Magnezijeve legure za lijevanje pod pritiskom: Vrste i svojstva

Najčešće korištene legure magnezija za lijevanje pod pritiskom su AZ91D, AM60B i AM50A — svaki nudi poseban balans čvrstoće, rastegljivosti i livljivosti prilagođen različitim inženjerskim zahtjevima. AZ91D dominira primjenama opće namjene s najboljom kombinacijom čvrstoće i otpornosti na koroziju, dok su AM60B i AM50A poželjni tamo gdje su apsorpcija energije i istezanje važniji od tvrdoće. Tlačni odljevci od legure magnezija cijenjeni su u automobilskom, elektroničkom i zrakoplovnom sektoru jer je magnezij najlakši konstrukcijski metal , otprilike 33% lakši od aluminija i 75% lakši od čelika, što omogućuje značajne uštede na težini bez žrtvovanja strukturalnog integriteta.

Zašto se magnezij koristi u tlačnom lijevanju

Magnezijeve legure jedinstveno su pogodne za lijevanje pod visokim pritiskom (HPDC) iz nekoliko međusobno povezanih razloga. Čisti magnezij ima gustoću od samo 1,74 g/cm³ — u usporedbi s 2,70 g/cm³ za aluminij i 7,87 g/cm³ za čelik — što ga čini glavnim izborom kada je smanjenje mase prioritet dizajna.

Osim težine, legure magnezija nude prednosti obrade koje ih čine komercijalno privlačnima:

• Izvrsna fluidnost na temperaturi lijevanja: Magnezijeve legure lako teku u dijelove tankih stijenki poput 0,6–1,0 mm , omogućujući složene dijelove gotovo neto oblika u jednom kadru.
• Kratka vremena ciklusa: Magnezij se brzo skrućuje — vremena ciklusa su tipična 25–50% brže od usporedivih aluminijskih tlačnih odljevaka, smanjujući troškove proizvodnje po dijelu.
• Nizak sadržaj topline taline: Niža toplinska masa smanjuje toplinski zamor matrice, produžujući život matrice za do 2–3× u usporedbi s aluminijem .
• Dobra obradivost: Magnezij je među metalima koje je najlakše obraditi, s brzinama rezanja do 10× brže od čelika i zahtijevaju manje trošenje alata.
• Visok omjer čvrstoće i težine: Magnezijeve legure postižu specifične vrijednosti čvrstoće koje su konkurentne mnogim aluminijskim legurama i nekim čelicima.

Ova svojstva učinila su odljevke od legure magnezija standardnim komponentama u strukturama automobilskih ploča s instrumentima, nosačima stupa upravljača, okvirima sjedala i kućištima potrošačke elektronike.

Najčešće legure magnezija za lijevanje pod pritiskom

Magnezijeve legure za tlačni lijev označavaju se sustavom slova i brojeva koji definira ASTM. Slova označavaju primarne i sekundarne legirajuće elemente (A = aluminij, Z = cink, M = mangan, S = silicij, E = rijetka zemlja), a brojke označavaju njihov približan težinski postotak.

AZ91D — Radni konj u industriji

AZ91D sadrži otprilike 9% aluminija i 1% cinka , s kontroliranim sadržajem mangana za otpornost na koroziju. Računa se otprilike 90% ukupne proizvodnje magnezijevog tlačnog lijevanja globalno i zadani je izbor kada nijedan poseban funkcionalni zahtjev ne daje prednost drugoj leguri.

AZ91D je favoriziran jer nudi najveću granicu razvlačenja i krajnju vlačnu čvrstoću u standardnoj obitelji legura za tlačni lijev, dobru sposobnost lijevanja i najbolju opću otpornost na koroziju uobičajenih legura Mg-Al zbog strogo kontroliranih ograničenja nečistoća željeza, bakra i nikla (svaka ispod 0,005%).

AM60B — Duktilnost i apsorpcija energije

AM60B sadrži 6% aluminija i 0,3% mangana bez dodatka cinka. Smanjenje aluminija s 9% na 6% neznatno smanjuje čvrstoću, ali znatno povećava istezanje — AM60B postiže 8% istezanje u usporedbi s AZ91D 3%. To ga čini preferiranom legurom za automobilske komponente kritične za sigurnost kao što su upravljači, okviri sjedala i unutarnje ploče vrata gdje je apsorpcija energije sudara zahtjev dizajna.

AM50A — Maksimalna duktilnost

AM50A sadrži 5% aluminija i pruža najveću rastezljivost ( do 10% ) standardnih legura za lijevanje pod pritiskom, po cijenu manje vlačne čvrstoće. Koristi se u primjenama koje zahtijevaju maksimalnu deformaciju prije loma, kao što su poprečne grede na ploči s instrumentima i konstrukcije za zaštitu od prevrtanja u kabriolet vozilima.

AS41B i AE44 — legure za visoke temperature

Standardne AZ i AM legure gube značajnu otpornost na puzanje iznad 120°C zbog omekšavanja intermetalne faze Mg₁₇Al₁₂ na granicama zrna. Za primjene pogonskih sklopova kao što su kućišta mjenjača, korita ulja i nosači motora, potrebne su legure za povišene temperature:

• AS41B (4% Al, 1% Si): Dodatak silicija stvara toplinski stabilne taloge Mg₂Si, poboljšavajući otpornost na puzanje do 150°C .
• AE44 (4% Al, 4% rijetke zemlje): dodaci rijetkih zemalja (cerij, lantan) dramatično poboljšavaju otpornost na visoke temperature i otpornost na puzanje do 175°C , koristi se u postoljima motora BMW i Porsche i kućištima mjenjača.

Usporedba mehaničkih svojstava ključnih legura za tlačni lijev

Tablica u nastavku uspoređuje ključna mehanička svojstva najvažnijih legura magnezija za tlačni lijev prema standardima ASTM, pružajući osnovu podataka za odabir legure:

Glavne primjene tlačnih odljevaka od legure magnezija

Tlačni odljevci od legure magnezija nalaze se u širokom rasponu industrija, a automobilska industrija predstavlja najveće tržište u otprilike 70% ukupne potrošnje .

Automobilska industrija

Svaki kilogram ušteđen u vozilu smanjuje potrošnju goriva za otprilike 0,06–0,08 litara na 100 km tijekom vijeka trajanja vozila. Tipične automobilske komponente lijevane od magnezija uključuju:

• Strukture ploče s instrumentima i poprečne grede automobila (AM60B, AM50A)
• Armature upravljača i nosači stupova (AM60B)
• Kućišta prijenosnika i kućišta prijenosnika (AZ91D, AE44)
• Okviri sjedala i unutarnje ploče vrata (AM60B)
• Nosači motora i korita ulja u zonama visoke temperature (AS41B, AE44)

Potrošačka elektronika

Elektronička industrija intenzivno koristi AZ91D za kućišta prijenosnih računala, kućišta kamera, strukturne okvire pametnih telefona i kućišta tableta. Magnezij osigurava izvrsna zaštita od EMI (elektromagnetskih smetnji). — slabljenje do 90 dB na frekvencijama od 30 MHz do 1 GHz — značajna prednost u odnosu na plastična kućišta.

Zrakoplovstvo i obrana

U zrakoplovstvu, gdje je svaki gram važan, odljevci od magnezijske legure pojavljuju se u kućištima mjenjača helikoptera, okvirima sjedala zrakoplova i kućištima avionike. Specijalne legure s dodacima rijetkih zemalja koriste se tamo gdje radne temperature prelaze 150°C.

Električni alati i sportska oprema

Kućišta električnih alata, tijela motornih pila i komponente bicikla imaju koristi od male težine magnezija u kombinaciji s dovoljnom krutošću. AZ91D je standardna legura za ove primjene, koja omogućuje smanjenje težine gotovog dijela od 30–35% u odnosu na usporedive aluminijske odljevke .

Postupak tlačnog lijevanja za legure magnezija

Tlačni odljevci od legure magnezija proizvode se pomoću dvije glavne varijante procesa, od kojih svaka ima različite prednosti:

Lijevanje pod pritiskom u vrućoj komori

Većina magnezijevog tlačnog lijevanja koristi postupak vruće komore (guščjeg vrata) jer magnezijeva niska topljivost željeza omogućuje da sustav za ubrizgavanje bude uronjen u talinu bez značajne erozije. Ključni parametri za lijevanje u vrućoj komori magnezija uključuju:

• Temperatura taljenja: 620–680°C ovisno o leguri
• Tlak ubrizgavanja: 35–105 MPa
• Temperatura kalupa: 180-260°C
• Prednost vremena ciklusa: 40–60% brže od lijevanja aluminija u hladnoj komori

Tlačni lijev u hladnoj komori

Lijevanje u hladnoj komori koristi se za veće, teže dijelove od magnezija gdje je kapacitet stroja s vrućom komorom nedovoljan. Rastaljeni metal se sipa u čahuru za svaki ciklus. Tlakovi ubrizgavanja su viši ( 70–140 MPa ), proizvodeći gušće odljevke s nižom poroznošću — poželjno za konstrukcijske automobilske primjene.

Zaštita od taljenja tijekom obrade

Rastaljeni magnezij brzo oksidira i može se zapaliti ako je izložen zraku ili vlazi. Suvremena postrojenja za tlačno lijevanje štite površinu taline pomoću a pokriti plinsku smjesu SF₆ i CO₂ ili SO₂ , ili suhi zrak s vlastitim inhibitorima. Koncentracije SF₆ niske kao 0,2% volumena u pokrovnom plinu dovoljni su za suzbijanje oksidacije. Ovaj sigurnosni zahtjev dodaje složenost procesa, ali je dobro uspostavljen u komercijalnim operacijama.

Otpornost magnezijevih tlačnih odljevaka na koroziju

Otpornost na koroziju je najčešće citirano ograničenje magnezijevih legura. Nezaštićeni magnezij ima standardni potencijal elektrode od –2,37 V , što ga čini vrlo anodnim i osjetljivim na galvansku koroziju kada je u kontaktu s većinom drugih konstrukcijskih metala.

Međutim, oznaka visoke čistoće modernih legura (AZ91D, AM60B) odnosi se na primarni mehanizam korozije. Istraživanje je pokazalo da ograničavanje sadržaja željeza ispod kritičnog omjera Fe/Mn ≤ 0,032 smanjuje brzinu korozije za faktor od 10–100× u usporedbi sa starijim legurama niže čistoće. AZ91D u ispitivanju slanog spreja (ASTM B117) sada postiže stope korozije usporedive s aluminijskom legurom 380.

Površinski tretmani primijenjeni na magnezijske odljevke za zaštitu od korozije uključuju:

• Mikrolučna oksidacija (MAO/PEO): Stvara tvrdi sloj keramičkog oksida debljine 10–30 μm; pruža izvrsnu otpornost na koroziju i habanje.
• Pretvorbeni premazi bez kroma: Primeri na bazi fosfat-permanganata ili titana/cirkonija koji se koriste kao baza za prianjanje boja u automobilskim aplikacijama.
• E-coat (elektropremaz) završni premaz: Standardni postupak lakiranja automobila; Komponente AZ91D s odgovarajućom prethodnom obradom postižu 500 sati u ASTM B117 slanom spreju.
• Premazivanje polimernim prahom: Koristi se za kućišta elektronike i robe široke potrošnje gdje su potrebni i estetika i otpornost na koroziju.

Kako odabrati pravu leguru magnezija za vaš projekt lijevanja pod pritiskom

Odabir legure za magnezijeve tlačne odljevke trebao bi biti vođen strukturiranom procjenom funkcionalnih zahtjeva. Koristite sljedeći okvir za odlučivanje:

1. Definirajte radnu temperaturu: Ako će dio imati trajne temperature iznad 120°C (otvor motora, prijenos), standardne AZ/AM legure nisu prikladne — navedite AS41B (do 150°C) ili AE44 (do 175°C).
2. Odredite primarni mehanički zahtjev: Ako je potrebna maksimalna čvrstoća i tvrdoća (kućišta, nosači, strukturne ploče), odaberite AZ91D. Ako su duktilnost i apsorpcija energije sudara kritični (sigurnosne komponente, strukture sjedala), odaberite AM60B ili AM50A.
3. Procijenite debljinu stijenke i složenost geometrije: Vrlo tanke stijenke (ispod 1,5 mm) i složena vrata imaju prednost od vrhunske fluidnosti AZ91D. Legure serije AM nešto su manje fluidne i mogu zahtijevati redizajn vrata za složene geometrije.
4. Procijenite okolinu korozije: Za izlaganje na otvorenom ili visokoj vlažnosti, navedite stupnjeve visoke čistoće ("D" u AZ91D i "B" u AM60B označavaju verzije visoke čistoće) i isplanirajte odgovarajuću površinsku obradu od samog početka.
5. Razmotrite zahtjeve za naknadnu obradu: Ako će se dio zavarivati, legure serije AM lakše su zavarljive od AZ91D zbog nižeg sadržaja cinka, što smanjuje tendenciju pucanja u vrućem stanju.

Za većinu komercijalnih projekata lijevanja pod pritiskom — kućišta, nosači, strukturni okviri — AZ91D ostaje zadana početna točka i treba ga zamijeniti samo kada specifično ispitivanje ili funkcionalna analiza pokaže jasnu prednost u prelasku na AM60B, AM50A ili leguru za visoke temperature.