Magnéziumötvözetek sajtolása autóipari célra: A meleg alakítás előnye – Könnyűsúlyú autóajtó panelek meleg alakítással készült magnéziumötvözet lemezből

TL;DR

A magnéziumötvözet hidegalakítása a járműipari könnyűsúlyú szerkezetek határterületét jelenti, olyan alkatrészeket nyújtva, amelyek 33%-kal könnyebb az alumíniumnál és 75%-kal könnyebbek az acélnál . Mivel a szokványos hidegalakítás kudarcot vall a magnézium hexagonális sűrű pakolású (HCP) kristályszerkezete miatt, meleg alakítási technológia (200°C–300°C) képes aktiválni a nem-bázis síkú csúsztatási rendszereket, lehetővé téve így az összetett alakok kialakítását. Az ipar által szabványosított ötvözet, AZ31B , belső ajtópanelek, ülésvázak és keresztkocsi-tartók gyártására használatos villamos járművek (EV) hatótávolságának növelése érdekében. Ez az útmutató a nehéz öntvényekről könnyű kovácsolt alkatrészekre történő áttéréshez szükséges kritikus folyamatparamétereket, anyagválasztást és megvalósíthatósági adatokat foglalja össze.

A mérnöki eset: Miért érdemes a magnéziumot sajtolni?

Az elektromos járművek hatótávolságának maximalizálása érdekében a mérnökök gyakorlatilag kimerítették az alumíniummal elérhető könnyű nyereségeket. A magnézium (Mg) a következő logikus lépés. Sűrűsége mindössze 1,74 g/cm³ , szemben az alumínium 2,70 g/cm³-es sűrűségével, így a magnézium a jelenleg elérhető legkönnyebb szerkezeti fém. Acélelemek magnézium sajtolvánnyal való helyettesítése akár 75%-os tömegcsökkentést eredményezhet, míg az alumíniumról történő átállás körülbelül 33%-os súlymegtakarítást jelent.

A tömegcsökkentésen túl a magnéziumlemez kiváló a lecsökkentő kapacitás —képességet biztosít a rezgés és a zaj elnyelésére. A fehértest (BIW) alkalmazásoknál ez javult NVH-teljesítményt (Zaj, Rezgés és Ridegenség) jelent további nehéz akusztikus szigetelés nélkül. Ellentétben a szénszállal, amely újrahasznosítási kihívásokat jelent, a magnézium teljes mértékben újrahasznosítható, így összhangban áll az autógyártók körkörös gazdaságra vonatkozó előírásaival.

Hagyományosan a magnézium felhasználása die-casting (öntöttvas) alkalmazásokra korlátozódott (pl. motorblokkok, váltóműházak). Ugyanakkor az alakított (képlékenyen alakított) magnézium alkatrészek lényegesen jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel kiküszöbölik az öntésből eredő pórusossági problémákat. Ez teszi az alakított magnéziumot ideálissá nagy, vékonyfalú szerkezeti panelekhez, amelyek magas fajlagos szilárdságot igényelnek.

A kritikus folyamat: meleg alakítási technológia

A magnézium alakításának elsődleges akadálya a kristályszerkezete. Szobahőmérsékleten a magnézium hexagonális tömörített (HCP) rácsstruktúrával rendelkezik, amelynek korlátozott csúsztatási rendszerei vannak (főként bazális csúszás), ezért rideg, és deformálás során hajlamos repedni. A acélnál használt szabványos hidegalakítási módszerek azonnali meghibásodáshoz vezetnének.

A megoldás pedig Meleg Formázás . A magnéziumlemez és az eszközök melegítésével egy meghatározott hőmérséklet-tartományra 200 °C–300 °C (392 °F–572 °F) , további csúszó rendszerek (prizmatikus és piramisos) hőaktiválódnak. Ez drámaian növeli a rugalmasságot, lehetővé téve a mély húzásokat és a bonyolult geometriait, amelyek a szobahőmérsékleten lehetetlenek.

Fontos folyamatparaméterek

• Hőmérséklet-ellenőrzés: Az egységes fűtés kritikus. A ±10°C-os eltérés helyi nyakcsontokhoz vagy törésekhez vezethet. A nyers és a matricát általában felmelegítik.
• Kenés: A szokásos olajszendők ilyen hőmérsékleten bomlanak. A gyulladás megelőzése érdekében speciális, hőálló kenőanyagok, amelyek gyakran molibdén-diszulfidot (MoS2) vagy grafitot tartalmaznak, szükségesek.
• A formálási sebesség: Az acél nagysebességű tömítésétől eltérően a meleg tömörítésű magnézium gyakran lassabb nyomássebességet igényel (például 20 mm / s vs. több száz mm / s), hogy kezelje a feszültséget és megakadályozza a repedést, bár a közelmúltban a K+F javítja

Az anyagválasztás: AZ31B és a lemezgyártás

AZ31B (kb. 3% alumínium, 1% cink) az autóipari magnéziumlemez fő ötvözet. Ez az ötvözet kínálja a legjobb arányt a szilárdság, alakíthatóság és hegeszthetőség között. Folyáshatára általában kb. 200 MPa, szakítószilárdsága pedig 260 MPa, amivel versenyképes a lágy acélok és néhány alumíniumötvözet szintjén.

Jelentős kihívást jelentett a magnéziumlemez előállításának költsége. A hagyományos hengerlési eljárások drágák a többszöri izzítás miatt. Azonban új, innovatív extrudálás-simítás technikák jelentek meg. Ez az eljárás egy magnéziumcsövet extrudál, felvágja, majd lapos lemezzé simítja, ami akár 50%-os költségcsökkentést is eredményezhet a hagyományos hengerléssel összehasonlítva. Ez a költségcsökkentés elengedhetetlen ahhoz, hogy a magnézium mélyhúzása gazdaságilag életképes legyen nemcsak luxus sportautók, hanem tömegpiaci járművek esetében is.

Összehasonlító elemzés: Sajtolás és nyomásos öntés

Az autógyártók gyakran összekeverik a magnéziummal végzett öntést a tömítéssel. Bár mindkettő ugyanazt az alaphangot használja, az alkalmazások és tulajdonságai jelentősen eltérnek.

Döntési mátrix: Válasszon a nagy, lapos szerkezeti alkatrészek, mint például az ajtó belseje, a motorháztető és a tető, nyomtatását. Válasszon nyomásgyorsított öntést bonyolult, tömör alkatrészekhez, mint például a kormányoszlopok házakhoz vagy a sebességváltó dobozokhoz.

Prototípustól a tömeggyártásig

A magnéziumnyomtatásra való átállás speciális partnereket igényel, akik megértik az anyag hőhatását. Nem olyan egyszerű, mint egy már meglévő vonalon egy acél tekercset magnéziumra cserélni. A szerszámoknak hőkifejlődésre kell alkalmasnak lenniük, és a nyomtatási paramétereket pontosan kell szabályozni.

Az OEM-ek és az első osztályú beszállítók számára, akik ezt a technológiát kívánják érvényesíteni, elengedhetetlen egy tapasztalt gyártási partnerrel való együttműködés. Shaoyi Metal Technology komplex gépjárműsajtolási megoldásokat kínál, amelyek áthidalják a rést a gyors prototípusgyártástól a nagy léptékű termelésig. Az IATF 16949 tanúsítvánnyal és legfeljebb 600 tonnás sajtóképességgel rendelkezve képesek precíziós alkatrészek, például futómű-tengelyek és alvázak gyártására, miközben szigorú globális szabványokat tartanak be. Akár egy melegen alakított prototípus érvényesítésére van szükség, akár a termelés bővítésére, mérnöki szakértelmük biztosítja az összetett könnyűszerkezetek megvalósíthatóságát.

Alkalmazások és jövőre vonatkozó nézet

A magnézium sajtolás alkalmazása egyre gyorsabban terjed. A jelenlegi gyártási alkalmazások közé tartozik:

• Ülésvázak: Acélvázak kiváltása járművenként 5–8 kg tömegcsökkentés érdekében.
• Ajtón belső panelek: Melegen alakított AZ31B használata merev, könnyű hordozók létrehozásához.
• Kocsihosszirányú gerendák: Több alkatrész integrálása egyetlen, magnéziumból sajtolt szerkezetbe.
• Tetőpanelek: A súlypont csökkentése a jobb vezethetőség érdekében.

Mivel az akkumulátorok tömege továbbra is aggályt jelent az elektromos járműveknél, az a „könnyűsúly-prémium”, amit az autógyártók hajlandóak fizetni, folyamatosan növekszik. Várhatóan csökkennek a magnéziumlemez költségei az extrudálás-simítás méretezésével, ami a melegen alakított magnéziumot az elektromos platformok következő generációja számára szabványos megoldássá teszi.

A könnyűsúlyú tervezés határai

A magnéziumötvözetek sajtolása már nem csupán egy R&D kuriózum; az autótervezés jövője számára életképes és szükségszerű technológia. A meleg alakítási folyamat elsajátításával és megfelelő ötvözetek, például az AZ31B kiválasztásával a gyártók olyan tömegcsökkentést érhetnek el, amelyre az alumínium egyszerűen képtelen. Ez a változás befektetést igényel fűtött szerszámokba és folyamatszabályozásba, de a jutalom – könnyebb, hatékonyabb és jobb vezethetőségű járművek – tagadhatatlan.

Gyakran Ismételt Kérdések

1. Mi a különbség a magnézium sajtolása és a nyomásos öntés között?

A sajtolás egy szilárd állapotú eljárás, amely lemezes fémből alakít ki formákat, ideális vékony, nagy panelhez, például autóajtókhoz vagy tetőkhöz. Olyan alkatrészeket állít elő, amelyek nem porózusak, és nagyobb szilárdságúak. A nyomóöntés során olvadt magnéziumot fecskendeznek formába, ami összetett, tömör 3D alakzatokhoz, például motorblokkokhoz jobban alkalmazható, de gyakran alacsonyabb szerkezeti integritáshoz vezet légbuborékok miatt.

2. Miért szükséges a meleg alakítás a magnézium esetében?

A magnézium hexagonális sűrűn pakolt (HCP) kristályszerkezettel rendelkezik, amely korlátozza hajlékonyságát szobahőmérsékleten. Ha hidegen próbálják sajtolni, általában repedések keletkeznek. Az anyag 200°C–300°C-ra történő felmelegítése további "csúsztatási rendszereket" aktivál a kristályrácsban, így a fém elegendően alakíthatóvá válik összetett járműipari alkatrészek készítéséhez törés nélkül.

3. Mennyivel könnyebb a magnézium az alumíniumhoz képest?

A magnézium körülbelül 33%-kal könnyebb az alumíniumnál, és körülbelül 75%-kal könnyebb acélnál. Ez a jelentős tömegcsökkentés teszi a villamos járművek hatótávolságának kiterjesztése érdekében a leghatékonyabb szerkezeti fémmé.