Magnesium-Legierungen: AZ91, WE43, und Mg-Al-Ca in der modernen Technik

Einführung

Gewichtsreduzierung ohne Leistungseinbußen ist die zentrale Herausforderung der heutigen technischen Welt. Ingenieure in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, in der Handheld-Elektronik und in medizinischen Geräten sind ständig auf der Suche nach Materialien, die leicht, aber dennoch stabil und beständig sind. Unter den Metallen sind Magnesiumlegierungen eine der vielversprechendsten Entscheidungen. Mit 1,74 g/cm³ wiegt Magnesium etwa zwei Drittel weniger als Aluminium und fast ein Viertel weniger als Stahl. Dieser ausgezeichnete Gewichtsvorteil ist nicht nur aus mechanischer Sicht attraktiv, sondern macht Magnesiumlegierungen auch zur besten Wahl für Anwendungen, bei denen es auf das Gramm ankommt.

Unter der großen Familie der Magnesiumlegierungen haben sich bestimmte Zusammensetzungen als besonders geeignet für Leichtbauanwendungen erwiesen. AZ91, WE43 und Mg-Al-Ca-Legierungen sind gute Beispiele, jede mit ihrer eigenen Ausgewogenheit von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit. Die Kenntnis ihrer Eigenschaften, Vorteile und typischen Verwendungszwecke hilft Ingenieuren bei der Auswahl des richtigen Werkstoffs für bestimmte Konstruktionsanforderungen.

AZ91: Das zuverlässige Arbeitspferd

Unter den Magnesiumlegierungen sticht AZ91 aufgrund seiner weiten Verbreitung und Anwendbarkeit hervor. "AZ91" in seinem Namen beschreibt seine primären Legierungselemente: etwa 9 % Aluminium und 1 % Zink. Die Legierung zeichnet sich durch ein ausgewogenes Verhältnis von geringem Gewicht und Korrosionsbeständigkeit aus, so dass AZ91 überall dort eingesetzt wird, wo es auf Wirtschaftlichkeit ankommt.

Die gute Gießbarkeit ist einer der Hauptvorteile von AZ91. Die Legierung kann im Druckgussverfahren in komplexe Geometrien mit geringen Fehlern gegossen werden, was für Teile in der Automobil- und Unterhaltungselektronik unerlässlich ist. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung sind hoch genug für die meisten strukturellen Zwecke und weisen gleichzeitig ein vergleichsweise gutes Maß an Duktilität auf. Die Legierung ist auch korrosionsbeständiger als viele andere Magnesiumlegierungen, was ihre Lebensdauer erhöht, wenn sie Feuchtigkeit oder milden Chemikalien ausgesetzt ist.

AZ91 wird häufig in Automobilteilen verwendet, darunter Motorabdeckungen, Getriebegehäuse und strukturelle Innenteile. Sein geringes Gewicht, seine Festigkeit und seine Korrosionsbeständigkeit haben es zu einer der meistproduzierten Magnesiumlegierungen der Welt gemacht.

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WE43: Hochleistungslegierung

AZ91 eignet sich zwar hervorragend für leichte, kosteneffiziente Anwendungen, doch gibt es bestimmte technische Probleme, die Legierungen mit höherer thermischer Stabilität und Festigkeit erfordern. Hier kommt WE43 ins Spiel. WE43 ist eine Seltenerd-Magnesiumlegierung, die hauptsächlich mit Yttrium (Y) und anderen Seltenerdelementen (RE) wie Neodym und Gadolinium legiert ist.

Die Einführung dieser Seltenerdelemente verleiht WE43 außergewöhnliche Hochtemperatureigenschaften und Kriechfestigkeit, wodurch es sich für die Luft- und Raumfahrt, Hochleistungsfahrzeuge und sogar für medizinische Anwendungen eignet. Anders als herkömmliche Magnesiumlegierungen verliert WE43 bei hohen Temperaturen nicht an mechanischer Festigkeit, was es für Triebwerkskomponenten, Strukturbleche und andere raue Anwendungen wertvoll macht.

Neben der thermischen Leistung ist WE43 auch für seine gute Korrosionsbeständigkeit bekannt, insbesondere nach einer geeigneten Oberflächenbehandlung. Obwohl es wegen der enthaltenen Seltenen Erden teurer ist als AZ91, wiegen die Leistungsvorteile die Kosten bei Anwendungen mit hohem Risiko auf. WE43 wurde bereits in Flugzeugbauteilen, Hochleistungsmotorenkomponenten und sogar in biologisch abbaubaren medizinischen Implantaten eingesetzt, was beweist, dass Magnesiumlegierungen, wenn sie optimiert werden, auf spezifische Leistungsanforderungen zugeschnitten werden können.

Mg-Al-Ca-Legierungen: Leichtbaulösungen der Zukunft

Jüngste Forschungen haben Mg-Al-Ca-Legierungen als vielversprechende Kandidaten für leichte, korrosionsbeständige Anwendungen identifiziert. In diesen Legierungen wird Magnesium hauptsächlich mit Aluminium und Kalzium legiert, um Produkte mit geringer Dichte, akzeptablen mechanischen Eigenschaften und verbesserter Umweltstabilität herzustellen.

Der Zusatz von Kalzium erhöht die Korrosionsbeständigkeit und sorgt für zusätzliche thermische Stabilität, während Aluminium wegen seiner mechanischen Festigkeit enthalten ist. Die Legierungen sind besonders attraktiv für Produkte, die langfristig in feuchten oder leicht korrosiven Umgebungen eingesetzt werden sollen, wie z. B. Karosserieteile in der Automobilindustrie und Innenteile in der Luftfahrt. Für einige Mg-Al-Ca-Legierungen wurden auch andere biomedizinische Verwendungszwecke erforscht, wobei die natürliche Biokompatibilität und der langsame physiologische Abbau des Magnesiums genutzt wurden.

Die kombinierten Eigenschaften von Festigkeit, Leichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Mg-Al-Ca-Legierungen machen sie zu einem soliden technischen Werkstoff von morgen. Die weitere Forschung verfeinert ihre Zusammensetzung und Verarbeitungstechniken, wie Gießen, Strangpressen und additive Fertigung, um sie noch vorteilhafter zu machen.

Wie man die beste Magnesiumlegierung auswählt

Die Wahl der geeigneten Magnesiumlegierung ist eine sorgfältige Abwägung zwischen den Anforderungen der jeweiligen Anwendung, einschließlich mechanischer Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Herstellbarkeit und Kosten. AZ91 ist nach wie vor eine ausgereifte, kostengünstige Lösung für die meisten Anwendungen in der Automobil- und Unterhaltungselektronik. WE43 bietet eine erstklassige Leistung für Anwendungen mit hohen Temperaturen oder hohen Belastungen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizintechnik. Mg-Al-Ca-Legierungen sind eine neue Klasse, die ein Gleichgewicht zwischen Korrosionsbeständigkeit und Leichtgewichtseigenschaften bietet und sowohl für strukturelle als auch biomedizinische Anwendungen geeignet ist. Weitere Legierungsprodukte finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).