Magnesium is een van de lichtste constructiemetalen die in de moderne techniek worden gebruikt. Dankzij de lage dichtheid, de hoge specifieke sterkte, de uitstekende trillingsdemping, de goede warmtegeleiding en de goede bewerkbaarheid is het een aantrekkelijke keuze voor toepassingen waarbij gewichtsvermindering even belangrijk is als het behoud van de mechanische prestaties.
Zuiver magnesium heeft een relatief beperkte sterkte en hardheid voor veeleisende constructietoepassingen; daarom wordt in de meeste technische producten gebruikgemaakt van magnesiumlegeringen in plaats van zuiver magnesium. Door elementen zoals aluminium, zink, mangaan, zirkonium, lithium en zeldzame aardmetalen toe te voegen, kunnen ingenieurs magnesiumlegeringen op maat samenstellen voor een hogere sterkte, verbeterde vervormbaarheid, betere kruipweerstand, corrosiebestendigheid of prestaties bij hoge temperaturen.
Tegenwoordig worden magnesiumlegeringen gebruikt in auto-onderdelen, consumentenelektronica, lucht- en ruimtevaartapparatuur, robotica, fietsen en motorfietsen, industriële machines en bepaalde medische toepassingen. Ze kunnen worden gegoten, gesmeed, geëxtrudeerd, gevormd en met CNC-machines bewerkt tot lichtgewicht onderdelen, variërend van dunne elektronische behuizingen tot precisiemechanische onderdelen.
In deze handleiding wordt uitgelegd wat magnesium is, hoe magnesiumlegeringen zijn ontstaan, wat hun belangrijkste eigenschappen zijn, welke legeringssystemen er veel worden gebruikt, wat de voordelen en beperkingen zijn, waarvoor ze worden toegepast, welke productiemethoden er zijn en waar men rekening mee moet houden bij de bewerking van magnesium.
Wat is magnesium en waarvoor wordt het gebruikt?
Wat is magnesium?
Magnesium is een lichtgewicht metaal met het chemische symbool Mg en atoomnummer 12. Met een dichtheid van ongeveer 1,74 g/cm³ is het aanzienlijk lichter dan aluminium, titanium en staal, waardoor het een van de belangrijkste metalen is voor gewichtsgevoelige technische toepassingen.
Magnesium heeft bij kamertemperatuur een hexagonaal dichtgepakt kristalrooster en een relatief lage absolute sterkte in vergelijking met veel gangbare constructiemetalen. De technische waarde ervan ligt daarom niet zozeer in een uitzonderlijke intrinsieke sterkte, maar veeleer in de combinatie van een lage dichtheid, bruikbare mechanische eigenschappen, goede bewerkbaarheid, trillingsdemping, thermische prestaties en elektromagnetische afscherming.
Commercieel magnesium wordt zelden in zuivere vorm gebruikt voor constructieonderdelen. In plaats daarvan worden legeringselementen toegevoegd om de mechanische en fysische eigenschappen ervan aan te passen. De resulterende magnesiumlegeringen kunnen worden ontworpen voor zeer uiteenlopende toepassingen, variërend van lichtgewicht onderdelen die gemakkelijk te bewerken zijn tot zeer sterke onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart die bij hoge temperaturen kunnen functioneren.
Magnesium kan via verschillende productiemethoden worden verwerkt, waaronder gieten, extrusie, walsen, smeden, plaatbewerking en CNC-bewerking. Welke werkwijze het meest geschikt is, hangt af van de legering, de geometrie van het onderdeel, de vereiste mechanische eigenschappen, het productievolume en de maatvoeringseisen.
Zuiver magnesium versus magnesiumlegeringen
Zuiver magnesium is licht van gewicht en relatief eenvoudig te bewerken, maar de mechanische eigenschappen ervan zijn over het algemeen onvoldoende voor de meest veeleisende constructietoepassingen. Door legering wordt de bruikbaarheid ervan als constructiemateriaal aanzienlijk verbeterd.
Elementen zoals aluminium en zink kunnen de sterkte en hardheid verhogen, terwijl mangaan de corrosiebestendigheid kan verbeteren. Zirkonium wordt in sommige hoogsterke gesmede legeringen gebruikt om de korrelstructuur te verfijnen, terwijl zeldzame-aardmetalen de sterkte bij hoge temperaturen en de kruipweerstand kunnen verbeteren. Lithium kan de dichtheid nog verder verlagen.
Dit verklaart waarom magnesiumlegeringen over het algemeen harder en sterker zijn dan zuiver magnesium. Door legering verandert de microstructuur van magnesium, wat kan leiden tot versterking door vaste-oplossing, versterking door neerslag, korrelverfijning of andere versterkingsmechanismen. Bewerkingsprocessen zoals extrusie, smeden, walsen en warmtebehandeling kunnen de uiteindelijke eigenschappen verder beïnvloeden.
Het verschil kan als volgt worden samengevat:
| Materiaal | Algemene kenmerken |
|---|---|
| Zuiver magnesium | Zeer licht van gewicht, relatief zacht, beperkte structurele sterkte |
| Magnesiumlegeringen | Hogere sterkte en hardheid met toepassingsspecifieke mechanische eigenschappen |
| Hoogwaardige magnesiumlegeringen | Verbeterde sterkte, kruipbestendigheid, corrosiebestendigheid of temperatuurbestendigheid |
De specifieke prestaties van een magnesiumlegering hangen sterk af van de samenstelling en de bewerkingsomstandigheden. Om deze reden mogen AZ31B, AZ61A, AZ91D, AM60B, ZK60 en WE43 niet als onderling uitwisselbare materialen worden beschouwd, ook al behoren ze allemaal tot de familie van magnesiumlegeringen.
Waarom zijn magnesiumlegeringen belangrijk voor lichtgewichtontwerp?
De belangrijkste reden waarom ingenieurs voor magnesiumlegeringen kiezen, is simpel: hiermee kunnen ze het gewicht van onderdelen verminderen zonder dat de constructie van het onderdeel volledig hoeft te worden aangepast.
De dichtheid van magnesium bedraagt slechts ongeveer een kwart van die van staal en is lager dan die van aluminium. Wanneer een onderdeel zodanig kan worden herontworpen dat van dit dichtheidsverschil wordt geprofiteerd, kan de daaruit voortvloeiende gewichtsbesparing aanzienlijk zijn.
Lichtgewicht magnesiumonderdelen kunnen verschillende technische voordelen bieden:
- Lagere voertuigmassa: Een lager gewicht van de onderdelen kan bijdragen aan een lager brandstofverbruik en een grotere actieradius van elektrische voertuigen.
- Lagere bewegingsinertie: Lichtgewicht robotarmen, scharnieren, motorbehuizingen en andere bewegende onderdelen hebben minder energie nodig om te versnellen en af te remmen.
- Verbeterde draagbaarheid: Laptops, camera’s, elektrisch gereedschap en draagbare apparatuur kunnen lichter worden zonder volledig op kunststoffen te hoeven vertrouwen.
- Hogere efficiëntie van het laadvermogen: Gewichtsbesparingen in vliegtuigen, drones en andere luchtvaartsystemen kunnen worden omgezet in extra laadvermogen of vliegduur.
- Minder trillingen: Het sterke dempingsvermogen van magnesium kan helpen bij het verminderen van mechanische trillingen en geluid.
- Compacte, lichtgewicht constructies: Dankzij de goede gietbaarheid en bewerkbaarheid kunnen ingenieurs verschillende elementen integreren in lichtgewicht behuizingen en beugels.
Het belangrijkste voordeel is dan ook niet alleen dat magnesium "licht" is. Het is veeleer dat de lage dichtheid kan worden gecombineerd met goede mechanische eigenschappen en een breed scala aan productieprocessen. Deze combinatie maakt magnesium bijzonder aantrekkelijk voor onderdelen waarbij elke gram telt.
Ontwikkeling van magnesiumlegeringen
De ontwikkeling van magnesiumlegeringen is grotendeels ingegeven door de noodzaak om de beperkingen van zuiver magnesium te overwinnen en tegelijkertijd de uitzonderlijke lichtgewicht-eigenschappen ervan te behouden.
In het begin waren de toepassingen vooral gericht op het verminderen van het gewicht. Naarmate de technische eisen strenger werden, verschoof de ontwikkeling van legeringen naar het verbeteren van de sterkte, de ductiliteit, de corrosiebestendigheid, de kruipweerstand, de bewerkbaarheid en de prestaties bij hoge temperaturen.
De vroege ontwikkeling van magnesiumlegeringen
De industriële ontwikkeling van magnesium kwam in het begin van de 20e eeuw in een stroomversnelling toen ingenieurs het potentieel ervan als ultralicht constructiemetaal begonnen te onderzoeken.
De vroege toepassingen van magnesium werden beperkt door de relatief lage sterkte, de gevoeligheid voor corrosie en de problemen bij de verwerking en het verbinden van het materiaal. Niettemin maakte de uitzonderlijk lage dichtheid van het materiaal het aantrekkelijk voor vliegtuigonderdelen, transportmiddelen en andere toepassingen waarbij gewichtsbesparing een belangrijk prestatievoordeel opleverde.
Naarmate de productie- en legeringsontwikkelingstechnologieën verbeterden, begon magnesium ook buiten gespecialiseerde toepassingen zijn intrede te doen. Onderzoekers ontdekten dat relatief kleine toevoegingen van legeringselementen het mechanische gedrag van magnesium aanzienlijk konden veranderen.
Aluminium, zink, mangaan en andere elementen werden bijzonder belangrijk omdat ze de sterkte, hardheid, vervormbaarheid, corrosiebestendigheid en gietbaarheid konden verbeteren, terwijl het voordeel van het lichte gewicht van magnesium grotendeels behouden bleef.
In deze periode werd de basis gelegd voor de AZ-, AM- en andere commerciële magnesiumlegeringsfamilies die tegenwoordig worden gebruikt.
Ontwikkeling van commerciële magnesiumlegeringen
Commerciële magnesiumlegeringen die zijn ontwikkeld op basis van verschillende combinaties van legeringselementen en productieprocessen.
De Mg-Al-Zn (AZ)-familie is uitgegroeid tot een van de meest gebruikte groepen, omdat deze een goed evenwicht biedt tussen sterkte, bewerkbaarheid, kosten en produceerbaarheid. Legeringen zoals AZ31B, AZ61A en AZ91D zijn inmiddels gangbare keuzes voor lichtgewicht constructiedelen, behuizingen, auto-onderdelen en elektronische apparatuur.
Bij de ontwikkeling van de Mg-Al-Mn (AM)-serie lag de nadruk vooral op ductiliteit en slagvastheid. Zo zijn AM50A en AM60B bijvoorbeeld van groot belang geworden voor auto-onderdelen waarbij taaiheid en vervormingsgedrag van cruciaal belang zijn.
Voor meer gespecialiseerde toepassingen werden andere legeringssystemen ontwikkeld:
- Mg-Al-Si (AS): Verbeterde kruipweerstand bij verhoogde temperaturen.
- Mg-Al-zeldzame aardmetalen (AE): Betere sterkte bij hoge temperaturen en betere kruipweerstand.
- Mg-Zn-Zr (ZK): Hoge sterkte, met name bij gesmede producten.
- Mg-zeldzame aardmetalen-Y (WE): Hoogwaardige eigenschappen voor veeleisende toepassingen.
- Mg-Li (LZ): Zeer lage dichtheid voor toepassingen waarbij maximale gewichtsbesparing voorop staat.
- Mg-Mn (MB): Verbeterde corrosiebestendigheid voor bepaalde toepassingen.
Naast de ontwikkeling van legeringen maakte ook de productietechnologie een ontwikkeling door. Dankzij spuitgieten konden complexe magnesiumbehuizingen en auto-onderdelen op kostenefficiënte wijze worden geproduceerd, terwijl door middel van extrusie, walsen en smeden hoogwaardige bewerkte producten konden worden vervaardigd.
Daardoor zijn magnesiumlegeringen uitgegroeid van een relatief nichemateriaal voor lichtgewichttoepassingen tot een bredere familie van technische materialen met eigenschappen die zijn afgestemd op verschillende toepassingen.
Ontwikkeling van hoogwaardige magnesiumlegeringen
Bij de ontwikkeling van moderne magnesiumlegeringen ligt de nadruk op het wegwerken van de beperkingen die in het verleden een bredere toepassing in de weg stonden.
Een belangrijke doelstelling is het bereiken van een hogere sterkte zonder de dichtheid aanzienlijk te verhogen. Om de mechanische eigenschappen te verbeteren, wordt gebruikgemaakt van legeringsontwerp, korrelverfijning, precipitatieversterking en geavanceerde thermomechanische bewerkingen.
Een ander belangrijk aandachtspunt is de stabiliteit bij hoge temperaturen. Bij conventionele magnesiumlegeringen kunnen de sterkte en de kruipweerstand afnemen naarmate de temperatuur stijgt, waardoor hun toepassing in de buurt van motoren en andere hete omgevingen beperkt is. Er zijn systemen ontwikkeld die zeldzame aardmetalen bevatten, zoals WE43, WE54, AE42 en AE44, om betere prestaties bij hoge temperaturen te bieden.
Ook corrosiebestendigheid is een belangrijk ontwikkelingsdoel geworden. Dankzij moderne legeringsontwerpen, schonere materiaalverwerking, verbeterde oppervlaktebehandelingen en beschermende coatings kunnen de corrosieproblemen die bij eerdere magnesiumproducten voorkwamen, worden verminderd.
Tegelijkertijd streven fabrikanten naar verbetering op het gebied van:
- Specifieke sterkte
- Ductiliteit
- Kruipweerstand
- Prestaties bij vermoeidheid
- Corrosiebestendigheid
- Stabiliteit bij hoge temperaturen
- Gietbaarheid
- Bewerkbaarheid
- Recyclebaarheid
De ontwikkelingsrichting is dan ook niet langer simpelweg "magnesium sterker maken". In plaats daarvan worden moderne magnesiumlegeringen ontworpen met het oog op specifieke prestatie-eisen, waardoor verschillende legeringsfamilies kunnen worden ingezet voor toepassingen in de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, de elektronica, de robotica en andere geavanceerde toepassingen.
Belangrijkste eigenschappen van magnesiumlegeringen
Magnesiumlegeringen hebben geen eenduidig eigenschappenprofiel. Hun prestaties variëren aanzienlijk, afhankelijk van de samenstelling van de legering, het productieproces, de hardheid, de warmtebehandeling en de productvorm.
Niettemin zijn er een aantal kenmerken die keer op keer verklaren waarom magnesium belangrijk blijft voor lichtgewichtconstructies.
Lage dichtheid en lichtgewicht prestaties
De lage dichtheid is het belangrijkste fysische voordeel van magnesium.
Typische magnesiumlegeringen hebben een dichtheid van ongeveer 1,7–1,9 g/cm³, vergeleken met ongeveer 2,7 g/cm³ voor aluminium, 4,5 g/cm³ voor titanium en ongeveer 7,8 g/cm³ voor staal.
Dit verschil in dichtheid kan leiden tot een aanzienlijke gewichtsbesparing wanneer magnesium in goed ontworpen onderdelen zwaardere materialen vervangt.
Dit voordeel komt vooral goed van pas bij:
- Auto-onderdelen
- EV-systemen
- Vliegtuiguitrusting
- Drones
- Robotica
- Draagbare elektronica
- Elektrisch gereedschap
- Fietsen en motorfietsen
Het vervangen van materialen mag echter niet uitsluitend op basis van de dichtheid plaatsvinden. Ingenieurs moeten ook rekening houden met sterkte, stijfheid, temperatuur, corrosie, vermoeidheid, verbindingsmethoden, het productieproces en de kosten.
Kracht-gewichtsverhouding
Magnesium heeft niet per se de hoogste absolute treksterkte van alle constructiemetalen. Het voordeel ervan ligt in de verhouding tussen mechanische sterkte en materiaaldichtheid.
Dit staat bekend als de specifieke sterkte of de verhouding tussen sterkte en gewicht.
Bij ontwerpen waarbij het gewicht een belangrijke rol speelt, kan een onderdeel van magnesium mogelijk goede mechanische prestaties leveren bij een aanzienlijk lagere massa dan een vergelijkbaar stalen onderdeel.
De werkelijke sterkte hangt sterk af van de legering en de toestand. Zo kunnen een conventionele legering uit de AZ-serie en een legering uit de WE-serie die zeldzame aardmetalen bevat, bijvoorbeeld zeer verschillend mechanisch gedrag vertonen.
Daarom moet bij de keuze van magnesium de nadruk liggen op toepassingsspecifieke prestaties in plaats van op een algemene waarde voor de "sterkte van magnesium".
Voor de lucht- en ruimtevaart, robotica, de automobielindustrie en andere lichtgewicht systemen kan het verminderen van de massa van onderdelen ook secundaire voordelen opleveren. Een lagere massa kan de traagheid verminderen, de versnelling verbeteren, het energieverbruik verlagen of het laadvermogen elders in het systeem vergroten.
Stijfheid en hardheid
Stijfheid en hardheid beschrijven verschillende eigenschappen en mogen niet met elkaar worden verward.
Stijfheid geeft de weerstand van een materiaal tegen elastische vervorming aan en hangt nauw samen met de elasticiteitsmodulus ervan. Magnesium heeft een lagere elasticiteitsmodulus dan staal en titanium, waardoor een magnesiumonderdeel mogelijk een aangepaste geometrie, ribben, wanddikte of structurele versteviging nodig heeft om de gewenste stijfheid te bereiken.
Hardheid daarentegen geeft de weerstand tegen plaatselijke vervorming, indrukking of slijtage aan. Magnesiumlegeringen zijn over het algemeen harder dan zuiver magnesium, maar de hardheid varieert aanzienlijk tussen de verschillende legeringssoorten en verwerkingsomstandigheden.
Legeringselementen en veranderingen in de microstructuur kunnen de hardheid verhogen, terwijl warmtebehandeling en fabricageprocessen deze verder kunnen beïnvloeden.
Om deze reden is er geen eenduidig antwoord op vragen als "Hoe hard is een magnesiumlegering?". AZ31B, AZ61A, AZ91D, AM60B en WE43 hebben verschillende hardheidsbereiken en moeten worden gekozen op basis van de vereiste mechanische eigenschappen.
Bij het ontwerpen van componenten moeten ingenieurs daarom de hardheid, sterkte, stijfheid, vermoeidheidsgedrag en geometrie gezamenlijk beoordelen, in plaats van alleen de hardheid als maatstaf voor de algehele structurele prestaties te gebruiken.
Uitstekende trillingsdemping
Magnesium heeft aanzienlijk betere trillingsdempende eigenschappen dan veel gangbare constructiemetalen.
Wanneer een mechanische constructie trilt, kan een deel van de trillingsenergie in het materiaal worden gedempt. Dankzij zijn dempende eigenschappen is magnesium geschikt voor onderdelen waarbij het beheersen van trillingen en geluid belangrijk is.
Dit onroerend goed is met name geschikt voor:
- Motorbehuizingen
- Versnellingsbakbehuizingen
- Autoconstructies
- Machineonderdelen
- Camerabehuizingen
- Precisieapparatuur
- Robotica-onderdelen
Zo kan een versnellingsbakbehuizing van magnesium bijvoorbeeld niet alleen voor gewichtsbesparing zorgen, maar ook helpen de overdracht van trillingen via de mechanische constructie te verminderen.
Deze combinatie van een lage dichtheid en trillingsdemping is een van de redenen waarom magnesium aantrekkelijk blijft voor toepassingen in de transportsector en de precisiemechanica.
Warmtegeleidingsvermogen
Magnesiumlegeringen hebben een goede warmtegeleiding, waardoor ze warmte effectiever van onderdelen kunnen afvoeren dan veel materialen op basis van polymeren.
Dit maakt magnesium aantrekkelijk voor producten waarbij tegelijkertijd rekening moet worden gehouden met het gewicht, de structurele stijfheid en het warmtebeheer.
Typische toepassingen zijn onder meer:
- Laptopbehuizingen
- Camerabehuizingen
- Constructies voor elektronische apparatuur
- Motorbehuizingen
- Mechanische onderdelen die warmte afvoeren
- Draagbare industriële apparatuur
Magnesium is niet per definitie het beste materiaal voor warmtebeheer bij elke toepassing. Aluminium heeft over het algemeen een hogere warmtegeleidbaarheid en kan de voorkeur genieten wanneer een maximale warmteoverdracht de belangrijkste eis is.
Het voordeel van magnesium is dat het redelijke thermische prestaties combineert met een zeer lage dichtheid en structurele stijfheid.
Elektromagnetische afscherming
Magnesiumlegeringen zijn elektrisch geleidend, waardoor ze elektromagnetische afscherming kunnen bieden voor gevoelige elektronische componenten.
Een goed ontworpen magnesiumbehuizing kan helpen de doordringing van externe elektromagnetische storingen te verminderen en ongewenste elektromagnetische emissies van de interne elektronica te beperken.
Deze eigenschap is met name nuttig bij:
- Laptopbehuizingen
- Smartphone-hoesjes
- Camerabehuizingen
- Communicatieapparatuur
- Behuizingen voor elektronische instrumenten
- Industriële elektronische apparatuur
De combinatie van een lichtgewicht constructie, stijfheid, warmtegeleiding en elektromagnetische afscherming maakt magnesium bijzonder aantrekkelijk voor elektronische behuizingen, waar kunststoffen mogelijk niet dezelfde combinatie van eigenschappen bieden.
Bewerkbaarheid
Magnesiumlegeringen zijn over het algemeen goed bewerkbaar, en veel soorten kunnen efficiënt worden bewerkt met behulp van conventionele metaalbewerkingsmachines.
Door hun relatief lage hardheid en lage snijkrachten kan de bewerking eenvoudiger zijn dan bij veel hardere constructiemetalen. Met de juiste gereedschappen en snijomstandigheden kunnen nauwkeurige magnesiumonderdelen met een goede oppervlaktekwaliteit worden vervaardigd.
Een goede bewerkbaarheid betekent echter niet dat magnesium zonder speciale maatregelen kan worden bewerkt.
De grootste uitdaging ligt op het gebied van warmte- en spanenbeheer. Fijne magnesiumspanen en -stof kunnen brandgevaar opleveren als de bewerkingsomstandigheden onvoldoende worden beheerst. Overmatige warmteontwikkeling, ongeschikt gereedschap, opgehoopte spanen of onvoldoende schoonmaak kunnen het risico vergroten.
Bij het bewerken van magnesiumlegeringen moeten fabrikanten daarom rekening houden met het volgende:
- Geschikte snijparameters
- Geometrie en scherpte van het gereedschap
- Warmteontwikkeling
- Afvoer van chips
- Werkstukopspanning
- Beheer van stof en spaanders
- Brandpreventie
- Maatcontrole
De bewerkbaarheid van magnesium varieert ook per legeringstype en producttoestand. Een materiaal dat is gekozen vanwege zijn hoge sterkte of prestaties bij hoge temperaturen, kan zich tijdens CNC-bewerking anders gedragen dan een meer conventionele legering uit de AZ-serie.
Voor precisietoepassingen kunnen door middel van CNC-bewerking van magnesium complexe behuizingen, beugels, constructieonderdelen en andere op maat gemaakte magnesiumonderdelen worden vervaardigd, mits de legering, de gereedschapsstrategie, de snijparameters en de veiligheidsmaatregelen goed op het onderdeel zijn afgestemd.
Veelvoorkomende soorten magnesiumlegeringen
Magnesiumlegeringen worden doorgaans ingedeeld op basis van hun belangrijkste legeringselementen. Het legeringssysteem heeft een grote invloed op de sterkte, de vervormbaarheid, de corrosiebestendigheid, de kruipweerstand, de gietbaarheid, de bewerkbaarheid en het temperatuurbereik.
Tot de meest bekende families van magnesiumlegeringen behoren de AZ-, AM-, AS-, AE-, ZK-, WE-, LZ- en MB-series. Binnen elke familie worden afzonderlijke kwaliteiten ontwikkeld voor verschillende productieprocessen en prestatie-eisen.
In de volgende paragrafen worden de belangrijkste legeringssystemen, representatieve kwaliteiten, typische samenstellingen en gangbare technische toepassingen samengevat.
Opmerking: De chemische samenstelling kan enigszins variëren, afhankelijk van de toepasselijke ASTM-, EN-, ISO- of JIS-specificatie, de productvorm en de hardheid. De onderstaande waarden zijn representatieve bereiken voor veelgebruikte commerciële kwaliteiten en geen universele grenswaarden.
Mg-Al-Zn-legeringen — AZ-serie
De AZ-serie behoort tot de meest gebruikte families van magnesiumlegeringen; deze combineren aluminium en zink om de sterkte, hardheid en algemene mechanische eigenschappen te verbeteren, terwijl ze tegelijkertijd een relatief goede bewerkbaarheid en produceerbaarheid behouden.
Veelgebruikte kwaliteiten zijn onder meer AZ31B, AZ61A, AZ80A en AZ91D. AZ31B wordt op grote schaal gebruikt als gesmede legering voor plaatmateriaal, platen, extrusieproducten en bewerkte onderdelen, terwijl AZ91D een van de meest gangbare gegoten magnesiumlegeringen is.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de AZ-serie
| Legering | 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 |
Voor gesmede legeringen zijn de samenstellingen van de representatieve legeringen AZ31B, AZ61A en AZ80A gedocumenteerd, terwijl de specificaties voor AZ91D doorgaans ongeveer 8,3–9,7% Al en 0,35–1,0% Zn bevatten.
Belangrijkste kenmerken
- Lichtgewicht en krachtig
- Sterkte en hardheid
- Bewerkbaarheid
- Vormbaarheid
- Gietbaarheid
- Kosten
De precieze verhouding hangt af van de kwaliteit en de verwerkingsomstandigheden. Een hoger aluminiumgehalte beïnvloedt doorgaans de sterkte, hardheid en gietbaarheid; daarom worden AZ31B en AZ91D voor verschillende soorten onderdelen gebruikt.
Mg-Al-Mn-legeringen — AM-serie
De AM-serie is een legering van aluminium en mangaan en is in de eerste plaats ontworpen om een goede vervormbaarheid, taaiheid en slagvastheid te bieden.
Veelgebruikte kwaliteiten zijn onder meer AM20, AM50A en AM60B. In vergelijking met veel AZ-legeringen wordt vaak voor AM-legeringen gekozen wanneer vervormingsgedrag en slagvastheid belangrijker zijn dan maximale sterkte.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de AM-serie
| Legering | 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 |
De typische specificaties voor AM60B omvatten ongeveer 5,5–6,5% aluminium en 0,24–0,6% mangaan, terwijl AM50A ongeveer 4,4–5,4% aluminium bevat.
Belangrijkste kenmerken
AM-legeringen staan bekend om:
- Goede vervormbaarheid
- Hoge slagvastheid
- Goede energieabsorptie
- Goede werpbaarheid
- Goede corrosiebestendigheid
Deze eigenschappen maken AM-legeringen bijzonder waardevol wanneer een onderdeel tijdens het gebruik aan stoten of vervorming kan worden blootgesteld.
Mg-Al-Si-legeringen — AS-serie
In de AS-serie wordt silicium aan het Mg-Al-systeem toegevoegd om de kruipweerstand bij hoge temperaturen te verbeteren. Deze legeringen zijn met name geschikt voor toepassingen waarbij conventionele magnesiumlegeringen onder langdurige belasting en bij hoge temperaturen overmatige vervorming zouden ondergaan.
Veel voorkomende kwaliteiten zijn onder meer AS21 en AS41B.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de AS-serie
| Legering | 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 |
In de documentatie over typische AS21- en AS41B-samenstellingen wordt vermeld dat de toevoegingen van aluminium, silicium en mangaan binnen deze geschatte bereiken liggen.
Belangrijkste kenmerken
De toevoeging van silicium verbetert de weerstand tegen kruip en vervorming bij hoge temperaturen.
In vergelijking met AZ-legeringen voor algemeen gebruik zijn AS-legeringen daarom aantrekkelijker wanneer onderdelen hun maatvastheid moeten behouden bij langdurige thermische en mechanische belastingen.
Mg-Al-RE-legeringen — AE-serie
De AE-serie combineert aluminium met zeldzame aardmetalen om de sterkte bij hoge temperaturen en de kruipweerstand te verbeteren.
Typische legeringen zijn onder meer AE42 en AE44. Deze legeringen zijn ontwikkeld om het bruikbare temperatuurbereik van magnesiumonderdelen te vergroten, met name in aandrijflijnen en andere toepassingen waar conventionele Mg-Al-legeringen bij hoge temperaturen aan prestaties kunnen inboeten.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de AE-serie
| Legering | Mg (gew. %) | Al (gew. %) | Zeldzame aardmetalen | Overige elementen |
|---|---|---|---|---|
| AE42 | Saldo | ~3,7–4,8 | ~2–4 | Mn en sporenelementen |
| AE44 | Saldo | ~3,5–4,5 | ~4–5 | Mn en sporenelementen |
De exacte samenstelling van zeldzame aardmetalen varieert afhankelijk van de legeringsspecificatie en het productieproces; de waarden moeten dan ook worden beschouwd als indicatieve waarden en niet als universele grenswaarden.
Belangrijkste kenmerken
AE-legeringen zijn ontworpen op basis van:
- Verbeterde kruipweerstand
- Betere sterkte bij hoge temperaturen
- Goede maatvastheid
- Lichtgewicht constructie
- Verbeterde prestaties van de aandrijflijncomponenten
Het belangrijkste voordeel ervan komt naar voren wanneer magnesium moet worden gebruikt bij temperaturen waarbij conventionele AZ-legeringen mogelijk onvoldoende stabiliteit op lange termijn bieden.
Mg-Zn-Zr-legeringen — ZK-serie
De ZK-serie maakt gebruik van zink en zirkonium als belangrijkste legeringselementen en wordt voornamelijk geassocieerd met hoogsterke, gesmede magnesiumlegeringen.
Veelgebruikte kwaliteiten zijn onder meer ZK51 en ZK60. Zirkonium bevordert de korrelverfijning, terwijl zink bijdraagt aan de versterking.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de ZK-serie
| Legering | 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 |
Commerciële ZK60-materialen zijn doorgaans samengesteld uit ongeveer 6% Zn en 0,5–0,8% Zr, hoewel de werkelijke samenstelling varieert naargelang de specificatie en de herkomst van het materiaal.
Belangrijkste kenmerken
ZK-legeringen worden gewaardeerd om:
- Hoge sterkte
- Goede specifieke sterkte
- Korrelverfijning
- Geschiktheid voor smeedbewerking
- Lichtgewicht constructieprestaties
In vergelijking met veel gegoten magnesiumlegeringen worden materialen uit de ZK-serie vaker gebruikt bij extrusie, smeden en andere bewerkingsprocessen.
Mg-RE-Y-legeringen — WE-serie
De WE-serie omvat een klasse van hoogwaardige magnesiumlegeringen die zeldzame aardmetalen en yttrium bevatten. Deze legeringen zijn ontworpen voor toepassingen waarbij conventionele magnesiumlegeringen onvoldoende sterkte, kruipweerstand of prestaties bij hoge temperaturen kunnen bieden.
Voorbeelden van kwaliteiten zijn WE43, WE54 en WE94.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de WE-serie
| Legering | 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 | Hoger RE-gehalte | — | — | ~0,5–1,0 |
WE43 wordt doorgaans beschreven aan de hand van een Mg-Y-Nd-Zr-samenstellingssysteem, waarbij representatieve samenstellingen in één onderzocht commercieel materiaal ongeveer 4,2% Y, 2,3% Nd, 1,4% Gd en 0,5% Zr vertonen. Andere specificaties kunnen afwijken, met name wat betreft de toevoegingen van zeldzame aardmetalen.
Belangrijkste kenmerken
De legeringen uit de WE-serie zijn ontwikkeld voor veeleisende toepassingen waarbij het volgende vereist is:
- Hoge specifieke sterkte
- Behoud van de sterkte bij hoge temperaturen
- Verbeterde kruipweerstand
- Goede corrosiebestendigheid in vergelijking met conventionele Mg-legeringen
- Structurele stabiliteit op lange termijn
Ze zijn aanzienlijk gespecialiseerder en duurder dan de gangbare legeringen uit de AZ-serie.
Mg-Li-legeringen — LZ-serie
De LZ-serie bevat lithium, wat de dichtheid van de magnesiumlegering aanzienlijk vermindert en de kristalstructuur en het vervormingsgedrag van het materiaal kan beïnvloeden.
Typische kwaliteiten zijn onder meer LZ91 en LZ141.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de LZ-serie
| Legering | Mg (gew. %) | Li (gew. %) | Zn (gew. %) | Overige elementen |
|---|---|---|---|---|
| LZ91 | Saldo | ~8–10 | ~0,5–1,0 | Kleine aanvullingen |
| LZ141 | Saldo | ~13–15 | Kleine toevoegingen | Kleine aanvullingen |
Een representatieve LZ91-samenstelling die in het kader van onderzoek is gemeten, bevat ongeveer 9,02% Li en 0,96% Zn, met magnesium als restbestanddeel.
Belangrijkste kenmerken
Het belangrijkste voordeel van Mg-Li-legeringen is hun uiterst lage dichtheid.
Afhankelijk van het lithiumgehalte en de microstructuur kunnen ze het volgende bieden:
- Zeer laag gewicht
- Goede specifieke sterkte
- Verbeterde vervormbaarheid bij bepaalde samenstellingen
- Uitstekend potentieel op het gebied van lichtgewichtontwerp
Hetzelfde legeringsontwerp dat de dichtheid verlaagt, kan echter ook beperkingen met zich meebrengen op het gebied van corrosiebestendigheid, stijfheid en prestaties bij hoge temperaturen.
Mg-Mn-legeringen — MB-serie
De MB-serie is voornamelijk samengesteld uit magnesium en mangaan en staat bekend om zijn relatief goede corrosiebestendigheid en redelijke mechanische eigenschappen.
Veel voorkomende kwaliteiten zijn onder meer MB1, MB2, MB3, MB8 en MB15.
Typische chemische samenstelling van magnesiumlegeringen uit de MB-serie
| Legering | Mg (gew. %) | Mn (gew. %) | Overige elementen |
|---|---|---|---|
| MB1 | Saldo | Lage Mn-toevoeging | Kleine onzuiverheden |
| MB2 | Saldo | Lage Mn-toevoeging | Kleine onzuiverheden |
| MB3 | Saldo | Lage Mn-toevoeging | Kleine onzuiverheden |
| MB8 | Saldo | ~0,2–0,5 | Kleine legeringselementen |
| MB15 | Saldo | ~0,2–0,5 | Overige legeringselementen |
In tegenstelling tot de gestandaardiseerde samenstellingen van AZ91D of AZ31B hangt de exacte samenstelling van de legeringen uit de MB-serie sterk af van de geldende nationale of regionale specificatie. Daarom dient bij de keuze van een legering uit de MB-serie voor productie het betreffende materiaalcertificaat te worden geraadpleegd.
Belangrijkste kenmerken
MB-legeringen worden doorgaans gekozen wanneer corrosiebestendigheid en gematigde mechanische eisen belangrijker zijn dan maximale sterkte.
Hun kenmerken kunnen onder meer zijn:
- Goede corrosiebestendigheid
- Matige sterkte
- Goede vervormbaarheid bij geschikte staalsoorten
- Lichtgewicht constructie
- Geschiktheid voor toepassingen met een lagere belasting
Magnesiumlegeringsfamilies in één oogopslag
De belangrijkste magnesiumlegeringssystemen kunnen worden samengevat aan de hand van hun voornaamste ontwerpdoelstelling:
| Legeringenfamilie | Belangrijkste legeringselementen | Belangrijkste voordeel | Typische toepassing |
|---|---|---|---|
| AZ | Al + Zn | Een evenwicht tussen sterkte en produceerbaarheid | Automobielindustrie, elektronica, algemene constructies |
| AM | Al + Mn | Ductiliteit en slagvastheid | Veiligheidsonderdelen voor auto's |
| AS | Al + Si | Weerstand tegen kruip bij hoge temperaturen | Aandrijflijnonderdelen |
| AE | Al + zeldzame aardmetalen | Prestaties bij hoge temperaturen | Motor en geavanceerde onderdelen |
| ZK | Zn + Zr | Hoge sterkte | Lucht- en ruimtevaart en constructies met hoge sterkte |
| WIJ | Zeldzame aardmetalen + Y | Hoog vermogen en temperatuurbestendigheid | Lucht- en ruimtevaart, motorsport |
| LZ | Li | Zeer lage dichtheid | Lucht- en ruimtevaart en geavanceerde lichtgewicht systemen |
| MB | Mn | Corrosiebestendigheid | Onderdelen die bij lage belasting worden gebruikt en gevoelig zijn voor corrosie |
Het belangrijkste is dat er niet één "beste" magnesiumlegering bestaat. AZ31B kan een praktische keuze zijn voor een lichtgewicht, machinaal bewerkt of gevormd onderdeel, terwijl AZ91D wellicht beter geschikt is voor een gegoten behuizing, AM60B voor een slagvast auto-onderdeel en WE43 voor een toepassing in de lucht- en ruimtevaart bij hoge temperaturen.
De materiaalkeuze moet daarom worden gebaseerd op de vereiste combinatie van sterkte, gewicht, vervormbaarheid, temperatuur, corrosiebestendigheid, fabricageproces, kosten en gebruiksomgeving.
Voor- en nadelen van magnesiumlegeringen
Magnesiumlegeringen bieden een bijzondere combinatie van een uiterst lage dichtheid en bruikbare technische eigenschappen, maar ze zijn geen universele vervanging voor aluminium, staal, titanium of technische kunststoffen.
Een betere manier om magnesium te beoordelen, is door te kijken naar de afwegingen tussen de verschillende prestatiekenmerken.
Waar magnesium een voordeel biedt
| Voordeel | Waarom dit belangrijk is | Typisch voordeel |
|---|---|---|
| Extreem lage dichtheid | Magnesium is een van de lichtste constructiemetalen | Lichter gewicht van de onderdelen |
| Hoge specifieke sterkte | Nuttige sterkte in verhouding tot de massa van het materiaal | Lichtgewicht constructie |
| Goede bewerkbaarheid | Relatief lage snijkrachten en goede materiaalafname-eigenschappen | Efficiënte CNC-bewerking |
| Uitstekende trillingsdemping | Leidt mechanische trillingen effectief af | Minder trillingen en geluid |
| Nuttige warmtegeleidbaarheid | Geleidt warmte beter dan veel polymeren | Lichtgewicht behuizingen voor elektronische en mechanische componenten |
| Elektromagnetische afscherming | Geleidend magnesium kan elektronica afschermen | Bescherming tegen elektromagnetische storingen |
Deze voordelen verklaren waarom magnesium bijzonder aantrekkelijk is voor gewichtsvermindering in de automobielindustrie, robotica, draagbare elektronica, lucht- en ruimtevaartapparatuur en industriële behuizingen.
Het voordeel van een lichtgewicht ontwerp
Het grootste voordeel van magnesium is de dichtheid ervan. Door een zwaarder materiaal te vervangen door magnesium kan de massa worden verminderd zonder dat een volledig nieuw ontwerp nodig is, mits aan de eisen op het gebied van sterkte, stijfheid en milieuvriendelijkheid van het onderdeel nog steeds kan worden voldaan.
Het voordeel van machinale bewerking
Magnesiumlegeringen zijn over het algemeen goed bewerkbaar en kunnen worden gebruikt voor de productie van complexe precisieonderdelen. Het bewerkingsproces moet echter goed worden gecontroleerd, omdat het lage smeltpunt van het materiaal en de brandbare spanen een passend proces- en veiligheidsbeheer vereisen.
Het voordeel van demping
Dankzij zijn trillingsdempende eigenschappen is magnesium zeer geschikt voor behuizingen, steunen en mechanische constructies die aan voortdurende trillingen worden blootgesteld. Dit kan een prestatievoordeel opleveren dat verder gaat dan louter gewichtsbesparing.
Waar magnesium zijn beperkingen heeft
| Beperking | Technisch bedrijf | Typische reactie |
|---|---|---|
| Lagere absolute sterkte dan sommige metalen | Staal en titanium kunnen een veel hogere absolute sterkte bieden | Kies een geschikte legering en optimaliseer de geometrie |
| Corrosiegevoeligheid | Magnesium is elektrochemisch actiever dan veel constructiemetalen | Gebruik coatings, oppervlaktebehandelingen en een passend ontwerp |
| Brandgevaar bij machinale bewerking | Fijne spaanders en stof kunnen onder ongeschikte omstandigheden ontbranden | Beheer verwarming, chips, gereedschap en schoonmaak |
| Beperkte prestaties bij hoge temperaturen bij sommige kwaliteiten | Conventionele legeringen kunnen onder invloed van hitte aan sterkte inboeten of gaan kruipen | Kies AS, AE, WE of andere hoogtemperatuurkwaliteiten |
| Eisen inzake materiaal en afwerking | Bepaalde kwaliteiten en beschermende behandelingen kunnen de kosten verhogen | Pas het materiaal en de afwerking aan de daadwerkelijke gebruiksvereisten aan |
Corrosie vereist aandacht
Magnesiumlegeringen roesten niet op dezelfde manier als ijzer en staal, omdat roest specifiek verwijst naar ijzeroxiden. Magnesium kan echter wel elektrochemische corrosie ondergaan en is relatief actief in vergelijking met veel technische metalen.
Daarom kan het zijn dat voor magnesiumonderdelen het volgende nodig is:
- Beschermende coatings
- Conversiebehandelingen
- Verfsystemen
- Anodiseren of gespecialiseerde oppervlaktebehandelingen
- Beheersing van galvanische corrosie
- De juiste keuze van bevestigingsmiddelen
Voor machinale bewerking is procescontrole vereist
Magnesium wordt vaak omschreven als gemakkelijk te bewerken, maar dat mag niet worden opgevat als "risicovrij te bewerken". Opgehoopte spanen, fijnstof, overmatige hitte of onjuiste verspaningsomstandigheden kunnen brandgevaar opleveren.
Voor professionele CNC-bewerking van magnesium zijn daarom zowel dimensionale procescontrole als passende veiligheidsmaatregelen vereist.
De hittebestendigheid hangt af van de legering
De conventionele legeringen uit de AZ-serie zijn niet uitwisselbaar met magnesiumsystemen voor hoge temperaturen.
Wanneer langdurige blootstelling aan hoge temperaturen wordt verwacht, moeten ingenieurs wellicht AS-, AE-, WE- of andere gespecialiseerde legeringssystemen overwegen in plaats van te kiezen voor een magnesiumlegering voor algemeen gebruik.
Toepassingen van magnesiumlegeringen
Het gebruik van magnesiumlegeringen wordt voornamelijk ingegeven door de combinatie van een lage dichtheid, goede mechanische eigenschappen, trillingsdemping, warmtegeleiding en elektromagnetische afscherming.
Verschillende sectoren gebruiken magnesium om verschillende redenen, en de keuze van de legering hangt sterk af van de gebruiksomgeving en de productiemethode.
Automobielindustrie en elektrische voertuigen
De automobielsector is een van de belangrijkste toepassingsgebieden voor magnesiumlegeringen, omdat het verminderen van het gewicht van onderdelen kan bijdragen aan brandstofefficiëntie, voertuigprestaties en het rijbereik van elektrische voertuigen.
Typische auto-onderdelen die magnesium bevatten zijn onder meer:
- Stuurwielkernen
- Zitframes
- Dashboard-ondersteuning
- Onderdelen van de stuurkolom
- Transmissiebehuizingen
- Motorbehuizingen
- Motorkappen
- Ophangbeugels
- Bevestigingsbeugels voor batterijmodules
- Lichtgewicht constructiesteunen
Magnesium kan bovendien zorgen voor een nuttige trillingsdemping in behuizingen en steunen, waardoor de overdracht van trillingen via de voertuigstructuur wordt verminderd.
Voor elektrische voertuigen is het potentieel van lichtgewicht beugels, motorbehuizingen en structurele onderdelen die verband houden met de accu van bijzonder groot belang, omdat het verminderen van de massa buiten de accu kan bijdragen aan de algehele efficiëntie van het voertuig.
Consumentenelektronica
Magnesiumlegeringen zijn bij uitstek geschikt voor draagbare elektronica, omdat ze een laag gewicht combineren met stijfheid, thermische eigenschappen en elektromagnetische afscherming.
Veelvoorkomende toepassingen zijn onder andere:
- Behuizingen en chassis voor laptops
- Smartphone-hoesjes
- Tabletvormen
- Camerabehuizingen
- Draagbare elektronische apparatuur
- Behuizingen voor communicatieapparatuur
- Interne ondersteuningsstructuren
- Lichtgewicht componenten voor warmteafvoer
Een laptopbehuizing van magnesium kan bijvoorbeeld zorgen voor een stevige structuur met een aanzienlijk lager gewicht dan veel alternatieven van staal, en tegelijkertijd bijdragen aan de warmteafvoer en de elektromagnetische afscherming.
Lucht- en ruimtevaart en vliegtuigen
Gewichtsvermindering heeft een bijzonder groot effect op vliegtuigen en boordsystemen, waardoor magnesium een aantrekkelijke optie is voor bepaalde toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.
Veelvoorkomende vliegtuigonderdelen van magnesium zijn onder meer:
- Instrumentenbehuizingen
- Apparatuurkasten
- Versnellingsbakbehuizingen
- Lichtgewicht beugels
- Onderdelen van het besturingssysteem
- Constructie-elementen voor het interieur
- Camera- en sensorbevestigingen
- Mechanische onderdelen voor helikopters
De materiaalkeuze in de lucht- en ruimtevaart is echter in hoge mate toepassingsspecifiek. Bij de keuze van een magnesiumlegering moet rekening worden gehouden met factoren als temperatuur, corrosie, brandveiligheidseisen, vermoeidheid, certificering en structurele belastingen.
Wanneer conventionele magnesiumlegeringen niet voldoen aan de vereiste temperatuur- of sterkte-eisen, kan worden gekozen voor hoogwaardige legeringen zoals die uit de WE-serie.
Robotica en drones
Robotica is een steeds interessantere toepassingsgebied voor magnesium, omdat het verminderen van de massa van bewegende onderdelen een directe invloed kan hebben op de efficiëntie en de dynamische prestaties van het systeem.
Typisch magnesium robotonderdelen onder andere:
- Behuizingen voor robotarmen
- Geleiderbehuizingen en afdekkappen
- Motorbehuizingen
- Versnellingsbakbehuizingen
- Structuren van eindeffectoren
- Sensorbeugels
- Lichtgewicht ondersteuningsonderdelen
Bij drones en andere onbemande vliegtuigsystemen kan gewichtsvermindering het laadvermogen, de vliegduur en de wendbaarheid verbeteren.
Typische onderdelen zijn onder meer:
- Droneframes
- Motorsteunen
- Behuizingen voor elektronische apparatuur
- Camerabevestigingen
- Lichtgewicht constructiebeugels
Het voordeel is met name groot wanneer magnesium wordt gebruikt voor onderdelen die tijdens het gebruik bewegen of voortdurend worden verplaatst.
Fiets en motorfiets
Magnesium kan worden toegepast in fietsen, elektrische fietsen en motorfietsen, waar een lager gewicht van de onderdelen de rijeigenschappen en de energie-efficiëntie kan verbeteren.
Typische fietsonderdelen en motorfietsonderdelen van magnesium zijn onder meer:
- Motorbehuizingen
- Reductiebehuizingen
- Beugels
- Stuuronderdelen
- Pedaalonderdelen
- Beschermhoezen
- Lichtgewicht mechanische steunen
Wat zijn de nadelen van velgen van magnesiumlegeringen?
Wielen van magnesiumlegeringen kunnen een aanzienlijke gewichtsbesparing en een goede trillingsdemping opleveren, maar ze hebben ook nadelen waarmee rekening moet worden gehouden.
Mogelijke aandachtspunten zijn onder meer:
- Grotere gevoeligheid voor corrosie dan aluminium velgen
- Hogere materiaal- en productiekosten
- Een intensievere bescherming van het oppervlak
- Mogelijke beperkingen bij reparatie na een zware botsing
- Meer aandacht voor de productiekwaliteit en de servicevoorwaarden
Om deze reden worden magnesiumvelgen doorgaans geassocieerd met prestatiegerichte toepassingen, in plaats van dat ze als universele vervanging voor aluminiumvelgen dienen.
Industriële apparatuur en elektrisch gereedschap
Magnesiumlegeringen kunnen het gewicht van draagbare industriële apparatuur verminderen zonder volledig afhankelijk te zijn van kunststof behuizingen.
Typische toepassingen zijn onder meer:
- Behuizingen voor elektrisch gereedschap
- Behuizingen voor kettingzagen
- Onderdelen voor cirkelzagen
- Behuizingen voor tuingereedschap
- Eindkappen voor motoren
- Machineonderdelen
- Lichtgewicht bevestigingsbeugels voor apparatuur
- Behuizingen voor industriële apparatuur
De combinatie van een lage dichtheid, trillingsdemping en bewerkbaarheid kan de hanteerbaarheid verbeteren en de vermoeidheid van de gebruiker bij draagbare apparatuur verminderen.
Medische en biologisch afbreekbare toepassingen
Magnesium kent twee verschillende medische toepassingsgebieden die niet met elkaar verward mogen worden.
De eerste betreft conventionele onderdelen van magnesiumlegeringen die worden gebruikt in bepaalde medische apparatuur waarbij een lichtgewicht constructie voordelen biedt.
Het tweede punt betreft de ontwikkeling van biologisch afbreekbare magnesiumlegeringen voor tijdelijke implantaten.
In onderzoek is gekeken naar op magnesium gebaseerde materialen voor:
- Botschroeven
- Botfixatieplaten
- Orthopedische steunen
- Cardiovasculaire stents
- Tijdelijke implantaatconstructies
Het voordeel van biologisch afbreekbaar magnesium is dat bepaalde op magnesium gebaseerde materialen in het lichaam geleidelijk kunnen worden afgebroken, waardoor de noodzaak van een tweede operatie om een tijdelijk implantaat te verwijderen mogelijk wordt verminderd.
Medische magnesiumlegeringen vereisen echter een zorgvuldig gecontroleerde samenstelling, afbraakgedrag, mechanische eigenschappen, biocompatibiliteit, oppervlakteafwerking en validatie volgens de regelgeving. Niet elke in de handel verkrijgbare magnesiumlegering is geschikt voor implantatie, dus conventionele constructielegeringen mogen niet automatisch worden beschouwd als materiaal voor medische implantaten.
Magnesiumgietwerk en productiemethoden
Magnesiumlegeringen kunnen worden vervaardigd door middel van gieten, smeden, extrusie, plaatbewerking en machinale bewerking. Welk proces het meest geschikt is, hangt af van de legeringskwaliteit, de geometrie van het onderdeel, de mechanische eisen, de maatnauwkeurigheid, het productievolume en de uiteindelijke toepassing.
Voor complexe magnesiumonderdelen is gieten wellicht de meest kostenefficiënte methode, terwijl smeden en extrusie betere mechanische eigenschappen kunnen opleveren. CNC-bewerking wordt vaak ingezet om na het vormen of gieten de definitieve afmetingen, cruciale kenmerken, gaten, schroefdraad en nauwe toleranties te realiseren.
Magnesiumgietwerk
Gieten is een van de meest toegepaste productiemethoden voor magnesiumlegeringen, met name voor complexe behuizingen en onderdelen met geïntegreerde structurele elementen.
Veelvoorkomende processen zijn onder meer:
- Spuitgieten voor de massaproductie van complexe onderdelen
- Zandgieten voor grotere onderdelen of onderdelen in kleinere oplagen
- Gieten in permanente matrijzen voor een reproduceerbare productie
- Precisie-gietwerk voor bepaalde complexe geometrieën
Magnesiumspuitgieten is bijzonder aantrekkelijk omdat het materiaal relatief complexe matrijzen kan vullen en tegelijkertijd lichtgewicht onderdelen met geïntegreerde ribben, uitsteeksels, bevestigingspunten en andere kenmerken kan produceren.
Typische onderdelen van gegoten magnesium zijn onder meer motorbehuizingen, versnellingsbakbehuizingen, behuizingen voor elektronische apparatuur, camerabehuizingen, bevestigingsbeugels voor auto’s en behuizingen voor elektrisch gereedschap.
Op het gietproces volgt vaak CNC-bewerking wanneer kritische oppervlakken of maattoleranties niet direct via het gietproces kunnen worden gerealiseerd.
Het smeden van magnesiumlegeringen
Bij het smeden wordt gecontroleerde druk uitgeoefend op magnesiumlegeringen om onderdelen te vervaardigen met een fijne korrelstructuur en verbeterde mechanische eigenschappen.
Gesmede magnesiumlegeringen zoals AZ31, AZ61, ZK60 en legeringen uit de WE-serie kunnen door middel van smeden worden verwerkt onder de juiste temperatuur- en procesomstandigheden.
Er wordt doorgaans voor smeden gekozen wanneer het onderdeel het volgende vereist:
- Hogere mechanische sterkte
- Verbeterde weerstand tegen vermoeidheid
- Betere structurele integriteit
- Richtingsafhankelijke mechanische eigenschappen
- Minder interne gietfouten
Typische gesmede magnesiumonderdelen zijn onder meer beugels voor de lucht- en ruimtevaart, zeer sterke mechanische onderdelen, lichtgewicht constructieonderdelen en gespecialiseerde onderdelen voor de automobielindustrie of de motorsport.
Gesmede halffabricaten kunnen daarna ook met CNC-machines worden bewerkt om nauwkeurige afmetingen en functionele kenmerken te verkrijgen.
Extrusie
Bij extrusie wordt een verwarmd magnesiumblok door een matrijs geperst om doorlopende profielen met een gecontroleerde dwarsdoorsnede te produceren.
Het proces is bij uitstek geschikt voor de productie van:
- Buizen
- Rails
- Lijsten
- Constructieprofielen
- Warmteafvoerende delen
- Lichtgewicht steunen
Door middel van extrusie kunnen gunstige mechanische eigenschappen worden verkregen dankzij een gecontroleerde korrelstructuur en vervorming, terwijl ingenieurs tegelijkertijd lichtgewicht profielen met geïntegreerde geometrie kunnen ontwerpen.
Na het extrusieproces kan CNC-bewerking worden toegepast om het profiel op lengte te snijden en gaten, sleuven, schroefdraad, bevestigingsvlakken en andere precisiedetails aan te brengen.
Plaatbewerking
Plaatmateriaal van magnesiumlegeringen kan onder gecontroleerde omstandigheden worden verwerkt tot dunne, lichtgewicht constructies door middel van bewerkingen zoals buigen, stansen en dieptrekken.
Veelvoorkomende toepassingen zijn onder andere:
- Lichtgewicht hoezen
- Elektronisch chassis
- Interieuronderdelen voor vliegtuigen
- Constructiepanelen
- Apparatuurkasten
- Dunwandige beugels
Bij het vervormen van magnesiumplaten is een zorgvuldige regeling van de temperatuur en de vervorming vereist, omdat de zeshoekige kristalstructuur van magnesium de vervormbaarheid bij kamertemperatuur kan beperken in vergelijking met sommige andere metalen.
Bij de productie van precisieonderdelen uit dun magnesiumplaatwerk kan het productieproces vormgeving combineren met CNC-bewerking om de definitieve bevestigingspunten en cruciale aansluitingen te realiseren.
CNC-bewerking
CNC-bewerking wordt toegepast wanneer magnesiumonderdelen nauwkeurige afmetingen, een complexe geometrie, strakke toleranties of hoogwaardige functionele oppervlakken vereisen.
Afhankelijk van het onderdeel kan de bewerking het volgende omvatten:
- CNC frezen
- CNC draaien
- Boren
- Inrijgen
- Saai
- Ruimen
- Contouren
- Nauwkeurige afwerking
CNC-bewerking is met name geschikt voor op maat gemaakte magnesiumonderdelen en prototypes, omdat er voor dit proces geen speciale mallen of matrijzen nodig zijn.
Het kan ook worden gebruikt als een vervolgbewerking na gieten, smeden of extrusie om cruciale onderdelen op hun definitieve afmetingen te brengen.
Verspanen van magnesium: kan magnesium worden verspaand?
Ja. Magnesiumlegeringen zijn bewerkbaar en veel soorten hebben een goede bewerkbaarheid. Dankzij hun relatief lage hardheid en lage snijweerstand is een efficiënte materiaalafname en een hoge productiviteit bij de bewerking mogelijk.
Het bewerken van magnesium is echter niet zomaar hetzelfde als het bewerken van aluminium. Het lage smeltpunt van het materiaal en de brandbare spanen vereisen een zorgvuldige regeling van de snijomstandigheden, de warmteontwikkeling, de afvoer van spanen en de orde en netheid in de werkplaats.
Bij de bewerking van precisieonderdelen van magnesium moet de bewerkingsstrategie een evenwicht vinden tussen maatnauwkeurigheid, oppervlaktekwaliteit, productiviteit en brandpreventie.
Bewerkbaarheid van magnesium
Magnesiumlegeringen zijn over het algemeen goed bewerkbaar, omdat er relatief weinig snijkrachten voor nodig zijn en ze gunstige bewerkingseigenschappen vertonen wanneer de juiste gereedschappen en parameters worden gebruikt.
Voordelen kunnen onder meer zijn:
- Hoge materiaalafname
- Relatief lage snijkrachten
- Goede maatnauwkeurigheid
- Goede mogelijkheden voor een goede oppervlakteafwerking
- Efficiënt boren en frezen
- Verminderde belasting van het gereedschap
De bewerkbaarheid verschilt echter per magnesiumlegering. Een universele legering uit de AZ-serie kan anders te bewerken zijn dan een zeer sterke ZK-legering of een WE-legering die zeldzame aardmetalen bevat.
Ook de bewerkingsomstandigheden, de hardheid van het materiaal, de geometrie, de wanddikte, de gereedschappen en de snijparameters zijn van invloed op het eindresultaat.
Hoe magnesium te bewerken
Een succesvol bewerkingsproces van magnesium begint met de keuze van de juiste legering, het juiste gereedschap, de juiste snijparameters en de juiste opspanstrategie.
Een gebruikelijke aanpak omvat:
Materiaalkeuze → Werkstukopspanning → Gereedschapskeuze → Optimalisatie van de snijparameters → Spanenafvoer → Maatcontrole → Oppervlakteafwerking
Belangrijke aandachtspunten zijn onder meer:
Gebruik scherp snijgereedschap
Scherpe gereedschappen verminderen de snijkrachten en beperken onnodige warmteontwikkeling tot een minimum. De geometrie van het gereedschap moet specifiek worden afgestemd op de magnesiumlegering en de bewerking.
Beheersing van de snijwarmte
Overmatige hitte moet worden vermeden, omdat magnesium een relatief laag smeltpunt heeft en spanen onder ongunstige omstandigheden vlam kunnen vatten.
Chips efficiënt verwijderen
Er mogen zich geen grote hoeveelheden spanen rond de machine of het werkstuk ophopen. Een doeltreffende afvoer van spanen is van groot belang voor zowel de bewerkingskwaliteit als de veiligheid.
Zorg voor een stabiele werkstukopspanning
Dunne magnesiumonderdelen kunnen tijdens de bewerking vervormen als de klemkrachten te groot zijn. De werkstukopspanning moet voldoende stabiliteit bieden zonder dat het onderdeel vervormt.
Beheersing van de maatvastheid
De thermische uitzetting van magnesium en het feit dat veel lichtgewicht onderdelen dunwandig zijn, kunnen van invloed zijn op de uiteindelijke afmetingen. De bewerkingsvolgorde moet daarom worden afgestemd op de geometrie en de tolerantie-eisen van het onderdeel.
CNC-frezen van magnesium
CNC-frezen wordt op grote schaal toegepast voor de productie van complexe magnesiumonderdelen met uitsparingen, sleuven, bevestigingsgaten, ribben, contouren en 3D-oppervlakken.
Typische gefreesde magnesiumonderdelen zijn onder meer:
- Motorbehuizingen
- Behuizingen voor robotgewrichten
- Lichtgewicht beugels
- Elektronisch chassis
- Camerabehuizingen
- Ondersteuningsproducten voor de lucht- en ruimtevaart
- Constructieonderdelen
Voor een efficiënte CNC-bewerking van magnesium moet de bewerkingsstrategie onnodige warmteontwikkeling en ongecontroleerde spaanafzetting voorkomen.
Snelbewerking kan bij magnesium effectief zijn, maar het is van belang dat het juiste toerental, de juiste voedingssnelheid, snijdiepte, gereedschapsgeometrie en koelstrategie worden vastgesteld op basis van de specifieke legering en de instellingen van de machine.
CNC-draaien van magnesium
CNC-draaien is geschikt voor magnesiumonderdelen met rotatie- of cilindrische vormen.
Typische toepassingen zijn onder meer:
- Bussen
- Naven
- Schachten
- Ringen
- Cilindrische behuizingen
- Afstandhouders
- Roterende mechanische onderdelen
Door middel van draaien kunnen nauwkeurige diameters, boringen, groeven, schroefdraden en andere door rotatie vervaardigde kenmerken worden verkregen.
Net als bij het frezen is het van groot belang om de spaandervorming en de warmteontwikkeling onder controle te houden. De opstelling van de machine moet ervoor zorgen dat lange of opgehoopte spanen het snijproces niet hinderen.
Magnesiumonderdelen met dunne wanden
Magnesium wordt vaak juist gekozen omdat het de vervaardiging van lichtgewicht constructies met dunne wanden mogelijk maakt. Dunne wanden brengen echter extra uitdagingen met zich mee bij de bewerking.
Mogelijke problemen zijn onder meer:
- Wandvervorming
- Trilling
- Geklets
- Lokale warmteophoping
- Afmetingsafwijkingen na het losmaken van de klemmen
- Moeilijkheden bij het handhaven van de vlakheid
Bij dunwandige magnesiumonderdelen moet bij de bewerking het materiaal in het algemeen geleidelijk worden verwijderd, in plaats van agressieve sneden te maken die de resterende structuur kunnen destabiliseren.
De werkstukopspanning is net zo belangrijk. Een te hoge klemdruk kan een lichtgewicht behuizing al vóór de bewerking vervormen, waardoor de uiteindelijke afmetingen veranderen nadat het onderdeel is losgemaakt.
Bij dunwandige magnesiumbehuizingen, elektronische behuizingen en lichtgewicht constructieonderdelen kunnen de bewerkingsvolgorde en het ontwerp van de opspanning daarom net zo belangrijk zijn als het snijgereedschap zelf.
Verspanen van magnesiumlegeringen: overwegingen met betrekking tot sterkte en het bewerkingsproces
De sterkte van een magnesiumlegering kan rechtstreeks van invloed zijn op het bewerkingsgedrag.
Voor legeringen met een hogere sterkte zijn mogelijk andere gereedschappen en bewerkingsvoorwaarden nodig dan voor zachtere, gemakkelijker te bewerken kwaliteiten. Daarnaast kunnen warmtebehandelde of door precipitatie versterkte materialen zich anders gedragen dan dezelfde legering in onbehandelde toestand.
Bij het opstellen van de bewerkingsstrategie moet daarom rekening worden gehouden met:
| Factor | Overwegingen bij de bewerking |
|---|---|
| Legering | Bepaalt de hardheid, sterkte, vervormbaarheid en het snijgedrag |
| Materiële toestand | Warmtebehandeling en afharding kunnen de bewerkbaarheid beïnvloeden |
| Deel: Meetkunde | Dunne wanden en diepe uitsparingen vergroten het risico op vervorming |
| Tolerantie | Bepaalt de bewerkingsvolgorde en de inspectie-eisen |
| Afwerking oppervlak | Beïnvloedt de keuze van gereedschap en de afwerkingsstrategie |
| Productievolume | Bepaalt de optimalisatie van gereedschappen en processen |
| Chipvorming | Er moet zowel op productiviteit als op veiligheid worden gelet |
| Warmteontwikkeling | Moet tot een minimum worden beperkt en onder controle worden gehouden |
Het doel is niet alleen om materiaal snel te verwijderen, maar ook om de vereiste sterktebehoud, maatnauwkeurigheid, oppervlaktekwaliteit en productieconsistentie te waarborgen.
Veiligheid bij het bewerken van magnesium
Bij het bewerken van magnesium moeten extra veiligheidsmaatregelen in acht worden genomen, omdat magnesiumspaan en fijne deeltjes onder bepaalde omstandigheden brandbaar kunnen worden.
Dit betekent niet dat magnesium op zich onveilig is om te bewerken. Met de juiste apparatuur, procesparameters, spaanafvoer, werkplaatshygiëne en brandpreventiemaatregelen bewerken professionele fabrikanten regelmatig magnesiumlegeringen.
Het belangrijkste uitgangspunt is eenvoudig: voorkom overmatige hitte en voorkom de ophoping van fijne magnesiumspaanders of -stof.
Waarom magnesiumchips gevaarlijk kunnen zijn
Massieve magnesiumonderdelen zijn onder normale bewerkingsomstandigheden relatief stabiel. Het risico neemt toe wanneer bij de bewerking kleine spanen, fijnstof of stof met een groot oppervlak ontstaan.
Fijne magnesiumdeeltjes kunnen snel reageren wanneer ze worden blootgesteld aan een voldoende krachtige ontstekingsbron.
Daarom zijn de vorm en de ophoping van de deeltjes van belang.
Grote, goed gecontroleerde spanen zijn over het algemeen gemakkelijker te verwerken dan grote hoeveelheden fijne deeltjes. Bewerkingen moeten daarom zo worden gepland dat onnodige versnippering van de spanen tot een minimum wordt beperkt en ophoping wordt voorkomen.
Risico op oververhitting en ontbranding
Magnesium heeft een relatief laag smeltpunt in vergelijking met veel constructiemetalen. Overmatige wrijving of snijwarmte kan daarom leiden tot ongewenste lokale temperaturen.
Mogelijke bijdragers zijn onder meer:
- Botte snijgereedschappen
- Overmatige wrijving bij het snijden
- Onjuiste snijparameters
- Het gereedschap schuurt in plaats van te snijden
- Slechte afvoer van spanen
- Verzamelde fiches
- Onvoldoende procescontrole
Het doel is om het bewerkingsproces stabiel te houden en te voorkomen dat plaatselijke warmteontwikkeling zodanige omstandigheden veroorzaakt dat opgehoopte spanen of fijnstof vlam kunnen vatten.
Beheer van spaanders en stof
Een effectief beheer van de spanen is een van de belangrijkste aspecten van het veilig bewerken van magnesium.
Fabrikanten moeten het volgende controleren:
- Chipophoping
- Vorming van fijnstof
- Chipopslag
- Reinheid van de machine
- Afvalverwerking
- Verwijdering van opgehoopt materiaal
Magnesiumchips mogen niet zomaar als gewoon metaalafval worden behandeld.
Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan fijne spaanders en stof, die vanwege hun grotere oppervlak een groter ontbrandingsrisico kunnen vormen.
Een goede werkplaatshygiëne maakt daarom deel uit van het bewerkingsproces zelf en is geen optionele schoonmaakstap.
Gereedschappen en procescontrole
De keuze van het gereedschap en de bewerkingsparameters hebben een directe invloed op zowel de productiviteit als de veiligheid.
Scherpe snijgereedschappen kunnen onnodige wrijving en warmteontwikkeling verminderen. De juiste voedingssnelheden, rotatiesnelheden, snijdieptes en gereedschapspaden moeten worden vastgesteld op basis van de legering en de machine.
Bij procesbeheersing moet ook rekening worden gehouden met:
- Slijtage van gereedschap
- Toerental van de spil
- Voedingssnelheid
- Snijdiepte
- Dikte van de chip
- Aangrijping van het gereedschap
- Werkstukopspanning
- Afvoer van chips
- Machinetemperatuur
Het veiligste proces is over het algemeen een proces dat voorspelbaar snijgedrag oplevert, in plaats van overmatige wrijving, warmteontwikkeling, trillingen of ongecontroleerde spaandervorming.
Professionele CNC-bewerking van magnesium
Voor het professioneel bewerken van magnesium is meer nodig dan alleen het plaatsen van een magnesiumblok in een CNC-machine.
Een bekwame fabrikant moet beschikken over:
- Geschikte CNC-apparatuur
- Specifieke kennis op het gebied van magnesiumbewerking
- Gecontroleerde snijparameters
- Geschikt gereedschap
- Effectief chipbeheer
- Brandpreventiemaatregelen
- Goede schoonmaakpraktijken
- Maatinspectie
- Traceerbaarheid van materialen indien nodig
Voor klanten die op maat gemaakte magnesiumonderdelen bestellen, zijn deze procescontroles van bijzonder groot belang, omdat lichtgewicht onderdelen vaak dunne wanden, een complexe geometrie en strenge maatvoeringseisen combineren.
Het doel is om een reproduceerbare productie te realiseren en tegelijkertijd de specifieke risico’s die gepaard gaan met de bewerking van magnesium te beheersen.
Hoe kies je de juiste magnesiumlegering?
Bij de keuze van een magnesiumlegering moet men uitgaan van de daadwerkelijke gebruiksvereisten van het onderdeel, en niet louter van de meest gangbare legering.
Houd rekening met de vereiste sterkte, het gewicht, de vervormbaarheid, de temperatuur, de corrosiebestendigheid, de productiemethode en de kosten voordat u de legering kiest.
| Vereiste | Aanbevolen magnesiumlegeringsfamilies | Veelvoorkomende overwegingen |
|---|---|---|
| Algemene lichtgewicht constructieonderdelen | AZ-serie | Een goede balans tussen sterkte, gewicht, bewerkbaarheid en kosten |
| Gesmede platen en bewerkte onderdelen | AZ31B | Een goede keuze voor lichtgewicht, gevormde of machinaal bewerkte constructies |
| Gesmede onderdelen met een hogere sterkte | AZ61A / AZ80A | Hogere sterkte dan AZ31B, met andere vervormings- en bewerkingskenmerken |
| Complexe gietstukken | AZ91D | Een uitstekende keuze voor talrijke onderdelen van gegoten magnesium |
| Hoge vervormbaarheid en slagvastheid | AM50A / AM60B | Bijzonder geschikt voor veiligheidsrelevante constructies in de automobielindustrie |
| Onderdelen voor hoge temperaturen | AS21 / AS41B | Verbeterde kruipweerstand in vergelijking met conventionele Mg-Al-legeringen |
| Toepassingen in aandrijflijnen bij hogere temperaturen | AE42 / AE44 | Betere stabiliteit bij hogere temperaturen |
| Smeedstukken met hoge sterkte | ZK60 / ZK51 | Uitstekende verhouding tussen sterkte en gewicht |
| Hoogwaardige onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart | WE43 / WE54 | Uitstekende prestaties bij hoge temperaturen en wat kruipgedrag betreft, maar hogere materiaalkosten |
| Maximale gewichtsvermindering | LZ91 / LZ141 | Zeer lage dichtheid, met grotere beperkingen bij het gebruik |
| Corrosiegevoelige onderdelen voor matige belasting | MB-serie | Goede corrosiebestendigheid in combinatie met redelijke mechanische eigenschappen |
Een praktische procedure voor materiaalkeuze
Voor een nieuw magnesiumonderdeel kan het selectieproces als volgt worden vereenvoudigd:
1. De bedrijfsomgeving omschrijven
Bepaal de belasting, temperatuur, vochtigheid, blootstelling aan corrosie, trillingen en de verwachte levensduur.
2. Bepaal het streefgewicht
Ga na hoeveel gewichtsbesparing er daadwerkelijk nodig is en of magnesium een significant voordeel biedt ten opzichte van aluminium of andere mogelijke materialen.
3. Selecteer de gewenste mechanische prestaties
Vergelijk de treksterkte, vloeigrens, vermoeiingsweerstand, hardheid, stijfheid en ductiliteit.
4. Stem de legering af op het productieproces
Een gietlegering mag niet zomaar worden gekozen voor een gesmeed of machinaal bewerkt onderdeel. De legering moet geschikt zijn voor het beoogde productietraject.
5. Houd rekening met de bewerkingsvereisten
Bij precisiebewerking van magnesium met CNC-machines moet u rekening houden met de bewerkbaarheid, de wanddikte, de toleranties, de oppervlakteafwerking en de nabehandeling.
6. Beoordeel corrosie en oppervlaktebescherming
Als het onderdeel in een corrosieve omgeving wordt gebruikt of in contact komt met ongelijksoortige metalen, kunnen oppervlaktebehandeling en maatregelen ter voorkoming van galvanische corrosie van essentieel belang zijn.
7. Houd rekening met het productievolume en de kosten
Voor prototypes en op maat gemaakte magnesiumonderdelen in kleine series kan CNC-bewerking de voorkeur genieten, terwijl bij productie in grote series gieten of andere gespecialiseerde productieprocessen de voorkeur kunnen krijgen.
De juiste magnesiumlegering is uiteindelijk degene die voor het betreffende onderdeel de beste balans biedt tussen gewicht, mechanische prestaties, verwerkbaarheid, duurzaamheid en totale productiekosten.
Ontwerpoverwegingen voor magnesiumonderdelen
Het ontwerpen van magnesiumonderdelen vereist meer dan alleen het vervangen van aluminium of staal door een lichter materiaal. Wanddikte, constructieve geometrie, bevestigingsmethoden, corrosiebescherming, oppervlaktebehandeling en bewerkingsstrategie zijn allemaal van invloed op de uiteindelijke prestaties en de produceerbaarheid van een magnesiumonderdeel.
Bij het ontwerpen met magnesium moet gebruik worden gemaakt van de lage dichtheid van het materiaal, terwijl tegelijkertijd rekening moet worden gehouden met de lagere stijfheid, de gevoeligheid voor corrosie, het thermisch gedrag en de bewerkingsvereisten.
Wanddikte
De wanddikte moet worden gekozen op basis van de legering, het fabricageproces, de afmetingen van het onderdeel, de structurele belasting en de vereiste stijfheid.
Bij dunwandige magnesiumbehuizingen zorgt een te grote wanddikte voor onnodig gewicht, terwijl te dunne wanden kunnen leiden tot vervorming, trillingen of instabiliteit bij de bewerking.
Bij CNC-gefreesde magnesiumonderdelen kan het handhaven van een redelijk gelijkmatige wanddikte ook helpen om vervorming te verminderen en de maatvastheid te verbeteren.
Ontwerpprincipe: gebruik de kleinst mogelijke wanddikte die de vereiste sterkte en stijfheid biedt, in plaats van het onderdeel simpelweg dikker te maken.
Ontwerp van ribben en nokken
Ribben en uitsteeksels kunnen de plaatselijke stijfheid vergroten en bevestigingspunten bieden zonder dat het totale materiaalvolume aanzienlijk toeneemt.
Bij lichtgewicht magnesiumbehuizingen kunnen strategisch geplaatste ribben de relatief lage elasticiteitsmodulus van het materiaal compenseren en voorkomen dat grote vlakke oppervlakken doorbuigen.
Bussen moeten worden ontworpen met voldoende omringend materiaal en passende overgangen om spanningsconcentraties te voorkomen.
Vermijd onnodig dikke uitstulpingen of zware ribkruispunten, met name bij gietstukken van magnesium, waar een ongelijkmatige materiaalverdeling ook van invloed kan zijn op de stolling en de maatvastheid.
Ontwerpprincipe: gebruik ribben en uitsteeksels om plaatselijk extra stijfheid te creëren, in plaats van de wanddikte van het gehele onderdeel te vergroten.
Filets en hoeken
Scherpe binnenhoeken kunnen spanningsconcentraties veroorzaken en de bewerking bemoeilijken.
Het aanbrengen van geschikte overgangen helpt bij het verdelen van spanningen en verbetert de toegankelijkheid voor gereedschap tijdens de CNC-bewerking van magnesium. Grotere inwendige radii kunnen bovendien abrupte veranderingen in de dikte van de doorsnede verminderen en de produceerbaarheid van behuizingen, beugels en constructieonderdelen verbeteren.
Bij CNC-bewerking moet bij de keuze van de straal ook rekening worden gehouden met de diameter van het snijgereedschap en de vereiste bewerkingsdiepte.
Ontwerpprincipe: vermijd onnodige scherpe binnenhoeken en maak gebruik van praktische afrondingen die zowel de constructieve prestaties als de toegankelijkheid voor gereedschap bevorderen.
Ontwerp van schroefdraad en bevestigingsmiddelen
Bij schroefdraad van magnesium moet goed worden nagedacht, omdat het materiaal zachter is dan staal en bij herhaaldelijke montage gevoelig kan zijn voor beschadiging of slijtage van de schroefdraad.
Bij onderdelen die vaak worden gemonteerd, kunnen ontwerpers het volgende overwegen:
- Grotere schroefdraadoverbrenging
- Waar nodig grovere schroefdraden
- Schroefdraadinserts
- Geharde inzetstukken of bussen
- Juiste regeling van het koppel
- Corrosiebestendige bevestigingsmiddelen
De keuze van de bevestigingsmiddelen is eveneens van belang, omdat direct contact tussen magnesium en ongelijksoortige metalen in aanwezigheid van een elektrolyt tot galvanische corrosie kan leiden.
Schroefdraadinzetstukken kunnen een duurzamere verbinding bieden voor toepassingen waarbij herhaaldelijk montage en demontage plaatsvinden.
Corrosiebescherming
Magnesium is relatief elektrochemisch actief; daarom moet bij de bescherming tegen corrosie al in de eerste ontwerpfase rekening worden gehouden, in plaats van dat deze pas na de bewerking wordt toegevoegd.
Het ontwerp moet ervoor zorgen dat er zo min mogelijk omstandigheden ontstaan waarin vocht of verontreinigingen aan het magnesiumoppervlak vast komen te zitten.
Belangrijke aandachtspunten zijn onder meer:
- Het vermijden van onnodige waterophopingen
- Zorgen voor geschikte afwateringsroutes
- Bescherming van blootliggende bewerkte oppervlakken
- Beheersing van het contact tussen ongelijksoortige metalen
- Compatibele bevestigingsmiddelen kiezen
- Het kiezen van een geschikte oppervlaktebehandeling
Bij samenstellingen is het tegengaan van galvanische corrosie van bijzonder belang wanneer magnesium in contact komt met aluminium, staal, koper of andere geleidende materialen.
Oppervlakteafwerking
Oppervlaktebehandeling heeft bij magnesiumonderdelen niet alleen een esthetisch doel. Een geschikte afwerking kan de corrosiebestendigheid, slijtvastheid, het uiterlijk en de stabiliteit op lange termijn onder omgevingsinvloeden verbeteren.
De juiste behandeling hangt af van:
- Legeringstype
- Bedrijfsomgeving
- Verplichte aanwezigheid
- Slijtageomstandigheden
- Elektrische vereisten
- Contact met andere materialen
- Productievolume
Zo kan het bijvoorbeeld zijn dat een elektronische behuizing een combinatie van een conversielaag en verf vereist, terwijl een precisie-mechanisch onderdeel wellicht een meer gespecialiseerde beschermende behandeling nodig heeft.
Overwegingen bij CNC-bewerking
Magnesium wordt over het algemeen beschouwd als een materiaal dat zich uitstekend laat bewerken, maar bij de bewerking van magnesium zijn gecontroleerde snijomstandigheden en een goed spaanafvoerbeheer vereist.
Ontwerpers moeten, voordat de productie van start gaat, rekening houden met de toegankelijkheid voor gereedschap, de werkstukopspanning, de wandstijfheid, de inwendige radii en de spaanafvoer.
Belangrijke aandachtspunten zijn onder meer:
- Vermijd onnodig dunne, niet-ondersteunde wanden
- Zorgen voor voldoende ruimte voor het gereedschap
- Het ontwerpen van praktische inwendige radii
- Diepe, smalle zakken waar mogelijk tot een minimum beperken
- Het leveren van betrouwbare werkstukopspanvlakken
- Rekening houden met de bewerkingsvolgorde en de vervorming van het werkstuk
- Zorgt voor een effectieve afvoer van spanen
Veiligheid bij het verspanen is eveneens van groot belang. Magnesiumspanen en fijne deeltjes kunnen onder ongeschikte omstandigheden ontbranden; daarom moeten bij de productie geschikte gereedschappen, snijparameters, orde en netheid in de werkplaats en brandpreventiemaatregelen worden toegepast.
Magnesium: oppervlaktebehandeling en corrosiebescherming
Magnesiumonderdelen moeten vaak een oppervlaktebehandeling ondergaan, omdat onbehandeld magnesium gevoelig kan zijn voor corrosie, met name in vochtige, zoute of chemisch agressieve omgevingen.
Door oppervlaktebehandeling kan een beschermende barrière worden gevormd tussen het magnesiumsubstraat en de omgeving waarin het wordt gebruikt, terwijl tegelijkertijd het uiterlijk, de slijtvastheid of de compatibiliteit met andere materialen wordt verbeterd.
De juiste behandeling hangt af van de legering en de toepassing; er is geen universele afwerkingsmethode die altijd geschikt is.
12.1 Anodiseren
Door anodiseren ontstaat er een gecontroleerde beschermende oxidelaag op het magnesiumoppervlak, waardoor de corrosie- en slijtvastheid kunnen worden verbeterd.
Magnesiumspecifieke anodisatieprocessen verschillen van conventionele aluminium-anodisatie, omdat magnesium andere elektrochemische eigenschappen heeft en een aangepaste proceschemie vereist.
Geanodiseerd magnesium kan nuttig zijn voor onderdelen waarbij corrosiebescherming, oppervlaktebestendigheid en maatvastheid van belang zijn.
Typische toepassingen zijn onder meer:
- Precisiebehuizingen
- Elektronische componenten
- Lichtgewicht mechanische onderdelen
- Auto-onderdelen
- Lucht- en ruimtevaartonderdelen
12.2 Conversielakken
Conversielakken brengen chemische veranderingen aan het magnesiumoppervlak teweeg, waardoor een dunne beschermlaag ontstaat.
Ze worden vaak gebruikt als corrosiebestendige grondlaag of voorbehandeling voor het daaropvolgende lakken, met name wanneer het uiteindelijke onderdeel extra bescherming tegen omgevingsinvloeden nodig heeft.
Voordelen zijn onder meer:
- Dunne laagdikte
- Goede dekking van complexe oppervlakken
- Verbeterde corrosiebestendigheid
- Goede ondergrond voor verf
- Minimale invloed op de afmetingen
Conversielakken kunnen daarom nuttig zijn voor precisieonderdelen van magnesium, waarbij een dikke laag de afmetingen of montagetoleranties zou kunnen beïnvloeden.
12.3 Verven en poedercoaten
Verf en poedercoating vormen een fysieke barrière tussen magnesium en de buitenomgeving.
Deze afwerkingen zijn met name nuttig wanneer onderdelen zowel corrosiebescherming als een specifiek uiterlijk vereisen.
Typische toepassingen zijn onder meer:
- Auto-onderdelen
- Behuizingen voor industriële apparatuur
- Behuizingen voor elektrisch gereedschap
- Elektronische behuizingen
- Consumentenproducten
Bij magnesium is de voorbereiding van het oppervlak van cruciaal belang. De ondergrond moet doorgaans op de juiste wijze worden voorbehandeld voordat het verf- of poedercoating-systeem wordt aangebracht, om een betrouwbare hechting en corrosiebestendigheid te garanderen.
12.4 Galvaniseren
Door middel van galvaniseren kunnen magnesiumonderdelen worden voorzien van extra corrosiebestendigheid, slijtvastheid, elektrische geleidbaarheid of een specifiek oppervlakteuiterlijk.
Omdat magnesium zeer reactief is, vereist het galvaniseren doorgaans een zorgvuldige voorbehandeling en een geschikte tussenlaag voordat het definitieve galvanisatiesysteem wordt aangebracht.
Afhankelijk van de toepassing kan het gebruik van geplateerd magnesium worden overwogen wanneer het onderdeel het volgende vereist:
- Verbeterde slijtvastheid
- Verbeterde corrosiebescherming
- Elektrische geleidbaarheid
- Decoratieve uitstraling
- Compatibiliteit met andere componenten
Bij het galvaniseren is de voorbereiding van het oppervlak van groot belang; daarom moet het gekozen proces geschikt zijn voor de specifieke magnesiumlegering en de gebruiksomstandigheden.
12.5 Waarom magnesiumonderdelen oppervlaktebescherming nodig hebben
De noodzaak van oppervlaktebescherming vloeit voornamelijk voort uit de hoge chemische reactiviteit van magnesium en de gevoeligheid voor galvanische corrosie.
Onbedekt magnesium kan sneller corroderen dan materialen zoals roestvrij staal of veel aluminiumlegeringen wanneer het wordt blootgesteld aan vocht, zouten, chemicaliën of ongunstige galvanische koppels.
Oppervlaktebescherming helpt:
Corrosie verminderen → levensduur verlengen → maatvastheid behouden → uiterlijk verbeteren → verbindingspunten en assemblages beschermen
Bescherming is vooral belangrijk wanneer magnesiumonderdelen worden blootgesteld aan:
- Luchtvochtigheid en water
- Strooizout
- Mariene milieus
- Industriële chemicaliën
- Omgevingsomstandigheden
- Constructies met verschillende metalen
De beschermingsstrategie moet daarom worden gekozen als onderdeel van het algehele ontwerp van de component. Materiaalkeuze, geometrie, bevestigingsmiddelen, oppervlaktebehandeling en de bedrijfsomgeving moeten allemaal op elkaar zijn afgestemd.
Voor nauwkeurig vervaardigde magnesiumonderdelen op maat is het beste afwerkingsproces niet per se het meest agressieve. Het doel is een behandeling te kiezen die de vereiste corrosiebestendigheid en oppervlakte-eigenschappen biedt, terwijl de kritische afmetingen, toleranties, het uiterlijk en de montagefunctionaliteit behouden blijven.
Veelgestelde vragen over magnesiumlegeringen
Er is niet één magnesiumlegering die zonder meer als de "hardste" kan worden aangemerkt. De hardheid hangt af van de samenstelling van de legering, de bewerkingsmethode, de warmtebehandeling en de toestand van het materiaal.
Binnen de commerciële kwaliteiten kunnen systemen met een hoge sterkte, zoals de legeringen uit de ZK- en WE-serie, aanzienlijk betere mechanische eigenschappen bieden dan kwaliteiten voor algemeen gebruik, terwijl bepaalde AZ-kwaliteiten, zoals AZ91D, ook een relatief hoge hardheid bieden in vergelijking met meer ductiele magnesiumlegeringen.
Bij de materiaalkeuze moet de hardheid worden beoordeeld in combinatie met de treksterkte, de vloeigrens, de ductiliteit, de vermoeiingsweerstand en de bedrijfstemperatuur.
De legeringen uit de AZ-serie behoren tot de meest gebruikte magnesiumlegeringen, met name AZ31B en AZ91D.
- AZ31B: Wordt vaak gebruikt als een gesmede magnesiumlegering voor plaatmateriaal, platen, extrusies en bewerkte onderdelen.
- AZ91D: Een van de meest gebruikte magnesiumlegeringen voor gietwerk, met name voor behuizingen en complexe lichtgewicht onderdelen.
Welke kwaliteit het meest geschikt is, hangt af van de vraag of het onderdeel is gegoten, gesmeed, geëxtrudeerd, gevormd of met CNC-machines bewerkt.
Magnesiumlegeringen worden vooral gebruikt wanneer een laag gewicht, voldoende mechanische eigenschappen, trillingsdemping, warmtegeleiding of elektromagnetische afscherming van belang zijn.
Veelvoorkomende toepassingen zijn onder andere:
- Onderdelen voor auto's en elektrische voertuigen
- Behuizingen voor laptops en camera's
- Elektronische behuizingen
- Lucht- en ruimtevaart en vliegtuigonderdelen
- Robotica en droneconstructies
- Fiets- en motoronderdelen
- Behuizingen voor elektrisch gereedschap
- Industriële apparatuur
- Geselecteerde medische en biologisch afbreekbare componenten
De specifieke legering wordt gekozen op basis van de mechanische, omgevings-, thermische en productietechnische eisen waaraan het onderdeel moet voldoen.
Ja. Magnesiumlegeringen kunnen via CNC-bewerking worden verwerkt tot precisieonderdelen, waaronder behuizingen, beugels, afdekkappen, constructiedelen, motoronderdelen en andere op maat gemaakte magnesiumonderdelen.
Met CNC-frezen en -draaien kunnen complexe geometrieën en strenge maatvoeringseisen worden gerealiseerd, maar het bewerkingsproces moet specifiek voor magnesium worden ontworpen om warmteontwikkeling, spaanafzetting en brandgevaar te beperken.
Ja, magnesium wordt over het algemeen beschouwd als zeer goed bewerkbaar vanwege de relatief lage hardheid en snijweerstand. Bij gebruik van de juiste gereedschappen en snijparameters kan hiermee efficiënt materiaal worden verwijderd en een goede oppervlaktekwaliteit worden bereikt.
Een gemakkelijke bewerkbaarheid betekent echter niet dat er geen veiligheidseisen gelden. Bij het bewerken van magnesium is een zorgvuldige beheersing van spanen, warmte, stof, gereedschap, snijomstandigheden en de netheid van de werkplek vereist.
De belangrijkste nadelen zijn onder meer:
- Lagere absolute sterkte en stijfheid dan sommige constructiemetalen
- Hogere gevoeligheid voor corrosie dan veel gangbare constructiematerialen
- Mogelijke brandgevaren door fijne spaanders en stof tijdens de bewerking
- Beperkte prestaties bij hoge temperaturen voor sommige gangbare kwaliteiten
- Aanvullende eisen inzake oppervlaktebescherming
- Risico op galvanische corrosie bij combinatie met ongelijksoortige metalen
- Hogere materiaal- of afwerkingskosten voor bepaalde gespecialiseerde kwaliteiten
Deze beperkingen staan een succesvol gebruik van magnesium niet in de weg; ze betekenen alleen dat bij de keuze van de legering, het ontwerp van de onderdelen, de fabricage en de oppervlaktebescherming rekening moet worden gehouden met alle aspecten in hun onderlinge samenhang.
Ja, goed ontworpen en vervaardigde magnesiumvelgen kunnen veilig zijn voor het beoogde gebruik. Magnesiumvelgen worden gebruikt in prestatiegerichte voertuigen omdat hun lage dichtheid de onafgeveerde massa en de rotatiemassa kan verminderen.
Hiervoor zijn echter een juiste legeringskeuze, een hoge productiekwaliteit, structurele validatie, oppervlaktebescherming en onderhoud vereist. Corrosie en ernstige schade door stoten verdienen bijzondere aandacht, omdat deze de structurele integriteit op lange termijn kunnen aantasten.
Bij wielen die van cruciaal belang zijn voor de veiligheid moeten de relevante voorschriften voor het voertuig, het wiel en de regelgeving altijd voorrang krijgen boven het gewichtsvoordeel van het materiaal.
Magnesiumlegeringen kunnen duurder zijn dan gangbare aluminiumlegeringen, hoewel de totale kosten van een onderdeel afhangen van de legeringskwaliteit, de materiaalvorm, het productieproces, het productievolume, de bewerkingsvereisten en de oppervlakteafwerking.
Gangbare legeringen uit de AZ-serie zijn over het algemeen praktischer voor de productie dan gespecialiseerde zeldzame-aardmetalen-kwaliteiten zoals WE43.
Bij een CNC-gefreesd magnesiumonderdeel worden de totale kosten beïnvloed door:
- Materiaalkwaliteit en beschikbaarheid
- Afmetingen en gewicht van het onderdeel
- Complexiteit van de bewerking
- Toleranties
- Productiehoeveelheid
- Oppervlakteafwerking
- Inspectievereisten
- Verpakking en corrosiebescherming
Voor prototypes en op maat gemaakte magnesiumonderdelen kunt u een 3D-CAD-model, tekening, materiaalspecificatie, hoeveelheid, toleranties en eisen ten aanzien van de oppervlakteafwerking aanleveren, zodat de fabrikant het project kan beoordelen en een nauwkeurigere offerte kan opstellen.
Op zoek naar op maat gemaakte magnesiumonderdelen? Bekijk ons Magnesium-bewerkingsdiensten voor precisieprototypes en productiecomponenten.