Magnesiumlegeringen voor spuitgieten: soorten en eigenschappen

De meest gebruikte magnesiumlegeringen voor spuitgieten zijn AZ91D, AM60B en AM50A - elk biedt een duidelijk evenwicht tussen sterkte, ductiliteit en gietbaarheid, geschikt voor verschillende technische vereisten. AZ91D domineert algemene toepassingen met de beste combinatie van sterkte en corrosieweerstand, terwijl AM60B en AM50A de voorkeur hebben waar energieabsorptie en rek belangrijker zijn dan hardheid. Gietstukken van magnesiumlegeringen worden gewaardeerd in de automobiel-, elektronica- en ruimtevaartsector omdat magnesium dat ook is het lichtste structurele metaal , ongeveer 33% lichter dan aluminium en 75% lichter dan staal, waardoor aanzienlijke gewichtsbesparingen mogelijk zijn zonder de structurele integriteit op te offeren.

Waarom magnesium wordt gebruikt bij het spuitgieten

Magnesiumlegeringen zijn om verschillende onderling verbonden redenen bij uitstek geschikt voor hogedrukspuitgieten (HPDC). Zuiver magnesium heeft een dichtheid van slechts 1,74 g/cm³ – vergeleken met 2,70 g/cm³ voor aluminium en 7,87 g/cm³ voor staal – waardoor dit de beste keuze is wanneer massareductie een ontwerpprioriteit is.

Naast gewicht bieden magnesiumlegeringen verwerkingsvoordelen die ze commercieel aantrekkelijk maken:

• Uitstekende vloeibaarheid bij giettemperatuur: Magnesiumlegeringen vloeien gemakkelijk in dunwandige secties zo dun als 0,6–1,0 mm , waardoor complexe, bijna netvormige onderdelen in één opname mogelijk zijn.
• Snelle cyclustijden: Magnesium stolt snel; cyclustijden zijn doorgaans hetzelfde 25-50% sneller dan vergelijkbare aluminium spuitgietstukken, waardoor de productiekosten per onderdeel worden verlaagd.
• Lage warmte-inhoud van de smelt: De lagere thermische massa vermindert de thermische vermoeidheid van de matrijs, waardoor de levensduur van de matrijs met maximaal wordt verlengd 2–3× vergeleken met aluminium .
• Goede bewerkbaarheid: Magnesium is een van de gemakkelijkst te bewerken metalen, met snijsnelheden tot wel 10× sneller dan staal en vereist minder gereedschapsslijtage.
• Hoge sterkte-gewichtsverhouding: Magnesiumlegeringen bereiken specifieke sterktewaarden die concurrerend zijn met veel aluminiumlegeringen en sommige staalsoorten.

Deze eigenschappen hebben ervoor gezorgd dat gietstukken van magnesiumlegeringen standaardcomponenten zijn in instrumentenpaneelstructuren van auto's, stuurkolombeugels, stoelframes en behuizingen voor consumentenelektronica.

De meest voorkomende magnesiumlegeringen voor spuitgieten

Magnesium-spuitgietlegeringen worden aangeduid met een letternummersysteem gedefinieerd door ASTM. De letters geven de primaire en secundaire legeringselementen aan (A = aluminium, Z = zink, M = mangaan, S = silicium, E = zeldzame aarde), en de cijfers geven hun geschatte gewichtspercentages aan.

AZ91D – Het industriële werkpaard

AZ91D bevat ongeveer 9% aluminium en 1% zink , met gecontroleerd mangaangehalte voor corrosiebestendigheid. Het komt ongeveer neer op 90% van alle magnesiumspuitgietproductie wereldwijd en is de standaardkeuze wanneer er geen speciale functionele vereisten zijn die de voorkeur geven aan een andere legering.

AZ91D heeft de voorkeur omdat het de hoogste vloeigrens en ultieme treksterkte biedt in de standaardfamilie van spuitgietlegeringen, goede gietbaarheid en de beste algemene corrosieweerstand van de gebruikelijke Mg-Al-legeringen vanwege streng gecontroleerde ijzer-, koper- en nikkelonzuiverheidslimieten (elk minder dan 0,005%).

AM60B — Ductiliteit en energieabsorptie

AM60B bevat 6% aluminium en 0,3% mangaan zonder toevoeging van zink. Het verminderen van aluminium van 9% naar 6% vermindert de sterkte enigszins, maar verhoogt de rek aanzienlijk – AM60B bereikt 8% verlenging vergeleken met de 3% van AZ91D. Dit maakt het de voorkeurslegering voor veiligheidskritische componenten in de auto-industrie, zoals stuurwielen, stoelframes en binnenpanelen van deuren, waarbij absorptie van crashenergie een ontwerpvereiste is.

AM50A — Maximale rekbaarheid

AM50A bevat 5% aluminium en levert de hoogste rek ( tot 10% ) van de standaard spuitgietlegeringen, ten koste van een lagere treksterkte. Het wordt gebruikt in toepassingen waarbij maximale vervorming vóór breuk vereist is, zoals de dwarsbalken van instrumentenpanelen en kantelbeveiligingsstructuren in cabrioletvoertuigen.

AS41B en AE44 — Legeringen voor hoge temperaturen

Standaard AZ- en AM-legeringen verliezen daarboven een aanzienlijke kruipweerstand 120°C als gevolg van verzachting van de Mg₁₇Al₁₂ intermetallische fase aan de korrelgrenzen. Voor aandrijflijntoepassingen zoals transmissiebehuizingen, oliecarters en motorbeugels zijn legeringen voor hoge temperaturen vereist:

• AS41B (4% Al, 1% Si): Toevoeging van silicium vormt thermisch stabiele Mg₂Si-precipitaten, waardoor de kruipweerstand wordt verbeterd tot 150°C .
• AE44 (4% Al, 4% zeldzame aarde): Toevoegingen van zeldzame aardmetalen (cerium, lanthaan) verbeteren de sterkte bij hoge temperaturen en de kruipweerstand dramatisch tot 175°C , gebruikt in BMW en Porsche motorsteunen en transmissiebehuizingen.

Vergelijking van mechanische eigenschappen van belangrijke spuitgietlegeringen

De onderstaande tabel vergelijkt de belangrijkste mechanische eigenschappen van de belangrijkste magnesiumspuitgietlegeringen volgens ASTM-normen, en biedt een datagestuurde basis voor de selectie van legeringen:

Belangrijke toepassingen van spuitgietstukken van magnesiumlegeringen

Gietstukken van magnesiumlegeringen worden in een breed scala van industrieën aangetroffen, waarbij de automobielsector ruwweg de grootste markt vertegenwoordigt 70% van het totale verbruik .

Auto-industrie

Elke kilogram die in een voertuig wordt bespaard, vermindert het brandstofverbruik met ongeveer 0,06–0,08 liter per 100 km gedurende de levensduur van het voertuig. Typische magnesium gegoten auto-onderdelen zijn onder meer:

• Instrumentenpaneelstructuren en dwarsbalken (AM60B, AM50A)
• Stuurwielarmaturen en kolombeugels (AM60B)
• Transmissiebehuizingen en tussenbakbehuizingen (AZ91D, AE44)
• Stoelframes en deurbinnenpanelen (AM60B)
• Motorsteunen en oliecarters in zones met hoge temperaturen (AS41B, AE44)

Consumentenelektronica

De elektronica-industrie gebruikt de AZ91D op grote schaal voor laptopbehuizingen, camerabehuizingen, structurele frames voor smartphones en tabletomhulsels. Magnesium zorgt uitstekende EMI-afscherming (elektromagnetische interferentie). - demping van maximaal 90dB bij frequenties van 30 MHz tot 1 GHz – een aanzienlijk voordeel ten opzichte van plastic behuizingen.

Lucht- en ruimtevaart en defensie

In de lucht- en ruimtevaart, waar elke gram ertoe doet, verschijnen spuitgietstukken van magnesiumlegeringen in versnellingsbakken van helikopters, vliegtuigstoelframes en elektronische behuizingen. Gespecialiseerde legeringen met toevoegingen van zeldzame aardmetalen worden gebruikt bij bedrijfstemperaturen boven de 150°C.

Elektrisch gereedschap en sportuitrusting

Behuizingen van elektrisch gereedschap, kettingzaaglichamen en fietsonderdelen profiteren van het lichte gewicht van magnesium in combinatie met voldoende stijfheid. AZ91D is de standaardlegering voor deze toepassingen en zorgt voor een gewichtsvermindering van het afgewerkte onderdeel 30-35% vergeleken met vergelijkbare aluminium gietstukken .

Het spuitgietproces voor magnesiumlegeringen

Gietstukken van magnesiumlegeringen worden geproduceerd met behulp van twee hoofdprocesvarianten, elk met duidelijke voordelen:

Hete kamer spuitgieten

Bij het meeste magnesiumspuitgieten wordt gebruik gemaakt van het hetekamerproces (zwanenhals), omdat de lage ijzeroplosbaarheid van magnesium ervoor zorgt dat het injectiesysteem zonder noemenswaardige erosie in de smelt kan worden ondergedompeld. De belangrijkste parameters voor het gieten van magnesium in een hete kamer zijn onder meer:

• Smelttemperatuur: 620–680°C afhankelijk van de legering
• Injectiedruk: 35–105 MPa
• Matrijstemperatuur: 180–260°C
• Voordeel cyclustijd: 40-60% sneller dan aluminium gieten in een koude kamer

Spuitgieten in koude kamers

Gieten in een koude kamer wordt gebruikt voor grotere, zwaardere magnesiumonderdelen waarbij de capaciteit van de machine in de hete kamer onvoldoende is. Het gesmolten metaal wordt voor elke cyclus in de giethuls gegoten. De injectiedrukken zijn hoger ( 70–140 MPa ), waardoor dichtere gietstukken met een lagere porositeit worden geproduceerd - de voorkeur voor structurele automobieltoepassingen.

Smeltbescherming tijdens verwerking

Gesmolten magnesium oxideert snel en kan ontbranden bij blootstelling aan lucht of vocht. Moderne spuitgietfaciliteiten beschermen het smeltoppervlak met behulp van een bedek het gasmengsel van SF₆ en CO₂ of SO₂ of droge lucht met gepatenteerde remmers. SF₆-concentraties zo laag als 0,2 vol.% in het afdekgas zijn voldoende om oxidatie te onderdrukken. Deze veiligheidsvereiste voegt procescomplexiteit toe, maar is goed ingeburgerd bij commerciële activiteiten.

Corrosiebestendigheid van magnesiumspuitgietstukken

Corrosiebestendigheid is de meest genoemde beperking van magnesiumlegeringen. Onbeschermd magnesium heeft een standaard elektrodepotentiaal van –2,37 V , waardoor het zeer anodisch is en gevoelig voor galvanische corrosie wanneer het in contact komt met de meeste andere structurele metalen.

De aanduiding van hoge zuiverheid van moderne legeringen (AZ91D, AM60B) heeft echter betrekking op het primaire corrosiemechanisme. Uit onderzoek is gebleken dat het beperken van het ijzergehalte onder een kritische verhouding van Fe/Mn ≤ 0,032 vermindert de corrosiesnelheid met een factor 10–100× vergeleken met oudere legeringen met een lagere zuiverheid. De AZ91D bereikt bij zoutsproeitesten (ASTM B117) nu corrosiesnelheden die vergelijkbaar zijn met die van gegoten aluminiumlegering 380.

Oppervlaktebehandelingen toegepast op magnesiummatrijzen voor corrosiebescherming zijn onder meer:

• Microboogoxidatie (MAO / PEO): Creëert een harde keramische oxidelaag van 10–30 μm dik; biedt uitstekende corrosie- en slijtvastheid.
• Chroomvrije conversiecoatings: Fosfaatpermanganaat- of titanium/zirkonium-gebaseerde primers die worden gebruikt als verfhechtbasis in automobieltoepassingen.
• E-coat (elektrocoating) toplaag: Standaard lakproces voor auto's; AZ91D-componenten worden met de juiste voorbehandeling bereikt 500 uur in ASTM B117 zoutnevel.
• Polymeer poedercoating: Gebruikt voor elektronicabehuizingen en consumentengoederen waar esthetiek en corrosiebestendigheid beide vereist zijn.

Hoe u de juiste magnesiumlegering selecteert voor uw spuitgietproject

De selectie van legeringen voor gietstukken van magnesium moet worden bepaald door een gestructureerde evaluatie van functionele vereisten. Gebruik het volgende beslissingskader:

1. Definieer de bedrijfstemperatuur: Als het onderdeel aanhoudende temperaturen boven de 120°C (motorruimte, transmissie) ervaart, zijn standaard AZ/AM-legeringen niet geschikt – specificeer AS41B (tot 150°C) of AE44 (tot 175°C).
2. Bepaal de primaire mechanische vereiste: Als maximale sterkte en hardheid nodig is (behuizingen, beugels, structurele panelen), kies dan voor AZ91D. Als ductiliteit en absorptie van crashenergie van cruciaal belang zijn (veiligheidscomponenten, stoelconstructies), kies dan voor AM60B of AM50A.
3. Beoordeel de wanddikte en de complexiteit van de geometrie: Zeer dunne wanden (minder dan 1,5 mm) en complexe poorten profiteren van de superieure vloeibaarheid van AZ91D. Legeringen uit de AM-serie zijn iets minder vloeibaar en vereisen mogelijk een herontwerp van de poort voor complexe geometrieën.
4. Evalueer de corrosieomgeving: Voor blootstelling buitenshuis of aan hoge luchtvochtigheid dient u een hoge zuiverheidsgraad te specificeren (de "D" in AZ91D en "B" in AM60B duiden versies met een hoge zuiverheid aan) en vanaf het begin een geschikte oppervlaktebehandeling te plannen.
5. Houd rekening met de vereisten voor nabewerking: Als het onderdeel wordt gelast, zijn legeringen uit de AM-serie beter lasbaar dan AZ91D vanwege het lagere zinkgehalte, waardoor de neiging tot heetscheuren wordt verminderd.

Voor de meeste commerciële spuitgietprojecten – behuizingen, beugels, structurele frames – AZ91D blijft het standaard uitgangspunt en mag alleen worden vervangen als specifieke tests of functionele analyses een duidelijk voordeel aantonen bij het overstappen op AM60B, AM50A of een legering voor hoge temperaturen.