.