3.10 Magnesiumgjutlegeringar

Magnesium är med sin låga densitet på 1,74 gram/cm3 den lättaste av alla konstruktionsmetaller. Den låga densiteten i kombination med god hållfasthet gör att magnesium främst används i konstruktioner där låg vikt är av stor betydelse.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    3.10.1 Översikt

    Tillgången på magnesium, genom utvinning ur bland annat havsvatten och dolomit, är i princip outtömlig. 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 förstyvningsfjädrar. Utmattningshållfastheten hos magnesiumgjutlegeringar är generellt lägre än för aluminiumgjutlegeringar. Magnesiumlegeringar uppvisar dock oftast en tydlig utmattningsgräns.

    Magnesiumgjutlegeringar uppvisar goda dämpande egenskaperna. 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. En vanlig ytbehandlingsmetod är gulkromatering som ger ett visst korrosionsskydd men framförallt är en god grund för lackering.

    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 som det är med aluminium.

    Magnesium uppvisar redan vid måttligt förhöjda temperaturer en tydlig krypningstendens och hållfastheten sänks tydligt vid temperaturer över 100 grader.

    Användningsområden

    De huvudsakliga användningsområdena för de relativt dyra magnesiumgjutlegeringarna är för komponenter där låg vikt är en väsentlig faktor. Det största och kanske kraftigaste växande användningsområdet för magnesiumgjutgods är transportindustrin, till exempel för motorkomponenter, växellådshus, detaljer i styrningen, stolschassin, samt instrumentpaneler. Ett annat viktigt användningsområde är bärbara produkter, till exempel motorsågar, handverktyg, hobby- och sportartiklar, kamerahus, mobiltelefoner samt bärbara datorer.

    3.10.2 Magnesiumlegeringar

    I Europanormen SS-EN 1756 är 32 magnesiumgjutlegeringar standardiserade. De vanligaste använda legeringarna innehåller aluminium och zink.

    Aluminium förbättrar legeringarnas flyt- och gjutbarhet samt hållfastheten 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 (REE).

    3.10.3 Processteknik

    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 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 järndeglar. Detta möjliggör vidare användning av varmkammarmaskiner vid pressgjutning, åtminstone för legeringar med lågt aluminiuminnehåll. Både kallkammar- och varmkammarmaskiner används för pressgjutning av magnesiumlegeringar.

    En relativt ny teknik för gjutning av magnesiumlegeringar är thixogjutning. Denna teknik används bland annat i flera japanska gjuterier och väntas få ökad användning i framtiden. Tekniken används speciellt för tunnväggigt magnesiumgjutgods.

    Värmebehandling

    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.