โลหะผสมแมกนีเซียมสำหรับการหล่อแม่พิมพ์: ประเภทและคุณสมบัติ

โลหะผสมแมกนีเซียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการหล่อแม่พิมพ์คือ AZ91D, AM60B และ AM50A — แต่ละชิ้นมีความสมดุลที่แตกต่างกันระหว่างความแข็งแรง ความเหนียว และความสามารถในการหล่อ ซึ่งเหมาะสมกับข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่แตกต่างกัน AZ91D ครองการใช้งานทั่วไปด้วยการผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีที่สุด ในขณะที่ AM60B และ AM50A เป็นที่ต้องการมากกว่า โดยที่การดูดซับพลังงานและการยืดตัวมีความสำคัญมากกว่าความแข็ง การหล่อโลหะผสมแมกนีเซียม มีมูลค่าทั่วทั้งภาคอุตสาหกรรมยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ และการบิน เนื่องจากมีแมกนีเซียม โลหะโครงสร้างที่เบาที่สุด ซึ่งเบากว่าอะลูมิเนียมประมาณ 33% และเบากว่าเหล็กประมาณ 75% ช่วยให้ลดน้ำหนักได้มากโดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

เหตุใดจึงใช้แมกนีเซียมในการหล่อโลหะ

โลหะผสมแมกนีเซียมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการหล่อด้วยแรงดันสูง (HPDC) ด้วยเหตุผลหลายประการที่เชื่อมโยงถึงกัน แมกนีเซียมบริสุทธิ์มีความหนาแน่นเพียงเท่านั้น 1.74 ก./ซม.³ — เมื่อเปรียบเทียบกับ 2.70 ก./ซม. สำหรับอะลูมิเนียม และ 7.87 ก./ซม. สำหรับเหล็ก — ทำให้เป็นตัวเลือกที่เลือกใช้เมื่อการลดมวลคือลำดับความสำคัญในการออกแบบ

นอกเหนือจากน้ำหนักแล้ว โลหะผสมแมกนีเซียมยังมีข้อดีในการประมวลผลที่ทำให้น่าดึงดูดในเชิงพาณิชย์:

• ความลื่นไหลดีเยี่ยมที่อุณหภูมิการหล่อ: โลหะผสมแมกนีเซียมจะไหลเข้าสู่ส่วนที่เป็นผนังบางได้อย่างง่ายดาย 0.6–1.0 มม ช่วยให้ชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและมีรูปร่างใกล้เคียงกันในช็อตเดียว
• รอบเวลาที่รวดเร็ว: แมกนีเซียมจะแข็งตัวอย่างรวดเร็ว — โดยทั่วไปจะมีรอบเวลา เร็วขึ้น 25–50% กว่าการหล่อแบบอลูมิเนียมที่เทียบเคียงได้ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตต่อชิ้นส่วน
• ปริมาณความร้อนต่ำของการหลอม: มวลความร้อนที่ต่ำกว่าช่วยลดความล้าจากความร้อนของแม่พิมพ์ ยืดอายุของแม่พิมพ์ได้สูงสุดถึง 2–3× เมื่อเทียบกับอะลูมิเนียม .
• ความสามารถในการแปรรูปที่ดี: แมกนีเซียมเป็นหนึ่งในโลหะที่ตัดเฉือนง่ายที่สุด โดยมีความเร็วในการตัดสูงถึง เร็วขึ้น 10 เท่า กว่าเหล็กและต้องการการสึกหรอของเครื่องมือน้อยกว่า
• อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง: โลหะผสมแมกนีเซียมให้ค่าความแข็งแรงเฉพาะที่สามารถแข่งขันกับโลหะผสมอะลูมิเนียมหลายชนิดและเหล็กบางชนิดได้

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ส่วนประกอบมาตรฐานของการหล่อโลหะผสมแมกนีเซียมในโครงสร้างแผงหน้าปัดของยานยนต์ ตัวยึดคอพวงมาลัย โครงเบาะนั่ง และตัวเรือนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

โลหะผสมแมกนีเซียมที่พบมากที่สุดสำหรับการหล่อแบบตายตัว

โลหะผสมแมกนีเซียมหล่อขึ้นรูปถูกกำหนดโดยระบบตัวอักษร-ตัวเลขที่กำหนดโดย ASTM ตัวอักษรระบุธาตุผสมหลักและรอง (A = อลูมิเนียม, Z = สังกะสี, M = แมงกานีส, S = ซิลิคอน, E = ดินหายาก) และตัวเลขระบุเปอร์เซ็นต์น้ำหนักโดยประมาณ

AZ91D — พลังขับเคลื่อนอุตสาหกรรม

AZ91D ประกอบด้วยประมาณ อลูมิเนียม 9% และสังกะสี 1% โดยมีปริมาณแมงกานีสควบคุมเพื่อต้านทานการกัดกร่อน มันคิดเป็นประมาณ 90% ของการผลิตแม่พิมพ์หล่อแมกนีเซียมทั้งหมด ทั่วโลกและเป็นตัวเลือกเริ่มต้นเมื่อไม่มีข้อกำหนดด้านการทำงานพิเศษใดที่จะเอื้ออำนวยต่อโลหะผสมชนิดอื่น

AZ91D ได้รับความนิยมเนื่องจากมีกำลังให้ผลผลิตสูงสุดและความต้านทานแรงดึงสูงสุดในตระกูลโลหะผสมหล่อแบบมาตรฐาน มีความสามารถในการหล่อที่ดี และต้านทานการกัดกร่อนทั่วไปได้ดีที่สุดของโลหะผสม Mg-Al ทั่วไปเนื่องจากขีดจำกัดความไม่บริสุทธิ์ของเหล็ก ทองแดง และนิกเกิลที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด (แต่ละตัวต่ำกว่า 0.005%)

AM60B — ความเหนียวและการดูดซับพลังงาน

AM60B ประกอบด้วย อลูมิเนียม 6% และแมงกานีส 0.3% โดยไม่มีการเติมสังกะสี การลดอะลูมิเนียมลงจาก 9% เหลือ 6% จะทำให้ความแข็งแรงลดลงเล็กน้อย แต่เพิ่มการยืดตัวได้มาก — AM60B ทำได้ การยืดตัว 8% เทียบกับ AZ91D 3% ทำให้เป็นโลหะผสมที่ต้องการสำหรับส่วนประกอบที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของยานยนต์ เช่น พวงมาลัย โครงเบาะนั่ง และแผงประตูด้านใน ซึ่งการออกแบบการดูดซับพลังงานจากการชนเป็นข้อกำหนดในการออกแบบ

AM50A — ความเหนียวสูงสุด

AM50A ประกอบด้วย อลูมิเนียม 5% และให้ความยืดตัวสูงสุด ( มากถึง 10% ) ของโลหะผสมหล่อแบบมาตรฐาน โดยมีต้นทุนค่าความต้านทานแรงดึงต่ำกว่า ใช้ในการใช้งานที่ต้องการการเสียรูปสูงสุดก่อนที่จะแตกหัก เช่น คานขวางของแผงหน้าปัดและโครงสร้างป้องกันการพลิกคว่ำในรถยนต์เปิดประทุน

AS41B และ เออี44 — โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง

โลหะผสม AZ และ AM มาตรฐานสูญเสียความต้านทานการคืบอย่างมีนัยสำคัญข้างต้น 120°ซ เนื่องจากการอ่อนตัวลงของเฟสระหว่างโลหะ Mg₁₇Al₁₂ ที่ขอบเขตของเกรน สำหรับการใช้งานระบบส่งกำลัง เช่น กล่องเกียร์ อ่างน้ำมันเครื่อง และแท่นยึดเครื่องยนต์ จำเป็นต้องใช้โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง:

• AS41B (4% อัล, 1% Si): การเติมซิลิคอนทำให้เกิดการตกตะกอนของ Mg₂Si ที่มีความเสถียรทางความร้อน ช่วยเพิ่มความต้านทานการคืบคลานได้ถึง 150°ซ .
• เออี44 (อัล 4%, ธาตุหายาก 4%): การเพิ่มธาตุหายาก (ซีเรียม, แลนทานัม) ช่วยเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงและต้านทานการคืบคลานได้อย่างมาก 175°ซ ใช้ในแท่นเครื่องยนต์และเรือนเกียร์ของ BMW และ Porsche

การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลของโลหะผสมหล่อแบบสำคัญ

ตารางด้านล่างเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลที่สำคัญของแมกนีเซียมอัลลอยด์หล่อขึ้นรูปที่สำคัญที่สุดภายใต้มาตรฐาน ASTM โดยให้ข้อมูลพื้นฐานสำหรับการเลือกโลหะผสม:

การใช้งานหลักของการหล่อโลหะผสมแมกนีเซียม

การหล่อโลหะผสมแมกนีเซียมพบได้ในหลากหลายอุตสาหกรรม โดยโดยประมาณแล้วยานยนต์ถือเป็นตลาดที่ใหญ่ที่สุด 70% ของการบริโภคทั้งหมด .

อุตสาหกรรมยานยนต์

ทุกกิโลกรัมที่ประหยัดได้ในรถยนต์จะช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงได้ประมาณ 0.06–0.08 ลิตรต่อ 100 กม ตลอดอายุการใช้งานของยานพาหนะ ส่วนประกอบยานยนต์หล่อแมกนีเซียมทั่วไป ได้แก่:

• โครงสร้างแผงหน้าปัดและคานขวางรถ (AM60B, AM50A)
• เกราะพวงมาลัยและขายึดเสา (AM60B)
• กล่องเกียร์และกล่องเกียร์ (AZ91D, AE44)
• โครงเบาะนั่งและแผงประตูด้านใน (AM60B)
• ขายึดเครื่องยนต์และอ่างน้ำมันเครื่องในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง (AS41B, AE44)

เครื่องใช้ไฟฟ้า

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ใช้ AZ91D อย่างกว้างขวางสำหรับเคสแล็ปท็อป ตัวกล้อง กรอบโครงสร้างของสมาร์ทโฟน และเคสแท็บเล็ต แมกนีเซียมให้ การป้องกัน EMI (การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า) ที่ยอดเยี่ยม - การลดทอนสูงสุดถึง 90 เดซิเบล ที่ความถี่ตั้งแต่ 30 MHz ถึง 1 GHz - ข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือเปลือกพลาสติก

การบินและอวกาศและกลาโหม

ในการบินและอวกาศ ที่ทุกกรัมมีความสำคัญ แม่พิมพ์หล่อโลหะผสมแมกนีเซียมจะปรากฏอยู่ในตัวเรือนกระปุกเกียร์ของเฮลิคอปเตอร์ โครงที่นั่งบนเครื่องบิน และกล่องอุปกรณ์การบิน โลหะผสมชนิดพิเศษที่มีการเติมธาตุหายากจะถูกใช้ที่อุณหภูมิการทำงานเกิน 150°C

เครื่องมือไฟฟ้าและอุปกรณ์กีฬา

ตัวเรือนเครื่องมือไฟฟ้า ตัวเลื่อยไฟฟ้า และส่วนประกอบของจักรยานได้รับประโยชน์จากน้ำหนักเบาของแมกนีเซียมบวกกับความแข็งแกร่งที่เพียงพอ AZ91D เป็นโลหะผสมมาตรฐานสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ซึ่งช่วยลดน้ำหนักชิ้นงานในขั้นตอนสุดท้ายได้ 30–35% เมื่อเทียบกับการหล่ออลูมิเนียมที่เทียบเคียงได้ .

กระบวนการหล่อโลหะผสมแมกนีเซียม

การหล่อโลหะผสมแมกนีเซียมผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการหลักสองรูปแบบ แต่ละรูปแบบมีข้อดีที่แตกต่างกัน:

การหล่อแบบห้องร้อน

แม่พิมพ์หล่อแมกนีเซียมส่วนใหญ่ใช้กระบวนการห้องร้อน (คอห่าน) เนื่องจากแมกนีเซียมมีความสามารถในการละลายธาตุเหล็กต่ำ ทำให้ระบบฉีดจมอยู่ในของเหลวที่หลอมละลายโดยไม่เกิดการกัดเซาะอย่างมีนัยสำคัญ พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการหล่อห้องร้อนแมกนีเซียม ได้แก่ :

• อุณหภูมิหลอมละลาย: 620–680°C ขึ้นอยู่กับโลหะผสม
• แรงดันฉีด: 35–105 เมกะปาสคาล
• อุณหภูมิแม่พิมพ์: 180–260°ซ
• ข้อได้เปรียบของรอบเวลา: เร็วกว่าการหล่ออะลูมิเนียมห้องเย็นถึง 40–60%

การหล่อแบบห้องเย็น

การหล่อแบบห้องเย็นใช้สำหรับชิ้นส่วนแมกนีเซียมที่มีขนาดใหญ่และหนักกว่า ซึ่งความจุของเครื่องจักรในห้องร้อนไม่เพียงพอ โลหะหลอมเหลวจะถูกใส่ลงในปลอกกระสุนในแต่ละรอบ แรงดันในการฉีดจะสูงขึ้น ( 70–140 เมกะปาสคาล ) ทำให้เกิดการหล่อที่หนาแน่นขึ้นและมีรูพรุนต่ำกว่า — เหมาะสำหรับงานโครงสร้างยานยนต์

การป้องกันการหลอมเหลวระหว่างการประมวลผล

แมกนีเซียมหลอมเหลวออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วและสามารถติดไฟได้หากสัมผัสกับอากาศหรือความชื้น สิ่งอำนวยความสะดวกการหล่อแบบสมัยใหม่ช่วยปกป้องพื้นผิวหลอมเหลวโดยใช้ ครอบคลุมส่วนผสมของก๊าซ SF₆ และ CO₂ หรือ SO₂ หรืออากาศแห้งด้วยสารยับยั้งที่เป็นกรรมสิทธิ์ ความเข้มข้นของ SF₆ ต่ำที่สุด 0.2% โดยปริมาตร ในก๊าซปกคลุมก็เพียงพอที่จะยับยั้งการเกิดออกซิเดชันได้ ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยนี้เพิ่มความซับซ้อนของกระบวนการแต่เป็นที่ยอมรับกันดีในการดำเนินงานเชิงพาณิชย์

ความต้านทานการกัดกร่อนของการหล่อแมกนีเซียม

ความต้านทานการกัดกร่อนเป็นข้อจำกัดที่อ้างถึงบ่อยที่สุดของโลหะผสมแมกนีเซียม แมกนีเซียมที่ไม่มีการป้องกันมีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานเท่ากับ –2.37 โวลต์ ทำให้มีขั้วบวกสูงและไวต่อการกัดกร่อนของกัลวานิกเมื่อสัมผัสกับโลหะโครงสร้างอื่นๆ ส่วนใหญ่

อย่างไรก็ตาม การกำหนดความบริสุทธิ์สูงของโลหะผสมสมัยใหม่ (AZ91D, AM60B) จะช่วยแก้ปัญหากลไกการกัดกร่อนเบื้องต้น การวิจัยพบว่าการจำกัดปริมาณธาตุเหล็กให้ต่ำกว่าอัตราส่วนวิกฤตของ เฟ/มินัล ≤ 0.032 ลดอัตราการกัดกร่อนลงด้วยปัจจัย 10–100× เมื่อเทียบกับอัลลอยด์เก่าที่มีความบริสุทธิ์ต่ำกว่า AZ91D ในการทดสอบสเปรย์เกลือ (ASTM B117) ปัจจุบันมีอัตราการกัดกร่อนที่เทียบได้กับอะลูมิเนียมอัลลอยหล่อ 380

การรักษาพื้นผิวที่ใช้กับแมกนีเซียมหล่อเพื่อป้องกันการกัดกร่อน ได้แก่ :

• ออกซิเดชันแบบไมโครอาร์ค (MAO / PEO): สร้างชั้นฮาร์ดเซรามิกออกไซด์ที่มีความหนา 10–30 μm ให้ความต้านทานการกัดกร่อนและการสึกหรอที่ดีเยี่ยม
• สารเคลือบแปลงที่ปราศจากโครเมียม: ไพรเมอร์ที่มีฟอสเฟต-เปอร์แมงกาเนตหรือไทเทเนียม/เซอร์โคเนียม ใช้เป็นฐานการยึดเกาะของสีในงานยานยนต์
• E-coat (เคลือบด้วยไฟฟ้า) ทับหน้า: กระบวนการพ่นสีรถยนต์มาตรฐาน ส่วนประกอบ AZ91D ที่มีการปรับสภาพล่วงหน้าอย่างเหมาะสมบรรลุผลสำเร็จ 500 ชม ในสเปรย์เกลือ ASTM B117
• การเคลือบผงโพลีเมอร์: ใช้สำหรับตัวเรือนอิเล็กทรอนิกส์และสินค้าอุปโภคบริโภคที่ต้องการความสวยงามและความต้านทานการกัดกร่อน

วิธีการเลือกโลหะผสมแมกนีเซียมที่เหมาะสมสำหรับโครงการหล่อของคุณ

การเลือกโลหะผสมสำหรับการหล่อแบบแมกนีเซียมควรได้รับแรงผลักดันจากการประเมินโครงสร้างข้อกำหนดด้านการทำงาน ใช้กรอบการตัดสินใจต่อไปนี้:

1. กำหนดอุณหภูมิในการทำงาน: หากชิ้นส่วนเห็นอุณหภูมิคงที่สูงกว่า 120°C (ห้องเครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง) โลหะผสม AZ/AM มาตรฐานจะไม่เหมาะสม — ระบุ AS41B (สูงถึง 150°C) หรือ AE44 (สูงถึง 175°C)
2. กำหนดข้อกำหนดทางกลหลัก: หากต้องการความแข็งแรงและความแข็งสูงสุด (ตัวเรือน ขายึด แผงโครงสร้าง) ให้เลือก AZ91D หากความเหนียวและการดูดซับพลังงานจากการชนมีความสำคัญ (ส่วนประกอบด้านความปลอดภัย โครงสร้างเบาะนั่ง) ให้เลือก AM60B หรือ AM50A
3. ประเมินความหนาของผนังและความซับซ้อนทางเรขาคณิต: ผนังที่บางมาก (ต่ำกว่า 1.5 มม.) และทางเข้าที่ซับซ้อนได้ประโยชน์จากความลื่นไหลที่เหนือกว่าของ AZ91D อัลลอยด์ซีรีส์ AM มีสภาพคล่องน้อยกว่าเล็กน้อยและอาจต้องมีการออกแบบเกตใหม่เพื่อให้มีรูปทรงที่ซับซ้อน
4. ประเมินสภาพแวดล้อมการกัดกร่อน: สำหรับการสัมผัสกลางแจ้งหรือมีความชื้นสูง ให้ระบุเกรดที่มีความบริสุทธิ์สูง ("D" ใน AZ91D และ "B" ใน AM60B หมายถึงรุ่นที่มีความบริสุทธิ์สูง) และวางแผนสำหรับการรักษาพื้นผิวที่เหมาะสมตั้งแต่เริ่มแรก
5. พิจารณาข้อกำหนดหลังการประมวลผล: หากชิ้นส่วนจะถูกเชื่อม โลหะผสมซีรีส์ AM จะสามารถเชื่อมได้ดีกว่า AZ91D เนื่องจากมีปริมาณสังกะสีต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดแนวโน้มการแตกร้าวจากความร้อน

สำหรับโครงการหล่อโลหะเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ — กรอบ, ฉากยึด, กรอบโครงสร้าง — AZ91D ยังคงเป็นจุดเริ่มต้นเริ่มต้น และควรทดแทนเฉพาะเมื่อการทดสอบเฉพาะหรือการวิเคราะห์เชิงฟังก์ชันแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการเปลี่ยนไปใช้ AM60B, AM50A หรือโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูง