Skip to main content

Porsche en magnesium
Auteur: Hakse Straatsma

De laatste jaren gaan autofabrikanten er toe over steeds meer onderdelen uit magnesium legeringen te vervaardigen en toe te passen. De magnesiumonderdelen dragen door hun geringe gewicht bij aan het reduceren van het totale gewicht en daarmee indirect aan het brandstofverbruik. Voorbeelden zijn stoelframes, stuurkransen, raamframes, motor- en carrosseriedelen en zelfs hele motorblokken (onder andere door BMW). De autofabrikanten brengen de toepassing van magnesium als een geheel nieuwe ontwikkeling. Als wij echter in de geschiedenis teruggaan dan blijkt dat in de jaren 20 en 30 van de vorige eeuw reeds uitgebreid gebruik wordt gemaakt van magnesium. Ferdinand Porsche heeft hierbij een belangrijke rol gespeeld. Ook na de tweede wereldoorlog past Porsche eerst bij de 356, bij verschillende racewagens en later bij de 911 en 912 magnesiumlegeringen toe. Bij de 911 is tussen 1968 en 1978 magnesium toegepast bij onder meer het motorblok en het versnellingsbakhuis. Een goede reden om eens  dieper in te gaan op de toepassing van magnesium legeringen in het algemeen en in het bijzonder bij Porsche tot eind jaren zeventig.

Magnesium
Magnesium komt in grote hoeveelheden op aarde voor. Het zit in de mineralen dolomiet (chemische formule CaMg(CO3)2) en magnesiet (MgCO3) en in verschillende zouten. Grote hoeveelheden magnesium bevinden zich in de vorm van chloriden (MgCl2)  in de wereldzeeën. In 1 m³ zeewater zit gemiddeld 1,27 kg magnesium opgelost. Wereldwijd heeft de aarde 20 miljard ton aan magnesium erts en daarbij komt nog de gigantische hoeveelheid bij die zit opgelost in de zeeën en oceanen. Kortom, de beschikbaarheid is feitelijk onuitputtelijk en voor zeer lange tijd verzekerd.
In de loop van de 19de eeuw wordt in Duitsland door elektrolyse van magnesiumchloride de eerste magnesiumproductie gestart. In eerste instantie wordt magnesium door de grote brandbaarheid vooral gebruikt voor flitslicht en vuurwerk. Door de productiemethode door middel van elektrolyse wordt in 1909 de eerste magnesiumlegeringen onder de naam Elektron geïntroduceerd. Tot 1915 was Duitsland de enige producent van magnesium.
Het grootste deel van de magnesiumproductie vindt nog steeds plaats door elektrolyse; een kleiner deel door reductie bij hoge temperatuur van magnesiumoxide. Beide processen vragen een grote hoeveelheid energie waardoor de productiekosten ten opzichte van aluminium hoger zijn en daarmee ook de kosten per kg van primair magnesium.
De voordelen van de toepassing van magnesium ten opzichte van aluminium zijn het geringe gewicht (ca 2/3e van aluminium) en de uitstekende gieteigenschappen. Daarnaast  hebben magnesiumlegeringen goede sterkte en stijfheid eigenschappen (bij kamertemperatuur), er is voor het gieten relatief weinig energie nodig en de legeringen hebben goede verspanende eigenschappen met als gevolg onder andere een langere stand tijd van snijgereedschappen.
Het grote nadeel is dat de gebruikelijke magnesiumlegeringen minder goed bestand zijn tegen hogere temperaturen waardoor de toepassing beperkt wordt tot maximaal ca 150˚C. Bij hogere temperaturen hebben magnesium legeringen bovendien, meer dan andere constructiematerialen, een grote tijdafhankelijke sterkte gedrag. Spanningen die kortdurend geen  blijvende vervorming veroorzaken, leiden na enige tijd tot plastische vervormingen (kruip). Bij een schroefverbinding van magnesium onderdelen (bijv. van een motorblok) kan dit er toe leiden dat een krachtig aangedraaide moer na een tijdje los gaat zitten. Deze kruipneiging is een van de grootste problemen bij de toepassing van magnesiumlegeringen. Zuiver magnesium is een zeer onedel mataal en zeer gevoelig voor corrosie. De corrosie eigenschappen kunnen aanzienlijk worden verbeterd door magnesium te legeren met andere stoffen.

Magnesiumlegeringen
Alle toegepaste magnesiumlegeringen bevatten aluminium, tot een maximum van 10%. Aluminium (A) verbetert de sterkte en hardheid, de neiging tot kruipen neemt echter nog iets verder toe en de smelttemperatuur daalt. Toevoegen van zink (Z) verbetert de kruipeigenschappen. Silicium (S) verbetert de gieteigenschappen, vergroot de dichtheid maar de corrosieve eigenschappen nemen af. Mangaan (M) verbetert de corrosieve eigenschappen en bindt het schadelijke ijzer bij het smelten. Daarnaast zijn er nog legeringen met zeldzame aardmetalen (zoals scandium en yttrium). De laatste jaren zijn nieuwe legeringen ontwikkeld, specifiek met als doel de kruipeigenschappen te verbeteren bijvoorbeeld door de toevoeging van calcium en strontium en de corrosiegevoeligheid te verminderen.
De legeringen van Magnesium worden, met het weglaten van een letter voor magnesium, aangegeven door de  legeringbestanddelen (bijvoorbeeld AZ, AM en AS) en het percentage van de hoofd  legeringbestanddelen. De veel toegepaste magnesium AZ 91 legering bevat dus 9% aluminium en 1% zink.
De standaard toegepaste magnesium gietlegeringen in de automobielbouw zijn van het AZ type. Deze hebben zeer goede gieteigenschappen, goede sterkte eigenschappen bij kamertemperatuur, redelijke corrosie-eigenschappen en weinig last van kruip tot temperaturen van ca 100˚C.

Toepassingen van magnesium
In 1909 introduceert de Duitse firma Adler op een internationale tentoonstelling voor “luchtschepen” een  motor met een magnesium motorblok vervaardigd door de “Chemische Fabrik Griesheim Elektron”.  Door uitgebreide research in de jaren daarna, worden nieuwe magnesiumlegeringen ontwikkeld waardoor onder andere de kruipneigingen  en de corrosievastheid worden verbeterd. Bovendien wordt ook de productiemethode van magnesium verfijnd waardoor betere metallurgische eigenschappen worden verkregen, bijvoorbeeld door het ”ELRASAL”proces. In 1926 start de firma Elektronmetall Cannstadt (de voorloper van Mahle) met de serieproductie van magnesium zuigers volgens de spuitgietmethode. In 1937 zijn er daar reeds 4 miljoen van verkocht. Door de grotere slijtage van deze zuigers ten opzichte van de aluminium exemplaren zijn de magnesium zuigers weer van de markt verdwenen.


In het Duitsland van de twintiger en dertiger jaren wordt magnesium populair bij de vliegtuig-, zeppelin- en de automobielconstructeurs. Duitsland is in die tijd het enige land waar de magnesiumproductie op grote schaal van de grond komt. Zo is in 1934 de Duitse magnesiumproductie 3.500 ton tegen slechts 500 ton in de USA. In 1938 is de verhouding 18.200 ton tegen 2.500 ton.
Voorbeelden van de toepassing van magnesium bij auto’s zijn Büssing die in 1924 magnesium onderdelen toepast bij zijn vrachtauto’s. Vanaf 1927 gebruikt Adler voor de zes- en achtcilinder modellen magnesium bij de wielen, versnellingsbak en verschillende motoronderdelen; in totaal bijna 74 kg magnesium bij de zescilinder modellen en 87 kg bij de achtcilinders. Ook Hans Ledwinka, chef ontwerper bij Tatra, past bij de in 1934 geïntroduceerde Tatra T77 Elektron onderdelen toe voor onder meer het motorcarter en het versnellingsbakhuis. Ook bij carrosserieën wordt magnesium toegepast, onder meer bij bus trailers. Een van de mooiste voorbeelden van een magnesium carrosserie is de Bugatti 57C Aérolithe (1935).
  
Bugatti 57C Aérolithe                                                                                                                        Motorblok Tatra T77

In de loop van de jaren 30 wordt magnesium steeds meer in de wapenindustrie toegepast en na 1940 vrijwel uitsluitend. Na de 2e wereldoorlog wordt de Duitse magnesium productie in het kader van de demilitarisering geheel verboden.

Ferdinand Porsche
Ferdinand Porsche heeft bij zijn auto-ontwerpen steeds gestreefd naar lichte constructies voorzien van een motor met een flink vermogen. Voorbeeld daarvan is sportauto model 27/80 die hij in 1910 voor Austro-Daimler bouwt voor de Prinz-Heinrich-Fahrt. Na de 1e wereldoorlog construeert hij in 1922 voor Austro-Daimler een aantal lichtgewicht sportwagens waaronder “Sasha”, een lichte auto (598 kg) met een viercilinder 1,1 liter motor met 45 pk die in vele races de in die tijd gebruikelijke zware auto’s met grote motoren de baas is.

Ook voor zijn volgende werkgever Daimler- Benz worden onder zijn leiding een hele rij lichte krachtige auto’s gebouwd waarmee in race uitvoering vele successen worden geboekt. In deze auto’s wordt voor vele onderdelen gebruikt gemaakt van aluminium en magnesium legeringen. Voorbeelden zijn de Mercedes PP, de modellen SS, SSK en SSKL. Een poging om in 1928 een kleine lichte Mercedes met een 1,0 liter motorblok uit Elektron te realiseren komt niet verder dan een aantal testexemplaren.
Na een kort dienstverband bij Steyr in Oostenrijk start Porsche in 1931 zijn eigen constructiebureau in Stuttgart. Een van de eerste ontwerpen die daar ontstaan en waarin Porsche al zijn ervaring met lichte materialen en constructies in kwijt kan, is die van de GP auto’s voor Auto Union.

Volkswagen
Al van af de start van het eigen constructiebureau werkt het ontwerpteam aan een kleine zuinige auto. Eerst zonder opdrachtgever, maar vanaf 1932 voor Zündapp en na 1933 voor NSU. Na het afhaken van NSU krijgt Porsche, mede door zijn goede betrekkingen met Hitler, de opdracht van de Duitse overheid voor de constructie van een KdF (Kraft durch Freude) auto. Het ontwerp voor NSU evalueert tot de Volkswagen. Nadat in opeenvolgende voorgangers verschillende motorentypes zijn geprobeerd, wordt uiteindelijk op voorspraak van Franz Reimspiess, de motorconstructeur van het Porsche team, gekozen voor een luchtgekoelde viercilinder boxermotor. De achter de achteras liggende motor moet vanwege de invloed op de wegligging van de auto zo licht mogelijk worden geconstrueerd.

Als materiaal voor het motorblok, de versnellingsbak en een aantal andere gietstukken wordt magnesium (legering AZ91) gekozen. De keuze voor magnesium ten opzichte van aluminium is niet alleen gemaakt vanwege het gewichtsvoordeel; een andere reden is dat de Duitse overheid in die tijd er naar streeft zo veel mogelijk zelfvoorzienend te zijn. De grondstoffen voor magnesium komen in Duitsland in voldoende mate voor, onder andere in de vorm van magnesiumzout en dolomiet. Dit terwijl de grondstof voor aluminium, bauxiet, uit het buitenland geïmporteerd moet worden. Per auto is ca. 17 kg magnesiumgietwerk nodig dat in zandgietvormen wordt gegoten.
De productie van de kever komt voor de tweede wereldoorlog niet van de grond maar wel de afgeleide typen zoals de Kübelwagen en de Schwimmwagen met dezelfde motor. Na 1940 wordt magnesiummateriaal voorbehouden voor vliegtuigonderdelen en wordt voor de VW motoren aluminium toegepast. Na de oorlog is de magnesiumproductie in Duitsland stilgelegd waardoor tot 1950 door VW aluminium wordt toegepast voor de motoren en versnellingsbakken van de Kever. Na die datum wordt weer de magnesium legering AZ91 toegepast. Het magnesium komt dan uit Noorwegen uit de fabriek van Norske Hydro die opgebouwd is op de ruïnes van een door de Duitsers in de oorlog gebouwde magnesiumfabriek waarbij zeewater als grondstof wordt gebruikt.
Eerst worden de gietstukken in zandvormen gegoten, later wordt overgegaan op spuitgieten. Door het vergroten van de prestaties van de kevermotoren neemt het aantal problemen met de motoren toe. Door verhoogde temperaturen en de grote kruipneiging  van het magnesiummateriaal gaan de motorblokken lekken en treden er problemen met de lagering op. Het toenemende aantal schades dwingt Volkswagen om vanaf 1969 een meer kruip vaste legering AS41 en na 1973 de legering AS21 toe te passen. Voor de nog zwaarder belaste motoren van de Volkswagen type 411 wordt  voor de motorblokken een aluminiumlegering gebruik. Volkswagen is in 1970 de grootste magnesiumverbruiker ter wereld; in dat jaar wordt 42.000 ton (!) magnesium verwerkt.

Porsche 356
De motorblokken en versnellingsbakken van de eerste generatie Porsche 356 komen uit de Volkswagen productie. Tot 1950 wordt als materiaal een aluminiumlegering gebruikt en hierna de magnesiumlegering AZ91. Als Porsche in 1955 overgaat op het driedelige motorblok voor de 356 wordt hiervoor weer een aluminium legering gebruikt . Porsche gaat dan ook over op een nieuw type versnellingsbak uit aluminium.

Porsche raceauto’s
Porsche past in 1962 weer magnesium toe, en wel voor het motorblok en de kleppendeksels van de achtcilinder F1 motor (type 753). Bij de racemotoren na 1965, beginnend met de zescilinder motoren op basis van de 911 motor voor onder andere de 904 en 906 en later de achtcilinder motoren voor de 907 en 908 en de twaalfcilinder motoren voor de 917 worden naast magnesium motorblokken vele andere onderdelen uit magnesium vervaardigd. Te noemen zijn onder meer kleppendeksels, nokkenaskettinghuizen en -deksels , koelventilator en inlaatspruitstukken. Bij de 917 wordt bij enkele exemplaren in verband met (verdergaande) gewichtsvermindering het aluminium buizenframe vervangen door een frame opgebouwd uit magnesium buizen. Ook de wielen van de Porsche 907, 908, 910 en 917 zijn uit magnesium gegoten.

De 911 motoren
Voor de 911 motor wordt als materiaal voor het motorblok in eerste instantie een aluminium legering gekozen. Vanaf modeljaar 1969 wordt overgestapt op het 10 kg lichtere magnesium motorblok. Naast het motorblok worden bij de 911 ook nog andere onderdelen uit magnesium toegepast. Zo worden onder meer de kleppendeksels, de koelluchtventilator met bijbehorend huis, de kettinghuizen met de deksels hiervan en het inlaatspruitstuk van de MFI motoren uit magnesium gegoten. Voor het motorblok wordt de magnesiumlegering AZ81 toegepast. Men kan gebruikmaken van de kennis die is opgedaan met de 901 racemotoren. Bij de raceversie van de 911 motor voor de Porsche 906, is Porsche al vroeg in de ontwikkeling overgegaan op de toepassing van magnesium. De ervaringen met  magnesium bij de F1-motor komen hierbij goed van pas. De eerste racemotoren die grotendeels uit aluminiumdelen zijn opgebouwd wegen 183 kg (910/01). Om het gewicht te reduceren, vervangt men de aluminiumdelen zoveel mogelijk door magnesium en een ander deel van de onderdelen vervaardigd uit staal door titanium. Door de stabiele basisconstructie van de 901 motor is de overgang op magnesium mogelijk zonder dat de stabiliteit van het motorblok in gevaar komt. De magnesiumdelen worden in zandvormen gegoten en als legering wordt ZE41A gekozen; een legering met zink en zirkonium met goede eigenschappen bij hogere temperaturen. Het resultaat is een motor die 130 kg weegt en daarmee nog een stuk lichter is dan de viercilinder Porsche 904 motor.
  
Door de nauwkeurige gietmethode behoeven de gietstukken vrijwel niet nabewerkt te worden waardoor de toepassing van een magnesium motorblok ook economisch haarbaar is bij grotere series. De twee motorblokhelften worden bij de firma Mahle in Fellbach gefabriceerd. Mahle gebruikt hiervoor een 1.200 tons pers. Het vloeibare magnesium wordt in de gietvorm, die alleen al 12,5 ton weegt, met een druk van 490 bar ingespoten. Om het motorblok absoluut oliedicht te krijgen past men een coating toe uit waterglas [1]. Beide motorblokdelen wegen tezamen 16,6 kg. Mahle krijgt een prijs, daar het magnesium motorblokdeel het grootste gietstuk is dat tot dan toe op deze wijze vervaardigd is. De magnesium motorblokken zijn afgezien van een wat andere kleur te herkennen aan de laatste cijfer en letter van het gietnummer (van 1R tot 7R). De sterkste magnesium motorblokken zijn die uit 1973 voor de 2.4 liter motor en waarvan het nummer eindigt op 7R. Deze blokken bezitten alle verbeteringen en hebben het minste last van de problemen die vooral met de cilinderbouten ontstaan, als de cilinderinhoud van de motor vergroot wordt naar 2,7 liter. De magnesium motorblokken worden van 1968 tot 1978 bij de 2.0, 2.2, 2.4 en 2.7 motoren toegepast. Daarna gaat Porsche weer over op een sterkere aluminium legering. De 911 Turbo en de Carrera’s zijn al in 1976 overgegaan op de  aluminium blokken.

Versnellingsbakken
Bij de versnellingsbakken voor de 911 van het type 901, dat toegepast wordt tot de komst van de 2,4 liter motoren, gebruikt Porsche tot 1968 voor het versnellingsbakhuis een aluminiumlegering als gietmateriaal. Daarna wordt overgeschakeld op de magnesium legering ZE41. Ook het huis van het versnellingsbak type 902 dat bij de 912 wordt toegepast, is na 1968 van magnesium. Dat geldt eveneens voor de tot 1978 vervaardigde versnellingsbakken van het type 915, die van 1973 tot 1987 wordt toegepast. Daarna wordt een sterkere aluminium legering gebruikt. De Porsche Turbo krijgt in 1975 een versnellingsbak van het type 930. Door het grote vermogen van de Turbo past Porsche van af de invoering van deze versnellingsbak een aluminium legering toe.

Corrosie
Ondanks de toepassing van specifieke magnesium legeringen, is het materiaal zeker op de lange duur corrosiegevoelig. Zo zal men bijvoorbeeld ook bij de jongste magnesium versnellingsbakken – die inmiddels dus al 40 jaar oud zijn – zelden een exemplaar vinden zonder enige corrosie. Vooral pekel kan een boosdoener zijn.

Van fabriekswege worden de magnesiumonderdelen door een (zeer ongezonde) chemische behandeling met een chroomzuur voorzien van een beschermende laag. Bekend zijn de coating behandelingen van de Amerikaanse firma DOW, bijvoorbeeld de DOW 7 behandeling. Over de beschermende laag  wordt soms nog een extra laag van bijvoorbeeld Tectyl  aangebracht zoals ook Porsche aanbeveelt. In de garage handleiding staat hierover het volgende:

“NOTE Pressure-cast housings must not be ceaned with corrosive liquids since these damage magnesium alloys. In addition, cleaned pressure castings must be treated with seasonal corrosion preservatives of bitumen or wax base such as TECTYL following transmission repairs to restore the corrosion proofing.”

En:

“Warning: Pressure cast parts must not be cleaned with acid, since acids attack the magnesium alloy. After any transmission repairs during which the one-season underseal is washed off the gearbox housing, or when the underneath of the vehicle is washed, we recommend that corrosion protection be improved on the pressure-cast gearbox housing by applying a bitumen or wax based one-season underseal, e. g. Tectyl, which should be sprayed or brushed on.”


Magnesium onderdelen opnieuw voorzien van een nieuwe beschermende chroom laag is geen DIY job. In de meeste Europese landen is het gebruik van dit chroom conversie middel verboden maar in Engeland en USA worden deze behandelingen nog aangeboden. Intussen zijn er wel industriële chroomvrij oppervlaktebehandelingen van magnesium, zoals bijvoorbeeld Alodine 5200 van Henkel of MAGPASS-COAT® van AHC, onderdeel van Aalberts Industries. Voor de doe-het-zelver blijft eigenlijk alleen het coaten met Tectyl en/of het in de USA favoriete Gibbs Brand over. Voor de magnesium kleppendeksels en de koelventilator is ook poeder coaten een goede manier om deze onderdelen tegen corrosie te beschermen. Bij het schoonmaken van magnesium oppervlakken kan chroomconversie laag gemakkelijk beschadigd worden.

Een van de mogelijkheden is gebruik te maken van het stralen met koudijs (bevroren CO2 pallets). Het nadeel van deze methode is dat hardnekkig vuil hiermee ook moeilijk te verwijderen is.

Hakse Straatsma

Geraadpleegde literatuur:
- Ludvigsen Porsche, Geschichte und Technik der Renn- und Sportwagen
​- Joachim Doerr, Konzeption, werkstoffgerechte Gestaltung und Festigkeitsnachweis für ein magnesium-Hybrid-Zylinderkurbel gehäuse
- Kulekei, Magnesium and its alloys applications in automotive industry
- Aichele, Deutsche Magnesium Produktion in der erste Hälfte des 20 Jahrhunderts
- Von Fersen, Ein Jahrhundert Automobiltechnik