3.10 Magnesiumgjutlegeringar

Tillgången på magnesium, genom utvinning ur bland annat havsvatten och dolomit, är i princip outtömlig. Däremot är framtagningsprocessen mycket energiintensiv.

Aktuella gjutmetoder för magnesiumgjutgods är gjutning i sandform och i gipsform samt press- och kokillgjutning. Pressgjutning av magnesium är den vanligast förekommande metoden.

Magnesiums specifikt låga värmeinnehåll i kombination med låg densitet och låg affinitet till järn möjliggör minst en fördubbling av verktygslivslängden jämfört med pressgjutning av aluminiumgjutlegeringar. Detta gynnar pressgjutning av magnesiumgjutgods vid stora serier ur ett kostnadsperspektiv.

Elasticitetsmodulen är lägre hos magnesiumgjutlegeringar än hos aluminiumgjutlegeringar. Detta måste beaktas vid tunnväggiga konstruktioner. För att tillräcklig styvhet skall uppnås kan det vara nödvändigt med olika typer av konstruerade förstyvningar. Utmattningshållfastheten hos magnesiumgjutlegeringar är generellt lägre än för aluminiumgjutlegeringar. Magnesiumlegeringar uppvisar dock oftast en tydlig utmattningsgräns till skillnad från gjuten aluminium. Magnesium uppvisar redan vid måttligt förhöjda temperaturer en tydlig krypningstendens och hållfastheten sänks tydligt vid temperaturer över 100 grader. Vid användning av magnesium vid högre temperaturer krävs ofta särskilda legeringar som kan innehålla exempelvis sällsynta jordartsmetaller.

Magnesiumgjutlegeringar uppvisar goda dämpande egenskaper. Dessa egenskaper är bäst hos rent magnesium och avtar med halten legeringsämnen och om materialet värmebehandlas. Skärbarheten hos magnesiumlegeringar är god. Legeringarna ger låga skärkrafter och lågt verktygsslitage. Höga skärhastigheter kan användas. En nackdel med magnesiumlegeringar jämfört med aluminiumlegeringar är de sämre korrosionsegenskaperna med avseende på galvanisk korrosion. Magnesium har sämre korrosionsegenskaper i sura och neutrala lösningar jämfört med aluminium, men klarar angrepp från alkaliska lösningar. Gjutna detaljer som utsätts för vatten eller fuktig luft bör helst ytbehandlas. Vanliga ytbehandlingsmetoder är gulkromatering och passivering som ger ett visst korrosionsskydd men framförallt är en god grund för lackering. Kromatering innehåller ofta sexvärt krom som är skadligt för miljön varför andra alternativ kan vara bättre att se över.

Magnesiumgjutlegeringar går att återvinna. Det innebär att, även om energiförbrukningen är hög vid framställning av primärmagnesium, är sekundära magnesiumgjutlegeringar energisnåla då energiförbrukningen vid återvinning endast är en bråkdel av förbrukningen vid framställning av primärmagnesium. Återvinningen av magnesium är dock ännu inte lika utbyggd eller lika enkel som det är med aluminium.

I Europanormen SS-EN 1753 är 57 magnesiumgjutlegeringar standardiserade. De vanligaste använda legeringarna innehåller aluminium och zink.

Aluminium förbättrar legeringarnas flyt- och gjutbarhet samt hållfasthet och förekommer i halter upp till tio procent. Hållfasthet och hårdhet ökar genom utskiljning av Mg-Al-rika intermetaller. Vid aluminiumhalter över 6 % blir legeringarna värmebehandlingsbara och uppvisar den bästa kombinationen av hållfasthet och duktilitet. Korrosionsegenskaperna förbättras med ökande aluminiuminnehåll.

Zink används ofta i halter upp till en procent. Huvudsyftet med zinktillsatsen är att öka hållfastheten genom lösningshärdning. Zink har positiv inverkan på gjut- och flytbarhet vid låga halter. Zink förbättrar även korrosionsegenskaperna något. Allt för höga zinkhalter ökar dock risken för varmsprickningsproblem.

Tillsats av mangan (Mn) förbättrar legeringarnas korrosionsegenskaper genom att intermetalliska föreningar med järn bildas och därmed minskar järnets negativa inverkan på korrosionsegenskaperna.

Magnesiums hållfasthet påverkas kraftigt av kornstorleken. I pressgjutgods sker stelnandet så snabbt att strukturen oftast blir tillräckligt finkornig. Vid gjutning i sandform används legeringar med zirkon (Zr) som huvudsakligt legeringselement som i avsaknad av aluminium, mangan, kisel, järn, nickel, kobolt, tenn och antimon ger en kraftig kornförfinande effekt och därmed goda mekaniska egenskaper. Sandgjutlegeringarna legeras även med zink och cerium som är en sällsynt jordartsmetall (REM).

Magnesium i flytande tillstånd oxiderar kraftigt under stor värmeutveckling, vilken noggrant måste beaktas både vid smältning och vid hantering av smält magnesium.

Smält magnesium reagerar med såväl luftens syre som med vatten. Den magnesiumoxid som bildas har högre densitet än smältan varför den därmed sjunker och inget skydd byggs upp som hindrar vidare reaktion. Risk för antändning föreligger, vilket innebär att skyddsgas eller täcksalt måste användas i ugnen för att förhindra brand eller explosion.

Magnesiumgjutlegeringar har som nämnts ovan låg affinitet i flytande tillstånd till järn. Smältning av magnesiumlegeringar kan därför göras i ståldeglar. Detta möjliggör vidare användning av varmkammarmaskiner vid pressgjutning, åtminstone för legeringar med lågt aluminiuminnehåll. Både kallkammar- och varmkammarmaskiner används för pressgjutning av magnesiumlegeringar.

En teknik som också används för magnesiumlegeringar internationellt är thixogjutning. Tekniken används speciellt för tunnväggigt magnesiumgjutgods i exempelvis Japan.

För att förbättra de mekaniska egenskaperna hos sand- och kokillgjutna magnesiumlegeringar är värmebehandling avseende utskiljningshärdning vanlig. Däremot värmebehandlas normalt inte pressgjutna magnesiumlegeringar på grund av risken för blåsbildning men även beroende på att mycket små förbättringar uppnås.

Värmebehandling görs normalt enligt följande:

• Upplösningsbehandling: 410 – 415°C under 16 timmar i skyddsatmosfär.
• Kylning i luft.
• Varmåldring: 205°C under 4 timmar.
• Kylning i luft

För gjutgods med grov struktur ger denna värmebehandling alltför stor kornstorlek genom korntillväxt. För att göra korntillväxten så liten som möjligt utförs en upplösningsbehandling i flera steg enligt följande:

• Steg 1: 415°C under 5 timmar i skyddsatmosfär.
• Snabb kylning i luft till 340°C.
• Steg 2: 415°C under 6 timmar i skyddsatmosfär.
• Kylning i luft till 230°C inom loppet av 2 timmar.
• Steg 3: Uppvärmning till 415°C under loppet av 2 timmar.
• Hålltid 9 timmar i skyddsatmosfär.
• Kylning i luft till rumstemperatur.