Zliatiny horčíka na tlakové liatie: Typy a vlastnosti

Najrozšírenejšie zliatiny horčíka na tlakové liatie sú AZ91D, AM60B a AM50A — každý ponúka zreteľnú rovnováhu pevnosti, ťažnosti a zlievateľnosti, ktorá vyhovuje rôznym technickým požiadavkám. AZ91D dominuje vo všeobecných aplikáciách s najlepšou kombináciou pevnosti a odolnosti proti korózii, zatiaľ čo AM60B a AM50A sú preferované tam, kde na absorpcii energie a predĺžení záleží viac ako na tvrdosti. Tlakové odliatky z horčíkovej zliatiny sú cenené v automobilovom, elektronickom a leteckom priemysle, pretože horčík je najľahší konštrukčný kov , približne o 33 % ľahší ako hliník a o 75 % ľahší ako oceľ, čo umožňuje výrazné zníženie hmotnosti bez obetovania štrukturálnej integrity.

Prečo sa horčík používa pri tlakovom liatí

Zliatiny horčíka sú jedinečne vhodné na vysokotlakové liatie (HPDC) z niekoľkých vzájomne prepojených dôvodov. Čistý horčík má hustotu len 1,74 g/cm³ — v porovnaní s 2,70 g/cm³ pre hliník a 7,87 g/cm³ pre oceľ — čo z neho robí ideálnu voľbu, keď je zníženie hmotnosti prioritou dizajnu.

Okrem hmotnosti ponúkajú zliatiny horčíka výhody spracovania, vďaka ktorým sú komerčne atraktívne:

• Vynikajúca tekutosť pri teplote odlievania: Zliatiny horčíka ľahko prúdia do tenkostenných častí tenkých ako 0,6–1,0 mm , ktorý umožňuje zložité časti v tvare siete v jednom zábere.
• Rýchle časy cyklov: Horčík rýchlo tuhne – časy cyklu sú zvyčajne o 25 – 50 % rýchlejšie než porovnateľné hliníkové tlakové odliatky, čím sa znižujú výrobné náklady na jeden diel.
• Nízky výhrevnosť taveniny: Nižšia tepelná hmotnosť znižuje tepelnú únavu matrice, čím predlžuje životnosť matrice až o 2–3× v porovnaní s hliníkom .
• Dobrá opracovateľnosť: Horčík patrí medzi najľahšie obrábateľné kovy s rýchlosťou rezania až 10× rýchlejšie ako oceľ a vyžadujúce menšie opotrebovanie nástroja.
• Vysoký pomer pevnosti a hmotnosti: Zliatiny horčíka dosahujú špecifické hodnoty pevnosti konkurencieschopné mnohým zliatinám hliníka a niektorým oceliam.

Vďaka týmto vlastnostiam sa tlakové odliatky z horčíkovej zliatiny stali štandardnými komponentmi v konštrukciách automobilových prístrojových panelov, konzolách stĺpika riadenia, rámoch sedadiel a krytoch spotrebnej elektroniky.

Najbežnejšie zliatiny horčíka na tlakové liatie

Zliatiny na tlakové liatie horčíka sú označené systémom písmen a číslic definovaným ASTM. Písmená označujú primárne a sekundárne legujúce prvky (A = hliník, Z = zinok, M = mangán, S = kremík, E = vzácne zeminy) a čísla označujú ich približné hmotnostné percentá.

AZ91D — Priemyselný pracant

AZ91D obsahuje pribl 9% hliníka a 1% zinku , s kontrolovaným obsahom mangánu pre odolnosť proti korózii. To zodpovedá zhruba 90 % všetkej výroby odliatku z horčíka globálne a je predvolenou voľbou, keď žiadna špeciálna funkčná požiadavka neuprednostňuje inú zliatinu.

AZ91D je uprednostňovaný, pretože ponúka najvyššiu medzu klzu a medzu pevnosti v ťahu v štandardnej rodine zliatin na tlakové liatie, dobrú zlievateľnosť a najlepšiu všeobecnú odolnosť proti korózii bežných zliatin Mg-Al vďaka prísne kontrolovaným limitom nečistôt železa, medi a niklu (každá pod 0,005 %).

AM60B — Húževnatosť a absorpcia energie

AM60B obsahuje 6% hliníka a 0,3% mangánu bez prídavku zinku. Zníženie hliníka z 9% na 6% mierne znižuje pevnosť, ale podstatne zvyšuje predĺženie - AM60B dosahuje 8% predĺženie v porovnaní s AZ91D 3 %. Vďaka tomu je preferovanou zliatinou pre komponenty kritické z hľadiska bezpečnosti automobilov, ako sú volanty, rámy sedadiel a vnútorné panely dverí, kde je konštrukčnou požiadavkou absorpcia energie nárazu.

AM50A — Maximálna ťažnosť

AM50A obsahuje 5 % hliníka a poskytuje najvyššie predĺženie ( až 10% ) štandardných zliatin na tlakové liatie za cenu nižšej pevnosti v ťahu. Používa sa v aplikáciách vyžadujúcich maximálnu deformáciu pred zlomením, ako sú priečne nosníky prístrojovej dosky a ochranné konštrukcie pri prevrátení v kabrioletoch.

AS41B a AE44 — Vysokoteplotné zliatiny

Štandardné zliatiny AZ a AM strácajú značnú odolnosť proti tečeniu 120 °C v dôsledku mäknutia Mg17Al12 intermetalickej fázy na hraniciach zŕn. Pre aplikácie hnacej sústavy, ako sú prevodové skrine, olejové vane a držiaky motora, sú potrebné zliatiny so zvýšenou teplotou:

• AS41B (4 % Al, 1 % Si): Prídavok kremíka vytvára tepelne stabilné precipitáty Mg2Si, ktoré zlepšujú odolnosť proti tečeniu až do 150 °C .
• AE44 (4 % Al, 4 % vzácnych zemín): Prísady vzácnych zemín (cér, lantán) výrazne zlepšujú pevnosť pri vysokých teplotách a odolnosť proti tečeniu až do 175 °C , ktorý sa používa v kolískach motorov a skriniach prevodoviek BMW a Porsche.

Porovnanie mechanických vlastností kľúčových zliatin na tlakové liatie

Nižšie uvedená tabuľka porovnáva kľúčové mechanické vlastnosti najdôležitejších zliatin horčíka na tlakové liatie podľa noriem ASTM a poskytuje základ pre výber zliatiny založený na údajoch:

Hlavné aplikácie tlakových odliatkov z horčíkovej zliatiny

Odliatky z horčíkovej zliatiny sa nachádzajú v širokej škále priemyselných odvetví, pričom automobilový priemysel predstavuje zhruba najväčší trh 70% celkovej spotreby .

automobilový priemysel

Každý ušetrený kilogram vo vozidle znižuje spotrebu paliva približne o 0,06-0,08 litra na 100 km počas životnosti vozidla. Medzi typické automobilové komponenty odlievané pod tlakom horčíka patria:

• Štruktúry prístrojovej dosky a priečne nosníky vozidla (AM60B, AM50A)
• Kotvy volantu a držiaky stĺpikov (AM60B)
• Prevodové skrine a skrine prevodovky (AZ91D, AE44)
• Rámy sedadiel a vnútorné panely dverí (AM60B)
• Držiaky motora a olejové vane vo vysokoteplotných zónach (AS41B, AE44)

Spotrebná elektronika

Elektronický priemysel vo veľkej miere používa AZ91D na kryty notebookov, telá fotoaparátov, štrukturálne rámy smartfónov a kryty tabletov. Poskytuje horčík vynikajúce tienenie EMI (elektromagnetické rušenie). — útlm až 90 dB pri frekvenciách od 30 MHz do 1 GHz — významná výhoda oproti plastovým krytom.

Letectvo a obrana

V letectve, kde záleží na každom grame, sa odliatky z horčíkovej zliatiny objavujú v krytoch prevodoviek helikoptér, rámoch sedadiel lietadiel a krytoch avioniky. Špecializované zliatiny s prísadami vzácnych zemín sa používajú tam, kde prevádzkové teploty presahujú 150 °C.

Elektrické náradie a športové vybavenie

Kryty elektrického náradia, telá reťazových píl a komponenty bicyklov ťažia z nízkej hmotnosti horčíka v kombinácii s dostatočnou tuhosťou. AZ91D je štandardná zliatina pre tieto aplikácie, ktorá poskytuje zníženie hmotnosti hotového dielu 30–35 % oproti porovnateľným hliníkovým odliatkom .

Proces tlakového liatia pre zliatiny horčíka

Odliatky z horčíkovej zliatiny sa vyrábajú pomocou dvoch hlavných variantov procesu, z ktorých každý má odlišné výhody:

Tlakové liatie v horúcej komore

Väčšina odlievania horčíka pod tlakom využíva proces horúcej komory (husí krk), pretože nízka rozpustnosť železa v horčíku umožňuje, aby bol vstrekovací systém ponorený do taveniny bez výraznej erózie. Kľúčové parametre odlievania horčíkovej horúcej komory zahŕňajú:

• Teplota topenia: 620–680 °C v závislosti od zliatiny
• Vstrekovací tlak: 35 až 105 MPa
• Teplota matrice: 180 až 260 °C
• Časová výhoda cyklu: O 40–60 % rýchlejšie ako odlievanie hliníka v studenej komore

Tlakové liatie v studenej komore

Odlievanie v studenej komore sa používa pre väčšie, ťažšie horčíkové diely, kde kapacita stroja s horúcou komorou nestačí. Roztavený kov sa pri každom cykle naleje do puzdra. Vstrekovacie tlaky sú vyššie ( 70-140 MPa ), produkujúce hustejšie odliatky s nižšou pórovitosťou – preferované pre konštrukčné automobilové aplikácie.

Ochrana taveniny počas spracovania

Roztavený horčík rýchlo oxiduje a môže sa vznietiť, ak je vystavený vzduchu alebo vlhkosti. Moderné zariadenia na tlakové liatie chránia povrch taveniny pomocou a krycia zmes plynov SF₆ a CO₂ alebo SO₂ alebo suchý vzduch s patentovanými inhibítormi. Koncentrácie SF₆ tak nízke ako 0,2 % objemu v krycom plyne sú dostatočné na potlačenie oxidácie. Táto bezpečnostná požiadavka zvyšuje zložitosť procesu, ale je dobre zavedená v komerčných prevádzkach.

Odolnosť proti korózii horčíkových tlakových odliatkov

Odolnosť proti korózii je najčastejšie uvádzaným obmedzením horčíkových zliatin. Nechránený horčík má štandardný elektródový potenciál -2,37 V , vďaka čomu je vysoko anodický a náchylný na galvanickú koróziu pri kontakte s väčšinou ostatných konštrukčných kovov.

Označenie moderných zliatin s vysokou čistotou (AZ91D, AM60B) však rieši primárny mechanizmus korózie. Výskum ukázal, že obmedzenie obsahu železa pod kritický pomer Fe/Mn ≤ 0,032 znižuje rýchlosť korózie o faktor 10–100× v porovnaní so staršími zliatinami nižšej čistoty. AZ91D v testovaní soľným postrekom (ASTM B117) teraz dosahuje rýchlosť korózie porovnateľnú s tlakovo odlievanou hliníkovou zliatinou 380.

Povrchové úpravy aplikované na horčíkové tlakové odliatky na ochranu proti korózii zahŕňajú:

• Mikrooblúková oxidácia (MAO / PEO): Vytvára tvrdú keramickú oxidovú vrstvu s hrúbkou 10–30 μm; poskytuje vynikajúcu odolnosť proti korózii a opotrebovaniu.
• Konverzné nátery bez obsahu chrómu: Základné nátery na báze fosforečnanu a manganistanu alebo titánu/zirkónu používané ako základ pre priľnavosť farieb v automobiloch.
• E-coat (elektronáter) vrchný náter: Štandardný proces lakovania automobilov; Komponenty AZ91D so správnou predúpravou dosiahnu 500 hodín v soľnom spreji ASTM B117.
• Polymérový práškový náter: Používa sa na kryty elektroniky a spotrebný tovar, kde sa vyžaduje estetika a odolnosť proti korózii.

Ako si vybrať správnu horčíkovú zliatinu pre váš projekt tlakového liatia

Výber zliatiny pre tlakové odliatky z horčíka by sa mal riadiť štruktúrovaným hodnotením funkčných požiadaviek. Použite nasledujúci rámec rozhodovania:

1. Definujte prevádzkovú teplotu: Ak je diel vystavený trvalým teplotám nad 120 °C (motorový priestor, prevodovka), štandardné zliatiny AZ/AM sú nevhodné – špecifikujte AS41B (do 150 °C) alebo AE44 (do 175 °C).
2. Určite primárnu mechanickú požiadavku: Ak je potrebná maximálna pevnosť a tvrdosť (puzdrá, konzoly, konštrukčné panely), vyberte si AZ91D. Ak sú ťažnosť a absorpcia energie nárazu kritické (bezpečnostné komponenty, konštrukcia sedadla), vyberte AM60B alebo AM50A.
3. Posúďte hrúbku steny a zložitosť geometrie: Veľmi tenké steny (menej ako 1,5 mm) a komplexné vtokové ventily ťažia z vynikajúcej tekutosti AZ91D. Zliatiny série AM sú o niečo menej tekuté a môžu vyžadovať prepracovanie brány pre zložité geometrie.
4. Vyhodnoťte korózne prostredie: V prípade vystavenia vonkajšiemu prostrediu alebo vysokej vlhkosti špecifikujte triedy vysokej čistoty ("D" v AZ91D a "B" v AM60B označujú verzie s vysokou čistotou) a od začiatku naplánujte vhodnú povrchovú úpravu.
5. Zvážte požiadavky na následné spracovanie: Ak bude súčiastka zváraná, zliatiny série AM sú zvariteľnejšie ako AZ91D vďaka nižšiemu obsahu zinku, ktorý znižuje tendenciu k praskaniu za tepla.

Pre väčšinu komerčných projektov tlakového liatia – kryty, konzoly, konštrukčné rámy – AZ91D zostáva predvoleným východiskovým bodom a mali by byť nahradené iba vtedy, keď špecifické testovanie alebo funkčná analýza preukáže jasnú výhodu prechodu na AM60B, AM50A alebo vysokoteplotnú zliatinu.