Magnesiumlejeeringit painevalua varten: tyypit ja ominaisuudet

Painevalussa yleisimmin käytetyt magnesiumseokset ovat AZ91D, AM60B ja AM50A - jokainen tarjoaa selkeän tasapainon lujuuden, sitkeyden ja valuvuuden välillä, ja ne sopivat erilaisiin teknisiin vaatimuksiin. AZ91D hallitsee yleiskäyttöisiä sovelluksia, joissa on paras lujuuden ja korroosionkestävyyden yhdistelmä, kun taas AM60B ja AM50A ovat suositeltavia, kun energian absorptio ja venymä ovat tärkeämpiä kuin kovuus. Magnesiumseoksen painevalut Arvostetaan auto-, elektroniikka- ja ilmailualalla, koska magnesium on kevyin rakennemetalli , noin 33 % kevyempi kuin alumiini ja 75 % kevyempi kuin teräs, mikä mahdollistaa merkittävän painonsäästön tinkimättä rakenteellisesta eheydestä.

Miksi magnesiumia käytetään painevalussa

Magnesiumlejeeringit soveltuvat ainutlaatuisen hyvin korkeapainevaluon (HPDC) useista toisiinsa liittyvistä syistä. Puhtaan magnesiumin tiheys on vain 1,74 g/cm³ — verrattuna alumiinin 2,70 g/cm³:iin ja teräksen 7,87 g/cm³:iin, joten se on paras valinta, kun massan vähentäminen on suunnittelun prioriteetti.

Painon lisäksi magnesiumseokset tarjoavat prosessointietuja, jotka tekevät niistä kaupallisesti houkuttelevia:

• Erinomainen juoksevuus valulämpötilassa: Magnesiumlejeeringit valuvat helposti ohutseinämäisiin osiin, jotka ovat yhtä ohuita kuin 0,6-1,0 mm , mahdollistaa monimutkaiset, lähes verkon muotoiset osat yhdellä kertaa.
• Nopeat kiertoajat: Magnesium jähmettyy nopeasti – sykliajat ovat tyypillisesti 25-50 % nopeampi kuin vertailukelpoiset alumiinipainevalut, mikä vähentää kappalekohtaisia tuotantokustannuksia.
• Sulan alhainen lämpöpitoisuus: Pienempi lämpömassa vähentää muotin lämpöväsymistä ja pidentää muotin käyttöikää jopa 2–3 × alumiiniin verrattuna .
• Hyvä työstettävyys: Magnesium on yksi helpoimmin työstettävistä metalleista, ja sen leikkausnopeus on jopa 10× nopeampi kuin teräs ja vaativat vähemmän työkalujen kulumista.
• Korkea lujuus-painosuhde: Magnesiumseokset saavuttavat tietyt lujuusarvot, jotka ovat kilpailukykyisiä monien alumiiniseosten ja joidenkin terästen kanssa.

Nämä ominaisuudet ovat tehneet magnesiumseoksesta painevaluista vakiokomponentteja autojen kojetaulurakenteissa, ohjauspylvään kannakkeissa, istuinrungoissa ja kulutuselektroniikan koteloissa.

Yleisimmät magnesiumseokset painevalussa

Magnesiumpainevaluseokset on merkitty ASTM:n määrittelemällä kirjain-numerojärjestelmällä. Kirjaimet osoittavat ensisijaiset ja sekundääriset seosaineet (A = alumiini, Z = sinkki, M = mangaani, S = pii, E = harvinainen maametalli), ja numerot osoittavat niiden likimääräiset painoprosentit.

AZ91D — Teollisuuden työhevonen

AZ91D sisältää noin 9 % alumiinia ja 1 % sinkkiä , jossa on kontrolloitu mangaanipitoisuus korroosionkestävyyden vuoksi. Se vastaa karkeasti 90 % kaikesta magnesiumpainevalutuotannosta maailmanlaajuisesti ja on oletusvalinta, kun mikään erityinen toiminnallinen vaatimus ei suosi toista metalliseosta.

AZ91D:tä suositaan, koska se tarjoaa suurimman myötörajan ja murtolujuuden standardipainevaluseosperheessä, hyvän valuvuuden ja yleisten Mg-Al-seosten parhaan yleisen korroosionkestävyyden tiukasti valvottujen raudan, kuparin ja nikkelin epäpuhtausrajojen (kukin alle 0,005 %) ansiosta.

AM60B — sitkeys ja energian absorptio

AM60B sisältää 6 % alumiinia ja 0,3 % mangaania ilman sinkkilisäystä. Alumiinin vähentäminen 9 %:sta 6 %:iin heikentää hieman lujuutta, mutta lisää huomattavasti venymää – AM60B saavuttaa 8 % venymä verrattuna AZ91D:n 3 prosenttiin. Tämä tekee siitä suositellun seoksen autojen turvallisuuden kannalta kriittisille osille, kuten ohjauspyörille, istuimen rungoille ja ovien sisäpaneeleille, joissa törmäysenergian absorptio on suunnitteluvaatimus.

AM50A – Suurin taipuisuus

AM50A sisältää 5% alumiinia ja tarjoaa suurimman venymän ( jopa 10 % ) tavallisia painevaluseoksia alhaisemman vetolujuuden kustannuksella. Sitä käytetään sovelluksissa, jotka vaativat maksimaalista muodonmuutosta ennen murtumista, kuten kojelaudan poikkipalkkipalkeissa ja kaatumissuojarakenteissa avoautoissa.

AS41B ja AE44 — korkean lämpötilan metalliseokset

Normaalit AZ- ja AM-lejeeringit menettävät huomattavasti virumisvastustaan edellä 120 °C johtuen metallien välisen Mg17Al12-faasin pehmenemisestä raerajoilla. Voimansiirtosovelluksiin, kuten vaihteistokoteloihin, öljypohjaan ja moottorin kiinnikkeisiin, vaaditaan kohotettujen lämpötilojen metalliseoksia:

• AS41B (4 % Al, 1 % Si): Pii-lisäys muodostaa lämpöstabiileja Mg2Si-saostumia, mikä parantaa virumiskestävyyttä jopa 150 °C .
• AE44 (4 % Al, 4 % harvinaista maametallia): Harvinaisten maametallien lisäykset (serium, lantaani) parantavat dramaattisesti korkeiden lämpötilojen lujuutta ja virumiskestävyyttä jopa 175 °C , käytetään BMW:n ja Porschen moottoritelineissä ja vaihteistokoteloissa.

Keskeisten painevaluseosten mekaanisten ominaisuuksien vertailu

Alla olevassa taulukossa verrataan tärkeimpien magnesiumpainevaluseosten keskeisiä mekaanisia ominaisuuksia ASTM-standardien mukaisesti, mikä tarjoaa tietopohjaisen perustan lejeeringin valinnalle:

Magnesiumlejeeringin painevalujen tärkeimmät sovellukset

Magnesiumseoksesta valmistettuja painevaluja löytyy useilta eri toimialoilta, ja autoteollisuus edustaa suurinta markkina-aluetta noin 70 % kokonaiskulutuksesta .

Autoteollisuus

Jokainen ajoneuvossa säästetty kilo vähentää polttoaineen kulutusta noin 0,06-0,08 litraa 100 km:llä ajoneuvon käyttöiän ajan. Tyypillisiä magnesiumpainevalettuja autokomponentteja ovat:

• Kojelaudan rakenteet ja poikkiautopalkit (AM60B, AM50A)
• Ohjauspyörän ankkurit ja pylvään kiinnikkeet (AM60B)
• Vaihteistokotelot ja vaihteistokotelot (AZ91D, AE44)
• Istuinkehykset ja oven sisäpaneelit (AM60B)
• Moottorin kannattimet ja öljypohjat korkean lämpötilan vyöhykkeillä (AS41B, AE44)

Kuluttajaelektroniikka

Elektroniikkateollisuus käyttää AZ91D:tä laajalti kannettavien koteloiden, kamerarunkojen, älypuhelinten runkojen ja tablettien kuoriin. Magnesium tarjoaa erinomainen EMI-suojaus (sähkömagneettinen häiriö). - vaimennus jopa 90 dB taajuuksilla 30 MHz - 1 GHz - merkittävä etu muovikoteloihin verrattuna.

Ilmailu ja puolustus

Ilmailuteollisuudessa, jossa jokainen gramma on tärkeä, magnesiumseoksesta valmistettuja painevalukappaleita esiintyy helikopterien vaihteiston koteloissa, lentokoneiden istuinten rungoissa ja ilmailutekniikan koteloissa. Erikoismetalliseoksia, joissa on harvinaisten maametallien lisäyksiä, käytetään, kun käyttölämpötila ylittää 150 °C.

Sähkötyökalut ja urheiluvälineet

Sähkötyökalujen kotelot, moottorisahan rungot ja polkupyörän komponentit hyötyvät magnesiumin kevyestä painosta yhdistettynä riittävään jäykkyyteen. AZ91D on näiden sovellusten vakioseos, joka vähentää valmiiden osien painoa 30–35 % verrattuna vastaaviin alumiinivaluihin .

Magnesiumseosten painevaluprosessi

Magnesiumseoksesta valmistettuja painevaluja valmistetaan käyttämällä kahta pääprosessiversiota, joista jokaisella on erilliset edut:

Kuumakammio painevalu

Useimmissa magnesiumin painevalussa käytetään kuumakammio- (hanhenkaula) -prosessia, koska magnesiumin alhainen raudan liukenevuus mahdollistaa ruiskutusjärjestelmän upottamisen sulatteeseen ilman merkittävää eroosiota. Magnesiumin kuumakammiovalujen tärkeimmät parametrit ovat:

• Sulamislämpötila: 620-680°C seoksesta riippuen
• Ruiskutuspaine: 35-105 MPa
• Die lämpötila: 180-260 °C
• Pyöräilyajan etu: 40–60 % nopeampi kuin kylmäkammio alumiinivalu

Kylmäkammio painevalu

Kylmäkammiovalua käytetään suurempiin, raskaampiin magnesiumosiin, joissa kuumakammiokoneen kapasiteetti ei ole riittävä. Sula metalli kaadetaan hauliholkkiin jokaista sykliä varten. Ruiskutuspaineet ovat korkeammat ( 70-140 MPa ), joka tuottaa tiheämpiä valukappaleita, joiden huokoisuus on pienempi – suositeltu autoteollisuuden rakenteellisiin sovelluksiin.

Sulasuoja käsittelyn aikana

Sula magnesium hapettuu nopeasti ja voi syttyä, jos se altistuu ilmalle tai kosteudelle. Nykyaikaiset painevalulaitteet suojaavat sulatuspintaa a peittää SF6:n ja CO2:n tai SO2:n kaasuseoksen tai kuivaa ilmaa patentoitujen estäjien kanssa. SF₆-pitoisuudet niinkin alhaiset kuin 0,2 tilavuusprosenttia kannessa oleva kaasu riittää estämään hapettumisen. Tämä turvallisuusvaatimus lisää prosessien monimutkaisuutta, mutta se on vakiintunut kaupallisessa toiminnassa.

Magnesiumpainevalujen korroosionkestävyys

Korroosionkestävyys on magnesiumseosten yleisimmin mainittu rajoitus. Suojaamattomalla magnesiumilla on standardi elektrodipotentiaali -2,37 V , mikä tekee siitä erittäin anodisen ja herkän galvaaniselle korroosiolle joutuessaan kosketuksiin useimpien muiden rakennemetallien kanssa.

Nykyaikaisten metalliseosten (AZ91D, AM60B) korkean puhtauden merkintä käsittelee kuitenkin ensisijaisen korroosiomekanismin. Tutkimus osoitti, että rautapitoisuuden rajoittaminen alle kriittisen suhteen Fe/Mn < 0,032 vähentää korroosion nopeutta kertoimella 10–100× verrattuna vanhempiin, puhtaampiin seoksiin. AZ91D suolasumutestauksessa (ASTM B117) saavuttaa nyt korroosionopeudet, jotka ovat verrattavissa painevalettuun alumiiniseokseen 380.

Magnesiumpuristusvalujen pintakäsittelyjä korroosiosuojaa varten ovat mm.

• Mikrokaarihapetus (MAO / PEO): Muodostaa kovan keraamisen oksidikerroksen, jonka paksuus on 10–30 μm; tarjoaa erinomaisen korroosion- ja kulutuskestävyyden.
• Kromittomat konversiopinnoitteet: Fosfaatti-permanganaatti- tai titaani/zirkoniumpohjaiset pohjamaalit, joita käytetään maalin tartuntapohjana autoteollisuudessa.
• E-coat (sähköpinnoitus) pintamaali: Standard autojen maalaus prosessi; AZ91D-komponentit kunnollisella esikäsittelyllä saavutetaan 500 tuntia ASTM B117 suolasuihkeessa.
• Polymeerijauhemaalaus: Käytetään elektroniikkakoteloissa ja kulutustavaroissa, joissa vaaditaan sekä estetiikkaa että korroosionkestävyyttä.

Oikean magnesiumseoksen valinta painevaluprojektillesi

Magnesiumin painevalujen metalliseoksen valinta tulisi ohjata toiminnallisten vaatimusten jäsennellyn arvioinnin perusteella. Käytä seuraavaa päätöksentekokehystä:

1. Määritä käyttölämpötila: Jos osa näkee jatkuvasti yli 120 °C:n lämpötiloja (moottoritila, vaihteisto), standardi AZ/AM-seokset eivät sovellu – määritä AS41B (150 °C asti) tai AE44 (jopa 175 °C).
2. Määritä ensisijainen mekaaninen vaatimus: Jos tarvitaan maksimilujuutta ja kovuutta (kotelot, kannakkeet, rakennepaneelit), valitse AZ91D. Jos sitkeys ja törmäysenergian absorptio ovat kriittisiä (turvakomponentit, istuinrakenteet), valitse AM60B tai AM50A.
3. Arvioi seinämän paksuus ja geometrian monimutkaisuus: Erittäin ohuet seinät (alle 1,5 mm) ja monimutkaiset portit hyötyvät AZ91D:n erinomaisesta juoksevuudesta. AM-sarjan metalliseokset ovat hieman vähemmän juoksevia ja saattavat vaatia portin uudelleensuunnittelua monimutkaisten geometrioiden vuoksi.
4. Arvioi korroosioympäristö: Määritä ulkona tai korkealle kosteudelle altistumista varten korkean puhtausasteet (AZ91D:ssä "D" ja AM60B:ssä "B" tarkoittaa erittäin puhtaita versioita) ja suunnittele asianmukainen pintakäsittely alusta alkaen.
5. Ota huomioon jälkikäsittelyvaatimukset: Jos osa hitsataan, AM-sarjan metalliseokset ovat hitsattavampia kuin AZ91D alhaisemman sinkkipitoisuuden vuoksi, mikä vähentää kuumahalkeilutaipumusta.

Suurin osa kaupallisista painevaluprojekteista - kotelot, kannattimet, rakennekehykset - AZ91D on edelleen oletuslähtöpiste ja se tulisi korvata vain, kun erityiset testaukset tai toiminnalliset analyysit osoittavat selkeän edun vaihtamisessa AM60B:hen, AM50A:han tai korkean lämpötilan metalliseokseen.