Žigosanje zlitin magnezija za avtomobilske aplikacije: Prednost toplotnega oblikovanja – Toplotno oblikovanje pločevine iz zlitine magnezija za lahke avtomobilske vrata

POVZETEK

Kovanje iz zlitine magnezija predstavlja novejšo tehnologijo v lajšanju avtomobilov in omogoča izdelke, ki so 33 % lažjega od aluminija in 75 % lažji od jekla . Medtem ko standardno hladno kovanje odpove zaradi šestkotne goste kristične strukture magnezija (HCP), tehnologija toplega oblikovanja (200°C–300°C) uspešno aktivira nepodrobne drsne sisteme, kar omogoča zapletena oblike. Industrijski standardni zlitin je AZ31B , se sedaj uporablja za notranje plošče vrat, okvirje sedežev in prečne nosilce, da se podaljša doseg električnih vozil (EV). Ta priročnik zajema ključne procesne parametre, izbiro materialov in podatke o izvedljivosti, ki so potrebni za prehod z odteženih litin na lahke kovanke.

Inženirska utemeljitev: Zakaj kovati iz magnezija?

V tekmi za maksimizacijo dosega električnih vozil so inženirji s pomočjo aluminija večinoma izčrpali enostavne rešitve. Magnezij (Mg) je naslednji logični korak. Z gostoto le 1,74 g/cm³ v primerjavi z aluminijem 2,70 g/cm³ je magnezij najlažji strukturni kovinski material. Zamenjava jeklenih komponent z listnimi kovankami iz magnezija lahko prinese zmanjšanje mase do 75 %, medtem ko zamenjava aluminija prihrani približno 33 %.

Poleg samih zmanjšanj mase listni magnezij ponuja nadpovprečne dušilno sposobnost —zmožnost absorbiranja vibracij in hrupa. Pri uporabah karoserije na belo (BIW) to pomeni izboljšano zmogljivost NVH (hrup, vibracije in neugodnosti), ne da bi bilo treba dodati težko zvočno izolacijo. Za razliko od ogljikovih vlaken, ki predstavljajo izziv pri recikliranju, je magnezij popolnoma reciklabilen, kar se ujema s pogoji krožnega gospodarstva za avtomobilske proizvajalce OEM.

Zgodovinsko je bila uporaba magnezija omejena na litje pod tlakom (motorji, ohišja menjavnika). Kovani (oblikovani) deli iz magnezija pa ponujajo bistveno višje mehanske lastnosti, saj odstranijo težave s poroznostjo, ki so lastne litju. To naredi kovan magnezij idealnega za velike, tankostenske strukturne plošče, ki zahtevajo visoko specifično trdnost.

Ključni proces: tehnologija toplega oblikovanja

Glavna ovira pri žigosanju magnezija je njegova kristalna struktura. Pri sobni temperaturi ima magnezij šestkotno tesno pakirano (HCP) mrežo z omejenimi drsnimi sistemih (predvsem bazalno drsenje), kar ga naredi krhkega in nagnjenega razpokam med deformacijo. Standardne metode hladnega žigosanja, uporabljene pri jeklu, bodo povzročile takojšnjo odpoved.

Rešitev je Toplo oblikovanje . S segrevanjem pločevine iz magnezija in orodja na določeno območje 200°C do 300°C (392°F–572°F) , se dodatni drsni sistemi (prizmatični in piramidni) termično aktivirajo. To dramatično poveča raztegljivost, kar omogoča globoke vleke in kompleksne geometrije, ki so nemogoče pri sobni temperaturi.

Ključni parametri procesa

• Računalnik za nadzor temperature: Enakomerno segrevanje je kritično. Odstopanje le ±10°C lahko povzroči lokalno vratno ozko točko ali lom. Običajno se segreva tako osnovni list kot kalibr.
• Maščiranje: Standardna oljna maziva se razgrajujejo pri teh temperaturah. Za preprečevanje zatikanja so potrebna specializirana toplotno odporna maziva, ki pogosto vsebujejo molibdenov disulfid (MoS2) ali grafit.
• Hitrost oblikovanja: Zaradi upravljanja s hitrostjo raztezanja in preprečevanja trganja za toplotno oblikovanje magnezija pogosto zahteva počasnejše hitrosti tlačnega orodja (npr. 20 mm/s nasproti stotinam mm/s), kljub temu da novejša raziskava in razvoj izboljšujeta čase ciklov, za razliko od visokohitrostnega žiganja jekla.

Izbira materiala: AZ31B in proizvodnja pločevine

AZ31B (približno 3 % aluminija, 1 % cinka) je glavni zlitina za avtomobilske pločevine iz magnezija. Ponuja najboljšo ravnovesje med trdnostjo, raztegnljivostjo in zvarljivostjo. Njegova meja plastičnosti se običajno giblje okoli 200 MPa, natezna trdnost pa znaša 260 MPa, kar ga uvršča na konkurenčno raven z blagimi jekli in nekaterimi aluminijastimi zlitinami.

Pomemben izziv je bila cena proizvodnje magnezijeve pločevine. Tradicionalni postopki valjanja so dragi zaradi potrebe po večkratnih žarjenjih. Vendar pa inovativne ekstruzijsko-sporoščanje tehnike se pojavljajo. Ta postopek iztiska cev iz magnezija, jo razdeli in splošči v ploščo, pri čemer se stroški proizvodnje zmanjšajo za 50 % v primerjavi s konvencionalnim valjanjem. To zmanjšanje stroškov je ključno za uvedbo žiganja magnezija v komercialno uporabo pri vozilih za masovni trg, ne le pri luksuznih športnih avtomobilih.

Primerjalna analiza: žigosanje proti litju v kalup

Avtomobilski inženirji pogosto zamenjujejo litje magnezija pod tlakom z žiganjem. Čeprav oba postopka uporabljata isti osnovni kovinski material, se njuna uporaba in lastnosti bistveno razlikujeta.

Matrica odločanja: Izberite žigosanje za velike, ravne strukturne komponente, kot so notranjci vrat, haube in strehe. Izberite tlačno litje za zapletene, masivne dele, kot so hišišča krmilnega stolpa ali ohišja menjalnika.

Od prototipa do serijske proizvodnje

Prehod na žigosanje magnezija zahteva specializirane partnerje, ki razumejo toplotne odtenke materiala. Ni tako preprosto, kot zamenjati tuljavo jekla z magnezijem na obstoječi liniji. Orodje mora upoštevati toplotno raztezanje, parametri prese pa morajo biti natančno nadzorovani.

Za proizvajalce opreme in dobavitelje prve vrste, ki želijo ovrednoteniti to tehnologijo, je sodelovanje z izkušenim partnerjem za izdelavo bistveno. Shaoyi Metal Technology ponuja celovite rešitve za avtomobilsko žigosanje, ki povezujejo hitro izdelavo prototipov z izdelavo v visokih količinah. Z certifikatom IATF 16949 in zmogljivostmi žig presov do 600 ton lahko dobavijo natančne komponente, kot so vzvodni mehanizmi in podokvirji, hkrati pa upoštevajo stroge globalne standarde. Ne glede na to, ali želite preveriti ogrevano oblikovan prototip ali povečati proizvodnjo, njihovo inženirsko znanje zagotavlja izvedljivost zapletenih konstrukcij z majhno težo.

Uporabe in prihodnji pregled

Uporaba magnezijevega žigosanja se pospešuje. Trenutne proizvodne aplikacije vključujejo:

• Okviri sedežev: Zamenjava jeklenih okvirjev za prihranek 5–8 kg na vozilo.
• Notranje plošče vrat: Uporaba ogrevano oblikovanega AZ31B za izdelavo trdnih, lahkih nosilcev.
• Prečni nosilci: Integracija več delov v eno samostojno žignjeno magnezijev strukturo.
• Strešne plošče: Znižanje težišča za izboljšano vožnjo.

Ker teža baterij EV še naprej ostaja zaskrbljujoča, se »premijski dodatek za lajšanje«, ki so ga proizvajalci avtomobilov pripravljeni plačevati, povečuje. Pričakujemo, da se bodo cene listnega magnezija znižale, ko se bo iztiskanje in sploščevanje povečalo, kar bo naredilo toplom oblikovan magnezij standardno rešitvijo za naslednjo generacijo električnih platform.

Meja lajšanja konstrukcije

Tiskanje zlitin magnezija ni več le radovednost raziskav in razvoja; gre za uresničljivo in nujno tehnologijo za prihodnost avtomobilskega dizajna. Z obvladovanjem procesa toplega oblikovanja in izbiro pravih zlitin, kot je AZ31B, lahko proizvajalci dosegajo zmanjšanje mase, ki mu aluminij preprosto ne more konkurrirati. Takšen premik zahteva vlaganje v segrevano orodje in nadzor procesa, vendar je donos – lažja, učinkovitejša in boljše vodljiva vozila – nedvoumen.

Pogosta vprašanja

1. Kaka je razlika med tiskanjem iz magnezija in litjem pod tlakom?

Kovanje je postopek v trdnem stanju, pri katerem se pločevina oblikuje v določene oblike, kar je idealno za tanke, velike plošče, kot so avtomobilska vrata ali strehe. Proizvede dele brez poroznosti in z višjo trdnostjo. Litje pod tlakom vključuje vbrizgavanje taljenega magnezija v model, kar je bolj primerno za kompleksne, masivne 3D oblike, kot so motorji, vendar pogosto povzroči nižjo strukturno celovitost zaradi zračnih mehurčkov.

2. Zakaj magnezij potrebuje toplotno obdelavo?

Magnezij ima heksagonalno gostoupakovano (HCP) kristalno strukturo, ki omejuje njegovo prožnost pri sobni temperaturi. Poskus kovanja v hladnem stanju običajno povzroči razpoke. Segrevanje materiala na 200°C–300°C aktivira dodatne »sistemе drsenja« v kristalni mreži, kar naredi kovino dovolj duktilno, da jo je mogoče oblikovati v kompleksne avtomobilske dele, ne da bi se počili.

3. Koliko lažji je magnezij v primerjavi z aluminijem?

Magnezij je približno 33 % lažji od aluminija in približno 75 % lažji kot jeklo. To pomembno zmanjšanje teže ga naredi najučinkovitejšim strukturnim kovinskim materialom za podaljšanje dosega električnih vozil.