Aliaje cu magneziu in domeniul aerospatial

1. Considerații generale

Deși atât magneziul cât și beriliul sunt materiale extrem de ușoare, ambele au dezavantaje considerabile care le limiteaza aplicațiile. Aliajele de magneziu sunt în mod frecvent în competiție cu aliajele de aluminiu pentru aplicații structurale. În comparație cu aliajele de aluminiu de înaltă rezistență, aliajele de magneziu nu sunt la fel de rezistente (au o rezistență la tracțiune de 140-345 MPa, față de cele de aluminiu cu 275-550 MPa) și au un modul de elasticitate mai scăzut (0.45x10^5 N/mm² față de 0.69-0.76x10^5 N/mm²). Cu toate acestea, aliajele de magneziu sunt considerabil mai ușoare (1744 kg/m³ față de 2768 kg/m³) și sunt din acest motiv competitive din punct de vedere al rezistenței specifice (rezistență/densitate) și modul specific (modul/densitate). Cel mai mare obstacol în folosirea aliajelor de magneziu este rezistența lor extrem de scăzută la coroziune (fig.1). Magneziul ocupă poziția cea mai anodică în seria galvanică, și, în consecință, există mereu un potențial care induce coroziune. Cu toate acestea, o parte din aliajele mai noi au o rezistență la coroziune îmbunătățită. Așa cum este arătat în fig.2, câteva din aliajele de turnare din magneziu de apropie de rezistența la coroziune a aliajelor de aluminiu cu care sunt în competiție. Aliajele de magneziu au capacități de atenuare foarte bune, astfel că s-au găsit aplicații în medii cu vibrații pronunțate, precum angrenajele de transmisie de la elicoptere. Beriliul este de asemenea un metal foarte ușor (1882 kg/m³), cu o combinație atractivă de proprietăți (rezistență la tracțiune bună, modul de elasticitate ridicat – 3.03x10^5 N/mm²). Acestea, combinate cu proprietăți termice și electrice avantajoase, au condus la utilizarea sa în sisteme electrice și de ghidare în variate aplicații aerospațiale. Cu toate acestea, beriliul trebuie procesat folosind tehnologia metalurgiei cu pulberi, care este costisitoare. Ca și la magneziu, structura sa cristalină hexagonală compactă îi scade proprietățile de formabilitate. În plus, pulberile și gazele rezultate din procesarea beriliului sunt toxice și acest aspect crește și mai mult costul prin necesitatea unui mediu de fabricare controlat și o preocupare pentru siguranță sporită în repararea/service-ul structurilor deja fabricate.

Notă: valorile unor mărimi sunt nerotunjite datorită conversiei din sistemul metric englez în SI

1

fig.1 – Piesă din magneziu corodată

fig.2 – Comparație a coroziunilor pentru aliaje de turnare de aluminiu și magneziu

2. Magneziul

Folosirea aliajelor de magneziu în aplicațiile aerospațiale este destul de limitată. De fapt, folosirea lor a scăzut constant de la Al Doilea Război Mondial. Majoritatea aplicațiilor curente sunt pentru aliaje de turnare în forme de nisip pentru componente structurale secundare, precum reductorul elicopterelor. Greutatea scăzută și capacitatea de atenuare constituie motivația folosirii lor.

2

2.1. Considerații metalurgice

Magneziul pur are punctul de topire la 650ºC și o rețea cristalină hexagonala compactă. Structura rețelei restricționează lunecările între straturile bazale, astfel că magneziul este dificil de deformat plastic la temperatura camerei (rata de călire prin prelucrare la temperatura camerei este ridicată și ductilitatea este scăzută). La temperaturi ridicate, alte plane de lunecare devin active, astfel că aliajele de magneziu sunt de obicei prelucrate la temperaturi mai mari decât 225ºC, de obicei în intervalul 345-510ºC. O altă consecință a caracteristicilor structurii cristaline a magneziului este proprietatea de anizotropie mecanică (direcționalitate) în lamine rulate la rece, datorită texturii sale cristalografice. Spre exemplu, tensiunea de curgere în compresiune ale produselor deformabile este doar în jur de 40-70% din cea de tracțiune. Din cauza dificultății de formare la rece a aliajelor de magneziu, turnarea este metoda preferată deformării. Una dintre consecințele unui punct de topire scăzut este susceptibilitatea crescută de curgere la temperaturi moderate. Cu toate acestea, s-au dezvoltat aliaje cu performanțe mai bune la curgere.

Aluminiul și zincul oferă rezistență sporită. Aluminiul, în plus față de faptul că oferă rezistență și duritate, mărește plaja temperaturii de solidificare și facilitează turnarea. Aluminiul în procente de peste 6% promovează durificarea prin precipitare. Zincul este al doilea element de aliere ca importanță. Acesta ajută la rafinarea precipitatului în aliajele ce conțin aluminiu. Zincul poate să fie folosit și în combinație cu zirconiul, elemente rare, sau thoriu, pentru a produce aliaje de durificare prin precipitare. Argintul îmbunătățește de asemenea durificarea prin precipitare. Zirconiul este folosit în aliajele de turnătorie pentru rafinarea grăunțelor cristaline. Efectul puternic de rafinare a zirconiului asupra structurii cristaline este evidențiat în fig.3. Cu toate acestea, zirconiul nu este folosit în aliaje împreună cu aluminiul, pentru că acestea duc la apariția unor compuși friabili.

3

fig.3 – Rafinarea structurii cristaline cu zirconiu

Adițiile de mangan îmbunătățesc rezistența la coroziunea în apă sărată prin înlăturarea fierului din soluție. Siliconul mărește fluiditatea în aliajele de turnătorie, dar scade rezistența la coroziune dacă este prezent și fierul în compoziția aliajului. Thoriul și ytriul îmbunătățesc rezistența la curgere; cu toate acestea, folosirea thoriului, care este ușor radioactiv, a scăzut datorită unor reglementări introduse din ce în ce mai restrictive. Deși mult mai puțin solubile decât aluminiul și zincul, elementele rare sunt elemente potente de durificare. Elementele „pământoase” rare din tabelul periodic sunt frecvent introduse sub formă de amestecuri precum mischmetal sau didymium. Mischmetal-ul conține cam 50% ceriu, iar în rest lanthan și neodymiu, în timp ce didymiul conține aproximativ 85% neodymiu și 15% praseodymiu. Elementele de impuritate precum nichelul, fierul si cuprul trebuiesc menținute la niveluri scăzute pentru a micșora coroziunea.

Aliajele de magneziu sunt produse atât în condiții de deformabilitate cât și de turnare. Unele aliaje sunt durificate prin prelucrare la rece în timp ce altele sunt durificate prin precipitare în tratamente termice. Aliajele se pot divide în două clase largiȘ cele care conțin 2-10% aluminiu cu adiții de zinc și mangan, și cele care conțin zinc cu adiții de metale rare, thoriu, argint și zirconiu pentru rezistență în general (în special la curgere) și pentru rafinarea structurii cristaline. Proprietățile la tracțiune ale aliajelor de magneziu variază în general între 69-345 MPa tensiune de curgere și 138-380 MPa tensiune cu deformații de 1-15%.

4

2.2. Aliaje de magneziu

Aliajele de magneziu sunt denumite printr-o combinație de litere și numere. Primele 2 litere indică cele 2 elemente dominante de aliere, în timp ce următoarele 2 cifre indică procentele aproximative în care se găsesc acestea. Spre exemplu, aliajul AZ91 conține aproximativ 9% aluminiu și 1% zinc. Mai este o literă care urmează uneori după denumirea de bază; A indică o compoziție originală, B indică a doua modificare, C - a treia modificare, D indică o versiune de puritate crescută iar E indică o compoziție rezistentă la coroziune. În exemplul anterior, AZ91C ar indica a treia modificare a compoziției de bază AZ91. Sistemul de denumire pentru aliajele de magneziu este arătat în tabelul t.1 iar compozițiile câtorva aliaje sunt date în tabelul t.2. Denumirile pentru tratamentele termice de călire/revenire ale aliajelor de magneziu sunt aceleași cu cele de la aluminiu. Acest sistem este arătat în tabelul t.3; cu toate acestea, cum majoritatea aplicațiilor aerospațiale pentru aliajele de magneziu folosesc aliajele de turnătorie, tratamentele de călire predominante sunt T4, T5 și T6. Proprietățile la tracțiune ale unui număr de aliaje de magneziu deformabile și pentru turnătorie sunt date în tabelul t.4.

t.1 – Denumiri ale aliajelor de magneziu în sistemul ASTM (American Society for Testing and Materials)

Prima parte A doua parte A treia parte

Indică cele 2 elemente principale de aliere

Indică procentele celor 2 componente principale

Face diferențierea între diferite aliaje cu aceleași procentaje de aliere

Formată din 2 litere care reprezintă cele 2 elemente de aliere; se succed în ordinea descrescătoare a procentajului (sau alfabetic dacă procentajele sunt egale)

Formată din 2 cifre care corespund procentelor rotunjute ale celor 2 elemente de aliere, scrise în aceeași ordine ca în prima parte

Formată dintr-o litera a alfabetului; acestea au fost asociate pe măsură ce s-au standardizat compozițiile

A – AluminumC – CopperE – Rare EarthH –THoriumK – ZirKoniumM – ManganeseQ – Silver (Quick Silver)S – SiliconT – TinW – yttriumZ – Zinc

Numere întregi A – prima compoziție înregistrată de ASTMB – a douaC – a treiaD – compoziție de puritate înaltă înregistrată la ASTME – compoziție rezistentă la coroziuneX1 – compoziție neînregistrată la ASTM

5

t.2. – Compoziții nominale pentru câteva aliaje de magneziu

Aliaj Compoziție nominală (% din greutate)

Elem. rare Altele

Deformabile

Turnare

6

t.3. – Codificare a tratamentelor de călire/revenire pentru aliajele de magneziu

Denumire Explicație

FOH H1 H2 H3WT T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Așa cum iese din fabricăMaleabilizat (revenire), recristalizat (doar aliaje deformabile)Ecruisat (doar aliaje deformabile)EcruisatEcruisat și recopt parțialEcruisat și stabilizatTratat termic în soluțieTratat termic în soluție pentru a produce reveniri stabileRevenit (doar aliaje de turnare)Tratat termic în soluție, prelucrat la rece, îmbătrânit naturalTratat termic în soluție, îmbătrânit naturalÎmbătrânit artificialTratat termic în soluție, îmbătrânit artificialTratat termic în soluție, supraîmbătrânitTratat termic în soluție, prelucrat la rece, îmbătrânit artificialTratat termic în soluție, îmbătrânit artificial, prelucrat la receÎmbătrânit artificial, prelucrat la rece

7

t.4. – Proprietăți mecanice tipice ale unor aliaje de magneziu reprezentative

Aliaj Călire Tensiune de rupere(N/mm²)

Tensiune de curgere(N/mm²)

Alungire(%)

Turnare

AM100AAZ91C și EAZ92AEZ33AQE22AWE43AZE41AZK-61A

T6T6T6T5T6T6T5T6

276276276159262248207310

152145152110193165138193

163232

3,510

Extruziune

AZ31B-CAZ61AZK60A

FFT5

262310365

200228303

151611

Table și plăci

AZ31B H24 290 221 15

2.2.1. Aliaje de magneziu deformabile

Aliajele de magneziu deformabile sunt disponibile sub formă de bare, lingouri, table, plăci și forme forjate. Principalul aliaj pentru table și plăci este AZ31. Cum AZ31 este durificat cu o combinație de soluții de durificare, control al granulației și prelucrare la rece, nu este un candidat bun pentru aplicații aerospațiale datorită riscului de recoacere (maleabilizare) la temperaturi crescute. Aliajul AZ31 este disponibil cu diferite tratamente de revenire, dar toate sunt limitate la aproximativ 93ºC. Pentru aplicații la temperaturi mai înalte , aliajele cu thoriu sunt disponibile, precum HK31 și HM21. Pentru rezistență maximă la curgere, aliajul HK31 necesită un tratament T6, în timp ce aliajul HM21 este prelucrat la rece înainte de revenire (T8). În plus, datorită retelei cristaline hexagonale compacte, toate operațiunile, mai puțin cele blânde, trebuiesc făcute la temepraturi ridicate.

Pentru extruziuni este ales în mod frecvent unul din aliajele aluminiu-zinc, precum AZ31, AZ61 sau AZ80. Un număr de aliaje, precum AZ80 și ZK60, răspund la durificarea prin precipitare. Cum procesul de extruziune se desfășoară la aproximativ temperatura de tratare termică a soluției, și răcirea se

8

face destul de rapid în aer, este suficient să se îmbătrânească pentru a-i aplica apoi tratamentul de călire T5. Spre exemplu, pentru aliajul ZK60 se specifică necesitatea tratării în condițiile T5, când sunt necesare durități și rezistențe crescute. Dintre celelalte aliaje de rezistență crescută pentru extruziune, amintim ZK61 și ZCM711. Pentru utilizări în condiții de temperaturi înalte, aliajele HK31 și HM21 pot fi menționate. Un factor important în extruziune este simetria, preferabil față de ambele axe. Raportul optim de lățime-la-grosime al extruziunilor este de obicei sub 20.

Aliajele pentru forjare includ AZ31, AZ61, AZ80 și ZK60. AZ31 poate fi forjat cu ciocanul, în timp ce restul sunt de obicei forjate în prese. Aliajele de magneziu sunt încălzite la 340-510ºC pentru forjare. ZK60 are o comportare puțin mai bună la forjare decât celelalte aliaje. Deși piesele forjate au cele mai mari rezistențe dintre toate piesele din aliaj de magneziu, ele sunt de uneori preferate datorită etanșeității la presiune, prelucrabilității și a absenței distorsiunilor. Datorită anizotropiei (sau texturii) produse de forjarea mecanică, tensiunea de curgere la compresiune a aliajelor de magneziu deformabile poate fi considerabil mai mică decît cea la tracțiune. Tensiunea de curgere la compresiune variază între 0.4 și 0.7 din cea de curgere la tracțiune. Cum turnarea nu produce anizotropie, rezistența la compresiune este aproximativ egală cu cea la tracțiune.

2.2.2. Aliaje de magneziu de turnătorie

Piesele turnate din aliaje de magneziu sunt folosite în aplicații aerospațiale structurale secundare, datorită greutății lor scăzute și a proprietăților de amortizare. Cu toate acestea, cum aliajele de magneziu sunt susceptibile la coroziune galvanică, trebuiesc executate tratamente de suprafață și acoperiri pentru a preveni coroziunea. Dezvoltarea compozițiilor chimice au ajutat și ele în mod semnificativ la combaterea potențialului de coroziune.

Aliaje de turnare Mg-Al și Mg-Al-Zn. Aluminiul este aliat cu magneziul pentru că îi crește rezistența, turnabilitatea și rezistența la coroziune. Cum aluminiul are o solubilitate în stare solidă maximă în magneziu de 12.7% la 430ºC, care scade către 2% la temepratura camerei, ar putea părea la început că sistemul ar putea fi durificat prin precipitare. Cu toate acestea, precipitatul rezultate este destul de neregulat și oferă o durificare moderată. Când este adăugat zinc la compoziție, precipitatul este rafinat și rezistența este crescută printr-o combinație de durificare în stare solidă și durificare prin precipitare, așa cum este arătat în fig.4. Chiar și atunci, gradul de durificare este minimal, în comparație cu cel obținut la aliajele de aluminiu tratabile termic. Cu rezistențe la tracțiune în plaja de valori 214-241 MPa și alungiri de 1-8%, aliajele Mg-Al-Zn nu sunt deosebit de rezistente sau ductile, dar au densități scăzute și sunt ușor de turnat.

9

fig.4 – Curbe de îmbătrânire pentru aliaje de magneziu cu 9% aluminiu și procentaje diferite de zinc

La mijlocul anilor 1980 s-au dezvoltat aliaje de Mg-Al-Zn mai rezistente la coroziune, folosind materiale de pornire de puritate mai mare și prin limitarea cantităților de fier (<0.005%), nichel (<0.001%) și cupru (<0.015%). Nivelurile scăzute de nichel și cupru sunt controlate prin puritatea materialelor de pornire, pe când nivelurile de fier sunt controlate prin adiții de MnCl2. Spre exemplu, aliajul de puritate înaltă AZ91E, datorită conținutului său scăzut de fier, a îmbunătățit rezistența la coroziune față de aliajul care îl precedă, AZ91C. Aliajele de magneziu sunt limitate la un nivel total de aluminiu și zinc de 10%; la niveluri mai crescute, ductilitatea este redusă drastic datorită formării unor compuși intermetalici. Astfel, dacă conținutul de zinc al unui aliaj Mg-Al-Zn este crescut cu 3%, conținutul de aluminiu trebuie redus în preajma valorii de 6%, așa cum întâlnim la AZ63. Cu toate acestea, crescând procentajul de zinc într-un aliaj Mg-Al-Zn, cresc microporozitățile și contracțiile. Aliajele Mg-Al și Mg-Al-Zn sunt limitate la utilizare în temperaturi de maxim 93ºC.

Aliaje de turnare Mg-Zn-Zr și Mg-Zn-Elemente rare-Zr. Aliajele precum ZK51 și ZK61 au fost concepute ca aliaje pentru turnare în forme din nisip combinând 5-6% zinc pentru rezistență crescută cu aprox. 0.7% zirconiu pentru rafinarea rețelei cristaline. Deși acestea sunt aliaje de rezistență relativ crescută, ele nu sunt folosite pe scară largă datorită susceptibilității la microporozități în timpul turnării, și nu pot fi reparate prin sudare datorită conținutului crescut de zinc. Adiția de elemente rare la aliajele de turnare Mg-Zn-Zr îmbunătățește

Îmbătrânit la 140ºC

Timp de îmbătrânire (minute)

10

turnabilitatea datorită formării de eutectice cu punct de topire scăzut care formează limite de grăunți la solidificare, tinzând să suprime porozitățile și crăpăturile la temperaturi ridicate, și în același timp să îmbunătățească rezistența și limita de curgere. Cu toate acestea, limitele de curgere la tracțiune la temperatura camerei ale aliajelor precum EZ33-T5 de 138 MPa și ZE41-T5 de 200 MPa sunt scăzute datorită extragerii zincului din soluția solidă pentru a forma faze de Mg-Zn-Elemente rare pe suprafețele grăunților. La niveluri scăzute de solicitare, aceste aliaje au rezistențe la curgere considerabile, de până la 160ºC.

Aliaje de turnare Mg-Ag-Elemente rare. Adiționarea a 2.5% argint și 2.5% elemente rare produce o durificare prin precipitare mai bună, cu proprietăți la tracțiune favorabile pentru temperaturi de până la 205ºC în aliajul QE22, care are rezistența la tracțiune de 241 MPa în condițiile unui tratament T6. Aliajele de turnătorie cu 4-5% yttriu au demonstrat de asemenea proprietăți mai bune la temepraturi ridicate. Spre exemplu, aliajul WE43 are o rezistență la tracțiune la temperatura camerei de 248 MPa cînd este tratat în condiții T6. Acest aliaj își păstrează valoarea rezistenței după o îmbătrânire pe termen lung (5000 ore) la 205ºC. Efectul expunerii la temperatura de 205ºC asupra rezistenței la temperatura camerei pentru WE43 este arătat în fig.5. Un aliaj relativ nou, Elektron21, așa cum este specificat în AMS 4429 (Aerospace Material Specification), cu informații legate de producere în MMPDS (Metallic Materials Properties Development and Standardization), oferă multe din avantajele lui WE43; cu toate acestea, costul este mai scăzut și turnabilitatea este îmbunătățită. În locul folosirii yttriului, sunt folosite neodymul și gadoliniul, împreună cu zinc și zirconiu.

11

fig.5 – Efectul îmbătrânirii la 205ºC asupra proprietăților la tracțiune ale aliajului WE43A-T6

2.3. Procese de fabricație

Magneziul metalic poate fi produs prin mai multe procese metalurgice extractive; cu toate acestea, cel mai larg utilizat proces implică precipitarea magneziului în dolomit [CaMg(CO3)2] și apă de mare, obținându-se hidroxidul de magneziu insolubil [Mg(OH)2], care este apoi tratat cu acid hidrocloric pentru a produce clorură de magneziu. MgCl2 este apoi introdus în celule electrice unde este folosită electricitate pentru a converti clorura de magneziu în magneziu sub formă metalică și clor sub formă gazoasă.

Tensiune (MPa)

69

138

207

276

curgere

rupere

Timp îmbătrânire (ore)

Alungire (%)

12

2.3.1. Fasonarea magneziului

Aliajele deformabile de magneziu, precum și celelalte aliaje cu structură cristalină hexagonală compactă, sunt mai formabile la temepraturi mai înalte, decât la temperatura ambiantă. Aliajele deformabile sunt uzual fasonate la temperaturi ridicate; fasonarea la temperatura camerei este de obicei folosită pentru deformări blânde cu raze generoase. Raza medie de deformare pentru table recoapte (revenite) la temperatura camerei este în intervalul 5-10 T, și pentru table durificate 10-20 T, unde T este grosimea tablei.

Fasonarea magneziului la temperaturi înalte are diverse avantaje; (1) operațiunile de fasonare pot fi făcute într-un singur pas, fără nevoia recoacerii intermediare; (2) pot fi fabricate piese cu toleranțe mai bune, fără reveniri (elasticitate) prea accentuate; (3) pentru majoritatea operațiunilor de formare nu sunt necesare matrițe din oțel durificat. Formabilitatea aproximativă a magneziului este determinată din abilitatea sa de a fi deformat pe un dorn la 90% fără a surveni crăpături. Formabilitatea depinde de compoziție și de tratamentul de călire, de grosimea materialului și de temperatură. Cu temperaturi corect alese și parametri de formare optimi, toate aliajele de magneziu sub formă de table pot fi deformate prin ambutisare adâncă la reduceri aproximativ egale.

Cum magneziul este un metal relativ moale, atât părțile active cât și cele de formare ar trebui să fie curate și lipsite de zgârieturi, și trebuie folosit un lubrifiant de formare, precum grafitul coloidal. În majoritatea operațiilor de formare la temperaturi înalte, atât tablele cât și uneltele sunt încălzite. Metodele de încălzire acceptabile includ cartușe de încălzire electrice încastrate în matrițe, încălzire prin radiere, infra-roșu, gaz și fluide pentru transfer termic. Lubrifierea este mai importantă în formarea la cald decât la rece, întrucât tendința de uzură prin sudare (datorită presiunii) și apoi rupere a legăturii crește pe măsură ce crește temperatura.

Pentru operațiuni de formare severe, este preferat un tratament de revenire de tip O. Tablele parțial călite, precum H24, pot fi fasonate într-o măsură relativ mare, dar timpul petrecut la temperaturi înalte va cauza o „înmuiere” și deci o reducere a proprietăților. Mai trebuie notat faptul că timpul petrecut la temperaturi înalte este cumulativ, dacă sunt implicate mai multe operațiuni de fasonare. Tablele AZ31-H24 sunt fasonate în mod uzual la temperaturi sub 163ºC pentru a evita recoacerea/revenirea excesivă și reducerea proprietăților.

Pentru operațiunile de ambutisare adâncă, aliajele de magneziu pot fi ambutisate la rece până la o reducere de maxim 15-25%, atunci când sunt tratate prin recoacere. Ductilitatea la rece a aliajului AZ31-O este de aproximativ 20%. Piesele trase la rece sunt de obicei detensionate la temperatura de 149ºC timp de 1 oră după ultima tragere, pentru a elimina posibilitatea apariției crăpăturilor datorate tensiunilor remanente.

13

Atât tablele de magneziu cât și extruziunile pot fi fasonate prin întindere. Tablele sunt de obicei încălzite la 163-288ºC și întinse treptat la conturul dorit. Tabla de AZ31-O este de obicei întinsă la 288ºC fără modificări în proprietățile mecanice, în timp ce AZ31-H24 este de obicei fasonată la 163ºC în etape de maxim 1 oră, pentru a preveni pierderi considerabile de rezistență.

2.3.2. Turnarea magneziului în forme din nisip

Turnarea în forme din nisip este cea mai economică metodă de a produce piese turnate în serie mică, ceea ce explică de ce este metoda preferată în industria aerospațială. Reactivitatea magneziului cauzează reacții între metalul lichid și apa din nisipul matriței, sau între metal și oxigen pentru matrițele din nisip uscat. Aceste reacții cauzează o înnegrire a învelișului piesei turnate până la o adâncime apreciabilă, cauzând porozități locale și efecte de pulberi de oxizi gri, numite arsuri. Pentru evitarea acestor defecte, care afectează în mod evident negativ proprietățile pieselor, nisipul este amestecat cu inhibitori, precum fluoroborat de potasiu 0.4-0.8% sau fluorură de sodiu silicios. Aliajele de magneziu pentru turnare sunt de obicei topite într-un creuzet cu conținut scăzut de carbon. Metalul poate fi turnat dintr-un creuzet din oțel sau transferat într-o oală de turnare. Aliajele de magneziu topit au tendința de a se oxida și a arde în aer; în consecință, suprafețele topite trebuiesc protejate de contactul cu aerul. Deși există atât procese cu flux, cât și procese fără flux, sunt preferate cele fără flux. În procesele fără flux, este folosită o atmosferă protectoare fie de aer/hexafluorid de sulf, fie de aer/dioxid de carbon/hexafluorid de sulf, pentru a elimina problemele de contaminare specifice fluxurilor de clor solid.

Rafinarea dimensiunii grăunților este un aspect important al turnării aliajelor de magneziu. Aliajele Mg-Al și Mg-Al-Zn sunt de obicei rafinate prin inoculări de carbon împreună cu hexacloroetan sau hexaclorobenzen sub formă de tablete comprimate. Rafinarea se produce datorită formării de carbură de aluminiu (Al4Cl3), care oferă puncte de nucleație heterogene. Eliberarea clorului din tablete ajută de asemenea la eliminarea hidrogenului din topitură.

Turnarea sub gravitație este metoda folosită în mod frecvent. Metalul curge printr-o pâlnie și pătrunde în sistemul de canale de distribuție. Diferite filtre sunt folosite pentru a elimina filmele de oxizi și zgură. Avansurile în compoziția nisipului și fabricarea formelor permit acum realizarea unor piese relativ complexe din aliaj de magneziu. Metoda este folosită frecvent pentru carcase complexe ale cutiilor de viteze care conțin orificii interne de diametre mici pentru răcirea uleiului, înconjurate de compartimente cu pereți subțiri. O carcasă a unei cutii de viteze tipice din aliaj de magneziu este exemplificată în fig.6.

14

fig.6 – Cutie de viteze turnată, din aliaj de magneziu

2.3.3. Tratarea termică a magneziului

Aliajele deformabile de magneziu pot fi revenite (recoapte) prin încălzire la temperaturi între 288-454ºC timp de 1 până la 4 ore pentru a produce o recoacere totală. Deoarece majoritatea fasonărilor se fac la temperaturi ridicate, necesitatea recoacerii este mai redusă decât la multe alte metale.

Detensionarea este folosită pentru a elimina sau reduce tensiunile remanente din aliajele deformate de magneziu, produse prin forjare la rece sau la cald, prelucrare la șepig sau fasonare, îndreptare sau sudare. Detensionarea se face de obicei la temperaturi între 149-427ºC pentru perioade variind de la 15 la 180 minute.

2.3.4. Prelucrarea prin așchiere a magneziului

Magneziul este extrem de ușor de prelucrat prin așchiere la viteze mari folosind tăieturi la adâncimi mari și viteze de avans superioare altor materiale structurale. unt posibile toleranțe de câteva miimi de inch, cu suprafețe finale cu o finețe de până la 3-5µm. Prelucrarea prin așchiere se face de obicei în mediu uscat; cu toate acestea, pot fi folosite fluide de așchiere pentru a reduce distorsiunile și posibilitatea aprinderii așchiilor fine. Prelucrările de finisare prezintă un pericol de incendiu mai mare decât prelucrările grosiere. Când așchiile de magneziu se aprind, ele ard cu o lumină albă puternică. Pentru a

15

reduce pericolul de aprindere, se recomandă: (1) folosirea uneltelor ascuțite; (2) folosirea unui avans mare pentru a produce așchii de dimensiuni mai mari; (3) folosirea unui ulei de răcire mineral, în special la prelucrările de finisare; (4) curățarea așchiilor din zona de lucru și stocarea lor în cutii metalice acoperite; (5) păstrarea unei rezerve adecvate de substanțe de stingere a incendiilor în toate zonele de muncă.

2.3.5. Sudarea magneziului

Aliajele de magneziu pot fi sudate cu arc electric în mediu protector de gaz sau pot fi sudate în puncte. Sudarea cu arc electric GTAW (gas tungsten arc welding) folosește un electrod din wolfram, sârmă din aliaj de magneziu pentru umplere, și un gaz inert, precum argonul sau heliul, pentru protecție. Procesul de sudare GMAW (gas metal arc welding) folosește o sârmă din aliaj de magneziu pe post de electrod; aceasta este alimentată continuu pe măsură ce se topește și umple golurile; argonul este folosit pentru protecția împotriva oxidării a metalului topit. Nu este necesară folosirea unui flux, iar operația de sudare este similară cu cea pentru aluminiu. Cordoanele de sudură la magneziu sunt caracterizate printr-o structură cristalină fină, cu o medie a dimensiunii grăunților de până în 0.25 mm. Problemele de sudare datorate tensiunilor remanente și a tendinței anumitor aliaje de a crăpa pot fi minimizate prin preîncălzire, încălzire post-sudură, și tratamente de detensionare. În aliajele Mg-Al-Zn (AZ31, AZ61, AZ63, AZ80, AZ81, AZ91 și AZ92), un conținut de aluminiu de până în 10% ajută sudabilitatea prin rafinarea dimensiunii grăunților cristalini, în timp ce un conținut de zinc de peste 1% va spori fragilitatea la temperaturi ridicate și va cauza fisuri. Cordoanele de sudură la aliajele de Mg-Al-Zn și cele cu conținut de aluminiu de peste 1% necesită tratamente de detensionare, deoarece pot suferi fisurări datorate coroziunii sub sarcină. Detensionarea se face de obicei la temepraturi de 149-427ºC pe perioade de 15 până la 120 min. Aliajele care conțin și zinc, precum ZH62, ZK51, ZK60 și ZK61, sunt foarte susceptibile la fisuri ale sudurilor și au o sudabilitate scăzută. Piesele turnate care sunt reparate folosind suduri sunt de obicei tratate termic după sudare în condiții T4, T5 sau T6. Dacă piesa nu este tratată termic după sudare, i se face un tratament de detensionare.

Deși tablele de magneziu pot fi sudate în puncte, acest lucru nu se practică datorită faptului că îmbinările sudate astfel au o rezistență la oboseală mai scăzută față de îmbinările prin nituire sau folosind adezivi. Astfel, sudarea în puncte nu trebuie folosită în condițiile în care piesa va lucra în medii cu solicitări variabile sau cu vibrații. La îmbinările prin nituire se folosesc doar nituri compatibile din punt de vedere galvanic, precum aluminiul 5056. Este suficientă folosirea niturilor din aluminiul moale 5056-H32 pentru lucrări de nituire obișnuite.

2.4. Realizarea protecției la coroziune a magneziului

Pentru aliajele de magneziu, coroziunea este o realitate omniprezentă. Pentru protecție la coroziune optimă, este necesară o învelire în strat de

16

conversie chimică sau un tratament de anodizare, înainte de aplicarea sistemului de vopsele organice. Aceste procedee decapează și modifică chimic suprafața pentru adeziune maximă a vopselurilor. Un tratament tipic de anodizare (Dow17) este prezentat în fig. 7. În acest tratament, o piesă este mai întâi curățată în soluție alcalină și apoi anodizată într-o soluție de NH4HF2, Na2Cr2O7-2H2O, apoi încălzită în H3PO4 la 71-82ºC folosind fie un curent alternativ, fie unul continuu (54-540 A/m²). Această metodă produce un înveliș cu 2 straturi; primul strat, de culoare verde deschisă, este realizat la tensiuni mai scăzute, și este urmat de un strat mai gros de culoare verde închisă, realizat la tensiuni mai ridicate. Stratul mai gros îmbunătățește rezistența la coroziune și formează o bază excelentă pentru vopsea, dar poate fi susceptibil la exfoliere (cojire) în urma unui impact, deformare sau flexionare.

fig. 7 – Tratament de anodizare pentru aliaje de magneziu

Suprafețele poroase ale pieselor turnate sunt de obicei umplute cu o rășină penetrantă înainte de aplicarea vopselei. Primele straturi de vopsea conțin de obicei cromat de zinc sau dioxid de titaniu, pigmenți pentru îmbunătățirea rezistenței la coroziune. Sunt folosite atât vopseluri care se usucă la aer în condiții obișnuite, cât și vopseluri care se usucă prin ardere/coacere (bake-on), acestea din urmă fiind mai dure și mai rezistente la solvenți. În funcție de scop, alchizi de vinil oferă protecție împotriva alcalilor, acrilicele împotriva ceții saline, emailurile alchide oferă durabilitate iar rășinele epoxi oferă rezistență la abraziune. Vinilurile pot rezista la temperaturi de până la 150ºC. Finisajele pentru temperaturi mai mari includ folosirea unor viniluri modificate, epoxi-uri, epoxi-uri modificate, epoxi-siliconuri și siliconuri. Este important să se mențină o integritate a sistemului de vopseluri aplicate după ce o anumită piesă intră în serviciu, deoarece conversia chimică și suprafețele anodizate vor coroda imediat ce sunt expuse atmosferei.

Curățare alcalină

Clătire în apă rece

AnodizareClătire în apă rece

Clătire fierbinte sau uscare cu aer cald

Etanșare

17