Magnesium ist eines der leichtesten Konstruktionsmetalle, die im modernen Ingenieurwesen zum Einsatz kommen. Seine geringe Dichte, seine hohe spezifische Festigkeit, seine hervorragende Schwingungsdämpfung, seine gute Wärmeleitfähigkeit und seine gute Bearbeitbarkeit machen es attraktiv für Anwendungen, bei denen Gewichtsreduzierung ebenso wichtig ist wie die Aufrechterhaltung der mechanischen Leistungsfähigkeit.
Reines Magnesium weist für anspruchsvolle konstruktive Anwendungen eine relativ begrenzte Festigkeit und Härte auf, weshalb in den meisten technischen Produkten Magnesiumlegierungen anstelle von reinem Magnesium zum Einsatz kommen. Durch die Zugabe von Elementen wie Aluminium, Zink, Mangan, Zirkonium, Lithium und Seltenen Erden können Ingenieure Magnesiumlegierungen so anpassen, dass sie eine höhere Festigkeit, verbesserte Duktilität, bessere Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen.
Heutzutage kommen Magnesiumlegierungen in Automobilkomponenten, Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrttechnik, Robotik, Fahrrädern und Motorrädern, Industriemaschinen sowie in ausgewählten medizinischen Anwendungen zum Einsatz. Sie lassen sich gießen, schmieden, strangpressen, umformen und CNC-bearbeiten, um leichte Bauteile herzustellen, die von dünnen Elektronikgehäusen bis hin zu präzisen mechanischen Teilen reichen.
In diesem Leitfaden wird erläutert, was Magnesium ist, wie Magnesiumlegierungen entstanden sind, welche wesentlichen Eigenschaften sie aufweisen, welche gängigen Legierungssysteme es gibt, welche Vorteile und Einschränkungen sie haben, wo sie zum Einsatz kommen, welche Herstellungsverfahren es gibt und was bei der Bearbeitung von Magnesium zu beachten ist.
Was ist Magnesium und wozu wird es verwendet?
Was ist Magnesium?
Magnesium ist ein leichtes metallisches Element mit dem chemischen Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Mit einer Dichte von etwa 1,74 g/cm³ ist es deutlich leichter als Aluminium, Titan und Stahl und zählt damit zu den wichtigsten Metallen für gewichtskritische technische Anwendungen.
Magnesium weist bei Raumtemperatur eine hexagonal dicht gepackte Kristallstruktur auf und verfügt im Vergleich zu vielen herkömmlichen Konstruktionsmetallen über eine relativ geringe absolute Festigkeit. Sein technischer Wert liegt daher weniger in einer außergewöhnlichen Festigkeit an sich als vielmehr in der Kombination aus geringer Dichte, nützlichen mechanischen Eigenschaften, guter Bearbeitbarkeit, Schwingungsdämpfung, thermischen Eigenschaften und elektromagnetischer Abschirmung.
Handelsübliches Magnesium wird selten als reines Magnesium für Bauteile verwendet. Stattdessen werden Legierungselemente beigemischt, um seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu verändern. Die so entstehenden Magnesiumlegierungen können für sehr unterschiedliche Anforderungen ausgelegt werden – von leicht zu bearbeitenden Leichtbaukomponenten bis hin zu hochfesten Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, die bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden können.
Magnesium kann auf verschiedene Weise verarbeitet werden, darunter Gießen, Strangpressen, Walzen, Schmieden, Blechumformung und CNC-Bearbeitung. Das geeignete Verfahren hängt von der Legierung, der Bauteilgeometrie, den erforderlichen mechanischen Eigenschaften, dem Produktionsvolumen und den Maßanforderungen ab.
Reines Magnesium im Vergleich zu Magnesiumlegierungen
Reines Magnesium ist leicht und relativ einfach zu bearbeiten, doch seine mechanischen Eigenschaften reichen für die meisten anspruchsvollen Konstruktionsanwendungen in der Regel nicht aus. Durch Legieren lässt sich seine Eignung als Konstruktionswerkstoff erheblich verbessern.
Elemente wie Aluminium und Zink können die Festigkeit und Härte erhöhen, während Mangan das Korrosionsverhalten verbessern kann. Zirkonium wird in einigen hochfesten Knetlegierungen zur Verfeinerung der Kornstruktur eingesetzt, während Seltenerdelemente die Hochtemperaturfestigkeit und die Kriechfestigkeit verbessern können. Lithium kann die Dichte noch weiter verringern.
Dies erklärt, warum Magnesiumlegierungen im Allgemeinen härter und fester sind als reines Magnesium. Durch die Legierung verändert sich die Mikrostruktur von Magnesium, wodurch Mechanismen wie Festlösungsverfestigung, Ausscheidungsverfestigung, Kornverfeinerung oder andere Verfestigungsmechanismen entstehen können. Verarbeitungsbedingungen wie Strangpressen, Schmieden, Walzen und Wärmebehandlung können die endgültigen Eigenschaften zusätzlich beeinflussen.
Der Unterschied lässt sich wie folgt zusammenfassen:
| Material | Allgemeine Merkmale |
|---|---|
| Reines Magnesium | Extrem leicht, relativ weich, begrenzte Festigkeit |
| Magnesiumlegierungen | Höhere Festigkeit und Härte bei anwendungsspezifischen mechanischen Eigenschaften |
| Hochleistungs-Magnesiumlegierungen | Verbesserte Festigkeit, Kriechfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Temperaturbeständigkeit |
Die spezifischen Eigenschaften einer Magnesiumlegierung hängen stark von ihrer Zusammensetzung und den Verarbeitungsbedingungen ab. Aus diesem Grund sollten AZ31B, AZ61A, AZ91D, AM60B, ZK60 und WE43 nicht als austauschbare Werkstoffe betrachtet werden, auch wenn sie alle zur Familie der Magnesiumlegierungen gehören.
Warum sind Magnesiumlegierungen für den Leichtbau wichtig?
Der Hauptgrund, warum Ingenieure Magnesiumlegierungen wählen, ist einfach: Sie ermöglichen eine Gewichtsreduzierung der Bauteile, ohne dass eine vollständige Änderung der Bauteilkonstruktion erforderlich ist.
Die Dichte von Magnesium beträgt nur etwa ein Viertel derjenigen von Stahl und ist geringer als die von Aluminium. Wenn ein Bauteil so neu konstruiert werden kann, dass dieser Dichteunterschied genutzt wird, kann die daraus resultierende Gewichtsreduzierung erheblich sein.
Leichte Magnesiumbauteile bieten eine Reihe von technischen Vorteilen:
- Geringeres Fahrzeuggewicht: Ein geringeres Bauteilgewicht kann zu einer verbesserten Kraftstoffeffizienz und einer größeren Reichweite von Elektrofahrzeugen beitragen.
- Geringere Bewegungsträgheit: Leichte Roboterarme, Gelenke, Motorgehäuse und andere bewegliche Komponenten benötigen weniger Energie zum Beschleunigen und Abbremsen.
- Verbesserte Tragbarkeit: Laptops, Kameras, Elektrowerkzeuge und tragbare Geräte können leichter werden, ohne dabei vollständig auf Kunststoffe angewiesen zu sein.
- Höhere Nutzlast-Effizienz: Gewichtseinsparungen bei Flugzeugen, Drohnen und anderen Luftfahrtsystemen lassen sich in zusätzliche Nutzlast oder Flugdauer umwandeln.
- Geringere Vibrationen: Die hohe Dämpfungswirkung von Magnesium kann dazu beitragen, mechanische Schwingungen und Geräusche zu reduzieren.
- Kompakte, leichte Konstruktionen: Dank der guten Gießbarkeit und Bearbeitbarkeit können Ingenieure bestimmte Merkmale in leichte Gehäuse und Halterungen integrieren.
Der entscheidende Vorteil besteht daher nicht einfach darin, dass Magnesium "leicht" ist. Vielmehr lässt sich die geringe Dichte mit nützlichen mechanischen Eigenschaften und einer Vielzahl von Fertigungsverfahren kombinieren. Diese Kombination macht Magnesium besonders attraktiv für Bauteile, bei denen jedes Gramm zählt.
Entwicklung von Magnesiumlegierungen
Die Entwicklung von Magnesiumlegierungen wurde maßgeblich durch die Notwendigkeit vorangetrieben, die Einschränkungen von reinem Magnesium zu überwinden und gleichzeitig dessen außergewöhnliche Leichtbaueigenschaften zu bewahren.
Frühe Anwendungen konzentrierten sich in erster Linie auf die Gewichtsreduzierung. Als die technischen Anforderungen immer höher wurden, verlagerte sich der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Legierungen auf die Verbesserung von Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Zerspanbarkeit und Hochtemperaturverhalten.
Die frühen Entwicklungen bei Magnesiumlegierungen
Die industrielle Entwicklung von Magnesium gewann zu Beginn des 20. Jahrhunderts an Fahrt, als Ingenieure begannen, sein Potenzial als ultraleichtes Konstruktionsmetall zu erforschen.
Die frühen Anwendungsmöglichkeiten von Magnesium waren durch die relativ geringe Festigkeit, die Korrosionsanfälligkeit sowie durch Herausforderungen bei der Verarbeitung und Verbindung eingeschränkt. Dennoch machte die außergewöhnlich geringe Dichte des Werkstoffs ihn attraktiv für Flugzeugbauteile, Transportmittel und andere Anwendungen, bei denen eine Gewichtsreduzierung einen wesentlichen Leistungsvorteil bot.
Mit der Weiterentwicklung der Produktions- und Legierungstechnologien fand Magnesium zunehmend auch außerhalb von Spezialanwendungen Anwendung. Forscher stellten fest, dass bereits relativ geringe Zusätze von Legierungselementen das mechanische Verhalten von Magnesium erheblich verändern konnten.
Aluminium, Zink, Mangan und andere Elemente gewannen besonders an Bedeutung, da sie die Festigkeit, Härte, Duktilität, das Korrosionsverhalten und die Gießbarkeit verbessern konnten, während gleichzeitig ein Großteil des Gewichtsvorteils von Magnesium erhalten blieb.
In dieser Zeit wurde der Grundstein für die heute verwendeten Magnesiumlegierungsfamilien AZ, AM und andere gelegt.
Entwicklung kommerzieller Magnesiumlegierungen
Kommerzielle Magnesiumlegierungen, die auf der Grundlage verschiedener Kombinationen von Legierungselementen und Herstellungsverfahren entwickelt wurden.
Die Mg-Al-Zn (AZ)-Familie hat sich zu einer der am häufigsten verwendeten Gruppen entwickelt, da sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Bearbeitbarkeit, Kosten und Herstellbarkeit bietet. Legierungen wie AZ31B, AZ61A und AZ91D sind mittlerweile gängige Wahlmöglichkeiten für leichte Strukturbauteile, Gehäuse, Automobilkomponenten und elektronische Geräte.
Bei der Entwicklung der Mg-Al-Mn-Legierungsfamilie (AM) wurde besonderer Wert auf Duktilität und Schlagzähigkeit gelegt. So haben sich beispielsweise AM50A und AM60B als wichtige Werkstoffe für Automobilbauteile etabliert, bei denen Zähigkeit und Verformungsverhalten entscheidende Rolle spielen.
Für speziellere Anforderungen wurden weitere Legierungssysteme entwickelt:
- Mg-Al-Si (AS): Verbesserte Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.
- Mg-Al-Seltenerdmetalle (AE): Bessere Festigkeit bei hohen Temperaturen und besseres Kriechverhalten.
- Mg-Zn-Zr (ZK): Hohe Festigkeit, insbesondere bei Schmiedeteilen.
- Mg-Seltenerdmetalle-Y (WE): Hochleistungseigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen.
- Mg-Li (LZ): Extrem geringe Dichte für Anwendungen, bei denen eine maximale Gewichtsreduzierung im Vordergrund steht.
- Mg-Mn (MB): Verbesserte Korrosionsbeständigkeit für ausgewählte Anwendungsbereiche.
Parallel zur Entwicklung der Legierungen schritt auch die Fertigungstechnik voran. Der Druckguss ermöglichte die wirtschaftliche Herstellung komplexer Magnesiumgehäuse und Automobilkomponenten, während durch Strangpressen, Walzen und Schmieden leistungsstärkere Formteile hergestellt werden konnten.
Infolgedessen entwickelten sich Magnesiumlegierungen von einem relativ nischenorientierten Leichtbaumaterial zu einer breiter gefassten Familie von Konstruktionswerkstoffen mit Eigenschaften, die auf unterschiedliche Anwendungsbereiche zugeschnitten sind.
Entwicklungen im Bereich hochleistungsfähiger Magnesiumlegierungen
Bei der Entwicklung moderner Magnesiumlegierungen liegt der Schwerpunkt darauf, die Einschränkungen zu beseitigen, die in der Vergangenheit eine breitere Anwendung verhindert haben.
Ein wichtiges Ziel ist eine höhere Festigkeit, ohne die Dichte wesentlich zu erhöhen. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kommen Legierungsgestaltung, Kornverfeinerung, Ausscheidungshärtung und fortschrittliche thermomechanische Verfahren zum Einsatz.
Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt ist die Hochtemperaturstabilität. Bei herkömmlichen Magnesiumlegierungen können sich Festigkeit und Kriechfestigkeit mit steigender Temperatur verringern, was ihren Einsatz in der Nähe von Motoren und in anderen heißen Umgebungen einschränkt. Seltenerdhaltige Werkstoffe wie WE43, WE54, AE42 und AE44 wurden entwickelt, um eine verbesserte Hochtemperaturleistung zu erzielen.
Auch die Korrosionsbeständigkeit ist zu einem wichtigen Entwicklungsziel geworden. Moderne Legierungskonzepte, umweltfreundlichere Materialverarbeitung, verbesserte Oberflächenbehandlungen und Schutzbeschichtungen tragen dazu bei, die bei früheren Magnesiumprodukten auftretenden Korrosionsprobleme zu verringern.
Gleichzeitig arbeiten die Hersteller daran, folgende Aspekte zu verbessern:
- Spezifische Festigkeit
- Duktilität
- Kriechfestigkeit
- Ermüdungsverhalten
- Korrosionsbeständigkeit
- Hochtemperaturbeständigkeit
- Gießbarkeit
- Bearbeitbarkeit
- Recyclingfähigkeit
Die Entwicklungsrichtung lautet daher nicht mehr einfach nur "Magnesium widerstandsfähiger machen". Stattdessen werden moderne Magnesiumlegierungen auf spezifische Leistungsanforderungen hin entwickelt, sodass verschiedene Legierungsfamilien in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Robotik und anderen hochmodernen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen können.
Wesentliche Eigenschaften von Magnesiumlegierungen
Magnesiumlegierungen weisen kein einheitliches Eigenschaftsprofil auf. Ihre Leistungsmerkmale variieren erheblich je nach Legierungszusammensetzung, Herstellungsverfahren, Zustand, Wärmebehandlung und Produktform.
Dennoch lassen sich anhand mehrerer Eigenschaften durchweg erklären, warum Magnesium für den Leichtbau nach wie vor von Bedeutung ist.
Geringe Dichte und hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht
Die geringe Dichte ist der entscheidende physikalische Vorteil von Magnesium.
Typische Magnesiumlegierungen weisen eine Dichte von etwa 1,7–1,9 g/cm³ auf, verglichen mit etwa 2,7 g/cm³ bei Aluminium, 4,5 g/cm³ bei Titan und rund 7,8 g/cm³ bei Stahl.
Dieser Dichteunterschied kann zu erheblichen Gewichtsersparnissen führen, wenn Magnesium in entsprechend konstruierten Bauteilen schwerere Werkstoffe ersetzt.
Dieser Vorteil kommt besonders zum Tragen bei:
- Kfz-Bauteile
- Elektrofahrzeugsysteme
- Flugzeugausrüstung
- Drohnen
- Robotik
- Tragbare Elektronikgeräte
- Elektrowerkzeuge
- Fahrräder und Motorräder
Die Materialauswahl sollte sich jedoch nicht allein auf die Dichte stützen. Ingenieure müssen auch Festigkeit, Steifigkeit, Temperatur, Korrosion, Ermüdung, Fügeverfahren, Fertigungsprozess und Kosten berücksichtigen.
Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Magnesium weist unter den Konstruktionsmetallen nicht unbedingt die höchste absolute Zugfestigkeit auf. Sein Vorteil liegt im Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und Materialdichte.
Dies wird als spezifische Festigkeit oder Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bezeichnet.
Bei gewichtssensiblen Konstruktionen kann ein Bauteil aus Magnesium potenziell eine nützliche mechanische Leistungsfähigkeit bei einer deutlich geringeren Masse als ein vergleichbares Stahlbauteil bieten.
Die tatsächliche Festigkeit hängt stark von der Legierung und dem Zustand ab. So können beispielsweise eine herkömmliche Legierung der AZ-Serie und eine seltenerdhaltige Legierung der WE-Serie ein sehr unterschiedliches mechanisches Verhalten aufweisen.
Aus diesem Grund sollte sich die Auswahl von Magnesium eher an der anwendungsspezifischen Leistungsfähigkeit orientieren als an einem allgemeinen Wert für die "Magnesiumfestigkeit".
In der Luft- und Raumfahrt, der Robotik, der Automobilindustrie und bei anderen Leichtbausystemen kann die Reduzierung der Bauteilmasse zudem sekundäre Vorteile mit sich bringen. Eine geringere Masse kann die Trägheit verringern, die Beschleunigung verbessern, den Energieverbrauch senken oder die Nutzlast an anderer Stelle im System erhöhen.
Steifigkeit und Härte
Steifigkeit und Härte beschreiben unterschiedliche Eigenschaften und sollten nicht miteinander verwechselt werden.
Die Steifigkeit beschreibt den Widerstand eines Werkstoffs gegen elastische Verformung und steht in engem Zusammenhang mit seinem Elastizitätsmodul. Magnesium weist einen geringeren Elastizitätsmodul auf als Stahl und Titan, weshalb ein Magnesiumbauteil unter Umständen eine geeignete Geometrie, Versteifungsrippen, Wandstärken oder strukturelle Verstärkungen erfordern kann, um die gewünschte Steifigkeit zu erreichen.
Die Härte hingegen beschreibt die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Verformung, Eindrückung oder Verschleiß. Magnesiumlegierungen sind im Allgemeinen härter als reines Magnesium, doch die Härte variiert erheblich je nach Legierungssorte und Verarbeitungsbedingungen.
Legierungselemente und mikrostrukturelle Veränderungen können die Härte erhöhen, während sie durch Wärmebehandlung und Fertigungsverfahren weiter verändert werden kann.
Aus diesem Grund gibt es auf Fragen wie "Wie hart ist eine Magnesiumlegierung?" keine allgemeingültige Antwort. AZ31B, AZ61A, AZ91D, AM60B und WE43 weisen unterschiedliche Härtebereiche auf und sollten entsprechend den geforderten mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden.
Bei der Konstruktion von Bauteilen sollten Ingenieure daher Härte, Festigkeit, Steifigkeit, Ermüdungsverhalten und Geometrie gemeinsam bewerten, anstatt die Härte allein als Indikator für die Gesamtleistung der Konstruktion heranzuziehen.
Hervorragende Schwingungsdämpfung
Magnesium weist deutlich bessere Schwingungsdämpfungseigenschaften auf als viele herkömmliche Konstruktionsmetalle.
Wenn eine mechanische Konstruktion schwingt, kann ein Teil der Schwingungsenergie im Material abgebaut werden. Aufgrund seines Dämpfungsverhaltens eignet sich Magnesium besonders für Bauteile, bei denen die Schwingungs- und Geräuschdämpfung eine wichtige Rolle spielt.
Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll für:
- Motorgehäuse
- Getriebegehäuse
- Fahrzeugstrukturen
- Maschinenkomponenten
- Kameragehäuse
- Präzisionsgeräte
- Robotikkomponenten
So kann beispielsweise ein Getriebegehäuse aus Magnesium nicht nur zu einer Gewichtsreduzierung beitragen, sondern auch dazu, die Übertragung von Schwingungen über die mechanische Struktur zu verringern.
Diese Kombination aus geringer Dichte und Schwingungsdämpfung ist ein Grund dafür, dass Magnesium für Anwendungen im Transportwesen und in der Feinmechanik nach wie vor attraktiv ist.
Wärmeleitfähigkeit
Magnesiumlegierungen weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch sie Wärme effektiver von Bauteilen ableiten können als viele Materialien auf Polymerbasis.
Dies macht Magnesium zu einem attraktiven Werkstoff für Produkte, bei denen Gewicht, strukturelle Steifigkeit und Wärmemanagement gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Laptop-Gehäuse
- Kameragehäuse
- Aufbauten für elektronische Geräte
- Motorgehäuse
- Wärmeableitende mechanische Komponenten
- Tragbare Industriegeräte
Magnesium ist nicht automatisch für jede Anwendung das beste Material für das Wärmemanagement. Aluminium weist im Allgemeinen eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf und kann vorzuziehen sein, wenn eine maximale Wärmeübertragung die wichtigste Anforderung ist.
Der Vorteil von Magnesium liegt darin, dass es eine angemessene thermische Leistung mit einer sehr geringen Dichte und hoher struktureller Steifigkeit verbindet.
Elektromagnetische Abschirmung
Magnesiumlegierungen sind elektrisch leitfähig und können daher als elektromagnetische Abschirmung für empfindliche elektronische Bauteile dienen.
Ein fachgerecht konstruiertes Magnesiumgehäuse kann dazu beitragen, das Eindringen äußerer elektromagnetischer Störungen zu verringern und unerwünschte elektromagnetische Emissionen der internen Elektronik zu begrenzen.
Diese Eigenschaft ist besonders nützlich bei:
- Laptop-Gehäuse
- Smartphone-Rahmen
- Kameragehäuse
- Kommunikationsgeräte
- Gehäuse für elektronische Geräte
- Industrielle elektronische Geräte
Die Kombination aus Leichtbauweise, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektromagnetischer Abschirmung macht Magnesium besonders attraktiv für Elektronikgehäuse, bei denen Kunststoffe möglicherweise nicht dieselbe Kombination von Eigenschaften bieten.
Bearbeitbarkeit
Magnesiumlegierungen lassen sich im Allgemeinen gut bearbeiten, und viele Sorten können mit herkömmlichen Zerspanungsmaschinen effizient verarbeitet werden.
Aufgrund ihrer relativ geringen Härte und der geringen Schnittkräfte kann die Bearbeitung einfacher sein als bei vielen härteren Konstruktionsmetallen. Mit sorgfältig ausgewählten Werkzeugen und geeigneten Schnittparametern lassen sich präzise Magnesiumbauteile mit guter Oberflächenqualität herstellen.
Eine gute Zerspanbarkeit bedeutet jedoch nicht, dass Magnesium ohne besondere Vorkehrungen bearbeitet werden kann.
Die größte Herausforderung ist das Wärme- und Spänemanagement. Feine Magnesiumspäne und -staub können eine Brandgefahr darstellen, wenn die Bearbeitungsbedingungen nicht ausreichend kontrolliert werden. Übermäßige Wärmeentwicklung, ungeeignete Werkzeuge, angesammelte Späne oder unzureichende Reinigungsmaßnahmen können das Risiko erhöhen.
Bei der Bearbeitung von Magnesiumlegierungen müssen Hersteller daher Folgendes berücksichtigen:
- Geeignete Schnittparameter
- Werkzeuggeometrie und Schärfe
- Wärmeerzeugung
- Chip-Entnahme
- Werkstückspannung
- Staub- und Späneentsorgung
- Brandschutz
- Maßkontrolle
Die Bearbeitbarkeit von Magnesium variiert zudem je nach Legierungssorte und Produktzustand. Ein Werkstoff, der aufgrund seiner hohen Festigkeit oder seiner Hochtemperatureigenschaften ausgewählt wurde, kann sich bei der CNC-Bearbeitung anders verhalten als eine herkömmlichere Legierung der AZ-Serie.
Für Präzisionsanwendungen können durch die CNC-Bearbeitung von Magnesium komplexe Gehäuse, Halterungen, Strukturbauteile und andere maßgefertigte Magnesiumteile hergestellt werden, vorausgesetzt, die Legierung, die Werkzeugauswahl, die Schnittbedingungen und die Sicherheitsvorkehrungen sind optimal auf das Bauteil abgestimmt.
Gängige Arten von Magnesiumlegierungen
Magnesiumlegierungen werden üblicherweise nach ihren Hauptlegierungselementen klassifiziert. Das Legierungssystem hat einen wesentlichen Einfluss auf Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Gießbarkeit, Zerspanbarkeit und Temperaturbeständigkeit.
Zu den bekanntesten Magnesiumlegierungsfamilien zählen die Serien AZ, AM, AS, AE, ZK, WE, LZ und MB. Innerhalb jeder Familie werden einzelne Güteklassen für unterschiedliche Fertigungsverfahren und Leistungsanforderungen entwickelt.
In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Legierungssysteme, repräsentative Güteklassen, typische Zusammensetzungen und gängige technische Anwendungsbereiche zusammengefasst.
Hinweis: Die chemische Zusammensetzung kann je nach geltender ASTM-, EN-, ISO- oder JIS-Spezifikation, Produktform und Härtegrad leicht variieren. Die nachstehenden Werte stellen repräsentative Bereiche für gängige handelsübliche Güteklassen dar und sind keine allgemeingültigen Grenzwerte.
Mg-Al-Zn-Legierungen – AZ-Serie
Die AZ-Serie gehört zu den am häufigsten verwendeten Magnesiumlegierungsfamilien. Durch die Kombination von Aluminium und Zink werden Festigkeit, Härte und die mechanischen Eigenschaften insgesamt verbessert, während gleichzeitig eine relativ gute Bearbeitbarkeit und Herstellbarkeit gewährleistet bleibt.
Zu den gängigen Güteklassen zählen AZ31B, AZ61A, AZ80A und AZ91D. AZ31B wird häufig als Kaltumformlegierung für Bleche, Platten, Strangpressprofile und bearbeitete Bauteile verwendet, während AZ91D eine der gängigsten Magnesiumgusslegierungen ist.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der AZ-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Al (Gew. %) | Zn (Gew. %) | Mn (Gew.-%) |
|---|---|---|---|---|
| AZ31B | Saldo | 2.5–3.5 | 0.6–1.4 | 0.2–1.0 |
| AZ61A | Saldo | 5.8–7.2 | 0.4–1.5 | 0.15–0.5 |
| AZ80A | Saldo | 7.8–9.2 | 0.2–0.8 | 0.12–0.5 |
| AZ91D | Saldo | 8.3–9.7 | 0.35–1.0 | 0.15–0.5 |
Für Kaltumformlegierungen sind die typischen Zusammensetzungen AZ31B, AZ61A und AZ80A dokumentiert, während die Spezifikationen für AZ91D in der Regel einen Al-Gehalt von etwa 8,3–9,7% und einen Zn-Gehalt von 0,35–1,0% vorsehen.
Wichtigste Merkmale
- Leichtbau-Leistung
- Festigkeit und Härte
- Bearbeitbarkeit
- Umformbarkeit
- Gießbarkeit
- Kosten
Das genaue Gleichgewicht hängt von der Güteklasse und den Verarbeitungsbedingungen ab. Ein steigender Aluminiumgehalt wirkt sich in der Regel auf Festigkeit, Härte und Gießbarkeit aus, weshalb AZ31B und AZ91D für unterschiedliche Arten von Bauteilen verwendet werden.
Mg-Al-Mn-Legierungen – AM-Serie
Die AM-Serie besteht aus einer Legierung aus Aluminium und Mangan und wurde in erster Linie entwickelt, um eine gute Duktilität, Zähigkeit und Schlagfestigkeit zu gewährleisten.
Zu den gängigen Güteklassen zählen AM20, AM50A und AM60B. Im Vergleich zu vielen AZ-Legierungen werden AM-Legierungen häufig dann gewählt, wenn das Verformungsverhalten und die Schlagzähigkeit wichtiger sind als die maximale Festigkeit.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der AM-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Al (Gew. %) | Mn (Gew.-%) | Zn (Gew.-%, max.) |
|---|---|---|---|---|
| AM20 | Saldo | ~1,6–2,5 | ~0,3–0,7 | 0.2 |
| AM50A | Saldo | 4.4–5.4 | 0.26–0.6 | 0.22 |
| AM60B | Saldo | 5.5–6.5 | 0.24–0.6 | 0.22 |
Typische AM60B-Spezifikationen sehen einen Aluminiumgehalt von etwa 5,5–6,51 TP3T und einen Mangangehalt von 0,24–0,61 TP3T vor, während AM50A einen Aluminiumgehalt von etwa 4,4–5,41 TP3T aufweist.
Wichtigste Merkmale
AM-Legierungen sind bekannt für:
- Gute Duktilität
- Hohe Schlagfestigkeit
- Gute Energieaufnahme
- Gute Gießbarkeit
- Gute Korrosionsbeständigkeit
Aufgrund dieser Eigenschaften sind AM-Legierungen besonders wertvoll, wenn ein Bauteil im Einsatz Stößen oder Verformungen ausgesetzt sein kann.
Mg-Al-Si-Legierungen – AS-Serie
Bei der AS-Baureihe wird dem Mg-Al-System Silizium beigemischt, um die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Diese Legierungen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen herkömmliche Magnesiumlegierungen unter Dauerbelastung und erhöhten Temperaturen übermäßige Verformungen aufweisen würden.
Zu den gängigen Güteklassen gehören AS21 und AS41B.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der AS-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Al (Gew. %) | Si (Gew. %) | Mn (Gew.-%) |
|---|---|---|---|---|
| AS21 | Saldo | ~1,8–2,5 | 0.7–1.2 | 0.18–0.7 |
| AS41B | Saldo | 3.5–5.0 | 0.5–1.5 | 0.35–0.7 |
Typische AS21- und AS41B-Zusammensetzungen sind mit Aluminium-, Silizium- und Manganzusätzen innerhalb dieser ungefähren Bereiche dokumentiert.
Wichtigste Merkmale
Durch die Zugabe von Silizium wird die Beständigkeit gegen Kriechen und Verformung bei erhöhten Temperaturen verbessert.
Im Vergleich zu Allzweck-AZ-Legierungen sind AS-Legierungen daher vorteilhafter, wenn Bauteile unter anhaltenden thermischen und mechanischen Belastungen ihre Maßhaltigkeit bewahren müssen.
Mg-Al-RE-Legierungen – AE-Serie
Die AE-Serie kombiniert Aluminium mit Seltenerdelementen, um die Festigkeit bei hohen Temperaturen und die Kriechfestigkeit zu verbessern.
Zu den typischen Güten gehören AE42 und AE44. Diese Legierungen wurden entwickelt, um den einsetzbaren Temperaturbereich von Magnesiumbauteilen zu erweitern, insbesondere im Antriebsstrang und in anderen Anwendungsbereichen, in denen herkömmliche Mg-Al-Legierungen bei erhöhten Temperaturen an Leistungsfähigkeit einbüßen können.
Typische chemische Zusammensetzung von Magnesiumlegierungen der AE-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Al (Gew. %) | Seltenerdelemente | Sonstige Elemente |
|---|---|---|---|---|
| AE42 | Saldo | ~3,7–4,8 | ~2–4 | Mn und Spurenelemente |
| AE44 | Saldo | ~3,5–4,5 | ~4–5 | Mn und Spurenelemente |
Die genaue Zusammensetzung der Seltenen Erden variiert je nach Legierungsspezifikation und Herstellungsverfahren, daher sollten die Werte eher als repräsentativ denn als allgemeingültige Grenzwerte betrachtet werden.
Wichtigste Merkmale
AE-Legierungen basieren auf folgenden Grundsätzen:
- Verbesserte Kriechfestigkeit
- Bessere Hochtemperaturfestigkeit
- Gute Dimensionsstabilität
- Leichtbauweise
- Verbesserte Leistung bei den Komponenten des Antriebsstrangs
Ihr Hauptvorteil kommt zum Tragen, wenn Magnesium bei Temperaturen eingesetzt werden muss, bei denen herkömmliche AZ-Legierungen möglicherweise keine ausreichende Langzeitstabilität bieten.
Mg-Zn-Zr-Legierungen – ZK-Serie
Die ZK-Serie verwendet Zink und Zirkonium als Hauptlegierungszusätze und wird vor allem mit hochfesten Magnesium-Kaltumformlegierungen in Verbindung gebracht.
Zu den gängigen Güteklassen gehören ZK51 und ZK60. Zirkonium fördert die Kornverfeinerung, während Zink zur Festigkeitssteigerung beiträgt.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der ZK-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Zn (Gew. %) | Zr (Gew.-%) |
|---|---|---|---|
| ZK51 | Saldo | ~4,5–5,5 | ~0,5–1,0 |
| ZK60 | Saldo | ~5,5–6,5 | ~0,5–1,0 |
Handelsübliche ZK60-Werkstoffe basieren in der Regel auf etwa 61 TP3T Zn und 0,5–0,81 TP3T Zr, wobei die tatsächlichen Zusammensetzungen je nach Spezifikation und Herkunft des Werkstoffs variieren.
Wichtigste Merkmale
ZK-Legierungen werden geschätzt wegen:
- Hohe Festigkeit
- Gute spezifische Festigkeit
- Kornverfeinerung
- Eignung für die Kaltumformung
- Leistung im Leichtbau
Im Vergleich zu vielen Magnesiumgusslegierungen werden Werkstoffe der ZK-Serie häufiger mit Strangpressen, Schmieden und anderen Verarbeitungsverfahren in Verbindung gebracht.
Mg-RE-Y-Legierungen – WE-Serie
Die WE-Serie umfasst eine Klasse von Hochleistungs-Magnesiumlegierungen, die Seltenerdelemente und Yttrium enthalten. Diese Legierungen sind für Anwendungen konzipiert, bei denen herkömmliche Magnesiumlegierungen keine ausreichende Festigkeit, Kriechfestigkeit oder Hochtemperaturbeständigkeit bieten können.
Zu den typischen Güteklassen gehören WE43, WE54 und WE94.
Typische chemische Zusammensetzung von Magnesiumlegierungen der WE-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Y (Gew. %) | Nd (Gew.-%) | Gd (Gew. %) | Zr (Gew.-%) |
|---|---|---|---|---|---|
| WE43 | Saldo | ~3,7–4,3 | ~2,0–2,5 | — | ~0,2–1,0 |
| WE54 | Saldo | ~5,0–6,0 | — | ~1,5–2,5 | ~0,2–1,0 |
| WE94 | Saldo | Höherer RE-Gehalt | — | — | ~0,5–1,0 |
WE43 wird üblicherweise anhand eines Mg-Y-Nd-Zr-Zusammensetzungssystems beschrieben, wobei repräsentative Zusammensetzungen in einem untersuchten handelsüblichen Material etwa 4,2% Y, 2,3% Nd, 1,4% Gd und 0,5% Zr aufweisen. Andere Spezifikationen können davon abweichen, insbesondere hinsichtlich der Zusätze an Seltenen Erden.
Wichtigste Merkmale
Die Legierungen der WE-Serie wurden für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt, die folgende Anforderungen stellen:
- Hohe spezifische Festigkeit
- Beibehaltung der Festigkeit bei hohen Temperaturen
- Verbesserte Kriechfestigkeit
- Gute Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Mg-Legierungen
- Langfristige strukturelle Stabilität
Sie sind deutlich spezialisierter und teurer als die gängigen Legierungen der AZ-Serie.
Mg-Li-Legierungen – LZ-Serie
Die LZ-Serie enthält Lithium, das die Dichte der Magnesiumlegierung erheblich verringert und die Kristallstruktur sowie das Verformungsverhalten des Werkstoffs verändern kann.
Zu den typischen Güteklassen gehören LZ91 und LZ141.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der LZ-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Li (Gew. %) | Zn (Gew. %) | Sonstige Elemente |
|---|---|---|---|---|
| LZ91 | Saldo | ~8–10 | ~0,5–1,0 | Kleinere Ergänzungen |
| LZ141 | Saldo | ~13–15 | Kleine Ergänzungen | Kleinere Ergänzungen |
Eine repräsentative LZ91-Zusammensetzung, die im Rahmen der Forschung gemessen wurde, enthält etwa 9,02% Li und 0,96% Zn, wobei der Rest aus Magnesium besteht.
Wichtigste Merkmale
Der Hauptvorteil von Mg-Li-Legierungen ist ihre extrem geringe Dichte.
Je nach Lithiumgehalt und Mikrostruktur können sie folgende Eigenschaften aufweisen:
- Sehr geringes Gewicht
- Gute spezifische Festigkeit
- Verbesserte Duktilität bei einigen Zusammensetzungen
- Hervorragendes Potenzial für Gewichtsersparnis
Allerdings kann dieselbe Legierungszusammensetzung, die die Dichte verringert, auch Einschränkungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, der Steifigkeit und des Verhaltens bei hohen Temperaturen mit sich bringen.
Mg-Mn-Legierungen – MB-Serie
Die MB-Serie basiert hauptsächlich auf Magnesium und Mangan und zeichnet sich durch eine relativ gute Korrosionsbeständigkeit sowie mäßige mechanische Eigenschaften aus.
Zu den gängigen Güteklassen gehören MB1, MB2, MB3, MB8 und MB15.
Typische chemische Zusammensetzung der Magnesiumlegierungen der MB-Serie
| Legierung | Mg (Gew. %) | Mn (Gew.-%) | Sonstige Elemente |
|---|---|---|---|
| MB1 | Saldo | Geringer Mn-Zusatz | Geringfügige Verunreinigungen |
| MB2 | Saldo | Geringer Mn-Zusatz | Geringfügige Verunreinigungen |
| MB3 | Saldo | Geringer Mn-Zusatz | Geringfügige Verunreinigungen |
| MB8 | Saldo | ~0,2–0,5 | Spurenlegierungselemente |
| MB15 | Saldo | ~0,2–0,5 | Weitere Legierungselemente |
Im Gegensatz zu den standardisierten Zusammensetzungen der Typen AZ91D oder AZ31B hängt die genaue Zusammensetzung der Legierungen der MB-Serie stark von den geltenden nationalen oder regionalen Spezifikationen ab. Daher sollte bei der Auswahl einer Legierung der MB-Serie für die Produktion das jeweilige Werkstoffzertifikat herangezogen werden.
Wichtigste Merkmale
MB-Legierungen werden in der Regel dann gewählt, wenn Korrosionsbeständigkeit und moderate mechanische Anforderungen wichtiger sind als maximale Festigkeit.
Zu ihren Merkmalen können gehören:
- Gute Korrosionsbeständigkeit
- Mittlere Stärke
- Gute Umformbarkeit bei geeigneten Stahlsorten
- Leichtbauweise
- Eignung für Anwendungen mit geringerer Belastung
Magnesiumlegierungsfamilien im Überblick
Die wichtigsten Magnesiumlegierungssysteme lassen sich anhand ihres primären Konstruktionsziels zusammenfassen:
| Legierungsfamilie | Wichtigste Legierungselemente | Hauptvorteil | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| AZ | Al + Zn | Ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Herstellbarkeit | Automobilindustrie, Elektronik, allgemeine Konstruktionen |
| AM | Al + Mn | Duktilität und Schlagzähigkeit | Sicherheitskomponenten für Kraftfahrzeuge |
| AS | Al + Si | Hochtemperatur-Kriechfestigkeit | Antriebsstrangkomponenten |
| AE | Al + Seltenerdmetalle | Verhalten bei hohen Temperaturen | Motor und hochentwickelte Komponenten |
| ZK | Zn + Zr | Hohe Festigkeit | Luft- und Raumfahrt sowie hochfeste Konstruktionen |
| WIR | Seltene Erden + Y | Hohe Leistung und Temperaturbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, Motorsport |
| LZ | Li | Extrem geringe Dichte | Luft- und Raumfahrt sowie fortschrittliche Leichtbausysteme |
| MB | Mn | Korrosionsbeständigkeit | Bauteile mit geringer Belastung und korrosionsempfindliche Bauteile |
Entscheidend ist, dass es keine einzige "beste" Magnesiumlegierung gibt. AZ31B kann eine sinnvolle Wahl für ein leichtes, bearbeitetes oder umgeformtes Bauteil sein, während AZ91D sich möglicherweise besser für ein Gussgehäuse eignet, AM60B für ein schlagfestes Automobilbauteil und WE43 für eine Hochtemperaturanwendung in der Luft- und Raumfahrt.
Die Materialauswahl sollte sich daher nach der erforderlichen Kombination aus Festigkeit, Gewicht, Duktilität, Temperatur, Korrosionsbeständigkeit, Herstellungsverfahren, Kosten und Einsatzbedingungen richten.
Vor- und Nachteile von Magnesiumlegierungen
Magnesiumlegierungen bieten eine außergewöhnliche Kombination aus extrem geringer Dichte und guten technischen Eigenschaften, sind jedoch kein universeller Ersatz für Aluminium, Stahl, Titan oder technische Kunststoffe.
Eine bessere Methode zur Bewertung von Magnesium besteht darin, die Kompromisse bei der Leistung zu betrachten.
Wo Magnesium seine Stärken ausspielt
| Vorteil | Warum das wichtig ist | Typischer Vorteil |
|---|---|---|
| Extrem niedrige Dichte | Magnesium ist eines der leichtesten Konstruktionsmetalle | Geringeres Gewicht der Bauteile |
| Hohe spezifische Festigkeit | Nutzkraft im Verhältnis zur Materialmasse | Leichtbauweise |
| Gute Bearbeitbarkeit | Relativ geringe Schnittkräfte und gute Zerspanungseigenschaften | Effiziente CNC-Bearbeitung |
| Hervorragende Schwingungsdämpfung | Leitet mechanische Schwingungen wirksam ab | Geringere Vibrationen und Geräusche |
| Nützliche Wärmeleitfähigkeit | Leitet Wärme besser als viele Polymere | Leichte Gehäuse für elektronische und mechanische Bauteile |
| Elektromagnetische Abschirmung | Leitfähiges Magnesium kann Elektronik abschirmen | Schutz vor elektromagnetischen Störungen |
Diese Vorteile erklären, warum Magnesium insbesondere für die Gewichtsreduzierung im Automobilbau, in der Robotik, bei tragbaren Elektronikgeräten, in der Luft- und Raumfahrt sowie bei Industriegehäusen besonders attraktiv ist.
Der Vorteil des geringen Gewichts
Der größte Vorteil von Magnesium ist seine Dichte. Durch den Ersatz eines schwereren Werkstoffs durch Magnesium lässt sich die Masse reduzieren, ohne dass eine vollständige Neukonstruktion erforderlich ist, sofern die Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit und Umweltverträglichkeit des Bauteils weiterhin erfüllt werden können.
Der Vorteil der Zerspanung
Magnesiumlegierungen lassen sich im Allgemeinen gut bearbeiten und eignen sich zur Herstellung komplexer Präzisionsbauteile. Der Bearbeitungsprozess muss jedoch sorgfältig gesteuert werden, da der niedrige Schmelzpunkt des Werkstoffs und die brennbaren Späne ein angemessenes Prozess- und Sicherheitsmanagement erfordern.
Der Vorteil der Dämpfung
Dank seiner schwingungsdämpfenden Eigenschaften eignet sich Magnesium besonders für Gehäuse, Halterungen und mechanische Konstruktionen, die ständigen Schwingungen ausgesetzt sind. Dies kann einen Leistungsvorteil bieten, der über die reine Gewichtsreduzierung hinausgeht.
Wo Magnesium an seine Grenzen stößt
| Einschränkung | Technisches Unternehmen | Typische Reaktion |
|---|---|---|
| Geringere absolute Festigkeit als bei einigen Metallen | Stahl und Titan können eine wesentlich höhere absolute Festigkeit aufweisen | Wählen Sie eine geeignete Legierung aus und optimieren Sie die Geometrie |
| Korrosionsanfälligkeit | Magnesium ist elektrochemisch aktiver als viele Strukturmetalle. | Beschichtungen, Oberflächenbehandlungen und eine geeignete Konstruktion einsetzen |
| Brandgefahr bei der maschinellen Bearbeitung | Feine Späne und Staub können sich unter ungeeigneten Bedingungen entzünden | Wärmemanagement, Späne, Werkzeuge und Reinigungsarbeiten |
| Eingeschränkte Hochtemperaturbeständigkeit bei einigen Sorten | Herkömmliche Legierungen können unter Hitzeeinwirkung an Festigkeit verlieren oder kriechen. | Wählen Sie AS, AE, WE oder andere Hochtemperaturwerkstoffe aus |
| Anforderungen an Material und Verarbeitung | Bestimmte Güteklassen und Schutzbehandlungen können die Kosten erhöhen | Material und Oberflächenausführung an die tatsächlichen Einsatzanforderungen anpassen |
Korrosion erfordert Aufmerksamkeit
Magnesiumlegierungen rosten nicht auf dieselbe Weise wie Eisen und Stahl, da sich der Begriff „Rost“ speziell auf Eisenoxide bezieht. Magnesium kann jedoch elektrochemischer Korrosion unterliegen und ist im Vergleich zu vielen technischen Metallen relativ reaktiv.
Aus diesem Grund können bei Magnesiumbauteilen folgende Anforderungen gelten:
- Schutzbeschichtungen
- Umwandlungsbehandlungen
- Lacksysteme
- Eloxieren oder spezielle Oberflächenbehandlungen
- Schutz vor galvanischer Korrosion
- Auswahl geeigneter Befestigungselemente
Die spanende Bearbeitung erfordert eine Prozesssteuerung
Magnesium wird oft als leicht zu bearbeiten beschrieben, doch dies sollte nicht als "risikofrei in der Bearbeitung" interpretiert werden. Ansammelnde Späne, Feinstaub, übermäßige Hitze oder ungeeignete Schnittbedingungen können Brandgefahren verursachen.
Die professionelle CNC-Bearbeitung von Magnesium erfordert daher sowohl eine Maßkontrolle als auch geeignete Sicherheitsvorkehrungen.
Die Hochtemperaturbeständigkeit hängt von der Legierung ab
Herkömmliche Legierungen der AZ-Serie sind nicht mit Hochtemperatur-Magnesiumsystemen austauschbar.
Wenn eine langfristige Einwirkung erhöhter Temperaturen zu erwarten ist, müssen Ingenieure möglicherweise AS-, AE-, WE- oder andere spezielle Legierungssysteme in Betracht ziehen, anstatt sich für eine Magnesiumlegierung für allgemeine Zwecke zu entscheiden.
Anwendungsbereiche von Magnesiumlegierungen
Der Einsatz von Magnesiumlegierungen wird in erster Linie durch die Kombination aus geringer Dichte, guten mechanischen Eigenschaften, Schwingungsdämpfung, Wärmeleitfähigkeit und elektromagnetischer Abschirmung bestimmt.
Verschiedene Branchen setzen Magnesium aus unterschiedlichen Gründen ein, und die Wahl der Legierung hängt stark von der Einsatzumgebung und dem Herstellungsverfahren ab.
Automobilindustrie und Elektrofahrzeuge
Die Automobilindustrie ist einer der wichtigsten Anwendungsbereiche für Magnesiumlegierungen, da eine Reduzierung des Bauteilgewichts zur Kraftstoffeffizienz, zur Fahrzeugleistung und zur Reichweite von Elektrofahrzeugen beitragen kann.
Zu den typischen Magnesium-Autoteilen gehören:
- Lenkradkerne
- Sitzgestelle
- Das Dashboard unterstützt
- Bauteile der Lenksäule
- Getriebegehäuse
- Motorgehäuse
- Motorabdeckungen
- Aufhängungshalterungen
- Halterungen für Batteriemodule
- Leichte Stützkonstruktionen
Magnesium kann zudem eine nützliche Schwingungsdämpfung in Gehäusen und Halterungen bewirken und so dazu beitragen, die Schwingungsübertragung durch die Fahrzeugstruktur zu verringern.
Bei Elektrofahrzeugen kommt dem Potenzial für leichte, batterierelevante Halterungen, Motorgehäuse und Strukturbauteile eine besonders große Bedeutung zu, da die Reduzierung der Masse außerhalb der Batterie zur Gesamteffizienz des Fahrzeugs beitragen kann.
Unterhaltungselektronik
Magnesiumlegierungen eignen sich gut für tragbare Elektronikgeräte, da sie geringes Gewicht mit Steifigkeit, thermischer Leistungsfähigkeit und elektromagnetischer Abschirmung verbinden.
Typische Anwendungsgebiete sind:
- Laptop-Gehäuse und -Chassis
- Smartphone-Rahmen
- Tablettenformen
- Kameragehäuse
- Tragbare elektronische Geräte
- Gehäuse für Kommunikationsgeräte
- Interne Stützstrukturen
- Leichte, wärmeableitende Bauteile
Ein Laptop-Gehäuse aus Magnesium kann beispielsweise eine steife Struktur bei deutlich geringerem Gewicht als viele Alternativen aus Stahl bieten und gleichzeitig zur Wärmeableitung und elektromagnetischen Abschirmung beitragen.
Luft- und Raumfahrt sowie Flugzeuge
Die Gewichtsreduzierung wirkt sich besonders stark auf Flugzeuge und Bordsysteme aus, wodurch Magnesium für ausgewählte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt attraktiv wird.
Zu den gängigen Flugzeugbauteilen aus Magnesium zählen unter anderem:
- Gerätegehäuse
- Gerätegehäuse
- Getriebegehäuse
- Leichte Halterungen
- Komponenten des Steuerungssystems
- Bauteile im Innenraum
- Kamera- und Sensorhalterungen
- Mechanische Bauteile für Hubschrauber
Die Materialauswahl in der Luft- und Raumfahrt ist jedoch in hohem Maße anwendungsspezifisch. Vor der Auswahl einer Magnesiumlegierung müssen Temperatur, Korrosionsbeständigkeit, Entflammbarkeitsanforderungen, Ermüdungsverhalten, Zertifizierung und strukturelle Belastungen berücksichtigt werden.
Hochleistungsgüten wie die Legierungen der WE-Serie kommen dann in Betracht, wenn herkömmliche Magnesiumlegierungen die geforderten Temperatur- oder Festigkeitsanforderungen nicht erfüllen können.
Robotik und Drohnen
Die Robotik ist ein zunehmend interessanter Anwendungsbereich für Magnesium, da die Reduzierung der Masse beweglicher Bauteile sich direkt auf die Systemeffizienz und die dynamische Leistung auswirken kann.
Typisches Magnesium Roboterkomponenten Dazu gehören:
- Gehäuse für Roboterarme
- Gelenkgehäuse und -abdeckungen
- Motorgehäuse
- Getriebegehäuse
- Endeffektor-Strukturen
- Sensorhalterungen
- Leichte Stützkomponenten
Bei Drohnen und anderen unbemannten Flugsystemen kann eine Gewichtsreduzierung die Nutzlastkapazität, die Flugdauer und die Manövrierfähigkeit verbessern.
Zu den typischen Komponenten gehören:
- Drohnenrahmen
- Motorlager
- Gehäuse für elektronische Geräte
- Kamerahalterungen
- Leichte Konstruktionshalterungen
Der Vorteil kommt besonders dann zum Tragen, wenn Magnesium für Bauteile verwendet wird, die sich während des Betriebs bewegen oder ständig belastet werden.
Fahrrad und Motorrad
Magnesium kann in Fahrrädern, E-Bikes und Motorrädern eingesetzt werden, wo ein geringeres Gewicht der Bauteile das Fahrverhalten und die Energieeffizienz verbessern kann.
Zu den typischen Fahrrad- und Motorradkomponenten aus Magnesium gehören:
- Motorgehäuse
- Reduzierstückgehäuse
- Klammern
- Lenkerkomponenten
- Pedal-Komponenten
- Schutzhüllen
- Leichte mechanische Stützen
Was sind die Nachteile von Magnesiumlegierungsfelgen?
Magnesium-Leichtmetallräder können zu erheblichen Gewichtseinsparungen und einer guten Schwingungsdämpfung führen, weisen jedoch auch Nachteile auf, die berücksichtigt werden müssen.
Zu den möglichen Bedenken zählen:
- Höhere Korrosionsanfälligkeit als bei Aluminiumfelgen
- Höhere Material- und Herstellungskosten
- Anspruchsvollerer Oberflächenschutz
- Mögliche Einschränkungen bei der Reparatur nach einem schweren Aufprall
- Ein stärkeres Bewusstsein für die Fertigungsqualität und die Servicebedingungen
Aus diesem Grund werden Magnesiumfelgen in der Regel eher mit leistungsorientierten Anwendungen in Verbindung gebracht und gelten nicht als universeller Ersatz für Aluminiumfelgen.
Industrieausrüstung und Elektrowerkzeuge
Magnesiumlegierungen können das Gewicht von tragbaren Industriegeräten reduzieren, ohne dass man sich vollständig auf Polymergehäuse verlassen muss.
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Gehäuse für Elektrowerkzeuge
- Kettensägengehäuse
- Komponenten für Kreissägen
- Gehäuse für Gartengeräte
- Motorenddeckel
- Maschinenkomponenten
- Leichte Gerätehalterungen
- Gehäuse für Industrieanlagen
Die Kombination aus geringer Dichte, Schwingungsdämpfung und Bearbeitbarkeit kann die Handhabung verbessern und die Ermüdung des Bedieners bei tragbaren Geräten verringern.
Anwendungen im medizinischen Bereich und im Bereich biologisch abbaubarer Materialien
Magnesium hat zwei unterschiedliche medizinische Anwendungsbereiche, die nicht miteinander verwechselt werden sollten.
Der erste Bereich umfasst herkömmliche Bauteile aus Magnesiumlegierungen, die in ausgewählten medizinischen Geräten zum Einsatz kommen, bei denen eine Leichtbauweise von Vorteil ist.
Der zweite Schwerpunkt ist die Entwicklung biologisch abbaubarer Magnesiumlegierungen für provisorische Implantate.
Im Rahmen von Forschungsarbeiten wurden Materialien auf Magnesiumbasis für folgende Bereiche untersucht:
- Knochenschrauben
- Knochenfixierungsplatten
- Orthopädische Stützen
- Herz-Kreislauf-Stents
- Provisorische Implantatkonstruktionen
Der Vorteil von biologisch abbaubarem Magnesium besteht darin, dass sich bestimmte Materialien auf Magnesiumbasis im physiologischen Milieu allmählich abbauen können, wodurch sich möglicherweise die Notwendigkeit einer zweiten Operation zur Entfernung eines temporären Implantats verringert.
Medizinische Magnesiumlegierungen erfordern jedoch eine sorgfältig kontrollierte Zusammensetzung, ein genau definiertes Abbauverhalten, bestimmte mechanische Eigenschaften, Biokompatibilität, eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit sowie eine behördliche Zulassung. Nicht jede handelsübliche Magnesiumlegierung ist für Implantate geeignet, weshalb herkömmliche Strukturlegierungen nicht automatisch als Materialien für medizinische Implantate betrachtet werden sollten.
Magnesiumguss und Fertigungsverfahren
Magnesiumlegierungen können durch Gießen, Schmieden, Strangpressen, Blechumformung und zerspanende Bearbeitung hergestellt werden. Das am besten geeignete Verfahren hängt von der Legierungssorte, der Bauteilgeometrie, den mechanischen Anforderungen, der Maßgenauigkeit, dem Produktionsvolumen und der Endanwendung ab.
Bei komplexen Magnesiumbauteilen ist der Guss möglicherweise die wirtschaftlichste Methode, während Schmieden und Strangpressen zu besseren mechanischen Eigenschaften führen können. Die CNC-Bearbeitung wird häufig eingesetzt, um nach der Formgebung oder dem Guss die endgültigen Abmessungen, kritischen Merkmale, Bohrungen, Gewinde und engen Toleranzen zu erzielen.
Magnesiumguss
Der Guss ist eines der am häufigsten verwendeten Fertigungsverfahren für Magnesiumlegierungen, insbesondere für komplexe Gehäuse und Bauteile mit integrierten strukturellen Merkmalen.
Zu den gängigen Prozessen gehören:
- Druckguss für die Großserienfertigung komplexer Bauteile
- Sandguss für größere Teile oder Teile mit geringerer Stückzahl
- Gießen in Dauerformen für die Serienfertigung
- Feinguss für ausgewählte komplexe Geometrien
Der Magnesiumdruckguss ist besonders attraktiv, da sich mit diesem Werkstoff relativ komplexe Formen ausfüllen lassen und gleichzeitig leichte Bauteile mit integrierten Versteifungsrippen, Vorsprüngen, Befestigungspunkten und anderen Merkmalen hergestellt werden können.
Zu den typischen Bauteilen aus Magnesiumguss zählen Motorgehäuse, Getriebegehäuse, Elektronikgehäuse, Kameragehäuse, Halterungen für die Automobilindustrie sowie Gehäuse für Elektrowerkzeuge.
Auf den Gussprozess folgt häufig eine CNC-Bearbeitung, wenn kritische Oberflächen oder Maßtoleranzen nicht direkt im Gussverfahren erreicht werden können.
Schmieden von Magnesiumlegierungen
Beim Schmieden wird kontrollierter Druck auf Magnesiumlegierungen ausgeübt, um Bauteile mit feinkörniger Struktur und verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen.
Magnesiumlegierungen für die Schmiedeverarbeitung wie AZ31, AZ61, ZK60 und Legierungen der WE-Serie lassen sich unter geeigneten Temperatur- und Prozessbedingungen schmieden.
Das Schmieden wird in der Regel gewählt, wenn das Bauteil folgende Anforderungen erfüllt:
- Höhere mechanische Festigkeit
- Verbessertes Ermüdungsverhalten
- Höhere strukturelle Integrität
- Richtungsabhängige mechanische Eigenschaften
- Weniger Gussfehler im Inneren
Zu den typischen geschmiedeten Magnesiumbauteilen zählen Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, hochfeste mechanische Teile, leichte Strukturbauteile sowie Spezialkomponenten für die Automobilindustrie oder den Motorsport.
Schmiederohlinge können anschließend auch CNC-bearbeitet werden, um präzise Abmessungen und funktionale Merkmale zu erzielen.
Extrusion
Beim Strangpressen wird ein erhitztes Magnesium-Rohstück durch eine Matrize gepresst, um Endlosprofile mit einer kontrollierten Querschnittsform herzustellen.
Das Verfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung von:
- Rohre
- Schienen
- Rahmen
- Konstruktionsprofile
- Wärmeableitende Abschnitte
- Leichte Stützen
Durch die Extrusion lassen sich mittels kontrollierter Kornstruktur und Verformung günstige mechanische Eigenschaften erzielen, während Ingenieure gleichzeitig leichte Profile mit integrierter Geometrie entwickeln können.
Nach dem Strangpressen kann das Profil mittels CNC-Bearbeitung auf die gewünschte Länge zugeschnitten und mit Bohrungen, Nuten, Gewinden, Befestigungsflächen und anderen Präzisionsmerkmalen versehen werden.
Blechumformung
Magnesiumlegierungsbleche lassen sich unter kontrollierten Bedingungen durch Verfahren wie Biegen, Stanzen und Tiefziehen zu dünnen, leichten Strukturen formen.
Typische Anwendungsgebiete sind:
- Leichte Abdeckungen
- Elektronisches Fahrwerk
- Komponenten für die Flugzeuginnenausstattung
- Bauplatten
- Gerätegehäuse
- Dünnwandige Halterungen
Die Umformung von Magnesiumblechen erfordert eine sorgfältige Steuerung von Temperatur und Verformung, da die hexagonale Kristallstruktur von Magnesium die Umformbarkeit bei Raumtemperatur im Vergleich zu einigen anderen Metallen einschränken kann.
Bei präzisen Bauteilen aus dünnem Magnesiumblech kann der Fertigungsprozess das Umformen mit der CNC-Bearbeitung kombinieren, um die endgültigen Befestigungselemente und kritischen Schnittstellen herzustellen.
CNC-Bearbeitung
CNC-Bearbeitung wird eingesetzt, wenn Magnesiumbauteile präzise Abmessungen, komplexe Geometrien, enge Toleranzen oder hochwertige Funktionsoberflächen erfordern.
Je nach Bauteil kann die Bearbeitung Folgendes umfassen:
- CNC-Fräsen
- CNC-Drehen
- Bohren
- Einfädeln
- Langweilig
- Aufbohren
- Konturierung
- Präzisionsbearbeitung
Die CNC-Bearbeitung eignet sich besonders gut für maßgefertigte Magnesiumteile und Prototypen, da für dieses Verfahren keine speziellen Formen oder Matrizen erforderlich sind.
Es kann auch als Folgevorgang nach dem Gießen, Schmieden oder Strangpressen eingesetzt werden, um kritische Merkmale auf ihre Endmaße zu bringen.
Bearbeitung von Magnesium: Lässt sich Magnesium bearbeiten?
Ja. Magnesiumlegierungen lassen sich zerspanen, und viele Sorten weisen eine gute Zerspanbarkeit auf. Ihre relativ geringe Härte und ihr geringer Schnittwiderstand ermöglichen einen effizienten Materialabtrag und eine hohe Zerspanungsproduktivität.
Die Bearbeitung von Magnesium ist jedoch nicht einfach mit der Bearbeitung von Aluminium gleichzusetzen. Der niedrige Schmelzpunkt des Werkstoffs und die brennbaren Späne erfordern eine sorgfältige Steuerung der Schnittbedingungen, der Wärmeentwicklung, der Spanabfuhr und der Ordnung in der Werkstatt.
Bei Präzisionsteilen aus Magnesium muss die Bearbeitungsstrategie ein Gleichgewicht zwischen Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität, Produktivität und Brandschutz herstellen.
Bearbeitbarkeit von Magnesium
Magnesiumlegierungen lassen sich im Allgemeinen gut bearbeiten, da sie relativ geringe Schnittkräfte erfordern und bei Verwendung geeigneter Werkzeuge und Parameter günstige Bearbeitungseigenschaften aufweisen.
Zu den Vorteilen können gehören:
- Hohe Materialabtragsraten
- Relativ geringe Schnittkräfte
- Gute Maßgenauigkeit
- Gutes Potenzial für eine gute Oberflächenqualität
- Effizientes Bohren und Fräsen
- Geringere Werkzeugbelastung
Die Zerspanbarkeit variiert jedoch je nach Magnesiumlegierung. Eine Allzwecklegierung der AZ-Serie lässt sich möglicherweise anders bearbeiten als eine hochfeste ZK-Legierung oder eine seltenerdhaltige WE-Legierung.
Auch die Bearbeitungsbedingungen, der Materialzustand, die Geometrie, die Wandstärke, die Werkzeugauswahl und die Schnittparameter beeinflussen das Endergebnis.
So bearbeiten Sie Magnesium
Ein erfolgreicher Bearbeitungsprozess von Magnesium beginnt mit der Auswahl der richtigen Legierung, der richtigen Werkzeuge, der richtigen Schnittparameter und der richtigen Spannstrategie.
Ein typischer Ansatz umfasst:
Werkstoffauswahl → Werkstückspannung → Werkzeugauswahl → Optimierung der Schnittparameter → Spanabfuhr → Maßprüfung → Oberflächengüte
Zu den wichtigsten Überlegungen gehören:
Verwenden Sie scharfe Schneidwerkzeuge
Scharfe Werkzeuge reduzieren die Schnittkräfte und minimieren die unnötige Wärmeentwicklung. Die Werkzeuggeometrie sollte speziell auf die Magnesiumlegierung und den jeweiligen Bearbeitungsvorgang abgestimmt werden.
Wärmeentwicklung beim Schneiden kontrollieren
Übermäßige Hitze sollte vermieden werden, da Magnesium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat und sich Zerspanungsspäne unter ungünstigen Bedingungen entzünden können.
Chips effizient entfernen
Es darf nicht dazu kommen, dass sich große Späneansammlungen um die Maschine oder das Werkstück herum bilden. Eine effektive Späneabfuhr ist sowohl für die Bearbeitungsqualität als auch für die Sicherheit von großer Bedeutung.
Stabile Werkstückspannung gewährleisten
Dünne Magnesiumbauteile können sich bei der Bearbeitung verformen, wenn die Spannkräfte zu hoch sind. Die Werkstückspannung sollte für ausreichende Stabilität sorgen, ohne das Bauteil zu verformen.
Kontrolle der Maßhaltigkeit
Die Wärmeausdehnung von Magnesium und die dünnwandige Bauweise vieler Leichtbaukomponenten können sich auf die Endmaße auswirken. Die Bearbeitungsabläufe sollten daher unter Berücksichtigung der Geometrie und der Toleranzanforderungen des Bauteils geplant werden.
CNC-Fräsen von Magnesium
Das CNC-Fräsen wird häufig zur Herstellung komplexer Magnesiumbauteile mit Aussparungen, Nuten, Befestigungslöchern, Rippen, Konturen und 3D-Oberflächen eingesetzt.
Zu den typischen gefrästen Magnesiumbauteilen gehören:
- Motorgehäuse
- Gehäuse für Robotergelenke
- Leichte Halterungen
- Elektronisches Fahrwerk
- Kameragehäuse
- Stützelemente für die Luft- und Raumfahrt
- Bauteile
Für eine effiziente CNC-Bearbeitung von Magnesium sollte die Bearbeitungsstrategie eine unnötige Wärmeentwicklung und eine unkontrollierte Spanbildung vermeiden.
Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung kann bei Magnesium effektiv sein, allerdings müssen die geeignete Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Werkzeuggeometrie und Kühlstrategie entsprechend der jeweiligen Legierung und Maschinenkonfiguration festgelegt werden.
CNC-Drehen von Magnesium
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Buchsen
- Drehkreuze
- Schächte
- Ringe
- Zylindrische Gehäuse
- Abstandshalter
- Rotierende mechanische Bauteile
Durch Drehen lassen sich präzise Durchmesser, Bohrungen, Nuten, Gewinde und andere rotationssymmetrische Merkmale erzielen.
Wie beim Fräsen ist es besonders wichtig, die Spanbildung und die Wärmeentwicklung zu kontrollieren. Die Aufspannung sollte verhindern, dass lange oder sich ansammelnde Späne den Zerspanungsprozess beeinträchtigen.
Dünnwandige Magnesiumteile
Magnesium wird oft gerade deshalb gewählt, weil es leichte, dünnwandige Konstruktionen ermöglicht. Dünne Wände stellen jedoch zusätzliche Herausforderungen bei der Bearbeitung dar.
Zu den möglichen Problemen gehören:
- Wandverformung
- Vibration
- Geplauder
- Lokale Wärmeansammlung
- Maßabweichung nach dem Lösen der Klemmung
- Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Ebenheit
Bei dünnwandigen Magnesiumteilen sollte bei der Bearbeitung das Material in der Regel schrittweise abgetragen werden, anstatt aggressive Züge auszuführen, die die verbleibende Struktur destabilisieren können.
Ebenso wichtig ist die Werkstückspannung. Ein zu hoher Spanndruck kann ein Leichtbaugehäuse bereits vor der Bearbeitung verformen, was dazu führt, dass sich die Endmaße nach dem Lösen des Bauteils verschieben.
Bei dünnwandigen Magnesiumgehäusen, Elektronikgehäusen und Leichtbau-Strukturteilen können daher die Bearbeitungsreihenfolge und die Konstruktion der Spannvorrichtung ebenso wichtig sein wie das Schneidwerkzeug selbst.
Bearbeitung von Magnesiumlegierungen: Festigkeits- und verfahrenstechnische Aspekte
Die Festigkeit einer Magnesiumlegierung kann das Bearbeitungsverhalten direkt beeinflussen.
Legierungen mit höherer Festigkeit erfordern unter Umständen andere Werkzeuge und Schnittbedingungen als weichere, leichter zu bearbeitende Sorten. Zudem können sich wärmebehandelte oder ausscheidungsgehärtete Werkstoffe anders verhalten als dieselbe Legierung im unbehandelten Zustand.
Die Bearbeitungsstrategie sollte daher folgende Aspekte berücksichtigen:
| Faktor | Hinweise zur Bearbeitung |
|---|---|
| Legierungssorte | Bestimmt Härte, Festigkeit, Duktilität und Zerspanungsverhalten |
| Materieller Zustand | Wärmebehandlung und Anlassen können die Zerspanbarkeit beeinflussen |
| Teilgeometrie | Dünne Wände und tiefe Aussparungen erhöhen das Verformungsrisiko |
| Toleranz | Legt die Bearbeitungsreihenfolge und die Prüfanforderungen fest |
| Oberflächenbehandlung | Beeinflusst die Werkzeugauswahl und die Bearbeitungsstrategie |
| Produktionsvolumen | Ermittelt Möglichkeiten zur Werkzeug- und Prozessoptimierung |
| Chip-Herstellung | Muss sowohl im Hinblick auf die Produktivität als auch auf die Sicherheit kontrolliert werden |
| Wärmeerzeugung | Muss minimiert und kontrolliert werden |
Das Ziel besteht nicht nur darin, Material schnell abzutragen, sondern auch die erforderliche Festigkeit, Maßgenauigkeit, Oberflächenqualität und Produktionskonsistenz zu gewährleisten.
Sicherheit bei der Bearbeitung von Magnesium
Bei der Bearbeitung von Magnesium sind zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen zu beachten, da Magnesiumspäne und feine Partikel unter bestimmten Bedingungen entflammbar werden können.
Das bedeutet jedoch nicht, dass die Bearbeitung von Magnesium grundsätzlich unsicher ist. Mit geeigneter Ausrüstung, den richtigen Prozessparametern, einem angemessenen Spänemanagement, ordnungsgemäßen Reinigungsmaßnahmen und Brandschutzvorkehrungen bearbeiten professionelle Hersteller Magnesiumlegierungen routinemäßig.
Das Grundprinzip ist einfach: Übermäßige Hitzeentwicklung und die Ansammlung von feinen Magnesiumspänen oder -staub vermeiden.
Warum Magnesium-Chips gefährlich sein können
Massive Magnesiumbauteile sind unter normalen Bearbeitungsbedingungen relativ stabil. Das Risiko steigt, wenn bei der Bearbeitung kleine Späne, Feinpartikel oder Staub mit großer Oberfläche entstehen.
Feine Magnesiumpartikel können schnell reagieren, wenn sie einer ausreichend starken Zündquelle ausgesetzt werden.
Deshalb sind die Morphologie und die Anreicherung der Späne von Bedeutung.
Große, kontrollierte Späne lassen sich in der Regel leichter handhaben als große Mengen feiner Partikel. Die Bearbeitungsvorgänge sollten daher so geplant werden, dass eine unnötige Zerkleinerung der Späne minimiert und Ablagerungen verhindert werden.
Hitze- und Zündgefahr
Magnesium hat im Vergleich zu vielen Konstruktionsmetallen einen relativ niedrigen Schmelzpunkt. Übermäßige Reibung oder Schnittwärme können daher zu unerwünschten lokalen Temperaturanstiegen führen.
Zu den potenziellen Mitwirkenden gehören:
- Stumpfe Schneidwerkzeuge
- Übermäßige Schnittreibung
- Falsche Schnittparameter
- Das Werkzeug reibt statt zu schneiden
- Mangelhafte Spanabfuhr
- Gesammelte Chips
- Unzureichende Prozesskontrolle
Ziel ist es, den Bearbeitungsprozess stabil zu halten und zu verhindern, dass die lokale Wärmeentwicklung ein Ausmaß erreicht, bei dem sich angesammelte Späne oder Feinstaub entzünden könnten.
Späne- und Staubmanagement
Ein effektives Spänemanagement ist einer der wichtigsten Aspekte bei der sicheren Bearbeitung von Magnesium.
Hersteller sollten Folgendes kontrollieren:
- Spanansammlung
- Feinstaubentstehung
- Chip-Speicher
- Sauberkeit der Maschine
- Abfallentsorgung
- Entfernung von Ablagerungen
Magnesiumspäne sollten nicht einfach als gewöhnlicher Metallabfall behandelt werden.
Besondere Vorsicht ist bei feinen Spänen und Staub geboten, da diese aufgrund ihrer größeren Oberfläche ein erhöhtes Entzündungsrisiko darstellen können.
Eine gute Arbeitsordnung ist daher eher Teil des Bearbeitungsprozesses selbst als ein optionaler Reinigungsschritt.
Werkzeugbau und Prozesssteuerung
Die Werkzeugauswahl und die Bearbeitungsparameter wirken sich unmittelbar sowohl auf die Produktivität als auch auf die Sicherheit aus.
Scharfe Schneidwerkzeuge können unnötige Reibung und Wärmeentwicklung verringern. Die geeigneten Vorschübe, Drehzahlen, Schnitttiefen und Werkzeugwege sollten entsprechend der Legierung und der Maschine festgelegt werden.
Bei der Prozesssteuerung sollte außerdem Folgendes berücksichtigt werden:
- Werkzeugverschleiß
- Spindeldrehzahl
- Vorschubgeschwindigkeit
- Schnitttiefe
- Chipdicke
- Werkzeugkontakt
- Werkstückspannung
- Chip-Entnahme
- Maschinentemperatur
Das sicherste Verfahren ist im Allgemeinen eines, das ein vorhersehbares Schneidverhalten gewährleistet und keine übermäßige Reibung, Wärmeentwicklung, Vibration oder unkontrollierte Spanbildung verursacht.
Professionelle CNC-Bearbeitung von Magnesium
Die professionelle Bearbeitung von Magnesium erfordert mehr, als nur einen Magnesiumrohling in eine CNC-Maschine einzulegen.
Ein kompetenter Hersteller sollte über Folgendes verfügen:
- Geeignete CNC-Anlagen
- Spezifisches Fachwissen zur Bearbeitung von Magnesium
- Gesteuerte Schnittparameter
- Geeignete Werkzeuge
- Effizientes Chip-Management
- Brandschutzmaßnahmen
- Ortsübliche Reinigungspraktiken
- Dimensionsprüfung
- Rückverfolgbarkeit der Materialien, sofern erforderlich
Für Kunden, die maßgefertigte Magnesiumteile bestellen, sind diese Prozesskontrollen besonders wichtig, da Leichtbaukomponenten häufig dünne Wandstärken, komplexe Geometrien und enge Maßvorgaben vereinen.
Ziel ist es, eine reproduzierbare Fertigung zu erreichen und gleichzeitig die spezifischen Risiken im Zusammenhang mit der Magnesiumbearbeitung zu kontrollieren.
So wählen Sie die richtige Magnesiumlegierung aus
Bei der Auswahl einer Magnesiumlegierung sollte man von den tatsächlichen Betriebsanforderungen des Bauteils ausgehen und nicht einfach von der am häufigsten erhältlichen Sorte.
Berücksichtigen Sie vor der Auswahl der Legierung die erforderlichen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Gewicht, Duktilität, Temperatur, Korrosionsbeständigkeit, Herstellungsverfahren und Kosten.
| Anforderung | Empfohlene Magnesiumlegierungsfamilien | Typische Überlegungen |
|---|---|---|
| Allgemeine Leichtbau-Bauteile | AZ-Serie | Ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Gewicht, Bearbeitbarkeit und Kosten |
| Schmiedeblech und bearbeitete Bauteile | AZ31B | Eine gute Wahl für leichte Formteile oder bearbeitete Bauteile |
| Hochfeste Schmiedeteile | AZ61A / AZ80A | Höhere Festigkeit als AZ31B, mit anderem Umform- und Zerspanungsverhalten |
| Komplexe Gussgehäuse | AZ91D | Eine ausgezeichnete Wahl für viele Magnesiumgussteile |
| Hohe Duktilität und Schlagzähigkeit | AM50A / AM60B | Besonders geeignet für sicherheitsrelevante Bauteile im Automobilbereich |
| Komponenten für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen | AS21 / AS41B | Verbesserte Kriechfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Mg-Al-Legierungen |
| Anwendungen im Antriebsstrang bei höheren Temperaturen | AE42 / AE44 | Bessere Stabilität bei erhöhten Temperaturen |
| Hochfeste Schmiedeteile | ZK60 / ZK51 | Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht |
| Hochleistungskomponenten für die Luft- und Raumfahrt | WE43 / WE54 | Hervorragende Hochtemperatur- und Kriechfestigkeit, jedoch höhere Materialkosten |
| Maximale Gewichtsreduzierung | LZ91 / LZ141 | Extrem geringe Dichte, mit größeren Einschränkungen bei der Anwendung |
| Korrosionsanfällige Teile mit mittlerer Belastung | MB-Serie | Gute Korrosionsbeständigkeit bei moderaten mechanischen Eigenschaften |
Ein praktischer Leitfaden zur Materialauswahl
Bei einem neuen Magnesiumbauteil lässt sich der Auswahlprozess wie folgt vereinfachen:
1. Die Betriebsumgebung definieren
Ermitteln Sie die Belastung, die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Korrosionsbelastung, die Vibrationen und die voraussichtliche Lebensdauer.
2. Das Gewichtsziel festlegen
Ermitteln Sie, in welchem Umfang eine Gewichtsreduzierung tatsächlich erforderlich ist und ob Magnesium gegenüber Aluminium oder anderen in Frage kommenden Werkstoffen einen nennenswerten Vorteil bietet.
3. Wählen Sie die gewünschte mechanische Leistung aus
Vergleichen Sie Zugfestigkeit, Streckgrenze, Ermüdungsverhalten, Härte, Steifigkeit und Duktilität.
4. Die Legierung auf das Herstellungsverfahren abstimmen
Eine Gusslegierung sollte nicht automatisch für ein geschmiedetes oder bearbeitetes Bauteil ausgewählt werden. Die Legierung muss mit dem vorgesehenen Fertigungsverfahren kompatibel sein.
5. Bearbeitungsanforderungen berücksichtigen
Bei der präzisen CNC-Bearbeitung von Magnesium sind die Zerspanbarkeit, die Wandstärke, die Toleranzen, die Oberflächengüte und die Nachbehandlung zu berücksichtigen.
6. Bewertung von Korrosion und Oberflächenschutz
Soll das Bauteil in einer korrosiven Umgebung eingesetzt werden oder mit unterschiedlichen Metallen in Kontakt kommen, können die Oberflächenbehandlung und der Schutz vor galvanischer Korrosion unerlässlich sein.
7. Produktionsvolumen und Kosten berücksichtigen
Für Prototypen und kundenspezifische Magnesiumteile in kleinen Stückzahlen empfiehlt sich möglicherweise die CNC-Bearbeitung, während bei der Großserienfertigung der Guss oder andere spezielle Fertigungsverfahren sinnvoll sein können.
Die richtige Magnesiumlegierung ist letztendlich diejenige, die für das jeweilige Bauteil das beste Gleichgewicht zwischen Gewicht, mechanischer Leistungsfähigkeit, Fertigungsfreundlichkeit, Haltbarkeit und Gesamtproduktionskosten bietet.
Konstruktionshinweise für Magnesiumteile
Die Konstruktion von Magnesiumbauteilen erfordert mehr als nur den Ersatz von Aluminium oder Stahl durch ein leichteres Material. Wandstärke, Geometrie der Struktur, Befestigung, Korrosionsschutz, Oberflächenbehandlung und Bearbeitungsstrategie beeinflussen die endgültige Leistungsfähigkeit und die Herstellbarkeit eines Magnesiumbauteils.
Bei der Konstruktion von Magnesiumbauteilen sollte die geringe Dichte des Werkstoffs genutzt werden, wobei gleichzeitig dessen geringere Steifigkeit, Korrosionsanfälligkeit, thermisches Verhalten und Bearbeitungsanforderungen zu berücksichtigen sind.
Wanddicke
Die Wandstärke sollte unter Berücksichtigung der Legierung, des Herstellungsverfahrens, der Bauteilgröße, der strukturellen Belastung und der erforderlichen Steifigkeit gewählt werden.
Bei dünnwandigen Magnesiumgehäusen führt eine zu große Wandstärke zu unnötigem Gewicht, während zu dünne Wände Verformungen, Vibrationen oder Instabilität bei der Bearbeitung zur Folge haben können.
Bei CNC-gefrästen Magnesiumteilen kann die Beibehaltung einer möglichst gleichmäßigen Wandstärke ebenfalls dazu beitragen, Verformungen zu verringern und die Maßhaltigkeit zu verbessern.
Konstruktionsprinzip: Verwenden Sie die geringste praktikable Wandstärke, die die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit gewährleistet, anstatt das Bauteil einfach nur dicker zu gestalten.
Rippen- und Vorsprungsdesign
Rippen und Vorsprünge können die lokale Steifigkeit erhöhen und Befestigungspunkte bieten, ohne das Gesamtmaterialvolumen wesentlich zu vergrößern.
Bei leichten Magnesiumgehäusen können strategisch angeordnete Versteifungsrippen den relativ niedrigen Elastizitätsmodul des Werkstoffs ausgleichen und verhindern, dass sich große, ebene Flächen verbiegen.
Die Auskragungen sollten mit ausreichend umgebendem Material und geeigneten Übergängen gestaltet werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
Vermeiden Sie unnötig dicke Ansätze oder starke Rippenkreuzungen, insbesondere bei Magnesiumgussteilen, bei denen eine ungleichmäßige Materialverteilung auch die Erstarrung und die Maßhaltigkeit beeinträchtigen kann.
Konstruktionsprinzip: Verwenden Sie Versteifungsrippen und Vorsprünge, um die Steifigkeit an bestimmten Stellen zu erhöhen, anstatt die Wandstärke des gesamten Bauteils zu vergrößern.
Fugen und Ecken
Scharfe Innenecken können Spannungskonzentrationen verursachen und die Bearbeitung erschweren.
Das Hinzufügen geeigneter Verrundungen trägt zur Lastverteilung bei und verbessert die Zugänglichkeit für die Werkzeuge bei der CNC-Bearbeitung von Magnesium. Größere Innenradien können zudem abrupte Änderungen der Querschnittsdicke verringern und die Fertigungsfreundlichkeit von Gehäusen, Halterungen und Strukturbauteilen verbessern.
Bei der CNC-Bearbeitung sollte der gewählte Radius auch den Durchmesser des Schneidwerkzeugs und die erforderliche Bearbeitungstiefe berücksichtigen.
Konstruktionsprinzip: Vermeiden Sie unnötige scharfe Innenecken und verwenden Sie praktische Verrundungen, die sowohl die statische Festigkeit als auch den Zugang für Werkzeuge gewährleisten.
Gewinde- und Befestigungselementkonstruktion
Gewinde aus Magnesium erfordern eine sorgfältige Abwägung, da das Material weicher als Stahl ist und bei wiederholter Montage anfällig für Gewindeschäden oder Verschleiß sein kann.
Bei häufig montierten Bauteilen sollten Konstrukteure Folgendes berücksichtigen:
- Größerer Gewindeeingriff
- Gegebenenfalls gröbere Gewinde
- Gewindeeinsätze
- Gehärtete Einsätze oder Buchsen
- Korrekte Drehmomentregelung
- Korrosionsbeständige Befestigungselemente
Die Auswahl der Befestigungselemente ist ebenfalls wichtig, da der direkte Kontakt zwischen Magnesium und anderen Metallen in Gegenwart eines Elektrolyten zu galvanischer Korrosion führen kann.
Gewindeeinsätze können bei Anwendungen, bei denen wiederholt ein- und ausgebaut wird, eine langlebigere Verbindung bieten.
Korrosionsschutz
Magnesium ist relativ elektrochemisch aktiv, daher sollte der Korrosionsschutz bereits in der ersten Konstruktionsphase berücksichtigt werden und nicht erst nach der Bearbeitung hinzugefügt werden.
Die Konstruktion sollte Umstände minimieren, unter denen Feuchtigkeit oder Verunreinigungen an der Magnesiumoberfläche haften bleiben können.
Zu den wichtigen Aspekten gehören:
- Vermeidung unnötiger Wasseransammlungen
- Schaffung geeigneter Entwässerungswege
- Schutz freiliegender bearbeiteter Oberflächen
- Kontrolle des Kontakts zwischen unterschiedlichen Metallen
- Auswahl kompatibler Befestigungselemente
- Festlegung einer geeigneten Oberflächenbehandlung
Bei Baugruppen ist der Schutz vor galvanischer Korrosion besonders wichtig, wenn Magnesium mit Aluminium, Stahl, Kupfer oder anderen leitfähigen Werkstoffen verbunden wird.
Oberflächenveredelung
Die Oberflächenveredelung von Magnesiumbauteilen dient nicht nur ästhetischen Zwecken. Eine geeignete Oberflächenbehandlung kann die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit, das Erscheinungsbild und die langfristige Umweltbeständigkeit verbessern.
Die geeignete Behandlung hängt ab von:
- Legierungssorte
- Betriebsumgebung
- Erforderliche Anwesenheit
- Verschleißzustände
- Elektrische Anforderungen
- Kontakt mit anderen Materialien
- Produktionsvolumen
So kann beispielsweise ein Elektronikgehäuse eine Kombination aus Konversionsbeschichtung und Lackierung erfordern, während ein präzisionsmechanisches Bauteil möglicherweise eine speziellere Schutzbehandlung benötigt.
Überlegungen zur CNC-Bearbeitung
Magnesium gilt allgemein als sehr gut zerspanbar, doch die Bearbeitung von Magnesium erfordert kontrollierte Schnittbedingungen und ein geeignetes Spänemanagement.
Konstrukteure sollten vor Produktionsbeginn die Zugänglichkeit für Werkzeuge, die Werkstückspannung, die Wandsteifigkeit, die Innenradien und den Spanabtransport berücksichtigen.
Zu den wichtigen Aspekten gehören:
- Vermeidung unnötig dünner, nicht abgestützter Wände
- Sicherstellung eines ausreichenden Werkzeugabstands
- Auslegung praktischer Innenradien
- Tiefe, schmale Taschen nach Möglichkeit minimieren
- Bereitstellung zuverlässiger Aufspannflächen
- Berücksichtigung der Bearbeitungsreihenfolge und der Werkstückverformung
- Ermöglicht einen effektiven Spanabtransport
Ebenso wichtig ist die Sicherheit bei der Bearbeitung. Magnesiumspäne und Feinstaub können sich unter ungeeigneten Bedingungen entzünden; daher sollten in der Produktion geeignete Werkzeuge, Schnittparameter, Aufräummaßnahmen und Brandschutzvorkehrungen zum Einsatz kommen.
Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz von Magnesium
Magnesiumteile müssen häufig einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, da unbehandeltes Magnesium insbesondere in feuchten, salzhaltigen oder chemisch aggressiven Umgebungen korrosionsanfällig sein kann.
Durch Oberflächenbehandlungen lässt sich eine Schutzschicht zwischen dem Magnesiumsubstrat und seiner Betriebsumgebung schaffen, während gleichzeitig das Erscheinungsbild, die Verschleißfestigkeit oder die Verträglichkeit mit anderen Werkstoffen verbessert werden.
Die richtige Behandlung hängt von der Legierung und dem Anwendungszweck ab; es gibt keine allgemeingültige Veredelungsmethode.
12.1 Eloxieren
Durch das Eloxieren entsteht eine kontrollierte schützende Oxidschicht auf der Magnesiumoberfläche, wodurch die Korrosions- und Verschleißfestigkeit verbessert werden kann.
Magnesiumspezifische Eloxalverfahren unterscheiden sich von herkömmlichen Aluminium-Eloxalverfahren, da Magnesium ein anderes elektrochemisches Verhalten aufweist und eine entsprechende Prozesschemie erfordert.
Eloxiertes Magnesium kann für Bauteile nützlich sein, bei denen Korrosionsschutz, Oberflächenbeständigkeit und Maßhaltigkeit eine wichtige Rolle spielen.
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Präzisionsgehäuse
- Elektronische Bauteile
- Leichte mechanische Bauteile
- Kfz-Bauteile
- Luft- und Raumfahrtkomponenten
12.2 Konversionsbeschichtungen
Konversionsbeschichtungen verändern die Magnesiumoberfläche chemisch, um eine dünne Schutzschicht zu bilden.
Sie werden häufig als korrosionsbeständige Grundierung oder Vorbehandlung für die anschließende Lackierung verwendet, insbesondere wenn das fertige Bauteil zusätzlichen Schutz vor Umwelteinflüssen benötigt.
Zu den Vorteilen gehören:
- Geringe Schichtdicke
- Gute Abdeckung komplexer Oberflächen
- Verbesserte Korrosionsbeständigkeit
- Gute Grundlage für den Anstrich
- Minimale Auswirkungen auf die Abmessungen
Konversionsbeschichtungen können daher bei Präzisionsteilen aus Magnesium sinnvoll sein, bei denen eine dicke Beschichtung die Maße oder Montagetoleranzen beeinträchtigen könnte.
12.3 Lackieren und Pulverbeschichtung
Lackierung und Pulverbeschichtung bilden eine physikalische Barriere zwischen Magnesium und der äußeren Umgebung.
Diese Oberflächenbehandlungen sind besonders dann sinnvoll, wenn Bauteile sowohl Korrosionsschutz als auch ein bestimmtes Erscheinungsbild erfordern.
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Kfz-Bauteile
- Gehäuse für Industrieanlagen
- Gehäuse für Elektrowerkzeuge
- Elektrogehäuse
- Konsumgüter
Bei Magnesium ist die Oberflächenvorbereitung von entscheidender Bedeutung. Der Untergrund muss in der Regel entsprechend vorbehandelt werden, bevor das Lack- oder Pulverbeschichtungssystem aufgetragen wird, um eine zuverlässige Haftung und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.
12.4 Galvanisieren
Durch die Beschichtung können Magnesiumteile eine zusätzliche Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder ein bestimmtes Oberflächenaussehen erhalten.
Da Magnesium sehr reaktiv ist, erfordert die Beschichtung in der Regel eine sorgfältige Vorbehandlung und eine geeignete Zwischenschicht, bevor das endgültige Beschichtungssystem aufgetragen wird.
Je nach Anwendungsfall kann beschichtetes Magnesium in Betracht gezogen werden, wenn das Bauteil folgende Anforderungen erfüllt:
- Verbesserte Verschleißfestigkeit
- Verbesserter Korrosionsschutz
- Elektrische Leitfähigkeit
- Dekoratives Erscheinungsbild
- Kompatibilität mit anderen Komponenten
Die Beschichtung ist besonders empfindlich gegenüber der Oberflächenvorbereitung, daher sollte das gewählte Verfahren mit der jeweiligen Magnesiumlegierung und der Einsatzumgebung kompatibel sein.
12.5 Warum Magnesiumteile einen Oberflächenschutz benötigen
Die Notwendigkeit eines Oberflächenschutzes ergibt sich in erster Linie aus der hohen chemischen Reaktivität von Magnesium und seiner Anfälligkeit für galvanische Korrosion.
Unbeschichtetes Magnesium korrodiert leichter als Werkstoffe wie Edelstahl oder viele Aluminiumlegierungen, wenn es Feuchtigkeit, Salzen, Chemikalien oder ungünstigen galvanischen Paaren ausgesetzt ist.
Ein Oberflächenschutz hilft:
Korrosion reduzieren → Lebensdauer verlängern → Maßhaltigkeit gewährleisten → Optik verbessern → Schnittstellen und Baugruppen schützen
Der Schutz ist besonders wichtig, wenn Magnesiumteile folgenden Einflüssen ausgesetzt sind:
- Luftfeuchtigkeit und Wasser
- Streusalz
- Meeresumwelten
- Industriechemikalien
- Außenbedingungen
- Baugruppen aus unterschiedlichen Metallen
Die Schutzstrategie sollte daher im Rahmen der Gesamtkonstruktion der Bauteile festgelegt werden. Materialauswahl, Geometrie, Befestigungselemente, Oberflächenbehandlung und Betriebsumgebung müssen aufeinander abgestimmt sein.
Bei präzisionsgefertigten Magnesium-Sonderteilen ist das beste Oberflächenbehandlungsverfahren nicht unbedingt das aggressivste. Das Ziel besteht darin, eine Behandlung zu wählen, die die erforderlichen Korrosions- und Oberflächeneigenschaften gewährleistet und gleichzeitig kritische Maße, Toleranzen, das Erscheinungsbild und die Montagefunktionalität bewahrt.
Häufig gestellte Fragen zu Magnesiumlegierungen
Es gibt keine Magnesiumlegierung, die pauschal als die "härteste" bezeichnet werden kann. Die Härte hängt von der Legierungszusammensetzung, dem Verarbeitungsverfahren, der Wärmebehandlung und dem Materialzustand ab.
Unter den handelsüblichen Legierungen bieten hochfeste Systeme wie die Legierungen der ZK- und WE-Serien eine deutlich höhere mechanische Leistungsfähigkeit als Allzwecklegierungen, während bestimmte AZ-Legierungen wie AZ91D im Vergleich zu duktileren Magnesiumlegierungen ebenfalls eine relativ hohe Härte aufweisen.
Bei der Werkstoffauswahl sollten die Härte zusammen mit der Zugfestigkeit, der Streckgrenze, der Duktilität, dem Ermüdungsverhalten und der Betriebstemperatur bewertet werden.
Legierungen der AZ-Serie gehören zu den am häufigsten verwendeten Magnesiumlegierungen, insbesondere AZ31B und AZ91D.
- AZ31B: Wird häufig als geschmiedete Magnesiumlegierung für Bleche, Platten, Strangpressprofile und bearbeitete Bauteile verwendet.
- AZ91D: Eine der am häufigsten verwendeten Magnesiumgusslegierungen, insbesondere für Gehäuse und komplexe Leichtbaukomponenten.
Die am besten geeignete Güteklasse hängt davon ab, ob das Bauteil gegossen, geschmiedet, stranggepresst, umgeformt oder CNC-bearbeitet ist.
Magnesiumlegierungen kommen vor allem dort zum Einsatz, wo geringes Gewicht, ausreichende mechanische Eigenschaften, Schwingungsdämpfung, Wärmeleitfähigkeit oder elektromagnetische Abschirmung eine wichtige Rolle spielen.
Typische Anwendungsgebiete sind:
- Komponenten für Kraftfahrzeuge und Elektrofahrzeuge
- Laptop- und Kameragehäuse
- Elektrogehäuse
- Luft- und Raumfahrt sowie Flugzeugkomponenten
- Robotik und Drohnenkonstruktionen
- Fahrrad- und Motorradkomponenten
- Gehäuse für Elektrowerkzeuge
- Industrieanlagen
- Ausgewählte medizinische und biologisch abbaubare Komponenten
Die jeweilige Legierung wird entsprechend den mechanischen, umgebungsbedingten, thermischen und fertigungstechnischen Anforderungen des Bauteils ausgewählt.
Ja. Magnesiumlegierungen lassen sich mittels CNC-Bearbeitung zu Präzisionsbauteilen verarbeiten, darunter Gehäuse, Halterungen, Abdeckungen, Strukturteile, Motorkomponenten und andere kundenspezifische Magnesiumteile.
Mit CNC-Fräsen und -Drehen lassen sich komplexe Geometrien und enge Maßtoleranzen realisieren, doch muss der Bearbeitungsprozess speziell auf Magnesium ausgelegt sein, um die Wärmeentwicklung, die Spanansammlung und die Brandgefahr zu kontrollieren.
Ja, Magnesium gilt aufgrund seiner relativ geringen Härte und Zerspanungsbeständigkeit allgemein als gut zerspanbar. Bei Verwendung geeigneter Werkzeuge und Schnittparameter ermöglicht es einen effizienten Materialabtrag und eine gute Oberflächenqualität.
Die einfache Bearbeitbarkeit hebt jedoch die Sicherheitsanforderungen nicht auf. Die Bearbeitung von Magnesium erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Spänen, Wärme, Staub, Werkzeugen, Schnittbedingungen und der Arbeitsumgebung.
Zu den größten Nachteilen zählen:
- Geringere absolute Festigkeit und Steifigkeit als bei einigen Konstruktionsmetallen
- Höhere Korrosionsanfälligkeit als viele herkömmliche Konstruktionswerkstoffe
- Mögliche Brandgefahren durch feine Späne und Staub bei der Bearbeitung
- Bei einigen gängigen Sorten ist die Hochtemperaturbeständigkeit eingeschränkt
- Zusätzliche Anforderungen an den Oberflächenschutz
- Mögliche galvanische Korrosion bei Kombination mit unterschiedlichen Metallen
- Höhere Material- oder Veredelungskosten bei einigen Spezialgüten
Diese Einschränkungen stehen einer erfolgreichen Verwendung von Magnesium nicht im Wege; sie bedeuten lediglich, dass die Wahl der Legierung, die Konstruktion der Bauteile, die Fertigung und der Oberflächenschutz gemeinsam berücksichtigt werden müssen.
Ja, ordnungsgemäß konstruierte und gefertigte Magnesiumfelgen können für ihren vorgesehenen Einsatzzweck sicher sein. Magnesiumfelgen werden in leistungsorientierten Fahrzeugen eingesetzt, da ihre geringe Dichte die ungefederte Masse und die Rotationsmasse reduzieren kann.
Allerdings erfordern sie eine geeignete Legierungsauswahl, hohe Fertigungsqualität, strukturelle Validierung, Oberflächenschutz und Wartung. Korrosion und schwere Aufprallschäden erfordern besondere Aufmerksamkeit, da sie die langfristige strukturelle Integrität beeinträchtigen können.
Bei sicherheitskritischen Rädern sollten die jeweiligen Anforderungen an das Fahrzeug, das Rad und die gesetzlichen Vorschriften stets Vorrang vor dem Gewichtsvorteil des Werkstoffs haben.
Magnesiumlegierungen können teurer sein als gängige Aluminiumlegierungen, wobei die Gesamtkosten der Bauteile von der Legierungssorte, der Materialform, dem Herstellungsverfahren, dem Produktionsvolumen, den Anforderungen an die Bearbeitung und der Oberflächenveredelung abhängen.
Gängige Legierungen der AZ-Serie sind für die Serienfertigung in der Regel praktischer als spezielle Seltenerdlegierungen wie beispielsweise WE43.
Bei einem CNC-gefrästen Magnesiumbauteil werden die Gesamtkosten durch folgende Faktoren beeinflusst:
- Werkstoffgüte und Verfügbarkeit
- Abmessungen und Gewicht des Bauteils
- Komplexität der Bearbeitung
- Toleranzen
- Produktionsmenge
- Oberflächenveredelung
- Anforderungen an die Inspektion
- Verpackung und Korrosionsschutz
Bei Prototypen und kundenspezifischen Magnesiumteilen ermöglicht die Bereitstellung eines 3D-CAD-Modells, einer Zeichnung, einer Materialspezifikation, der Stückzahl sowie der Toleranz- und Oberflächenanforderungen dem Hersteller, das Projekt zu bewerten und ein genaueres Angebot zu erstellen.
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