Eigenschappen van magnesiumlegeringen

Magnesium is een nieuw constructiemetaal. De Canadees L M Pidgeon zette pas in 1940 de eerste magnesium industrie op. Door het lage gewicht, de goede gietbaarheid en verspaanbaarheid, zijn magnesiumlegeringen geschikt voor de vervaardiging van niet eenparig bewegende onderdelen en behuizing van draagbare apparatuur, zoals fototoestellen, handboormachines, kettingzagen en uiteraard voor de automobiel- en vliegtuigindustrie.

Algemene beschouwing magnesiumlegeringen

Magnesium is het lichtste constructiemetaal. Ongelegeerd is het te zwak en onbruikbaar. De legeringselementen zijn aluminium, mangaan, zink, zirkonium, zilver, thorium. Toevoeging van legeringselementen geeft een bruikbaar constructiemateriaal en in sommige gevallen een thermisch hardbare legering. Demping, schokweerstand en vermoeiingsweerstand van de magnesiumlegeringen zijn goed.

Voorkomen magnesium in de aardkorst

Magnesium komt voor in verbindingen met andere elementen. Dolomiet en magnesiet zijn bekende magnesium ertsen. Circa 2% van de aardkorst bestaat uit magnesiumhoudende ertsen. Magnesium staat op de achtste plaats in voorkomen van de elementen in de aardkorst. Uit zoutlagen wordt het magnesiumzout (MgCl2) gewonnen, dat door elektrolyse omgezet wordt in magnesium.

Slecht koudvervormbare magnesium legeringen

De hexagonaal structuur van magnesium maakt het metaal anisotroop d.w.z. dat de mechanische eigenschappen afhankelijk zijn van de bewerkingsrichting zoals walsrichting. Door deze hexagonale rooster is het materiaal slecht koudvervormbaar. Alleen de basisvlakken zijn geschikt als glijvlak van atomen. Bij hogere temperatuur ontstaan meerdere glijvlakken zodat tussen 260 en 360 ºC walsen mogelijk is.
.............................................................

Groepen magnesiumlegeringen

Toepassing van onderstaande drie groepen magnesiumlegeringen voor o.a. vliegtuig- en raketonderdelen, kantoormachines, automobielen, vrachtwagencarrosserie, koffers, sportartikelen, camera’s, andere optische apparatuur, handgereedschap zoals handboormachines, kettingzagen enz

Groep MgAlZnMn

AZ31B Producten uit plaat, geextrudeerde profielen en smeedwerk. Na lassen spanningsvrijgloeien op circa 250 ºC.
AZ61A minder goed lasbaar en vervormbaar, hogere sterkte, niet in plaat en band vorm voorhanden wel als staf, buis en andere extrusie profielen.

Groep MgZnZrTh

ZK60A hoge sterkte, minder goed lasbaar. Beschikbaar als staf, buis en extrusie profielen.

Groep MgAlZn

AZ63A legering voor zand-gietwerk en Coquille-gietwerk.
AZ81A legering voor zand en coquillegietwerk met relatief grote taaiheid
AZ91 Spuitgietlegering
AZ92A Legering voor zand en Coquillegietwerk

Brandgevaar

Magnesiumlegeringen oxideren snel. Zowel fijn verdeeld als in gesmolten toestand reageert het heftig met water en is zeer brandbaar. Bij verbranding ontstaat een fel wit licht dat schadelijk is voor de ogen. Atoom raakt bij voorkeur de twee buitenste elektronen kwijt om het tweewaardige ion Mg2+ te vormen. Het metaal is een sterke reductor.

Magnesiumbrand niet met water blussen omdat water indirect extra brandstof levert volgens:

• Mg + 2H2O → Mg2+ + 2 OH- + H2

Tijdens verwerking van vloeibaar magnesium voorkomt men een reactie met zuurstof door toepassing van een beschermend gas of het metaalbad afdekken met een zout. Magnesiumpoeder wordt gedroogd en samengeperst opgeslagen om zelfontbranding te voorkomen.

Aanduiding van magnesiumlegeringen.

De eerste twee letters geven de belangrijkste legeringselementen weer. Daarop volgt het percentage hiervan in de legering (afgerond op hele procenten). AZ31 bevat 3% aluminium en 1% zink- AZ 61 bevat 6% aluminium en 1% zink.

Chemische samenstelling, fysische en mechanische eigenschappen

In onderstaande tabel zijn de courante magnesiumlegeringen opgenomen, selectie criterium is dat de legeringen zowel onder DIN als onder ASTM vermeld moeten staan.

Invloed van legeringselementen in magnesiumlegeringen

• A- Aluminium verbetert sterkte gietbaarheid en corrosieweerstand heeft hoge oplosbaarheid en maaktwarmte behandeling mogelijk
• C- Koper
• E - Zeldzame aarde verbetert de mechanische eigenschappen bij hogere temperatuur
• H- Thorium
• K -Zirkonium verbetert de korrelverfijning. Niet toe passen in combinatie met aluminium en mangaan
• L -Lithium
• M - Mangaan verhoogt de corrosievastheid verhoogt de vloeigrens heeft lage oplosbaarheid
• Q- zilver
• S - silicium
• W- Ittrium
• Z - Zink verbetert de sterkte en in combinatie met zirkonium wordt een legering gevormd die een warmtebehandeling kan ondergaan

Toepassingen

Magnesium producten worden vooral gegoten in zand-, in coquille- en in spuitgietmatrijzen. Combinatie van gewicht besparing en redelijke sterkte-eigenschappen maakt het metaal geschikt voor de lucht- en ruimtevaart, transportmiddelen, huishoudelijke apparatuur, levensmiddelindustrie, racefietsen, notebooks en camcorders e.d.

Lage smeltpunt, weinig smeltenergie en kleine warmtecapaciteit maken magnesiumlegeringen geschikt voor spuitgieten. Gesmolten magnesium reageert niet met ijzer uit de matrijs (wat aluminium wel doet), dunwandige onderdelen met nauwe toleranties kunnen worden gegoten omdat magnesium niet krimpt tijdens stollen en de gietvorm dus goed vult.

Bij verspanen zijn de snijkrachten op het snijgereedschap relatief laag. Er ontstaan korte spanen, gunstig in verband met automatische fabricage op CNC-machines. Gereedschap slijtage is minder dan bij aluminium en de standtijd van de gereedschappen is meer dan vijf maal zo hoog. Men kan met 50% hogere snijsnelheden werken. De oppervlaktekwaliteit bij het verspanen is fraai.

Magnesium in de biologie

Magnesium komt voor in levensvormen. In elk chlorofylmolekuul, dat zorgt voor de fotosynthese in planten, zit een magnesiumatoom. Magnesiumhoudende kunstmeststof wordt gebruikt in de tuinbouw. Wat de gezondheid aspecten (zie medische websites) betreft: Magnesium is onmisbaar voor de mens voor de energieproductie, de werking van spieren en zenuwen en voor het behoud van gezonde botten. Magnesium heeft invloed op het functioneren van enzymen en hormonen. Het metaal zit in alle lichaamscellen. Opname van magnesium gaat via voedsel, (o.a. noten, granen, groenten).

Het corroderen van magnesium

Algemeen

Aan de lucht vormt zich MgO en MgCO3, deze oppervlaktelaag is niet bestand tegen vocht en vooral niet tegen zeelucht en producten uit magnesium moeten beschermd worden door bichromatiseren, lakken of epoxeren.

Contact corrosie

Een galvanisch element (galvanische cel, voltacel, electrochemisch element) is een stroombron; die elektrische stroom opwekt d.m.v chemische omzetting. Een galvanisch element bestaat uit twee elektrisch geleidende platen van verschillende metalen die door een elektrolyt met elkaar verbonden zijn. Het minst edele van de twee metalen gaat in oplossing, waarbij elektriciteit (elektronen) worden geleverd. Onedele metalen hebben een grotere oplosdruk dan edele metalen. Als men de metalen rangschikt in volgorde van toenemende oplosdruk dus afnemende edelheid ontstaat de spanningsreeks. Geheel onderaan staan de onedele metalen, die een positieve oplosdruk hebben, op plaats nul staat waterstof als nullijn en daarboven staan de edele metalen.

Spanningsreeks van materialen:

Hoe hoger(edeler) in de spanningsreeks hoe beter het materiaal bestand is tegen aantasting. Als twee metalen met een verschillende plaats in de spanningsreeks met elkaar in een vochtige omgeving in contact komen, ontstaat een galvanisch element en wordt de minst edele metaal aangetast (opgelost). Laag geplaatst metaal in de reeks wordt opgeofferd ten gunste van hoger geplaatst metaal. Om stalen schepen te beschermen tegen corrosie worden tegen de scheepshuid zinkblokken gemonteerd. Na een bepaalde tijd zijn de zink blokken verteerd, terwijl de scheepshuid niet aangetast is. Des te verder metalen uit elkaar staan in de reeks, des te heftiger de galvanische werking en des te sneller het laagst geplaatste metaal ‘weg rot’.

Geen roestvaststalen schroeven in magnesium gebruiken. Magnesium niet in contact brengen met brons, messing, staal, tin, koper en lood. Maken zink en lood contact op een droge plek gebeurt er niets, zodra de plek nat wordt lost het zink langzaam op. Aan de zeekust verloopt galvanische corrosie(contact corrosie) sneller.