Was ist Magnesium | Eigenschaften & Anwendungen in der CNC-Bearbeitung

Magnesium ist das leichteste Strukturmetall, das heute in der Fertigung verwendet wird, mit einem Dichte 36% niedriger als Aluminium und 75% weniger als Stahl, nach Angaben von Magontec. Dieses silbrig-weiße Erdalkalimetall ist das achthäufigste Element in der Erdkruste. Sein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht in Verbindung mit seiner hervorragenden Bearbeitbarkeit und Recyclingfähigkeit macht Magnesium in allen Bereichen immer wertvoller. Luft- und Raumfahrt, AutomobilElektronik- und Medizinindustrie.

Unser Team bei Yijin Hardware arbeitet bei der CNC-Bearbeitung und Blechfertigung regelmäßig mit diesem Leichtmetall. In diesem Artikel erfahren Sie, was Magnesium ist, welche Eigenschaften es hat und wie es in der CNC-Bearbeitungsindustrie verwendet wird.

Wichtigste Erkenntnisse

• Magnesium ist das leichteste Konstruktionsmetall mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und hervorragender Bearbeitbarkeit, was es für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Elektronik- und Medizinindustrie sehr wertvoll macht.
• Es wird durch das elektrolytische und das Pidgeon-Verfahren hergestellt, wobei letzteres aufgrund der niedrigeren Kapitalkosten und des einfacheren Betriebs die weltweite Produktion in China dominiert.
• Bei der CNC-Bearbeitung ermöglichen die Eigenschaften von Magnesium höhere Schnittgeschwindigkeiten und bessere Oberflächengüten, wenn spezielle Sicherheitsmaßnahmen, wie z. B. ein angemessenes Spänemanagement und Kühlmethoden, konsequent angewendet werden.

Was ist Magnesium?

Magnesium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 12 im Periodensystem. Obwohl es das am dritthäufigsten verwendete Metall im Bauwesen ist (nach Eisen und Aluminium), kommt reines Magnesium wegen seiner hohen Reaktivität in der Natur nicht frei vor. Stattdessen wird es aus Meerwasser und natürlichen Solen gewonnen, die etwa 1,3 kg/m³ gelöstes Magnesium enthalten, sowie aus Mineralien wie Magnesit (MgCO₃) und Dolomit (MgCO₃-CaCO₃).

Was sind die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Magnesium?

Magnesium besitzt einzigartige physikalische Eigenschaften, die es für Leichtbauanwendungen wertvoll machen. Dazu gehören seine geringe Dichte, sein Schmelzpunkt und sein Siedepunkt. Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit allen wichtigen physikalischen Eigenschaften von Magnesium:

Magnesium hat eine hexagonal dicht gepackte (hcp) kristalline Anordnung, die mehrere wichtige Eigenschaften beeinflusst:

1. Reines Magnesium hat keine ausreichende Festigkeit für die meisten strukturellen Anwendungen, weshalb es normalerweise legiert wird.
2. Bei frischer Exposition weist Magnesium eine silbrig-weiße Farbe auf, die mit der Bildung einer dünnen schützenden Oxidschicht allmählich ein graues Aussehen entwickelt.
3. Seine Dichte von 1,737 g/cm³ macht es zum leichtesten verfügbaren Konstruktionsmetall.

Wie wirken sich die chemischen Eigenschaften von Magnesium auf seine Leistung aus?

Die chemischen Eigenschaften von Magnesium wirken sich durch seine Reaktivität direkt auf seine Leistung in Fertigungsanwendungen aus, was sowohl Vorteile als auch Herausforderungen mit sich bringt. Magnesium ist hochreaktiv und bildet eine schützende Oxidschicht, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Diese Reaktivität schafft wichtige Leistungsmerkmale für Fertigungsanwendungen.

Das Metall weist eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, was es zu einem wertvollen Werkstoff für Bauteile macht, die sowohl leichte Eigenschaften als auch elektrische Leistung erfordern. Während Magnesium in Pulver- oder dünner Späneform entflammbar ist, wird dieses Risiko in festen Schüttgutstücken, die in den meisten Anwendungen verwendet werden, erheblich reduziert.

Richtig konstruierte Magnesiumlegierungen bieten durch sorgfältige Materialauswahl und Oberflächenbehandlung eine gute Korrosionsbeständigkeit. Die Kompatibilität des Metalls mit biologischen Systemen hat zu innovativen Anwendungen in medizinischen Geräten geführt, insbesondere zu biologisch abbaubaren Implantaten, die sich über einen kontrollierten Zeitraum sicher im Körper auflösen können, so dass keine Operationen zur Entfernung erforderlich sind.

Wie wird Magnesium kommerziell hergestellt?

Magnesium wird kommerziell durch zwei Prozesse hergestellt: den elektrolytischen Prozess und den thermischen Reduktionsprozess (oft als Pidgeon-Prozess bezeichnet). Wir haben kurz skizziert, wie beide Verfahren zur Herstellung von kommerziellem Magnesium funktionieren.

Was ist das elektrolytische Verfahren zur Magnesiumherstellung?

Der elektrolytische Prozess umfasst zwei Stufen:

1. Herstellung von reinem Magnesiumchlorid: Das Meerwasser wird mit kalziniertem Dolomit behandelt, wodurch Magnesiumhydroxid ausgefällt wird. Dieses wird durch Erhitzen mit Kohlenstoff in einem Chlorstrom in Magnesiumoxid und anschließend in Magnesiumchlorid umgewandelt.
2. Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid: Das wasserfreie Magnesiumchlorid wird geschmolzen (655-720 °C) und elektrolysiert, um Magnesiummetall und Chlorgas zu erzeugen, und zwar nach folgender Formel: MgCl₂ → Mg + Cl₂

Mit dieser Methode wird Magnesium mit einer Reinheit von etwa 99,9% hergestellt.

Wie funktioniert das Pidgeon-Verfahren zur Herstellung von Magnesium?

Das Pidgeon-Verfahren, das heute weltweit die vorherrschende Produktionstechnik ist, funktioniert wie folgt:

1. Dolomiterz wird gebrannt, um Magnesium- und Calciumoxide zu gewinnen.
2. Dieses Material wird mit Ferrosilizium (80% Silizium) gemischt und zu Briketts geformt.
3. Die Briketts werden in einer Vakuumkammer auf 1200 °C erhitzt, wodurch Magnesiumoxid zu Magnesiumdampf reduziert wird.
4. Der Dampf kondensiert zu Kristallen, die dann zu Blöcken gegossen werden

Obwohl dieses Verfahren energieintensiv ist, dominiert es die weltweite Produktion, da es relativ einfach zu bedienen ist und nur geringe Kapitalkosten verursacht. Es erzeugt Magnesium mit einem Reinheitsgrad von bis zu 99,99%.

China ist mit einem Anteil von etwa 85% an der Weltproduktion zum weltweit dominierenden Produzenten dieser Methode geworden.

Was sind die wichtigsten Vorteile und Grenzen der Verwendung von Magnesium in der Produktion?

Der Hauptvorteil von Magnesium in der Fertigung ist sein relativ geringes Gewicht im Vergleich zu anderen Metallen, wodurch es leicht zu bearbeiten ist. Dieses geringe Gewicht bedeutet jedoch, dass Magnesium im Vergleich zu anderen Metallen in der Fertigung einen niedrigen Schmelzpunkt und eine geringe absolute Festigkeit aufweist. Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit weiteren Vorteilen und Einschränkungen.

Wenn ein absolut geringes Gewicht bei guter Festigkeit erforderlich ist, ist Magnesium am besten geeignet. Für absolute Festigkeit, Kosteneffizienz oder Hochtemperaturleistung sind Aluminium oder Stahl möglicherweise vorzuziehen.

In welchen Branchen werden Magnesiumkomponenten am häufigsten verwendet?

Magnesiumbauteile werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, in denen eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Wahrung der strukturellen Integrität erhebliche Vorteile bietet. Seine vorteilhaften Eigenschaften machen Magnesium besonders wertvoll für Anwendungen in den Bereichen Transport, Elektronik und Medizin.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrt war eine der ersten Branchen, die Magnesium in großem Umfang einsetzte und es für Flugzeugkomponenten verwendete, die eine Gewichtsreduzierung und eine Verbesserung der Treibstoffeffizienz erfordern. Hochleistungs-Magnesiumlegierungen, die Zirkonium und Seltene Erden enthalten, sorgen für verstärkte Komponenten, die in kritischen Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Hubschraubergetrieben und Hilfssystemen für Düsentriebwerke eingesetzt werden, wo sowohl Gewichtsreduzierung als auch Schwingungsdämpfung von entscheidender Bedeutung sind.

Automobilanwendungen

In der Automobilindustrie wird Magnesium für Motorblöcke, Lenkräder, Armaturenbrettstrukturen und Getriebegehäuse verwendet, um das Fahrzeuggewicht zu verringern und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Nahezu 70% der weltweiten Magnesiumproduktion werden zur Herstellung von Legierungen verwendetEtwa die Hälfte dieser Legierungen wird für den Druckguss von Automobilteilen verwendet, die in der Regel etwa 90% Magnesium enthalten. Hochleistungsfahrzeuge profitieren besonders von den Eigenschaften des Magnesiums in Sitzrahmen und Strukturelementen.

Elektronik und Konsumgüter

Die Elektronikindustrie schätzt Magnesium für Laptop- und Tablet-Gehäuse, Mobiltelefonrahmen und Kameragehäuse, insbesondere bei High-End-Geräten. Die hervorragenden EMI-Abschirmungseigenschaften von Magnesium machen es ideal für empfindliche elektronische Geräte, während seine hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften dazu beitragen, thermische Probleme in kompakten Designs zu bewältigen. Hersteller von Elektrowerkzeugen nutzen das geringe Gewicht und die vibrationsdämpfenden Eigenschaften von Magnesium, um komfortablere und effizientere Werkzeuge herzustellen.

Medizinische Industrie

Im medizinischen Bereich wird Magnesium für biologisch abbaubare Implantate und chirurgische Instrumente verwendet, wo seine Biokompatibilität einzigartige Vorteile bietet. Die Fähigkeit von Magnesium, im Laufe der Zeit sicher vom Körper absorbiert zu werden, ermöglicht die Herstellung vorübergehender Implantate, die nicht operativ entfernt werden müssen, was das Trauma des Patienten und die Kosten für das Gesundheitswesen verringert und gleichzeitig den Heilungsprozess unterstützt.

Andere Anwendungen

Neben diesen großen Industriezweigen dient Magnesium als Opferanode, um Schiffsrümpfe und Unterwasserstrukturen aus Stahl vor Korrosion zu schützen. Etwa 10% der weltweiten Magnesiumproduktion werden für die Entschwefelung in der Stahlherstellung verwendet. Das Metall spielt auch eine Schlüsselrolle als Legierungselement in Aluminiumprodukten wie Getränkedosen, und seine hohe Reaktivität macht es wertvoll in der Pyrotechnik, in Feuerwerkskörpern und Notfackeln, wo sein helles weißes Licht gut sichtbar ist.

Wie wird Magnesium in der CNC-Bearbeitung eingesetzt?

Die CNC-Bearbeitung von Magnesium erfordert spezielle Kenntnisse, um die Vorteile des Materials zu nutzen und gleichzeitig seine einzigartigen Eigenschaften zu beherrschen. Die außergewöhnliche Bearbeitbarkeit von Magnesium ermöglicht effiziente Fertigungsprozesse, wenn die richtigen Protokolle befolgt werden.

Überlegungen zur Bearbeitung

Bei der Bearbeitung von Magnesium sind im Vergleich zu anderen Metallen höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich, was die Produktivität steigern und die Gesamtbearbeitungszeit verkürzen kann. Diese außergewöhnliche Bearbeitbarkeit trägt zu einem geringeren Stromverbrauch und einer längeren Werkzeuglebensdauer bei. Aufgrund des mit feinen Magnesiumspänen und -stäuben verbundenen Entflammbarkeitsrisikos sind geeignete Spänemanagementsysteme unerlässlich, die spezielle Sammel- und Entsorgungsprotokolle erfordern.

Bei der Bearbeitung von Magnesium müssen die Kühlmethoden sorgfältig ausgewählt werden, da Kühlmittel auf Wasserbasis aufgrund der möglichen Wasserstoffgasbildung generell vermieden werden sollten, während Kühlmittel auf Ölbasis überwacht werden müssen, um Brandgefahr zu vermeiden. Die Auswahl der Werkzeuge hat einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse, wobei Hartmetallwerkzeuge mit bestimmten Geometrien in der Regel eine optimale Oberflächengüte und Effizienz bieten.

Sicherheitsprotokolle

Die Sicherheit ist bei der Bearbeitung von Magnesium von größter Bedeutung und erfordert mehrere wichtige Maßnahmen. In den Bearbeitungsbereichen müssen spezielle Feuerlöschsysteme installiert werden, die kein Wasser verwenden (das mit brennendem Magnesium reagieren kann). Geeignete Belüftungssysteme sind erforderlich, um Magnesiumstaub kontinuierlich aus der Arbeitsumgebung zu entfernen.

Regelmäßige Reinigungspläne verhindern die gefährliche Ansammlung von Spänen und Staub auf der Ausrüstung und den umliegenden Flächen. Umfassende Bedienerschulungen, die die spezifischen Risiken und Handhabungsprotokolle für Magnesium abdecken, sind unerlässlich, bevor Arbeiten mit diesem Material erlaubt werden. Magnesiumbearbeitungsvorgänge sollten räumlich von allen Prozessen getrennt sein, bei denen Funken oder offene Flammen entstehen, um das Entzündungsrisiko zu minimieren.

Endbehandlungen

Nach der Bearbeitung werden Magnesiumbauteile in der Regel einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um ihre Leistung und Langlebigkeit zu verbessern. Eloxalverfahren erzeugen schützende Oxidschichten, die die Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenhärte verbessern. Chemische Konversionsbeschichtungen bieten zusätzlichen Schutz gegen Umwelteinflüsse.

Lackier- oder Pulverbeschichtungsoptionen bieten sowohl schützende als auch ästhetische Vorteile für die fertigen Komponenten. Spezielle Dichtungsmittel können aufgetragen werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit in kritischen Anwendungen zu verhindern. Diese Behandlungen schützen insgesamt vor Korrosion und verbessern sowohl die funktionalen Eigenschaften als auch das optische Erscheinungsbild der bearbeiteten Magnesiumteile.

FAQs zu Was ist Magnesium?

Wie wird Magnesium hergestellt?

Magnesium wird hauptsächlich durch zwei Verfahren hergestellt: das elektrolytische Verfahren, bei dem Magnesium durch Elektrolyse aus Magnesiumchlorid gewonnen wird, und das Pidgeon-Verfahren, eine thermische Reduktionsmethode, bei der Dolomiterz mit Ferrosilizium im Vakuum erhitzt wird, um Magnesiumdampf zu erzeugen. Beide Verfahren erfordern einen erheblichen Energieaufwand, wobei das Pidgeon-Verfahren trotz seines geringeren Wirkungsgrades weiter verbreitet ist.

Welches Land ist der größte Produzent von Magnesium?

China ist mit einem Anteil von etwa 85% an der Weltproduktion der größte Magnesiumproduzent der Welt. Die Dominanz des Landes bei der Magnesiumproduktion ist seit den 1990er Jahren dramatisch gewachsen, was vor allem auf die Einführung des Pidgeon-Verfahrens in Regionen mit niedrigen Energie- und Arbeitskosten zurückzuführen ist.

Können Sie CNC-Magnesium?

Ja, Magnesium kann mit ausgezeichneten Ergebnissen CNC-bearbeitet werden, wenn die entsprechenden Sicherheitsprotokolle befolgt werden. Magnesium bietet eine hervorragende Bearbeitbarkeit mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und besserer Oberflächengüte als viele andere Metalle, erfordert jedoch aufgrund seiner Entflammbarkeit in Pulver- oder dünner Späneform spezielle Spänemanagementsysteme und Brandschutzmaßnahmen.

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