Литье под давлением магния: технологическое окно и дизайн детали

Магний — самый легкий конструкционный металл, который можно отливать под давлением, и для подходящей детали он является очевидным выбором: плотность около 1,8 г/см³ против 2,7 у алюминия, хорошие демпфирующие свойства, полезное экранирование от электромагнитных помех и обрабатываемость, превосходящая почти все другие конструкционные сплавы. Но магний также обладает таким набором свойств, с которыми литейщики алюминия и цинка не сталкиваются ежедневно. Он горит. Он требует защиты расплава. Он быстро заполняется и быстро затвердевает. И история коррозии настолько отличается, что вы не можете просто скопировать последовательность финишной обработки алюминия и ожидать, что она сработает.

Эта статья представляет собой справочник по процессам и проектированию для литья магниевых сплавов под давлением, написанный для инженера, выбирающего сплав и проектирующего деталь. Мы расскажем, почему магний заслуживает своего места, о безопасном диапазоне, вокруг которого необходимо проектировать, о горячекамерных и холоднокамерных машинах, о распространенных семействах сплавов и их применении, о специфике толщины стенок и уклонов, о том, чем пористость и литниковые системы отличаются от алюминиевых, о различиях в финишной обработке, включая отдельный вопрос коррозии, и о том, как роботизированная ячейка DZ вписывается в производственную линию.

Почему магний и какую цену вы платите за дисциплину процесса

Аргументы в пользу магния просты с точки зрения веса. Для кронштейна, который у алюминиевой детали весит 100 грамм, магниевая деталь часто весит около 65-70 грамм при эквивалентной жесткости, поскольку более низкая плотность магния лишь частично компенсируется более низким модулем упругости, который восстанавливается за счет немного большей толщины сечения или ребра жесткости. В ручном инструменте, автомобильной двери или шарнире робота эта разница в весе — реальные деньги в стоимости доставки, инерции и утомляемости оператора.

Магний также обрабатывается примерно в два раза быстрее алюминия при сопоставимом сроке службы инструмента, что важно, когда детали требуют резьбовых отверстий, расточек и фрезерованных поверхностей. А его электропроводность в сочетании с низкой плотностью обеспечивает естественное экранирование от электромагнитных помех для корпусов без дополнительных покрытий.

Цена, которую вы платите, — это дисциплина:

• Расплавленный металл реагирует с кислородом и при температуре выше примерно 650 °C при определенных условиях может воспламениться. У вас не будет второго шанса при пожаре расплава, как это может быть с алюминиевым шлаком.
• Низкое теплосодержание магния означает, что деталь быстро затвердевает, поэтому окно процесса заполнения у вас уже, чем у алюминия.
• Поверхность окисляется и, что хуже, гальванически соединяется почти со всем, поэтому защита от коррозии не является необязательной в большинстве наружных или влажных применений.

Решение об использовании магния, следовательно, является системным решением: сплав, тип машины, защита расплава и финишная обработка должны быть специфицированы вместе, а не выбираться независимо.

Безопасный диапазон: воспламенение, защита расплава и покровный газ

Вы не можете спроектировать линию литья магниевых сплавов под давлением, не спроектировав сначала безопасный диапазон для расплава. Соответствующие факты являются физическими, а не необязательными:

• Температура плавления магния составляет около 650 °C; диапазон от ликвидуса до солидуса для распространенных литейных сплавов составляет около 595-615 °C для AZ91.
• Магний в воздухе образует пористый оксид, который не защищает расплав, в отличие от самоограничивающейся оксидной пленки алюминия. После воспламенения магний горит с высокой температурой, и его трудно потушить водой или стандартным CO2.
• Стандартной защитой является покровный газ над расплавом. Исторически использовался SF6, поскольку небольшая концентрация образует защитный слой, но SF6 является мощным парниковым газом и во многих регионах выводится из эксплуатации или ограничивается.
• Современная практика отдает предпочтение смесям, таким как SF6, разбавленный сухим воздухом, или заменителям гексафторида серы, или аргоновому покрытию с плотным уплотнением печи. Чистое аргоновое покрытие часто используется на небольших, хорошо уплотненных печах.

Практические правила проектирования, которых мы придерживаемся:

• Печь и среда литникового рукава должны быть надежно защищены; не используйте магний на печи, предназначенной для открытой плавки алюминия.
• Среда закалки и реагирования на пожар должны быть рассчитаны на магний (сухой порошок, покрытая соль, НЕ вода, НЕ CO2 на горящий бассейн).
• Макет ячейки должен изолировать расплав от зоны обрезки и отделки, потому что мелкие стружки и пыль из обработки и дебurring по магнию сами по себе являются риском пожара и взрыва. Сбор пыли на линии магния — это система безопасности, а не опция для уборки.

Это часть литейного производства магния, которая не отображается на чертеже детали, но определяет всю фабрику, которую вы строите вокруг нее.

Горячая камера против холодной камеры для магния

Низкая точка плавления магния и низкий уровень поглощения железа по сравнению с алюминием делают возможной литейку в горячей камере, и это существенное отличие от алюминия, который почти всегда используют в холодной камере, потому что алюминий атакует сталь гусенца.

Горячая камера для магния:

• Гусенец и поршень расположены погруженными в расплав, поэтому выстрел быстрый, и металл никогда не проходит холодным через воздух.
• Циклы работы короче, зачастую значительно, потому что отсутствует отдельное наливание или перенос металла.
• Лучше для меньших, тонких деталей и больших объемов: корпуса, кронштейны, небольшие корпуса, рамки электроники.
• Ограничено сроком службы гусенца и размером детали; очень большие порции предпочтительнее для холодной камеры.

Холодная камера для магния:

• Металл наливается или дозируется в холодный рукав, затем инжектируется, что напоминает холодную камеру для алюминия.
• Обрабатывает более крупные детали и более тяжелые порции, чем горячая камера.
• Цикл немного длиннее и есть чуть больший риск окисления при заливке, который контролируют газовая крышка и герметичная заливочная коробка.
• Распространена для структурных деталей автомобилей и больших корпусов.

Выбор в основном зависит от веса порции и толщины стенки. Тонкие, маленькие, высокообъемные детали склоняются к горячей камере; большие или толстые структурные детали — к холодной камере. Обе системы используют одинаковую логику последующей обрезки и отделки.

Семейства сплавов: AZ91, AM60, AM50 и их назначение

Литейные сплавы магния основаны на алюминии, марганце и цинке как основных растворителях, с доминированием цинк-алюминиевых составов (серия AZ) и алюминий-марганцевых составов (серия AM).

Конструктивные особенности:

• AZ91D является стандартным материалом для литейного производства, потому что он хорошо заполняется и имеет самое широкое окно технологического процесса. Если вы не уверены, начните с него.
• AM60 и AM50 уступают в прочности, но выигрывают в пластичности. Для кронштейна, который не должен сломаться при ударе, дополнительная вытяжка важнее пиковой прочности.
• Марганец в серии AM улучшает коррозионную стойкость, связывая железо и другие тяжелые металлы, которые иначе вызвали бы гальваническую коррозию.
• Держите примеси железа, никеля и меди очень низкими. Железо выше нескольких сотен ppm ухудшает коррозионные свойства; поэтому важны обработка плавки и выбор сплава для горловины.

По сравнению с алюминием, магниевые сплавы менее прочны на объем, поэтому деталь часто делается чуть толще или ребристой для соответствия жесткости. Вес все равно выигрывает за счет разницы плотности.

Для более широкого сравнения того, как магний конкурирует с алюминием и цинком по стоимости и свойствам, наш сравнение литья цинка и алюминия охватывает компромиссы, которые также применимы, когда Mg входит в список кандидатов.

Толщина стенки, уклон и особенности линии раздела

Магний отлично заполняет тонкие стенки благодаря своей низкой вязкости и низкому тепловому содержанию, что означает возможность удерживать более тонкие номинальные стенки, чем при использовании алюминия при одинаковой длине потока.

Практические показатели:

• Мелкие детали до 100 мм: минимальная толщина стенки около 0,6 мм достигается в производстве, а комфортной нормой является 0,8–1,0 мм.
• Более крупные детали свыше 250 мм: планируйте минимальную толщину 1,0–1,5 мм для обеспечения надежного заполнения всей полости.
• Поддерживайте однородность стенок лучше чем 2:1 по толщине, так же как и при использовании алюминия, поскольку усадка все равно скапливается в толстых участках.
• Конус: магний легко выбрасывается, но поскольку детали часто тонкие и крупные, держите угол наклона внешних стенок 1,0–1,5 градусов и внутренние ядра 1,5–2,0 градуса, чтобы избежать следов зацепов на хрупких тонких стенках.
• Радиусы: по той же логике, что и у алюминия, внутренние радиусы 0,5–1,0 мм для предотвращения горячих точек, а также небольшой радиус на линии раздела для чистоты плоскости флюса при обрезке.

Одно отличие, которое стоит отметить: быстрое застывание магния означает, что размеры горловин должны быть щедрыми и размещены так, чтобы обеспечить быстрое и сбалансированное заполнение. Горловина, подходящая для алюминия при данной скорости, может привести к недозаполнению магния, потому что Mg застывает раньше, чем достигает дальней стенки. Формовка — это задача проектирования процесса, а не простое копирование алюминиевого штампа.

Различия в пористости и системе подачи по сравнению с алюминием

Пористость в литых магниевых деталях возникает из тех же двух источников, что и у алюминия: захват газа из-за турбулентного заполнения и усадка из-за плохого питания. Но баланс смещается.

• Низкая плотность и вязкость магния означают, что он легко ускоряется и пенообразует в турбулентном канале. Система подачи, которая слишком агрессивна, захватывает газ, у которого нет выхода до застывания.
• Пористость из-за усадки менее терпима на тонких участках, потому что фронт кристаллизации закрывается быстро; помогают щедрые переливы и короткие пути потока.
• Вакуумная помощь, распространенная для алюминия при изготовлении герметичных деталей, также используется для магния, когда требуется герметичность или низкая пористость, при этом необходимо учитывать, что оборудование для вакуума должно быть совместимо с Mg.

Для систематического обзора дефектов и их исправлений наши дефектах и решениях при алюминиевом литом под давлением карты соответствия связывают одни и те же коренные причины (холодное заживание, газовая пористость, усадка, горячие трещины) с корректирующими действиями, которые применимы к магнию с учетом более быстрого застывания.

Вывод из проектирования: заранее проектируйте переливы и вентиляционные отверстия, держите пути потока короткими и избегайте толстых участков, которые должны питаться через тонкую горловину. Магний наказывает гейтинг, который был “достаточно хорош” для алюминия.

Различия в отделке: легче полировать, другие правила коррозии

Магний приятно обрабатывать механически и сложно обрабатывать химически, если относиться к нему как к алюминию.

Механическая отделка:

• Магниевые машины и полируют быстрее, чем алюминий. Циклы удаления заусенцев и шлифовки обычно короче, а низкая твердость означает, что абразивы режут быстро, поэтому нагрузки на шпиндель и контактные силы могут быть ниже.
• Эта скорость тоже представляет опасность: слишком большое усилие или засоренное колесо могут нагружать и нагревать деталь, а мелкая пыль магния воспламеняема. Роботизированная ячейка для удаления заусенцев из магния DZ работает с контролируемым усилием, без искрообразующих инструментов и с системой сбора пыли, рассчитанной на металл.
• Легко достигается косметическая полировка до яркого или сатинового покрытия, поэтому магний используется в премиальных корпусах и потребительском оборудовании.

Химическая и покрывальная отделка, где правила расходятся:

• Анодирование по сути является процессом обработки алюминия. Магний можно подвергать поверхностной обработке, но обычное серное анодирование, используемое для алюминия, не переносится; анодирование магния использует другие химические процессы (например, собственные фторидные или плазменные процессы) и не является той же операцией. Не следует предполагать, что линия анодирования алюминия завершит обработку магниевого изделия.
• Для полной картины алюминия наш руководстве по анодированию литых алюминиевых деталей объясняет маршрут анодирования, специфичный для Al; магний должен быть указан отдельно на своей дорожке.
• Магний требует защиты от коррозии как системы: хроматное преобразование (где разрешено), или современные пассивирующие покрытия без хрома, за которыми следуют краска, порошковое покрытие или гальваника в зависимости от условий эксплуатации.
• Гальваническая коррозия — это ловушка. Магний, соединённый со сталью или медными сплавами в присутствии электролита, будет быстро корродировать. Проектируйте для изоляции: изоляционные шайбы, отдельные покрытия или выбирайте крепежные элементы, совместимые с материалами.

Итак, план отделки для магниевого изделия включает два отдельных решения: как сделать его внешний вид и ощущения правильными с механической точки зрения (легко), и как предотвратить его коррозию в эксплуатации (настоящая инженерная задача).

Где роботизированная ячейка DZ подходит для линии магния

Линия литейного производства магния — это не просто линия для алюминия с другим расплавом. Последовательная ячейка должна учитывать риски пожара и пыли, при этом соблюдая цикл времени.

Как мы строим ячейку вокруг металла:

• Первичный штамповочный пресс с инструментами, рассчитанными на магний, и безопасной для искр обработки, потому что ворота и вспышки воспламеняемы в тонком виде.
• Роботизированная обработка заусенцев с использованием плавающих шпинделей и контролируемого усилия, чтобы деталь не обрабатывалась чрезмерно и пылеобразование оставалось управляемым. Обычно достаточно меньшего контактного усилия, чем при алюминии, и это безопаснее.
• Отдельная, изолированная система сбора пыли с мерами по предотвращению взрывов, отделённая от любой линии для алюминия, потому что смешанная пыль магния и алюминия меняет профиль опасности.
• Полировочные станции для косметических деталей с подачей воска или пасты, соответствующей быстрому срезу магния.
• Осмотры и упаковка, предотвращающие контакт необработанного магния с несовместимыми металлами до нанесения покрытия.

Работа по проектированию детали, описанная выше, — одна плоская линия разделения, постоянная полоса вспышки, полые выступы и стабильные датумы, — окупается так же, как и для алюминия: робот работает по известному краю и обеспечивает повторяемую отделку без участия человека у станка.

Мягкий призыв к действию

Технологии DZ по проектированию роботизированных ячеек для обработки заусенцев, шлифовки и полировки с учетом особенностей процесса магния, от системы сбора пыли, рассчитанной на магний, до обработки с контролируемым усилием, учитывающей быстрый срез и риск возгорания металла. Если вы переводите изделие на магний, обратитесь к нашей инженерной команде с вашими чертежами, и мы разработаем для них безопасную, подготовленную и завершённую ячейку.