آلیاژهای منیزیم برای ریخته گری: انواع و خواص

پرمصرف ترین آلیاژهای منیزیم برای ریخته گری AZ91D، AM60B و AM50A هستند. - هر کدام تعادل مشخصی از استحکام، شکل‌پذیری و قابلیت ریخته‌گری را متناسب با نیازهای مهندسی مختلف ارائه می‌دهند. AZ91D بر کاربردهای همه منظوره با بهترین ترکیب استحکام و مقاومت در برابر خوردگی غالب است، در حالی که AM60B و AM50A در جایی که جذب انرژی و افزایش طول بیشتر از سختی اهمیت دارد ترجیح داده می شوند. ریخته گری آلیاژ منیزیم در بخش‌های خودرو، الکترونیک و هوافضا ارزش دارند زیرا منیزیم است سبک ترین فلز ساختاری تقریباً 33 درصد سبک‌تر از آلومینیوم و 75 درصد سبک‌تر از فولاد است که باعث صرفه‌جویی قابل‌توجه در وزن بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختاری می‌شود.

چرا از منیزیم در ریخته گری استفاده می شود؟

آلیاژهای منیزیم به دلایل متعدد به هم پیوسته برای ریخته گری فشار بالا (HPDC) به خوبی مناسب هستند. منیزیم خالص فقط چگالی دارد 1.74 گرم بر سانتی متر مکعب - در مقایسه با 2.70 گرم در سانتی‌متر مربع برای آلومینیوم و 7.87 گرم در سانتی‌متر مربع برای فولاد - آن را به گزینه‌ای تبدیل می‌کند که کاهش جرم در اولویت طراحی است.

فراتر از وزن، آلیاژهای منیزیم دارای مزایای پردازشی هستند که آنها را از نظر تجاری جذاب می کند:

• سیالیت عالی در دمای ریخته گری: آلیاژهای منیزیم به راحتی به بخش‌هایی با دیواره نازک جریان می‌یابند 0.6-1.0 میلی متر ، قطعات پیچیده و نزدیک به شبکه را در یک عکس فعال می کند.
• زمان چرخه سریع: منیزیم به سرعت جامد می شود - زمان چرخه به طور معمول است 25 تا 50 درصد سریعتر نسبت به قالب های آلومینیومی قابل مقایسه، هزینه تولید هر قطعه را کاهش می دهد.
• مقدار حرارت کم مذاب: جرم حرارتی کمتر خستگی حرارتی قالب را کاهش می دهد و عمر قالب را تا حداکثر افزایش می دهد 2-3× در مقایسه با آلومینیوم .
• ماشینکاری خوب: منیزیم یکی از آسان‌ترین فلزات برای ماشین‌کاری است، با سرعت برش تا 10× سریعتر نسبت به فولاد و نیاز به سایش ابزار کمتری دارد.
• نسبت استحکام به وزن بالا: آلیاژهای منیزیم به استحکام خاصی دست می یابند که با بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم و برخی فولادها قابل رقابت است.

این ویژگی‌ها باعث شده تا قالب‌های ریخته‌گری آلیاژ منیزیم به اجزای استاندارد در ساختار پانل ابزار خودرو، براکت‌های ستون فرمان، چارچوب صندلی‌ها و محفظه‌های لوازم الکترونیکی مصرفی تبدیل شوند.

رایج ترین آلیاژهای منیزیم برای ریخته گری

آلیاژهای ریخته گری منیزیم توسط یک سیستم حروف-اعداد تعریف شده توسط ASTM تعیین می شوند. حروف عناصر آلیاژی اولیه و ثانویه (A = آلومینیوم، Z = روی، M = منگنز، S = سیلیکون، E = خاک کمیاب) را نشان می دهد و اعداد نشان دهنده درصد وزنی تقریبی آنها هستند.

AZ91D - اسب کار صنعت

AZ91D تقریباً حاوی 9% آلومینیوم و 1% روی با محتوای منگنز کنترل شده برای مقاومت در برابر خوردگی. تقریباً به حساب می آید 90 درصد کل تولید ریخته گری منیزیم در سطح جهانی و زمانی که هیچ نیاز عملکردی خاصی به نفع آلیاژ دیگری نباشد، انتخاب پیش فرض است.

AZ91D مورد علاقه است زیرا بالاترین استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی را در خانواده آلیاژهای ریخته گری استاندارد، قابلیت ریخته گری خوب و بهترین مقاومت در برابر خوردگی عمومی آلیاژهای معمولی Mg-Al را به دلیل محدودیت های ناخالصی آهن، مس و نیکل به شدت کنترل شده (هر کدام زیر 0.005٪) ارائه می دهد.

AM60B - شکل پذیری و جذب انرژی

AM60B حاوی 6% آلومینیوم و 0.3% منگنز بدون افزودن روی کاهش آلومینیوم از 9% به 6% استحکام را اندکی کاهش می دهد، اما به طور قابل ملاحظه ای افزایش طول را افزایش می دهد - AM60B به دست می آورد. کشیدگی 8 درصد در مقایسه با AZ91D 3٪. این باعث می‌شود که آلیاژ ترجیحی برای اجزای حیاتی ایمنی خودرو مانند فرمان، چارچوب صندلی‌ها و پانل‌های داخلی درها باشد که جذب انرژی تصادف یک نیاز طراحی است.

AM50A - حداکثر شکل پذیری

AM50A حاوی 5 درصد آلومینیوم و بیشترین ازدیاد طول ( تا 10% ) از آلیاژهای ریخته گری استاندارد، به قیمت استحکام کششی کمتر. در کاربردهایی که نیاز به حداکثر تغییر شکل قبل از شکستگی دارند، مانند تیرهای متقاطع پانل ابزار و ساختارهای محافظ واژگونی در خودروهای کانورتیبل استفاده می شود.

AS41B و AE44 - آلیاژهای با دمای بالا

آلیاژهای استاندارد AZ و AM مقاومت خزشی قابل توجهی را در بالا از دست می دهند 120 درجه سانتی گراد به دلیل نرم شدن فاز بین فلزی Mg17Al12 در مرزهای دانه. برای کاربردهای پیشرانه مانند جعبه‌های انتقال، تابه‌های روغن و براکت‌های موتور، آلیاژهای با دمای بالا مورد نیاز هستند:

• AS41B (4٪ Al، 1٪ Si): افزودن سیلیکون رسوبات Mg2Si از نظر حرارتی پایدار را تشکیل می دهد و مقاومت خزشی را تا حد بهبود می بخشد. 150 درجه سانتی گراد .
• AE44 (4٪ Al، 4٪ خاک کمیاب): افزودنی های خاکی کمیاب (سریم، لانتانیم) به طور چشمگیری استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش را تا 175 درجه سانتی گراد ، در پایه موتورهای BMW و پورشه و بدنه جعبه دنده استفاده می شود.

مقایسه خواص مکانیکی آلیاژهای ریخته گری کلیدی

جدول زیر خواص مکانیکی کلیدی مهم ترین آلیاژهای ریخته گری منیزیم تحت استانداردهای ASTM را مقایسه می کند و مبنایی مبتنی بر داده برای انتخاب آلیاژ ارائه می دهد:

کاربردهای عمده ریخته گری آلیاژ منیزیم

ریخته گری آلیاژ منیزیم در طیف وسیعی از صنایع یافت می شود که خودروسازی تقریباً بزرگترین بازار را به خود اختصاص می دهد. 70 درصد کل مصرف .

صنعت خودرو

هر کیلوگرم صرفه جویی در یک وسیله نقلیه، مصرف سوخت را تقریباً کاهش می دهد 0.06-0.08 لیتر در 100 کیلومتر در طول عمر وسیله نقلیه اجزای معمولی ماشین ریخته گری منیزیم عبارتند از:

• سازه های پانل ابزار و تیرهای متقاطع (AM60B, AM50A)
• آرمیچر فرمان و براکت ستون (AM60B)
• جعبه گیربکس و محفظه جعبه انتقال (AZ91D، AE44)
• چارچوب صندلی و پانل های داخلی درها (AM60B)
• براکت های موتور و ماهیتابه های روغن در مناطق با دمای بالا (AS41B، AE44)

لوازم الکترونیکی مصرفی

صنعت الکترونیک از AZ91D به طور گسترده برای بدنه لپ‌تاپ، بدنه دوربین، قاب‌های ساختاری گوشی‌های هوشمند و پوسته تبلت استفاده می‌کند. منیزیم فراهم می کند محافظت عالی EMI (تداخل الکترومغناطیسی). - تضعیف تا 90 دسی بل در فرکانس های 30 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز - یک مزیت قابل توجه نسبت به محفظه های پلاستیکی.

هوافضا و دفاع

در هوافضا، جایی که هر گرم مهم است، قالب‌های ریخته‌گری آلیاژ منیزیم در محفظه‌های گیربکس هلیکوپتر، قاب صندلی‌های هواپیما، و محفظه‌های اویونیک ظاهر می‌شوند. آلیاژهای تخصصی با افزودنی های خاکی کمیاب در جایی که دمای عملیاتی بیش از 150 درجه سانتیگراد باشد استفاده می شود.

ابزارهای برقی و تجهیزات ورزشی

محفظه ابزار برقی، بدنه اره برقی و اجزای دوچرخه از وزن سبک منیزیم همراه با استحکام کافی بهره می برند. AZ91D آلیاژ استاندارد برای این کاربردها است که باعث کاهش وزن قطعه نهایی می شود 30-35٪ در مقابل ریخته گری آلومینیوم قابل مقایسه است .

فرآیند ریخته گری قالب برای آلیاژهای منیزیم

ریخته گری آلیاژ منیزیم با استفاده از دو نوع فرآیند اصلی تولید می شود که هر کدام دارای مزایای متمایز هستند:

ریخته گری اتاق داغ

بیشتر قالب‌های ریخته‌گری منیزیم از فرآیند محفظه داغ (گردن غاز) استفاده می‌کنند، زیرا حلالیت کم منیزیم در آهن اجازه می‌دهد تا سیستم تزریق بدون فرسایش قابل توجه در مذاب غوطه‌ور شود. پارامترهای کلیدی برای ریخته گری محفظه گرم منیزیم عبارتند از:

• دمای ذوب: 620-680 درجه سانتیگراد بسته به آلیاژ
• فشار تزریق: 35-105 مگاپاسکال
• دمای قالب: 180-260 درجه سانتیگراد
• مزیت زمان چرخه: 40-60٪ سریعتر از ریخته گری آلومینیوم اتاق سرد

ریخته گری اتاق سرد

ریخته گری محفظه سرد برای قطعات منیزیمی بزرگتر و سنگین تر که ظرفیت دستگاه اتاق گرم کافی نیست استفاده می شود. فلز مذاب برای هر چرخه در آستین گلوله ریخته می شود. فشار تزریق بیشتر است ( 70-140 مگاپاسکال ، تولید ریخته گری متراکم تر با تخلخل کمتر - برای کاربردهای ساختاری خودرو ترجیح داده می شود.

حفاظت از ذوب در طول پردازش

منیزیم مذاب به سرعت اکسید می شود و در صورت قرار گرفتن در معرض هوا یا رطوبت می تواند مشتعل شود. تجهیزات ریخته گری مدرن از سطح مذاب با استفاده از a پوشش مخلوط گاز SF6 و CO2 یا SO2 ، یا هوای خشک با بازدارنده های اختصاصی. غلظت SF6 به عنوان کم است 0.2 درصد حجمی در پوشش گاز برای سرکوب اکسیداسیون کافی است. این الزام ایمنی به پیچیدگی فرآیند می افزاید اما در عملیات تجاری به خوبی تثبیت شده است.

مقاومت در برابر خوردگی قالب های منیزیمی

مقاومت در برابر خوردگی رایج ترین محدودیت آلیاژهای منیزیم است. منیزیم محافظت نشده دارای پتانسیل الکترودی استاندارد است -2.37 V در تماس با سایر فلزات ساختاری، آن را بسیار آندی و حساس به خوردگی گالوانیکی می کند.

با این حال، نامگذاری آلیاژهای مدرن با خلوص بالا (AZ91D، AM60B) به مکانیسم خوردگی اولیه می‌پردازد. تحقیقات نشان داد که محدود کردن محتوای آهن زیر نسبت بحرانی Fe/Mn ≤ 0.032 نرخ خوردگی را یک ضریب کاهش می دهد 10-100× در مقایسه با آلیاژهای قدیمی با خلوص پایین تر. AZ91D در آزمایش اسپری نمک (ASTM B117) اکنون به نرخ خوردگی قابل مقایسه با آلیاژ آلومینیوم ریخته گری 380 دست می یابد.

عملیات سطحی اعمال شده در قالب های ریخته گری منیزیم برای محافظت در برابر خوردگی عبارتند از:

• اکسیداسیون میکرو قوس (MAO / PEO): یک لایه اکسید سرامیکی سخت به ضخامت 10-30 میکرومتر ایجاد می کند. مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی و سایش ایجاد می کند.
• پوشش های تبدیل بدون کروم: پرایمرهای مبتنی بر فسفات-پرمنگنات یا تیتانیوم/زیرکونیوم به عنوان پایه چسبندگی رنگ در کاربردهای خودرو استفاده می شود.
• روکش E-coat (Electrocoating): فرآیند استاندارد رنگ آمیزی خودرو؛ اجزای AZ91D با پیش تصفیه مناسب به دست می آورند 500 ساعت در نمک پاش ASTM B117.
• پوشش پودری پلیمری: برای محفظه های الکترونیکی و کالاهای مصرفی استفاده می شود که زیبایی و مقاومت در برابر خوردگی هر دو مورد نیاز است.

چگونه آلیاژ منیزیم مناسب را برای پروژه ریخته گری خود انتخاب کنید

انتخاب آلیاژ برای ریخته‌گری‌های منیزیمی باید با ارزیابی ساختاری نیازهای عملکردی انجام شود. از چارچوب تصمیم گیری زیر استفاده کنید:

1. دمای عملیاتی را تعریف کنید: اگر قطعه دمای پایدار بالای 120 درجه سانتیگراد را ببیند (جایگاه موتور، گیربکس)، آلیاژهای استاندارد AZ/AM نامناسب هستند - AS41B (تا 150 درجه سانتیگراد) یا AE44 (تا 175 درجه سانتیگراد) را مشخص کنید.
2. نیاز مکانیکی اولیه را تعیین کنید: اگر حداکثر استحکام و سختی مورد نیاز است (محفظه ها، براکت ها، پانل های ساختاری)، AZ91D را انتخاب کنید. اگر شکل پذیری و جذب انرژی تصادف بسیار مهم هستند (قطعات ایمنی، ساختار صندلی)، AM60B یا AM50A را انتخاب کنید.
3. ضخامت دیوار و پیچیدگی هندسی را ارزیابی کنید: دیوارهای بسیار نازک (زیر 1.5 میلی متر) و دروازه های پیچیده از سیالیت برتر AZ91D بهره می برند. آلیاژهای سری AM کمی سیال کمتری دارند و ممکن است برای هندسه های پیچیده نیاز به طراحی مجدد دروازه داشته باشند.
4. ارزیابی محیط خوردگی: برای قرار گرفتن در معرض هوای آزاد یا رطوبت بالا، درجه های خلوص بالا را مشخص کنید ("D" در AZ91D و "B" در AM60B نشان دهنده نسخه های با خلوص بالا است) و از همان ابتدا برای درمان سطح مناسب برنامه ریزی کنید.
5. الزامات پس از پردازش را در نظر بگیرید: اگر قطعه جوش داده شود، آلیاژهای سری AM به دلیل محتوای روی پایین تر از AZ91D جوش پذیرتر هستند که باعث کاهش تمایل به ترک داغ می شود.

برای اکثر پروژه های ریخته گری تجاری - محفظه ها، براکت ها، قاب های سازه ای - AZ91D نقطه شروع پیش فرض باقی می ماند و تنها زمانی باید جایگزین شود که آزمایش خاص یا آنالیز عملکردی مزیت واضحی را در تغییر به AM60B، AM50A یا آلیاژی با دمای بالا نشان دهد.