Magnesium-aluminiumlegering
Een magnesium-aluminiumlegering is een mengsel van twee lichte metalen — magnesium en aluminium — dat sterker en steviger is dan magnesium alleen, maar toch veel lichter blijft dan staal. Denk aan het verschil tussen een fietsframe van gewoon aluminium en een frame van deze legering: het laatste weegt al snel een derde minder, terwijl het bij goed ontwerp net zo stevig aanvoelt. Magnesium is namelijk het lichtste metaal dat nog geschikt is om er constructies mee te bouwen, zo'n 35 procent lichter dan aluminium en ruim vier keer lichter dan staal.
Puur magnesium is echter nogal broos en corrodeert snel, dus in de praktijk wordt het bijna altijd gelegeerd met een paar procent aluminium, en vaak ook een snufje zink of mangaan. Dat maakt het metaal taaier, beter gietbaar en minder gevoelig voor roest. Deze legeringen worden al tientallen jaren gebruikt in autowielen, laptopbehuizingen en vliegtuigonderdelen, en spelen een groeiende rol in het streven naar lichtere, energiezuinigere voertuigen en producten.
Wat is het precies?
Een legering is geen chemische verbinding maar een mengsel op atomair niveau: aluminiumatomen nestelen zich tussen de magnesiumatomen in het kristalrooster. Dat verandert de eigenschappen van het materiaal ingrijpend. Zuiver magnesium heeft een kristalstructuur die maar in weinig richtingen makkelijk vervormt, waardoor het bros breekt. Aluminium toevoegen verstoort dat rooster net genoeg om het metaal taaier en sterker te maken, zonder het gewicht sterk te verhogen.
In de industrie werken fabrikanten met gestandaardiseerde legeringcodes, meestal beginnend met de letters AZ of AM. De letter A staat voor aluminium, de Z voor zink en de M voor mangaan; de cijfers erachter geven de gewichtspercentages aan. AZ91 bijvoorbeeld bevat ongeveer 9 procent aluminium en 1 procent zink en is de meest gebruikte gietlegering ter wereld. AZ31 bevat minder aluminium en wordt vaker gewalst tot platen en profielen omdat het beter vervormbaar is.
De legering wordt meestal verwerkt via spuitgieten (drukgieten): het metaal wordt gesmolten en onder hoge druk in een mal gespoten, waarna het binnen enkele seconden stolt. Dat maakt het geschikt voor grote series complexe, dunwandige onderdelen, zoals behuizingen en dashboardframes. Een nadeel is dat gesmolten magnesium bij contact met lucht kan ontbranden; gieterijen werken daarom met beschermgassen zoals zwavelhexafluoride-vervangers of speciale poeders om dat risico te beheersen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is gewichtsbesparing. Elke kilo die uit een auto, vliegtuig of fiets verdwijnt, kost minder energie om te versnellen en te verplaatsen. Bij elektrische voertuigen vertaalt een lichter chassis zich direct in meer actieradius per kilo accu, of in een kleinere en dus goedkopere accu voor dezelfde actieradius. Bij vliegtuigen scheelt elke kilo brandstofverbruik over de hele levensduur van het toestel.
Daarnaast speelt duurzaamheid mee: magnesium is in de aardkorst overvloedig aanwezig (het zit onder meer in zeewater en dolomietgesteente) en de legeringen zijn goed te recyclen, wat kan bijdragen aan een lagere ecologische voetafdruk dan bij sommige andere metalen, mits het productieproces zelf efficiënt verloopt. Onderzoekers werken ook aan legeringen die juist wél corroderen — bewust afbreekbare varianten voor medische implantaten, zodat een schroef of stent in het lichaam vanzelf oplost zodra het bot genezen is en een tweede operatie overbodig wordt.
Voorbeelden uit de praktijk
Al in de jaren dertig gebruikte Volkswagen magnesiumlegeringen in het motorblok van de Kever, een van de vroegste grootschalige toepassingen in de autobouw. Decennia later paste BMW magnesium-aluminiumlegering toe in het cilinderblok van zijn zeszitscilindermotoren (de zogeheten N52-motor, geïntroduceerd in 2005), waarbij een magnesium-aluminium composietblok het gewicht van de motor aanzienlijk verlaagde.
In de vliegtuigbouw gebruikt Airbus al jaren magnesiumlegeringen voor bepaalde binnenwerkonderdelen en zitframes, terwijl NASA en verschillende ruimtevaartbedrijven de rekker-magnesiumlegering WE43 — verrijkt met zeldzame aardmetalen als yttrium — toepassen in onderdelen die hoge temperaturen moeten doorstaan, zoals behuizingen dicht bij motoren.
In de consumentenelektronica maakt onder meer Lenovo al langer gebruik van magnesiumlegering-frames in ThinkPad-laptops vanwege de combinatie van lichtgewicht en stevigheid. Op medisch vlak keurde de Amerikaanse voedsel- en warenautoriteit FDA in 2016 de eerste bioafbreekbare magnesiumlegering-stent (Magmaris, ontwikkeld door het Duitse bedrijf Biotronik) goed voor gebruik in kransslagaders, een mijlpaal voor afbreekbare implantaten.
Hoe ver is de techniek?
Magnesium-aluminiumlegeringen zijn geen toekomstmuziek meer voor de basistoepassingen: gietlegeringen zoals AZ91 worden al decennia industrieel geproduceerd en zijn technisch volwassen. De ontwikkeling zit vooral in twee richtingen: sterkere, corrosiebestendiger legeringen voor structurele toepassingen, en biocompatibele, gecontroleerd afbreekbare varianten voor medische implantaten.
Een hardnekkig obstakel blijft corrosiegevoeligheid: kleine hoeveelheden ijzer, nikkel of koper als verontreiniging kunnen galvanische corrosie veroorzaken, waarbij het magnesium versneld wegroest rond die metaaldeeltjes. Onderzoekers verbeteren daarom voortdurend de zuiverheid van grondstoffen en de coatings die eroverheen komen. Ook de brandbaarheid van magnesiumpoeder en -smelt bij verwerking blijft een aandachtspunt in fabrieksveiligheid, al is dit met moderne beschermgassen goed beheersbaar — het beeld van 'magnesium is gevaarlijk brandbaar' geldt vooral voor fijn poeder of dunne spanen, niet voor massieve onderdelen in het dagelijks gebruik.
Een ander knelpunt is de productiecapaciteit: ruim 80 procent van het wereldwijde primaire magnesium komt uit China, wat westerse fabrikanten kwetsbaar maakt voor prijsschommelingen en handelsbeperkingen. Verschillende landen investeren daarom in eigen productiecapaciteit, onder meer in Canada, Australië en de Verenigde Staten, maar deze projecten bevinden zich vaak nog in de opstart- of planningsfase en het is onzeker hoe snel en hoeveel extra capaciteit daadwerkelijk online komt.
Wie werken eraan?
Op grondstofniveau domineert China de productie, met bedrijven als Yulin Xinghua en Shanxi-provincie als belangrijke productiecentra. In het Westen is US Magnesium een van de weinige overgebleven grote primaire producenten. Op legerings- en verwerkingsvlak is het Britse/Amerikaanse Magnesium Elektron (onderdeel van Luxfer Group) een gevestigde naam, bekend van de merknaam 'Elektron' voor lucht- en ruimtevaartlegeringen zoals WE43.
In de auto-industrie hebben fabrikanten als BMW, Volkswagen, Ford en General Motors onderzoeks- en toepassingsprogramma's rond magnesiumcomponenten gehad, vaak in samenwerking met universiteiten. Onderzoeksinstituten die veel publiceren over magnesiumlegeringen zijn onder meer het Helmholtz-Zentrum Hereon in Duitsland (voorheen Helmholtz-Zentrum Geesthacht), gespecialiseerd in lichte constructiematerialen, en verschillende Chinese universiteiten zoals Chongqing University, dat een nationaal laboratorium voor magnesiumlegeringen huisvest.
Op medisch gebied loopt Duitsland voorop met bedrijven als Biotronik (afbreekbare stents) en Syntellix (afbreekbare botschroeven), terwijl academische groepen wereldwijd, onder meer in Zuid-Korea en de Verenigde Staten, onderzoek doen naar de precieze afbraaksnelheid en biocompatibiliteit van nieuwe legeringssamenstellingen.