Magnesiumlegeringer for støping: typer og egenskaper

De mest brukte magnesiumlegeringene for trykkstøping er AZ91D, AM60B og AM50A - hver tilbyr en distinkt balanse mellom styrke, duktilitet og støpeevne tilpasset ulike tekniske krav. AZ91D dominerer generelle applikasjoner med den beste kombinasjonen av styrke og korrosjonsmotstand, mens AM60B og AM50A er foretrukket der energiabsorpsjon og forlengelse betyr mer enn hardhet. Pressstøpte av magnesiumlegering er verdsatt på tvers av bil-, elektronikk- og romfartssektorene fordi magnesium er det letteste strukturelle metallet , omtrent 33 % lettere enn aluminium og 75 % lettere enn stål, noe som muliggjør betydelige vektbesparelser uten å ofre strukturell integritet.

Hvorfor magnesium brukes i støping

Magnesiumlegeringer er unikt godt egnet til høytrykksstøping (HPDC) av flere sammenhengende årsaker. Rent magnesium har en tetthet på kun 1,74 g/cm³ — sammenlignet med 2,70 g/cm³ for aluminium og 7,87 g/cm³ for stål — noe som gjør det til det beste valget når massereduksjon er en designprioritet.

Utover vekten tilbyr magnesiumlegeringer behandlingsfordeler som gjør dem kommersielt attraktive:

• Utmerket flyt ved støpetemperatur: Magnesiumlegeringer flyter lett inn i tynnveggede seksjoner så tynne som 0,6–1,0 mm , som muliggjør komplekse deler i nesten nettform i ett enkelt skudd.
• Raske syklustider: Magnesium stivner raskt - syklustider er vanligvis 25–50 % raskere enn sammenlignbare aluminiumsstøpte, noe som reduserer produksjonskostnadene per del.
• Lavt varmeinnhold i smelten: Den lavere termiske massen reduserer formens termiske tretthet, og forlenger matrisens levetid med opptil 2–3× sammenlignet med aluminium .
• God bearbeidbarhet: Magnesium er blant de enkleste metallene å bearbeide, med skjærehastigheter opp til 10× raskere enn stål og krever mindre verktøyslitasje.
• Høyt styrke-til-vekt-forhold: Magnesiumlegeringer oppnår spesifikke styrkeverdier som er konkurransedyktige med mange aluminiumslegeringer og noen stål.

Disse egenskapene har gjort pressstøpte av magnesiumlegering til standardkomponenter i instrumentpanelstrukturer for biler, rattstammebraketter, seterammer og forbrukerelektronikkhus.

De vanligste magnesiumlegeringene for støping

Magnesium støpelegeringer er betegnet med et bokstav-tall-system definert av ASTM. Bokstavene indikerer de primære og sekundære legeringselementene (A = aluminium, Z = sink, M = mangan, S = silisium, E = sjeldne jordarter), og tallene indikerer deres omtrentlige vektprosent.

AZ91D — Industriens arbeidshest

AZ91D inneholder ca 9% aluminium og 1% sink , med kontrollert manganinnhold for korrosjonsbestandighet. Det står for omtrentlig 90 % av all produksjon av magnesiumstøping globalt og er standardvalget når ingen spesielle funksjonskrav favoriserer en annen legering.

AZ91D er foretrukket fordi den tilbyr den høyeste flytegrensen og den ultimate strekkstyrken i standard støpelegeringsfamilien, god støpeevne og den beste generelle korrosjonsmotstanden til de vanlige Mg-Al-legeringene på grunn av strengt kontrollerte urenheter i jern, kobber og nikkel (hver under 0,005%).

AM60B — Duktilitet og energiabsorpsjon

AM60B inneholder 6 % aluminium og 0,3 % mangan uten sinktilsetning. Å redusere aluminium fra 9 % til 6 % reduserer styrken litt, men øker forlengelsen betydelig – AM60B oppnår 8 % forlengelse sammenlignet med AZ91Ds 3%. Dette gjør den til den foretrukne legeringen for sikkerhetskritiske komponenter i biler som ratt, seterammer og dørinnerpaneler der absorpsjon av kollisjonsenergi er et designkrav.

AM50A — Maksimal duktilitet

AM50A inneholder 5% aluminium og gir den høyeste forlengelsen ( opptil 10 % ) av standard trykkstøpelegeringer, på bekostning av lavere strekkfasthet. Den brukes i applikasjoner som krever maksimal deformasjon før brudd, som instrumentpanel-cross-car-bjelker og veltebeskyttelsesstrukturer i konvertible kjøretøy.

AS41B og AE44 — høytemperaturlegeringer

Standard AZ- og AM-legeringer mister betydelig krypemotstand over 120°C på grunn av mykning av den intermetalliske Mg17Al12-fasen ved korngrensene. For drivverksapplikasjoner som girkasser, oljepanner og motorbraketter, kreves legeringer med forhøyet temperatur:

• AS41B (4% Al, 1% Si): Silisiumtilsetning danner termisk stabile Mg2Si-utfellinger, som forbedrer krypemotstanden opp til 150°C .
• AE44 (4 % Al, 4 % sjeldne jordarter): Tilsetninger av sjeldne jordarter (cerium, lantan) forbedrer dramatisk høytemperaturstyrke og krypemotstand opp til 175°C , brukt i BMW og Porsche motorholdere og girhus.

Mekaniske egenskaper Sammenligning av nøkkelstøpelegeringer

Tabellen nedenfor sammenligner de viktigste mekaniske egenskapene til de viktigste støpelegeringene av magnesium under ASTM-standarder, og gir et datadrevet grunnlag for valg av legeringer:

Viktige bruksområder for pressstøpte av magnesiumlegering

Pressstøpte av magnesiumlegering finnes i et bredt spekter av bransjer, med bilindustrien som representerer det største markedet på ca. 70 % av totalforbruket .

Bilindustri

Hvert kilo spart i et kjøretøy reduserer drivstofforbruket med ca 0,06–0,08 liter per 100 km over kjøretøyets levetid. Typiske magnesium støpte bilkomponenter inkluderer:

• Instrumentpanelstrukturer og tverrgående bilbjelker (AM60B, AM50A)
• Rattarmaturer og søylebraketter (AM60B)
• Girkasse og overføringshus (AZ91D, AE44)
• Seterammer og dørinnerpaneler (AM60B)
• Motorbraketter og oljepanner i høytemperatursoner (AS41B, AE44)

Forbrukerelektronikk

Elektronikkindustrien bruker AZ91D i stor utstrekning for bærbare kabinetter, kamerahus, strukturelle rammer for smarttelefoner og nettbrettskall. Magnesium gir utmerket EMI (elektromagnetisk interferens) skjerming — demping på inntil 90 dB ved frekvenser fra 30 MHz til 1 GHz — en betydelig fordel i forhold til plastkabinetter.

Luftfart og forsvar

I romfart, hvor hvert gram betyr noe, vises pressstøpte av magnesiumlegering i helikoptergirkassehus, flyseterammer og avionikkkabinetter. Spesialiserte legeringer med tilsetning av sjeldne jordarter brukes der driftstemperaturer overstiger 150°C.

Elektroverktøy og sportsutstyr

Elektroverktøyhus, motorsaghus og sykkelkomponenter drar nytte av magnesiums lette vekt kombinert med tilstrekkelig stivhet. AZ91D er standardlegeringen for disse bruksområdene, og gir en vektreduksjon på ferdige deler på 30–35 % sammenlignet med sammenlignbare aluminiumsstøpte .

Støpeprosessen for magnesiumlegeringer

Magnesiumlegeringsstøpegods produseres ved å bruke to hovedprosessvarianter, hver med distinkte fordeler:

Hot Chamber Die Casting

Det meste av magnesiumstøping bruker varmekammeret (svanehals)-prosessen fordi magnesiums lave jernløselighet gjør at injeksjonssystemet kan senkes ned i smelten uten betydelig erosjon. Nøkkelparametere for magnesium-varmekammerstøping inkluderer:

• Smeltetemperatur: 620–680°C avhengig av legering
• Injeksjonstrykk: 35–105 MPa
• Dysetemperatur: 180–260°C
• Fordel med syklustid: 40–60 % raskere enn kaldkammeraluminiumstøping

Cold Chamber Die Casting

Kaldkammerstøping brukes til større, tyngre magnesiumdeler der varmkammermaskinkapasiteten er utilstrekkelig. Det smeltede metallet øses inn i skuddhylsen for hver syklus. Injeksjonstrykket er høyere ( 70–140 MPa ), som produserer tettere støpegods med lavere porøsitet - foretrukket for strukturelle bilapplikasjoner.

Smeltebeskyttelse under behandling

Smeltet magnesium oksiderer raskt og kan antennes hvis det utsettes for luft eller fuktighet. Moderne støpeanlegg beskytter smelteoverflaten ved hjelp av en dekkgassblanding av SF6 og CO₂ eller SO₂ , eller tørr luft med proprietære inhibitorer. SF6-konsentrasjoner så lave som 0,2 volumprosent i dekkgassen er tilstrekkelig til å undertrykke oksidasjon. Dette sikkerhetskravet tilfører prosesskompleksitet, men er veletablert i kommersiell virksomhet.

Korrosjonsbestandighet av magnesiumstøpegods

Korrosjonsmotstand er den hyppigst siterte begrensning av magnesiumlegeringer. Ubeskyttet magnesium har et standard elektrodepotensial på –2,37 V , noe som gjør den svært anodisk og utsatt for galvanisk korrosjon når den er i kontakt med de fleste andre strukturelle metaller.

Imidlertid adresserer høyrenhetsbetegnelsen til moderne legeringer (AZ91D, AM60B) den primære korrosjonsmekanismen. Forskning viste at begrense jerninnholdet under et kritisk forhold på Fe/Mn ≤ 0,032 reduserer korrosjonshastigheten med en faktor på 10–100× sammenlignet med eldre legeringer med lavere renhet. AZ91D i saltspraytesting (ASTM B117) oppnår nå korrosjonshastigheter som kan sammenlignes med støpt aluminiumslegering 380.

Overflatebehandlinger påført magnesiumstøpegods for korrosjonsbeskyttelse inkluderer:

• Mikrobueoksidasjon (MAO / PEO): Skaper et hardt keramisk oksidlag 10–30 μm tykt; gir utmerket korrosjons- og slitestyrke.
• Kromfrie konverteringsbelegg: Fosfat-permanganat eller titan/zirkonium-baserte primere brukt som maling vedheftsbaser i bilindustrien.
• E-coat (elektrocoating) toppstrøk: Standard malingsprosess for biler; AZ91D-komponenter med riktig forbehandling oppnår 500 timer i ASTM B117 saltspray.
• Polymer pulverlakk: Brukes til elektronikkhus og forbruksvarer hvor både estetikk og korrosjonsbestandighet kreves.

Hvordan velge riktig magnesiumlegering for støpeprosjektet ditt

Valg av legeringer for pressstøpte av magnesium bør være drevet av en strukturert evaluering av funksjonskrav. Bruk følgende beslutningsramme:

1. Definer driftstemperaturen: Hvis delen vil se vedvarende temperaturer over 120 °C (motorrom, girkasse), er standard AZ/AM-legeringer uegnet – spesifiser AS41B (opptil 150 °C) eller AE44 (opptil 175 °C).
2. Bestem det primære mekaniske kravet: Hvis maksimal styrke og hardhet er nødvendig (hus, braketter, strukturelle paneler), velg AZ91D. Hvis duktilitet og kollisjonsenergiabsorpsjon er kritisk (sikkerhetskomponenter, setestrukturer), velg AM60B eller AM50A.
3. Vurder veggtykkelse og geometrikompleksitet: Svært tynne vegger (under 1,5 mm) og komplekse porter drar nytte av den overlegne flyten til AZ91D. Legeringer i AM-serien er litt mindre flytende og kan kreve portredesign for komplekse geometrier.
4. Vurder korrosjonsmiljøet: For utendørs eller høy luftfuktighet eksponering, spesifiser høy renhetsgrad ("D" i AZ91D og "B" i AM60B angir høy renhetsversjoner) og planlegg for passende overflatebehandling fra begynnelsen.
5. Vurder krav til etterbehandling: Hvis delen skal sveises, er legeringer i AM-serien mer sveisbare enn AZ91D på grunn av lavere sinkinnhold, noe som reduserer tendensen til varmesprekker.

For de fleste kommersielle støpeprosjekter - innkapslinger, braketter, strukturelle rammer - AZ91D forblir standardstartpunktet og bør bare erstattes når spesifikk testing eller funksjonsanalyse viser en klar fordel ved å bytte til AM60B, AM50A eller en høytemperaturlegering.