铸造铝镁合金: 轻量强度

1. 执行摘要

“铸铝镁”是指两个相关但不同的工程系列:

(一个) 高镁铸造铝镁合金 (镁合金可最大限度地提高船舶/重量关键部件的耐腐蚀性和比强度) 和 (b) Al-Si-Mg铸造合金 (添加适量镁的 Al-Si 基体用于时效硬化和强度).

铝镁铸造合金具有优异的耐腐蚀性能 (特别是在氯化物环境中), 有吸引力的强度重量比和良好的韧性, 但它们给铸造和熔体处理带来了挑战，因为镁很容易氧化，如果工艺规程薄弱，会增加孔隙率.

大多数铝镁铸造合金不具有强烈的沉淀硬化——强化主要通过固溶体发生, 微观结构控制和热机械加工，而不是用于 Al-Si-Mg 合金的传统 T6 路线.

2. “铸造铝镁”的含义——系列和常见牌号

工业上反复出现的两类实用铸造铝镁合金:

• A 类 — 高镁铸造合金 (铝镁族): 镁含量足够高以主导腐蚀行为和比重/强度的合金.
  在文献和商店实践中，此类通常在以下内容中引用 Mg： 3–6 重量% 添加少量 Si 的范围 (≈0.5–1.0 %) 当需要更好的铸造性时. 这些用于耐腐蚀的地方 / 重量轻是首要的.
• B 类 — Al-Si-Mg 铸造合金 (铝-硅-镁族): 近共晶 Al-Si 基铸造合金 (Si ≈ 7–12 wt%) 含有适量的镁 (约 0.2–0.8 重量%) 允许人工老化 (Mg2Si沉淀) T型时效后强度更高 (T6).
  示例包括工业主力合金，例如 A356 (铝-硅-镁) — 这些有时被称为“含铝镁铸件” (但主要是以镁作为强化元素的铝硅合金).

实际上，当耐腐蚀时，您会选择 A 类 (海洋, 化学接触) 且低密度占主导地位; 浇注性时选择B类, 需要尺寸稳定性和热处理强度.

3. 典型化学成分

桌子: 典型成分范围 (工程指导)

笔记

• 上述范围是实际工程窗口 - 确切的规格必须参考标准名称 (美国材料试验协会/欧洲标准) 或供应商的证明.
• 高镁铸造合金接近可锻 5xxx 合金的成分区域，但专为铸造而设计 (不同的杂质控制和凝固行为).

4. 微观结构和相化学——性能的控制因素

主要微观结构参与者

• α-Al基体 (面心立方): 所有铝合金中的主要承载相.
• 固溶体中的镁: Mg原子溶解在α-Al中; 在中等浓度下，它们通过固溶强化来强化基体.
• 金属间 / 第二阶段:

• • 富镁金属间化合物 (Al₃Mg2/β): 可以在高镁含量和枝晶间区域形成; their morphology and distribution control high-temperature stability and corrosion behavior.
  • mg₂si (in Al–Si–Mg alloys): forms during aging and is the principal precipitation hardening phase in the Al-Si-Mg family.
  • Fe-bearing phases: Fe impurities form brittle intermetallics (Al₅FeSi, ETC。) that reduce ductility and can promote localized corrosion; Mn is often added in small amounts to modify Fe phases.

凝固特性

• High-Mg alloys tend to have a relatively simple α + intermetallic solidification path but may show segregation if cooling is sluggish; fast cooling refines structure but raises the risk of porosity if feeding is inadequate.
• Al–Si–Mg alloys solidify with primary α followed by a eutectic α + 和; Mg participates in later reactions (mg₂si) if Mg content suffices.

微观结构→性能链接

• 美好的, uniformly distributed second phases 提供更好的韧性并避免脆性行为.
• 粗大金属间化合物或偏析 减轻疲劳, 延展性和腐蚀性能. 通过熔化练习进行控制, 晶粒细化剂和冷却速率至关重要.

5. 关键性能特征

机械性能 (典型工程范围——铸造状态)

值因合金而异, 截面大小, 铸造工艺及热处理. 使用供应商数据来获取设计关键数字.

• 密度 (典型的): 〜2.66–2.73克·厘米⁻³ 用于铝镁铸造合金 (与纯铝相比略有增加~2.70).
• 抗拉强度 (铸造):

• • 高镁铸造合金: ~150–260 兆帕 (取决于镁含量, 截面厚度和光洁度).
  • 铝-硅-镁 (投掷 + T6): ~240–320 兆帕 (T6 老化的 A356 系列位于高端).

• 产生强度: 大致 0.5–0.8 × 悉尼科技大学 作为指导.
• 伸长:5–15％ 取决于合金和加工——高镁铸件通常表现出良好的延展性 (单相倾向), 除非进行改性，否则含有粗硅的 Al-Si 将表现出较低的延伸率.
• 疲劳和断裂韧性: 当微观结构健全且孔隙率低时效果良好; 疲劳性能对铸造缺陷敏感.

耐腐蚀性

• 高镁铸造合金 展示 优质的一般耐腐蚀性, 特别是在海洋和碱性环境中 — 与标准 3xxx/6xxx 铝合金相比，镁提高了抗点蚀能力.
• 适用于富含氯化物的环境, 铝镁合金的性能通常优于普通铝合金，但仍不如不锈钢，并且在严重情况下需要表面保护.

热性能

• 铝镁合金的导热率仍然很高 (≈ 120–180 W·m⁻1·K⁻1 取决于合金和微观结构), 使它们适用于热外壳和散热部件.

制造业 & 焊接

• 铸造方法: 沙子铸造, 永久模具, 重力压铸和一些高压压铸 (小心地助焊剂) 使用.
• 可焊性: 铝镁合金通常是可焊接的 (GTAW, 田), 但铸造型材的焊接需要注意孔隙率和焊后腐蚀 (使用适当的填充合金和焊后清洁).
• 可加工性: 公平的; 针对铝合金调整工具选择和速度.

6. 热处理和热加工

哪些合金对热处理有反应?

• Al-Si-Mg铸造合金 (B类) 是 热处理 (年龄段的人): 固溶处理→淬火→人工时效 (T6) 通过 Mg2Si 沉淀显着提高强度.
  A356/A357 的典型 T6 时刻表: 溶液〜495°C, 在 160–180 °C 下老化数小时 (遵循供应商指导).
• 高镁铸造铝镁合金 (A类) 是 通常不会达到相同程度的沉淀硬化: 镁是一种固溶强化剂，许多高镁成分主要通过应变时效或锻造形式的冷加工而不是传统的 T6 时效来硬化.
  铸造高镁合金的热处理重点是:

• • 同质化 减少化学偏析 (低温浸泡使溶质重新分布).
  • 去应力退火 消除铸造应力 (典型温度: 适度退火 300–400 °C — 精确周期取决于合金和截面).
  • 细心解决处理: 有选择地用于某些铸造铝镁变体, 但可能会促进不良的金属间化合物粗化——请参阅合金数据表.

实用热处理指南

• 为了 铝硅镁铸件 旨在增强力量, 计划 解决方案 + 淬火 + 老化 (T6) 并设计可有效淬火的截面尺寸.
• 为了 高镁铸件, 指定 均质化和应力消除 循环以稳定微观结构和尺寸稳定性; 不要指望有大的时效硬化效果.

7. 铸造实践和加工注意事项

熔化和熔化保护

• 镁控制: Mg 容易氧化成 MgO. 使用保护盖焊剂 (盐通量), 受控过热度, 并最大限度地减少浮渣的形成.
• 熔融温度: 保持在所选合金的推荐范围内; 过热过多会增加烧损和氧化物的形成.
• 脱气和过滤: 去除氢气和氧化物 (旋转脱气, 泡沫陶瓷过滤器) 减少孔隙率并提高机械/腐蚀性能.

铸造方法

• 沙子铸造 & 永久模具: 常见于高镁合金和大型零件.
• 重力铸造 / 低压铸件: 产生更好的微观结构和表面光洁度; 适用于结构件.
• 高压铸造: 主要用于Al-Si基合金; 由于镁氧化和气孔，请注意高镁含量.

常见缺陷 & 减轻

• 孔隙率 (气体/收缩): 通过脱气减轻, 过滤, 正确的浇口和冒口设计, 并通过控制凝固速率.
• 氧化物/双膜缺陷: 控制浇注湍流并使用过滤.
• 热撕裂: 通过设计进行管理 (避免突然的截面变化) 并控制进料/凝固.

8. 铸造铝镁合金的典型应用

铸造铝–镁合金在轻金属工程中占据重要的中间地位: 相对于许多铝合金，它们具有较低的密度和改进的耐腐蚀性，以及可接受的铸造性和良好的韧性.

海洋和离岸设备

• 泵外壳, 用于淡水/咸水服务的阀体和叶轮
• 甲板配件, 维修支架, 飞溅/喷雾区域的角撑板和护罩
• 管配件, 冷凝器外壳和维修外壳

汽车和交通

• 结构支架和副车架 (低质量切片)
• 车身白色组件, 内部结构外壳和外壳
• 用于电力电子器件的散热器外壳和载板 (在电动汽车中)

泵, 阀门和流体处理硬件 (工业的)

• 用于化学品和水处理的泵壳和蜗壳
• 阀体, 座椅外壳和执行器外壳

散热和电子外壳

• 电子外壳, 散热器和电机控制器外壳 (电动汽车牵引/逆变器)
• 导热性和低质量很重要的散热器外壳

航天 (非主要结构和次要部件)

• 内部支架, 住房, 航空电子设备外壳, 非主要结构面板和整流罩

消费者 & 体育用品, 电子产品

• 轻质镜架, 保护壳, 便携式设备外壳, 自行车零部件 (非关键), 相机的身体

工业机械和暖通空调部件

• 风扇外壳, 鼓风机外壳, 热交换器端盖, 轻质泵盖

专业应用

• 深冷设备 (低质量是有利的，但合金必须符合低温韧性)
• 海上仪表外壳, 海底浅层组件 (有足够的保护)

9. 优点和缺点

铸造铝镁合金的优点

• 耐腐蚀性 (特别是在海洋环境中)
• 低密度和高比强度，适合重量关键型应用
• 压力容器和密封系统具有出色的气密性
• 良好的机械加工性能，适合精密加工

铸造铝镁合金的缺点

• 铸造性能差，热撕裂倾向高，流动性低
• 需要保护气氛的氧化风险和夹渣
• 由于工艺复杂性和材料溢价，生产成本更高
• 应用范围有限，仅限于高价值领域

10. 比较分析: 铸造铝镁与. 竞争合金

下表比较 投掷 铝–镁合金 (铸铝镁) 与轻质和腐蚀敏感应用中使用的常见竞争铸造材料.

比较的重点是 关键工程决策标准 而不仅仅是标称材料属性, 实现实用的材料选择.

材料选择总结

选择 铸造铝镁合金 什么时候 轻的, 耐腐蚀性, 和合理的强度 需要在中等温度下.

对于极端环境 (高温, 压力, 或腐蚀性化学品), 不锈钢 仍然优越, 尽管 铝硅合金 占主导地位时 复杂的铸造几何形状和成本效率 是最重要的.

11. 结论——实用的工程要点

• 铸造铝镁合金 提供低密度的优异组合, 适用于许多结构应用的耐腐蚀性和足够的强度 - 但它们 不是单一材料; 区分高镁铸件系列和 Al-Si-Mg 可热处理铸件系列.
• 流程纪律问题: 熔体保护, 脱气和过滤对于实现预期的机械和腐蚀性能至关重要.
• 热处理性能不同: Al-Si-Mg 铸造合金对溶液反应良好 + 老化 (T6) 并提供更高的强度; 高镁铸造合金从常规时效中获得的收益较少，更多地依赖于微观结构控制和机械加工.
• 铸造设计: 控制断面厚度, 浇注和浇口以避免对疲劳和腐蚀性能产生最不利影响的常见铸造缺陷.