TL;DR

Magnija kalšana automašīnu atvieglošanai ir specializēts ražošanas process, kas izmanto karstā veidošanas tehnoloģiju (parasti 200°C–300°C), lai no magnija sakausējuma loksnes izveidotu strukturālas detaļas. Atšķirībā no tradicionālās kokilkaļveida liešanas, kaltā magnija (galvenokārt AZ31B ) kalšana novērš porainību un ļauj izveidot plānākas sieniņas, nodrošinot 33% svara samazinājumu salīdzinājumā ar alumīniju un līdz pat 75% salīdzinājumā ar tēraudu. Šis process pāvar metāla sešstūraino cieši iepakoto (HCP) kristālstruktūru, kas istabas temperatūrā rada trauslumu, padarot to par būtisku virzienu nākamās paaudzes transportlīdzekļu efektivitātei.

Atvieglošanas priekšējais malējs: kāpēc kalt magniju?

Nemitīgajā cīņā par automašīnu efektivitāti inženieri pastāvīgi cīnās ar "masas spirāli". Lai gan alumīnijs jau ilgu laiku ir bijis standarts atvieglošanai, magnija kalšana reprezentē nākamo loģisko soli materiālu attīstībā. Magnijs ir viegākais strukturālais metāls, kura blīvums ir aptuveni 1,74 g/cm³, tādējādi tas ir aptuveni 33% viegāk nekā alumīnijs un 75% viegāk nekā tērauds. Elektromobīlim (EV), kur katrs ietaupītais kilograms tieši pārtulkojas palielinātā braukšanas attālē, šie rādītāji nav vienkārši pieaugumi — tie ir pārveidojoši.

Vēsturiski automašīnu lietojumos magnijs ir bijis sinonīms ar formaizgriešanā —piemēram, instrumentu paneļu balstiem, stūres ratu armatūrām un pārnesumu kārbām. Tomēr litā attīstīšanai ir ierastas ierobežojumi: tai nepieciešamas biezākas sienas (parasti minimums 2,0–2,5 mm), lai nodrošinātu šķidruma plūsmu, un iegūtie daļas bieži ciets no porozitātes, kas ierobežo siltumapstrādes iespējas. Metāla formēšana maina šo paradīmu. Formējot kaltu magnija loksni, inženieri var sasniegt sienu biezumu līdz pat 1,0 mm vai pat mazāk, vēl papildus pastiprinot svaru ietaupījumu, gūstot labumu no kaltā materiāla labākām mehāniskajām īpašībām, piemēram, augstākā elastīguma un izturības pret nogurīšanu.

Džempera magnija pielietojuma potenciāls sniedzas aiz vienkāršu stiprinājumu robežas. Lielākie automašīnu ražotāji un pētījumu iestādes ir veiksmīgi validējuši šo procesu lieliem virsmas komponentiem kā durvju iekšējās paneļi , sēdekļu rāmis un jumta loki. Šie pielietojumi izmanto magnija augsto īpašo stingumu un izcilu amortizācijas spēju — tā spēju labāk nekā alumīnijs vai tērpi absorbēt vibrāciju un troksni (NVH) —, pārvēršot strukturālu nepieciešamību par komforta funkciju.

Tehniskais izaicinājums: Formējamība istabas temperatūrā

Ja ražots magnijs piedāvā tik pārliecinošas priekšrocības, kāpēc tas nav nozares standarts? Atbilde slēpjas tā kristalogrāfijā. Atšķirībā no tērauda vai alumīnija, kam ir sejiski centrēta kubiska (FCC) vai tilpiski centrēta kubiska (BCC) struktūra ar daudzām slīdes sistēmām, magnijam ir Sešstūrains cieši iepakots (HCP) kristālstruktūra. Istabas temperatūrā šī struktūra ir ievērojami nepielāgojama.

Plastiska deformācija metālos notiek tad, kad kristāla plaknes slīd viena pār otru, mehānisms, ko sauc par "slīdi". Izmantojot apkārtējas temperatūras (25°C), magnijs gandrīz izskatās balstās uz bazālo slīdes sistēmu , kas nodrošina tikai divus neatkarīgus slīdes režīmus. Saskaņā ar von Mises kritēriju, materiālam nepieciešamas vismaz piecas neatkarīgas slīdes sistēmas, lai veiktu sarežģītas deformācijas, neizraisot lūzumus. Līdz ar to mēģinājumi dziļi veltnēt vai ražot sarežģītas magnija detaļas aukstumā noved pie nekavējošiem bojājumu veidiem, piemēram, smagiem plaisājumiem vai pārtrūkumiem. Materiāls vienkārši nevar kompensēt deformāciju.

Šis ierobežojums rada lielu sprieguma-saspiešanas asimetriju un anizotropiju (īpašību virzieniskumu). Magnija loks varētu pietiekami labi izstiepties vienā virzienā, bet trausli sabrukt citā. Lai atklātu materiāla potenciālu, inženieriem ir jāaktivizē papildu slīdes sistēmas — konkrēti prizmātiskās un piramīdveida slīdes plaknes — kuras kļūst aktīvas tikai tad, kad materiāls tiek sasildīts.

Risinājums: Karstā veidošana (200°C–300°C)

Pārtraukums magnija iegulšanā ir silto formēšana . Pētījumi liecina, ka magnija loksnes temperatūras paaugstināšana līdz robežām no 200°C līdz 300°C būtiski palielina kritisko rezultējošo bīdes spriegumu (CRSS), kas nepieciešams bāzes slīdei, vienlaikus samazinot aktivizācijas enerģiju ne-bāzes slīdes sistēmām. Šajā „labvēlīgajā zonā” materiāls pārveidojas no trausla par plastisku, ļaujot izveidot sarežģītas ģeometrijas, salīdzināmas ar mīksto tēraudu.

Karstās formas ieviešana prasa pamatīgu pārmaiņu veidņu stratēģijā. Atšķirībā no aukstās stampēšanas, kur veidnis absorbē siltumu, ko rada berze, karstās formas process prasa, ka veidnis pats būtu siltuma avots (vai vismaz siltumu pārvaldīts). Process parasti ietver заготовку sildīšanu un saglabāšanu veidņa noteiktā temperatūrā. Priekš AZ31B , optimālais logs bieži tiek minēts ap 250°C . Ja pārāk auksts, detaļa plaisā; ja pārāk karsts (virs 300°C), materiāls ciets no termālās atmaisīšanas vai grauda košņas, samazinot gala daļas stiprumu.

Smērēšana ir vēl viens kritiskais faktors. Standarta uz eļļas bāzes izgatavoti štampēšanas smērvielas augstās temperatūrās sadalās vai dūmo. Lai novērstu materiāla un rīka savstarpēju nodilumu, nepieciešamas speciālas cietās smērvielas (piemēram, grafīta vai PTFE bāzes pārklājumi) vai augstas temperatūras polimēru plēves. Lai gan tas palielina sarežģītību, kompromisa rezultātā process kļūst piemērots lielserijas ražošanai. Cikla ilgums ir samazināts līdz dažiem sekunžu desmitdaļām, kas padara procesu dzīvotspējīgu masveida ražošanai. Tomēr šī procesa realizācija lielā mērogā prasa speciālas zināšanas. Sadarbnieki, piemēram, Shaoyi Metal Technology aizpilda šo plaisu, piedāvājot precīzas štampēšanas risinājumus, kas spēj nodrošināt pāreju no ātriem prototipiem uz lielserijas ražošanu, ievērojot stingras OEM kvalitātes standartus.

Materiālu izvēle: Galvenie magnija lokšņu sakausējumi

Ne visi magnija sakausējumi ir vienādi. Veiksmīga štampēšanas projekta panākumi bieži sākas ar sakausējuma izvēli, balansējot veidojamību, izmaksas un mehānisko izturību.

• AZ31B (Mg-3%Al-1%Zn): Šis ir magnija lokšņu pasaulē visizturīgākais materiāls. Tas ir komerciāli pieejams, vidēji dārgs un labi pētīts. Lai gan tā veidojamība istabas temperatūrā ir zema (ierobežojošais kupola augstums ~12 mm), tas lieliski reaģē uz siltu veidošanu 250°C temperatūrā. Tas ir standarta izvēles materiāls vairumam strukturālo automašīnu pielietojumu.
• ZEK100 (Mg-Zn-RE-Zr): Šis jaunākās paaudzes sakausējums satur retzemju elementus (RE), piemēram, neodīmu. Retzemju pievienošana maina kristālgrafisko tekstūru, nejauši orientējot graudus. Šī "vājinātā tekstūra" samazina anizotropiju, ļaujot ZEK100 veidot zemākās temperatūrās (līdz pat 150°C) vai sarežģītākās formās salīdzinājumā ar AZ31B. Tas ir izcils izvēles materiāls sarežģītām ģeometrijām, kur AZ31B nespēj.
• E-Form Plus / Specializētie sakausējumi: Pastāvīgi rodas jauni pašu izgudroti sakausējumi, lai vēl vairāk pazeminātu formēšanas temperaturu, samazinot enerģijas izmaksas un ciklu laiku. Tie bieži vien koncentrējas uz grauda lieluma samazināšanu, lai uzlabotu izturību caur graudu robežu slīdi.

Salīdzinošā analīze: Stamping vs. Die Casting

Automobiļu inženieriem, izvēle bieži vien ir starp nobalējušu procesu formaizgriešanā un stamping tehnoloģijas veiksmes priekšrocībām. Šāds salīdzinājums izskaidro, kāpēc stamping iegūst popularitāti konkrētām lietojumprogrammām:

Nākamnes perspektīvas

Kad globālie emisijas standarti kļūst stingrāki un EV sacensības paātrinās, loma magnija štancēšanas automašīnu vieglsvaru tehnoloģijām tehnoloģijai tikai paplašināsies. Rūpniecība virzās uz daudzkomponentu komplektiem — savienojot štancētus magnija paneļus ar alumīnija vai augstas izturības tērauda rāmjiem, izmantojot jaunākās līmes un pašurbējošos skrūvīšus (lai novērstu galvanisko koroziju). Lai gan saglabājas izaicinājumi saistībā ar izejvielu cenu un piegādes ķēdes stabilitāti, inženierijas arguments par silti formētu magniju ir nenoliedzams: tas piedāvā galīgo kombināciju starp vieglumu un izturību rītdienas transportlīdzekļiem.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāpēc viņi pārtrauca izgatavot magnija riteņus?

Magnija riteņi ("mags") zaudēja popularitāti vispārējiem patērētāju transportlīdzekļiem, jo radās korozijas problēmas un augstas uzturēšanas izmaksas. Agri magnija sakausējumi bija ļoti jutīgi pret grūtiem un galvāniskai korozijai no ceļa sāls. Turklāt magnija ir krasi sasilstīga un to ir grūti atjaunot, salīdzinot ar alumīniu. Mūsdienās ir izgatavoti magnija riteņi, bet tie galvenokārt ir rezervēti sacensību vai ultra luksuzējošu segmentu vajadzībām, kur veiktspēja pārsniedz izmaksas.

2. Vai magnija sakausējumu var apzīmēt?

Jā, bet parasti ne istabas temperatūrā. Standarta magnija sakausējumi, piemēram, AZ31B, ir silts veidojies temperatūrās no 200°C līdz 300°C. Šī siltums aktivizē papildu slīdes sistēmas kristālstruktūrā, ļaujot metālam izstiepties un veidoties bez plaisāšanas. Dažas jaunākās sakausējuma markas, piemēram, ZEK100, nodrošina labāku veidojamību zemākās temperatūrās.

3. Kāda ir magnija sakausējuma nepilnība?

Galvenie trūkumi ir korozijs un izdevumi . Magnijs ir ļoti reaktīvs un atrodas zemu galvaniskajā rindā, kas nozīmē, ka tas strauji korodē, ja saskarē ar tēraudu vai mitrumu bez atbilstošiem pārklājumiem. Tas ir arī dārgāks par kilogramu salīdzinājumā ar tēraudu vai alumīniju. Turklāt heksagonālā kristālstruktūra padara to grūti veidojamu aukstumā, nepieciešams enerģijietilpīgs siltā veidošana procesi.