Kao kamen temeljac moderne industrije, varijacije izvedbe metalnih materijala izravno utječu na njihov odabir za specifične primjene. Magnezij, cink, titan i legure aluminija-četiri glavna laka metalna materijala-pokazuju značajne razlike u osnovnim metrikama kao što su gustoća, čvrstoća, otpornost na koroziju i obradivost.
I. Usporedba temeljnih fizičkih svojstava
1. Gustoća i specifična čvrstoća
Magnezijeve legure, s gustoćom od 1,7-1,9 g/cm³, ubrajaju se u najlakše konstrukcijske metale. Njihova specifična čvrstoća (čvrstoća/gustoća) doseže 150–250 MPa/(g/cm³), znatno premašujući onu aluminijskih legura (80–120 MPa/(g/cm³)). Na primjer, legura magnezija AZ91D održava vlačnu čvrstoću od 280 MPa dok teži samo 68% legure aluminija 6061. Iako legure titana imaju veću gustoću (4,5 g/cm³), njihova specifična čvrstoća još uvijek prelazi 300 MPa/(g/cm³), postižući 30% smanjenje težine lopatica zrakoplovnog motora.
Legure cinka imaju veliku gustoću od 6,6–7,2 g/cm³ sa specifičnom čvrstoćom od samo 40–60 MPa/(g/cm³). Međutim, njihova visoka specifična težina omogućuje precizno oblikovanje zupčanika do 0,5 mm debljine u -primjenama tlačnog lijevanja-, što je nedostižno s aluminijskim legurama (zahtijeva debljinu stjenke od 1,2 mm).
2. Toplinska-fizička svojstva
Toplinska vodljivost legure magnezija (156 W/(m·K)) je 23 puta veća od legure titana (6,7 W/(m·K)). U modulima za hlađenje prijenosnih računala, kućišta od legure magnezija mogu smanjiti temperaturu procesora za 8-10 stupnjeva. Aluminijska legura pokazuje vrhunsku toplinsku vodljivost (237 W/(m·K)), ali prednost legure magnezija u maloj težini osigurava njenu dominaciju u upravljanju toplinom mobilnih uređaja.
Legura titana zadržava 80% svoje čvrstoće-na sobnoj temperaturi na 500 stupnjeva, dok legura aluminija gubi 40% svoje čvrstoće na 200 stupnjeva. Ova razlika u otpornosti na toplinu čini leguru titana izbornim materijalom za komore za izgaranje motora zrakoplova, dok se legure aluminija pretežno koriste u strukturnim komponentama-temperature okoline.
II. Kemijska svojstva i otpornost na koroziju
1. Oksidacijsko ponašanje
Magnezij brzo stvara MgO film debljine 0,5–1 μm u zraku, ali taj je film porozan i krhak, pokazujući rupičastu koroziju unutar 24 sata u 3,5% otopini NaCl. Tehnologija mikro-elektrolučne oksidacije može stvoriti keramički premaz debljine 20 μm- na magnezijskim površinama, povećavajući otpornost na koroziju deset puta.
Prirodno formirani Al₂O₃ film (3-5nm) na površinama od aluminijske legure posjeduje svojstva samozacjeljivanja, održavajući radni vijek duži od deset godina u morskom okruženju. Anodizirana aluminijska legura 6061 postiže debljinu premaza od 25 μm, s otpornošću na slani sprej koja prelazi 2000 sati.
Film TiO₂ (2-10 nm) formiran na površinama legure titana pokazuje savršena svojstva pasivizacije, ostajući stabilan čak i u visoko korozivnim medijima kao što su aqua regia i koncentrirana sumporna kiselina. Brzina korozije industrijskog čistog titana u morskoj vodi je samo 0,001 mm/a, jedna dvadesetina od nehrđajućeg čelika 316L.
2. Elektrokemijska korozija
Legure cinka sklone su interkristalnoj koroziji u vlažnom okruženju. Kada sadržaj nečistoća (Pb, Cd) prelazi 0,005 %, brzina korozije se povećava tri puta. Dodavanje 0,1% Mg stvara Zn-Mg fazu, značajno inhibirajući elektrokemijsku koroziju.
Magnezijeve legure posjeduju znatno niži standardni elektrodni potencijal (-2,37 V) od aluminijskih legura (-1,66 V) u elektrolitima, što dovodi do galvanske korozije na sučeljima magnezij/aluminij. Primjena izolacijskih premaza ili zaštite žrtvene anode može kontrolirati stope korozije ispod 0,1 mm/a.
III. Obradivost i prilagodljivost procesu
1. Svojstva lijevanja
Magnezijeve legure imaju talište (650 stupnjeva) 10 stupnjeva niže od aluminijskih legura (660 stupnjeva), ali ipak pokazuju nižu viskoznost, vrhunsku fluidnost i bolju sposobnost punjenja. U-proizvodnji tlačnog lijevanja, kalupi od legure magnezija postižu životni vijek od 200.000 ciklusa, dvostruko više od aluminijskih legura.
Legure cinka imaju najnižu točku taljenja (385 stupnjeva), što omogućuje kontinuiranu proizvodnju putem-komornih-strojeva za tlačni lijev. Ovo daje 40% povećanje proizvodne učinkovitosti u usporedbi s lijevanjem pod-komorom- pod pritiskom od aluminijske legure. Međutim, legure cinka pokazuju veću stopu skupljanja (0,6%) od legura magnezija (0,5%), što zahtijeva precizniji dizajn kalupa.
2. Obrada deformacijom
Aluminijske legure mogu postići preko 90% deformacije kroz procese kao što su valjanje i ekstruzija, pri čemu aluminijska legura 6061 u stanju T6 postiže granicu razvlačenja od 290 MPa. Magnezijeve legure, međutim, pokazuju slabu sposobnost plastične deformacije na sobnoj temperaturi zbog svoje heksagonalne blisko-pakirane (HCP) kristalne strukture. To zahtijeva upotrebu ekstruzije pod jednakim-kutovima (ECAP) kako bi se postigla ultra-finozrnasta struktura, povećavajući istezanje s 8% na 25%.
Legure titana pokazuju iznimno visoke stope otvrdnjavanja (n=0.4), sa silama rezanja 1,5 puta većim od sila čelika. Visoko{3}}temperaturno kovanje (900–1000 stupnjeva) daje -fazne mikrostrukture, iako to povećava potrošnju energije opreme za 30%. Nove legure -titana tipa (npr. Ti-5553) povećavaju mogućnost oblikovanja na sobnoj-temperaturi za 50% pomoću kontroliranog sadržaja stabilizirajućih elemenata.
IV. Analiza tipičnih scenarija primjene
1. Zrakoplovni sektor
Legure titana čine 41% strukture borbenog zrakoplova F-22. Njegove grede stajnog trapa, izrađene od legure TC4, održavaju stabilne performanse na temperaturama u rasponu od -55 stupnjeva do 600 stupnjeva. Magnezijeva legura AZ31B postiže smanjenje težine od 40% u nosačima satelita, iako zahtijeva niklanje kako bi se zadovoljili zahtjevi otpornosti na koroziju u svemirskom okruženju.
Aluminijska legura 7075-T6 čini 15% zrakoplova Boeing 787. Njegovi krilni nosači, spojeni zavarivanjem trenjem s miješanjem (FSW), postižu čvrstoću spoja koja doseže 90% osnovnog materijala, u usporedbi sa samo 70% za tradicionalne strukture zakovicama.
2. Automobilska industrija
Kotači od legure magnezija (npr. AM60B) smanjuju težinu za 35% u usporedbi s kotačima od legure aluminija, iako su dvostruko skuplji. Tehnologija polu-injektiranja (SSM) može smanjiti troškove proizvodnje kotača od legure magnezija za 40%.
Zinc alloy die-cast components hold an 80% market share in automotive door locks. The ZA8 alloy, after T5 heat treatment, achieves a hardness of 120 HB and exhibits three times the wear resistance of aluminium alloys. However, zinc alloys suffer from poor dimensional stability at elevated temperatures (>120 stupnjeva), ograničavajući njihovu primjenu u komponentama motora.
3. 3C elektronika
Magnezijeve legure drže 65% tržišnog udjela u kućištima prijenosnih računala. Legura AZ91D postiže površinsku tvrdoću od 1200 HV nakon mikro-lučne oksidacije, nadmašujući nehrđajući čelik u otpornosti na trošenje. Aluminijska legura 6063 čini 80% sredi-okvira pametnog telefona, omogućujući obradu teksture s preciznošću od 0,1 mm putem tehnologije nanootiskivanja.
Legure titana koriste se u šarkama mobilnih telefona sa sklopivim ekranom. Legura tipa -Ti-3Al-2,5V podvrgava se hladnom predenju, povećavajući svoj modul elastičnosti sa 105 GPa na 120 GPa, ispunjavajući zahtjev za 200 000 ciklusa savijanja.
