Κράματα χύτευσης μαγνησίου 101

Η χύτευση με χύτευση υπό πίεση φέρνει σήμερα επανάσταση με το μαγνήσιο, καθώς αποτελεί μια βιώσιμη εναλλακτική λύση σε σχέση με τα παραδοσιακά υλικά όπως το αλουμίνιο. Ως το ελαφρύτερο δομικό μέταλλο επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση βάρους στα τελικά προϊόντα, κάτι που είναι απαραίτητο για την αποδοτικότητα των καυσίμων και τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που σχετίζονται με τις εκπομπές των αυτοκινήτων. Έχει σημειωθεί αξιοσημείωτη ερευνητική πρόοδος που διευρύνει τις δυνατότητες του μαγνησίου και το καθιστά καλό υποψήφιο για διάφορες εφαρμογές υψηλών επιδόσεων.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το μαγνήσιο κατέχει ηγετική θέση στη χύτευση:

Το μαγνήσιο έχει πυκνότητα περίπου 1,7 g/cm³ σε σύγκριση με το αλουμίνιο (2,7 g/cm³) [1]. Αυτό οδηγεί σε μαζική μείωση του βάρους των εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων των εξαρτημάτων για οχήματα, βελτιώνοντας έτσι την αποδοτικότητα των καυσίμων και ενισχύοντας τη φορητότητα των ηλεκτρονικών συσκευών.

Το μαγνήσιο έχει εξαιρετική αναλογία αντοχής προς βάρος. Ορισμένες μελέτες έχουν δείξει ότι συγκεκριμένα κράματα μαγνησίου, όπως το AZ91D, μπορούν να επιτύχουν αντοχές εφελκυσμού άνω των 230 MPa [2]. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν κατάλληλα για εξαρτήματα που χρειάζονται ταυτόχρονα ανθεκτικά και ελαφριά, επειδή διαθέτουν ελαφρότητα και αντοχή.

Για παράδειγμα, πρόσφατες έρευνες διερεύνησαν την ενσωμάτωση ορισμένων στοιχείων σπάνιων γαιών στο μαγνήσιο για τη δημιουργία κραμάτων που μπορούν να αντισταθούν καλύτερα στην παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες [3].

Πηγή:

1. Magnesium in Casting Technology by Yucheng Bai, et al. (2012)
2. Αξιολόγηση κραμάτων χύτευσης μαγνησίου για εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες: Sergio Cáceres, et al. (2015)
3. Μικροδομή και αντοχή σε ερπυσμό των κραμάτων Mg-Gd-Y από X.M. Wang, et al. (2020)

AZ91, AM60 και AM50 είναι τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα κράματα στη χύτευση υπό πίεση. Όλα βασίζονται στο σύστημα Mg-AI.

Διαβάστε επίσης: Χύτευση κράματος αλουμινίου

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για

• Το παγκόσμιο πεδίο εφαρμογής των κραμάτων χύτευσης μαγνησίου,
• Ανάδειξη των πλεονεκτημάτων αυτών των υλικών,
• Ιδιότητες κραμάτων μαγνησίου
• Σύντομη σύγκριση των κοινών κραμάτων μαγνησίου για χύτευση σε μήτρες

Θα επισημάνουμε επίσης τα σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης κραμάτων χύτευσης μαγνησίου, όπως:

• εξαιρετική αντοχή
• ελαφρύς χαρακτήρας
• καταλληλότητα για την παραγωγή περίπλοκων σχημάτων

Θα συζητήσουμε επίσης τα διάφορα είδη μήτρας μαγνησίου που διατίθενται για τη χύτευση κραμάτων, τονίζοντας τις μοναδικές τους ιδιότητες και τις ιδανικές τους χρήσεις.

Στο τέλος, θα εξετάσουμε πώς η χύτευση μαγνησίου συγκρίνεται με άλλες ευρέως γνωστές μεθόδους, όπως η χύτευση αλουμινίου, και θα συζητήσουμε τις ενδιαφέρουσες προοπτικές των μελλοντικών δυνατοτήτων αυτής της τεχνολογίας.

Ελπίζουμε ότι στο τέλος αυτής της εξερεύνησης θα έχετε εκτεταμένες γνώσεις σχετικά με τα κράματα χύτευσης μαγνησίου και τη σημασία τους στη σύγχρονη κατασκευή.

Ας κατανοήσουμε το μαγνήσιο ως κράμα

Το πιο διάσημο κράμα χύτευσης μαγνησίου είναι το AZ91D. Το μαγνήσιο δημιουργεί διάφορα κράματα όταν συνδυάζεται με άλλα μέταλλα. Μερικά από τα πιο κοινά μαγνήσια είναι τα εξής:

1. AM60B
2. AM50A
3. AM20
4. AE42
5. AS41B

Τι είναι τα κράματα μαγνησίου;

Τα κράματα μαγνησίου είναι μέταλλα στα οποία το μαγνήσιο (Mg) είναι το κύριο στοιχείο, που συνήθως αποτελεί πάνω από 90% της σύνθεσης. Το καθαρό μαγνήσιο τροποποιείται με την προσθήκη κραματικών στοιχείων όπως το αλουμίνιο (Al), ο ψευδάργυρος (Zn) και το μαγγάνιο (Mn).

Πλεονεκτήματα της χύτευσης μαγνησίου

Η μοναδικότητα της χύτευσης μαγνησίου έγκειται στο ότι μπορεί να προσφέρει πολλά βασικά πλεονεκτήματα στη διαδικασία κατασκευής. Παρακάτω, θα αναλύσουμε περαιτέρω ορισμένα από τα κύρια πλεονεκτήματα:

Ελαφρύ και υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος. 

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το μαγνήσιο είναι το ελαφρύτερο δομικό μέταλλο. Παρέχει τη βάση αντοχής και χαμηλού βάρους για εξαιρετικά ελαφριά εξαρτήματα, γεγονός που οδηγεί σε σημαντικά πλεονεκτήματα για πολλές επιχειρήσεις.

Βελτιωμένη διαστατική ακρίβεια και σταθερότητα

Η μέθοδος χύτευσης με μήτρα εγγυάται εξαιρετική ακρίβεια διαστάσεων και σταθερότητα στο τελικό προϊόν. Αυτό καθιστά τη συναρμολόγηση των εξαρτημάτων με άλλα εξαρτήματα ευκολότερη και με τα ίδια υψηλά πρότυπα.

Εξαιρετική κατεργασιμότητα και λεπτομέρειες φινιρίσματος

Οι χυτές μήτρες μαγνησίου προσφέρουν καλή κατεργασιμότητα. Αυτό διευκολύνει τη διαμόρφωση και την τροποποίηση του υλικού μετά τη χύτευση. Επιπλέον, αυτά τα χυτά έχουν συνήθως ανώτερη επιφανειακή στίλβωση, μειώνοντας το απαιτούμενο πρόσθετο επίπεδο επεξεργασίας.

Εξαιρετική θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι οι ιδιότητες των κραμάτων μαγνησίου. Κατά συνέπεια, μπορούν να βρουν χρήση σε καταστάσεις όπου είναι απαραίτητη η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή η απαγωγή θερμότητας.

Υψηλή ανακυκλωσιμότητα

Πολύ ανακυκλώσιμο μέταλλο είναι το μαγνήσιο. Στο τέλος της ζωής ενός προϊόντος, τα μέρη του που είναι κατασκευασμένα από μαγνήσιο μπορούν εύκολα να επαναχρησιμοποιηθούν και να ανακυκλωθούν μειώνοντας έτσι το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

Διαδικασία χύτευσης μαγνησίου

Αυτό το μέρος θα μας παρουσιάσει τα βασικά στοιχεία της χύτευσης μαγνησίου και τι συνεπάγεται, καθώς και βήμα προς βήμα πώς το λιωμένο μαγνήσιο μετατρέπεται σε σύνθετα πολύτιμα εξαρτήματα.

Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενός επαναχρησιμοποιήσιμου καλουπιού που ονομάζεται μήτρα για την κατασκευή περίπλοκων και διαστατικά ακριβών προϊόντων.

Ορισμένα απαραίτητα βήματα παρατίθενται παρακάτω:

Προετοιμασία και καθαρισμός μήτρας 

Η μήτρα καθαρίζεται και λιπαίνεται σχολαστικά για να εξασφαλιστεί μια τέλεια διαδικασία χύτευσης και να αποφευχθούν τα ελαττώματα. Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη για να διατηρηθεί η ακεραιότητα της μήτρας και να παραχθούν χυτεύματα υψηλής ποιότητας.

Λιώσιμο και κράμα μαγνησίου

Το μαγνήσιο λιώνει σε κλίβανο σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Σε αυτό το στάδιο μπορούν να εγχυθούν στο λιωμένο μέταλλο τέτοιου είδους κραματικά στοιχεία για τη διαμόρφωση των απαιτούμενων χαρακτηριστικών του τελικού προϊόντος, όπως αυξημένη αντοχή ή αντίσταση στη διάβρωση.

Έγχυση και στερεοποίηση

Υπό υψηλή πίεση, το λιωμένο μαγνήσιο εγχέεται στην κοιλότητα της μήτρας. Αυτή η κοιλότητα έχει το ίδιο σχήμα με το απαιτούμενο τελικό προϊόν. Μετά την έγχυση του λιωμένου μαγνησίου, αυτό ψύχεται γρήγορα και σκληραίνει. Μετά από ελάχιστο χρόνο, το μαγνήσιο παίρνει το σχήμα της μήτρας.

Αφαίρεση και φινίρισμα εξαρτημάτων

Μετά τη στερεοποίηση, το νεοσύστατο τεμάχιο αφαιρείται από τη μήτρα. Μετά τη διαδικασία χύτευσης, εξάγεται κάθε επιπλέον υλικό, όπως πηχάκια ή δρομείς. Μετά την αφαίρεση των επιπλέον υλικών, μπορούν να εφαρμοστούν περαιτέρω τεχνικές φινιρίσματος στην επιφάνεια του τεμαχίου με βάση τις απαιτήσεις της εφαρμογής.

Σήμερα, η μέθοδος αυτή μας επιτρέπει να κατασκευάζουμε σύνθετα εξαρτήματα μαγνησίου σε μεγάλες ποσότητες με εξαιρετική ακρίβεια διαστάσεων και αξιόπιστη ποιότητα.

Μέταλλα χύτευσης μαγνησίου

Η προσεκτική επιλογή των κραμάτων χύτευσης μαγνησίου μπορεί να καταστήσει το προϊόν επιτυχημένο. Η επιλογή του κατάλληλου κράματος είναι ζωτικής σημασίας, καθώς καθορίζει τα τελικά χαρακτηριστικά και τις επιδόσεις του τελικού προϊόντος.

Επιλέγοντας το καλύτερο κράμα μαγνησίου 

Κράματα μαγνησίου όπως AZ91D και AM50A/AM60B γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς για τους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας και των μεταφορών.

Αυτά τα νέα κράματα έχουν βελτιωμένη αντοχή, καλύτερα χαρακτηριστικά σε υψηλές θερμοκρασίες, μεγαλύτερη ολκιμότητα και υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Πριν επιλέξετε το καλύτερο κράμα χύτευσης μαγνησίου, πρέπει να έχετε πλήρη γνώση των επιθυμητές ιδιότητες για το τελικό προϊόν. 

Ακολουθούν ορισμένοι κρίσιμοι παράγοντες για τη λήψη αυτής της κρίσιμης απόφασης.

Δύναμη: Ένας σημαντικός παράγοντας είναι η απαιτούμενη αντοχή των διαφόρων συστατικών που θα χρησιμοποιηθούν. Η αντοχή διαρροής, η αντοχή σε εφελκυσμό και η αντοχή σε κόπωση είναι μεταβλητές στα διάφορα κράματα.

Αντοχή στη διάβρωση: Επίσης, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη το περιβάλλον στο οποίο θα λειτουργήσει ένα εξάρτημα. Έχουν υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση σε σύγκριση με πολλά άλλα μέταλλα, καθιστώντας τα πρωτεύοντα για αυστηρά περιβάλλοντα.

Δυνατότητα χύτευσης: Για παράδειγμα, ένα λιωμένο μέταλλο πρέπει να είναι ικανό να ρέει καλά μέσα στην κοιλότητα της μήτρας και να γεμίζει περίπλοκα σχήματα. Τα καλά κράματα χύτευσης εξασφαλίζουν χαμηλά ελαττώματα και υψηλό ποσοστό τάσης χύτευσης.

Δυνατότητα κατεργασίας: Επιπλέον, θα πρέπει να εξεταστεί πόσο εύκολα ένα αντικείμενο που έχει χυτευτεί μπορεί να επεξεργαστεί μηχανικά ώστε να του δοθεί σχήμα ή να αλλάξει η μορφή του. Το κατάλληλο κράμα κατεργασίας επιτρέπει την αποτελεσματική προσαρμογή και μεταγενέστερη επεξεργασία.

Σήμερα, τα κράματα χύτευσης μαγνησίου που προσφέρουν βέλτιστη αντοχή και απόδοση μπορούν να επιλεγούν από κατασκευαστές που λαμβάνουν υπόψη τους αυτούς τους παράγοντες σε συνδυασμό με τις απαιτήσεις των εφαρμογών.

Κοινά κράματα μαγνησίου

Στην αγορά διατίθενται πολλοί τύποι κραμάτων χύτευσης μαγνησίου. Κάθε κράμα έχει μοναδικές ιδιότητες και τέλειες χρήσεις.

Τώρα, ας εξερευνήσουμε τις ιδιότητες των συνηθέστερα χρησιμοποιούμενων κραμάτων.

AZ91D: Ο πρωταθλητής όλων των γύρων

Το AZ91D είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο κράμα χύτευσης μαγνησίου. Έχει 9% αλουμίνιο και 1% ψευδάργυρο. Παρέχει ένα ελκυστικό μείγμα αντοχή στη διάβρωση, ανθεκτικότητα και υψηλή χυτευσιμότητα. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το AZ91D μια ευέλικτη επιλογή για πολλές εφαρμογές, όπως εξαρτήματα κινητήρων, περιβλήματα, καταναλωτικά ηλεκτρονικά και τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας.

3.2.2 Σειρά AM (AM 50A, AM20, AM60B): Εστιάζοντας στην ανθεκτικότητα

Η σειρά AM διαθέτει ένα κράμα που φημίζεται για τις αξιοσημείωτες αντοχή στην κρούση και ανθεκτικότητα. Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν ιδανικά για εξαρτήματα για φυσική αντοχή ή κρούση. Τα κράματα της σειράς AM χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία για βραχίονες, τροχούς και άλλα μέρη.

3.2.3 AS41B και AE42: Κράματα υψηλής θερμοκρασίας

Τα κράματα AS41B και AE42 είναι εξαιρετικές επιλογές για εφαρμογές που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα κράματα παρουσιάζουν εξαιρετική ολκιμότητα, αντοχή σε ερπυσμό και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα κατάλληλα για εξαρτήματα κινητήρα και μετάδοσης κίνησης όπου είναι απαραίτητη η αντοχή στη θερμότητα.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτός είναι ένας μερικός κατάλογος κραμάτων χύτευσης μαγνησίου. Υπάρχουν πολλοί άλλοι τύποι κραμάτων χύτευσης μαγνησίου που αναπτύσσονται για την κάλυψη συγκεκριμένων απαιτήσεων. Η επιλογή του τέλειου κράματος απαιτεί πλήρη κατανόηση των επιθυμητών ιδιοτήτων και των μοναδικών απαιτήσεων της εφαρμογής σας.

Ιδιότητες των κραμάτων χύτευσης μαγνησίου

Η κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών των διαφόρων κραμάτων χύτευσης μαγνησίου επιτρέπει τη λήψη πιο τεκμηριωμένων αποφάσεων. 

Ακολουθεί μια σύντομη σύγκριση ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών των χύτευση μαγνησίου κράματα:

Εφαρμογές των κραμάτων χύτευσης μαγνησίου

Το μαγνήσιο είναι γνωστό για τα ελαφριά χυτά κράματα. Γίνονται όλο και πιο δημοφιλή σε δομικές εφαρμογές αυτοκινήτων. Τα κράματα μαγνησίου είναι ελαφριά, έχουν εξαιρετική αναλογία αντοχής προς βάρος, επαναληψιμότητα διαστάσεων και σχεδόν καθαρό σχήμα.

Ένα πρόσφατο παράδειγμα είναι το 2017 Chrysler Pacifica, το οποίο χρησιμοποιεί χύτευση μαγνησίου για την αντικατάσταση εννέα εξαρτημάτων στον δομικό πυρήνα της ανυψωτικής πόρτας, μειώνοντας το βάρος του συγκροτήματος της ανυψωτικής πόρτας κατά περίπου 50%.

Όπως γνωρίζουμε, τα κράματα χύτευσης μαγνησίου έχουν αξιοσημείωτες ιδιότητες. Έχουν πολλές εφαρμογές σε διάφορους τομείς. 

Θα εξετάσουμε τώρα ορισμένους από τους πιο δημοφιλείς τομείς αυτής της καινοτόμου τεχνολογίας.

Αυτοκινητοβιομηχανία: Τα κράματα χύτευσης μαγνησίου είναι πολύ καλά για την αυτοκινητοβιομηχανία επειδή έχουν μικρό βάρος και αντοχή, καθιστώντας τα έτσι ιδανικά για την αποδοτικότητα των καυσίμων. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων κινητήρα, βραχιόνων, τροχών κ.λπ.

Καταναλωτικά ηλεκτρονικά: Τα κράματα χύτευσης μαγνησίου ταιριάζουν καλύτερα σε όσους θέλουν ελαφριές φορητές και ανθεκτικές συσκευές.

Η διαδικασία χύτευσης μαγνησίου έχει βελτιώσει την εμπειρία του χρήστη, είναι καλύτερη για περιβλήματα φορητών υπολογιστών και σώματα φωτογραφικών μηχανών που είναι εξαιρετικά ανθεκτικά και άνετα στο κράτημα. 

 Αεροδιαστημική βιομηχανία: Τα κράματα χύτευσης μαγνησίου είναι απαραίτητα στην αεροδιαστημική βιομηχανία, επειδή εκεί κάθε γραμμάριο έχει σημασία. Τα κράματα αυτά βοηθούν τα αεροσκάφη να αυξήσουν τη χωρητικότητα του φορτίου τους και αποδοτικότητα καυσίμου. Είναι επίσης χρήσιμα για τις επιδόσεις και την εμβέλεια του αεροσκάφους.

Ιατρικός εξοπλισμός: Η αναλογία αντοχής προς βάρος της χύτευσης μαγνησίου είναι χρήσιμη στη βιομηχανία ιατρικού εξοπλισμού. Αυτά τα κράματα είναι πολύ ελαφριά. Αυτά δίνουν στους ασθενείς τη δύναμη και την ανθεκτικότητα που χρειάζονται σε αναπηρικές καρέκλες και πατερίτσες. 

Σύγκριση με τη χύτευση αλουμινίου

Τόσο το αλουμίνιο όσο και το μαγνήσιο χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή ελαφρών και πολύπλοκων εξαρτημάτων σε μεγάλες ποσότητες. Ωστόσο, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους πρέπει να γίνουν κατανοητά για να γίνει επιλογή μεταξύ τους.

Ομοιότητες

Ελαφρύ βάρος: Μαγνήσιο και αλουμίνιο είναι ελαφριά μέταλλα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η χύτευση υπό πίεση από αυτά τα δύο μέταλλα είναι μια καλή λύση για εφαρμογές μείωσης του βάρους.

Δύναμη και ελαφρότητα: Αυτό τις καθιστά κατάλληλες για την παραγωγή ισχυρών αλλά ελαφρών εξαρτημάτων.

Πολύπλοκα σχήματα που γίνονται εύκολα: Οι χυτεύσεις μαγνησίου και αλουμινίου μπορούν να δημιουργήσουν περίπλοκα, λεπτομερή σχέδια με εξαιρετική ακρίβεια διαστάσεων.

Διαφορές

Ο ελαφρύς ήρωας: Όσον αφορά την καθαρή ελαφρότητα, το μαγνήσιο δεν συγκρίνεται με κανένα άλλο υλικό. Με σημαντικές μειώσεις βάρους σε σχέση με το αλουμίνιο, γίνεται το ελαφρύτερο δομικό μέταλλο.

Υπεροχή θωράκισης: Για εξαρτήματα που πρέπει να προστατεύονται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα (Thai), το μαγνήσιο είναι το καλύτερο υλικό λόγω της εξαιρετικής ποιότητας θωράκισης έναντι ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) και παρεμβολών ραδιοσυχνοτήτων (RFI).

Αντοχή στη διάβρωση: Αλουμίνιο έχει συνήθως υψηλότερο βαθμό αντοχής στη διάβρωση από το μαγνήσιο. Ως εκ τούτου, καθίσταται η πιο προτιμώμενη εναλλακτική λύση για εφαρμογές που εκτίθενται σε καυστικές ουσίες ή σκληρά περιβάλλοντα.

Τελικά, η επιλογή μεταξύ χύτευσης μαγνησίου ή αλουμινίου εξαρτάται από τις συγκεκριμένες ανάγκες μιας εφαρμογής.

Συμπέρασμα

Η βιομηχανία χύτευσης μαγνησίου έχει λαμπρό μέλλον. Καθώς αναπτύσσονται συνεχώς νέα κράματα με μεγαλύτερες ιδιότητες, η τεχνολογία αυτή μπορεί να αλλάξει εντελώς τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε και κατασκευάζουμε εξαρτήματα υψηλής απόδοσης και ελαφρού βάρους για διάφορες εφαρμογές.