Kā mūsdienu rūpniecības stūrakmens metālisko materiālu veiktspējas atšķirības tieši ietekmē to izvēli konkrētiem lietojumiem. Magnija, cinka, titāna un alumīnija sakausējumi-četri galvenie vieglie metāliskie materiāli-uzrāda būtiskas atšķirības galvenajos rādītājos, piemēram, blīvumā, stiprībā, noturībā pret koroziju un apstrādājamību.
I. Fundamentālo fizisko īpašību salīdzinājums
1. Blīvums un īpatnējais stiprums
Magnija sakausējumi ar blīvumu 1,7–1,9 g/cm³ ir vieglākie strukturālie metāli. To īpatnējā stiprība (stiprība/blīvums) sasniedz 150–250 MPa/(g/cm³), ievērojami pārsniedzot alumīnija sakausējumu (80–120 MPa/(g/cm³)). Piemēram, AZ91D magnija sakausējums saglabā stiepes izturību 280 MPa, vienlaikus sverot tikai 68% no 6061 alumīnija sakausējuma. Lai gan titāna sakausējumiem ir lielāks blīvums (4,5 g/cm³), to īpatnējā stiprība joprojām pārsniedz 300 MPa/(g/cm³), panākot aviācijas un kosmosa dzinēju lāpstiņu svara samazinājumu par 30%.
Cinka sakausējumiem ir augsts blīvums 6,6–7,2 g/cm³ ar īpatnējo stiprību tikai 40–60 MPa/(g/cm³). Tomēr to lielais īpatnējais svars nodrošina precīzu zobratu formēšanu līdz 0,5 mm biezumam spiešanas -liešanā-, kas nav sasniedzams ar alumīnija sakausējumiem (nepieciešams 1,2 mm sieniņu biezums).
2. Termiskās-fizikālās īpašības
Magnija sakausējuma siltumvadītspēja (156 W/(m·K)) ir 23 reizes lielāka nekā titāna sakausējumam (6,7 W/(m·K)). Klēpjdatoru dzesēšanas moduļos magnija sakausējuma korpusi var samazināt CPU temperatūru par 8–10 grādiem. Alumīnija sakausējumam ir izcila siltumvadītspēja (237 W/(m·K)), tomēr magnija sakausējuma vieglā svara priekšrocība nodrošina tā dominējošo stāvokli mobilo ierīču siltuma pārvaldībā.
Titāna sakausējums saglabā 80% no savas telpas temperatūras izturības pie 500 grādiem, savukārt alumīnija sakausējums zaudē 40% no savas stiprības pie 200 grādiem. Šī karstumizturības atšķirība padara titāna sakausējumu par lidmašīnu dzinēju sadegšanas kameru izvēlēto materiālu, turpretim alumīnija sakausējumus pārsvarā izmanto konstrukciju komponentos ar apkārtējās temperatūras -temperatūru.
II. Ķīmiskās īpašības un izturība pret koroziju
1. Oksidācijas uzvedība
Magnijs gaisā ātri veido 0,5–1 μm biezu MgO plēvi, taču šī plēve ir poraina un trausla, 3,5% NaCl šķīdumā 24 stundu laikā uzrāda punktveida koroziju. Mikro-loka oksidācijas tehnoloģija var radīt 20 μm- biezu keramikas pārklājumu uz magnija virsmām, desmitkārtīgi uzlabojot izturību pret koroziju.
Dabiski veidotajai Al₂O₃ plēvei (3-5 nm) uz alumīnija sakausējuma virsmām piemīt pašatjaunojošas īpašības, saglabājot kalpošanas laiku, kas pārsniedz desmit gadus jūras vidē. Anodētais 6061 alumīnija sakausējums sasniedz 25 μm pārklājuma biezumu, un sāls izsmidzināšanas izturība pārsniedz 2000 stundas.
TiO₂ plēvei (2-10 nm), kas izveidota uz titāna sakausējuma virsmām, ir nevainojamas pasivēšanas īpašības, tā saglabājas stabila pat ļoti kodīgās vidēs, piemēram, ūdenstilpēs un koncentrētā sērskābē. Rūpnieciskā tīra titāna korozijas ātrums jūras ūdenī ir tikai 0,001 mm/a, kas ir viena divdesmitā daļa no 316L nerūsējošā tērauda.
2. Elektroķīmiskā korozija
Cinka sakausējumi ir pakļauti starpgraudu korozijai mitrā vidē. Ja piemaisījumu elementu (Pb, Cd) saturs pārsniedz 0,005%, korozijas ātrums palielinās trīs reizes. Pievienojot 0,1% Mg, veidojas Zn-Mg fāze, būtiski kavējot elektroķīmisko koroziju.
Magnija sakausējumiem ir ievērojami zemāks standarta elektrodu potenciāls (-2,37 V) nekā alumīnija sakausējumiem (-1,66 V) elektrolītos, izraisot galvanisko koroziju magnija/alumīnija saskarnēs. Izolācijas pārklājumu vai aizsarganoda aizsardzība var kontrolēt korozijas ātrumu zem 0,1 mm/a.
III. Apstrādājamība un procesa pielāgošanās spēja
1. Liešanas īpašības
Magnija sakausējumu kušanas temperatūra (650 grādi) ir par 10 grādiem zemāka nekā alumīnija sakausējumiem (660 grādi), tomēr tiem ir zemāka viskozitāte, izcila plūstamība un labāka piepildīšanas spēja. Liešanas ražošanā magnija sakausējuma veidņu kalpošanas laiks ir 200 000 ciklu, kas ir divreiz ilgāks nekā alumīnija sakausējumi.
Cinka sakausējumiem ir viszemākā kušanas temperatūra (385 grādi), kas nodrošina nepārtrauktu ražošanu, izmantojot karstās -kameras pres{2}}lešanas iekārtas. Tas nodrošina ražošanas efektivitātes pieaugumu par 40%, salīdzinot ar alumīnija sakausējuma aukstās -kameras liešanu{6}}. Tomēr cinka sakausējumiem ir augstāks saraušanās ātrums (0,6%) nekā magnija sakausējumiem (0,5%), tādēļ ir nepieciešams precīzāks veidņu dizains.
2. Deformācijas apstrāde
Alumīnija sakausējumi var sasniegt vairāk nekā 90% deformāciju, izmantojot tādus procesus kā velmēšana un ekstrūzija, un 6061 alumīnija sakausējums T6 stāvoklī sasniedz 290 MPa tecēšanas robežu. Tomēr magnija sakausējumi uzrāda vāju plastiskās deformācijas spēju istabas temperatūrā to sešstūrainas ciešas{5}}kristālu struktūras (HCP) dēļ. Tāpēc ir jāizmanto vienāda-stūra leņķa ekstrūzija (ECAP), lai iegūtu īpaši-smalko graudu struktūru, palielinot pagarinājumu no 8% līdz 25%.
Titāna sakausējumiem ir ārkārtīgi augsts sacietēšanas ātrums (n=0.4), un griešanas spēki ir 1,5 reizes lielāki nekā tēraudam. Kalšana augstā-temperatūrā (900–1000 grādi) rada -fāzes mikrostruktūras, lai gan tas palielina iekārtu enerģijas patēriņu par 30%. Jaunie -titāna sakausējumi (piem., Ti-5553) uzlabo telpas temperatūras formējamību par 50%, izmantojot kontrolētu stabilizējošu elementu saturu.
IV. Tipisku pielietojuma scenāriju analīze
1. Aviācijas un kosmosa nozare
Titāna sakausējumi veido 41% no iznīcinātāja F-22 struktūras. Tā šasijas sijas, kas izgatavotas no TC4 sakausējuma, saglabā stabilu veiktspēju temperatūrā no -55 grādiem līdz 600 grādiem. Magnija sakausējums AZ31B panāk par 40% svara samazinājumu satelīta stiprinājumiem, lai gan ir nepieciešams niķelēts pārklājums, lai atbilstu kosmosa vides korozijas izturības prasībām.
Alumīnija sakausējums 7075-T6 veido 15% no Boeing 787 lidmašīnām. Tās spārnu daļas, kas savienotas ar berzes maisīšanas metināšanu (FSW), nodrošina savienojuma stiprību, kas sasniedz 90% no pamatmateriāla, salīdzinot ar tikai 70% tradicionālajām kniedētām konstrukcijām.
2. Automobiļu rūpniecība
Magnija sakausējuma diski (piemēram, AM60B) samazina svaru par 35%, salīdzinot ar alumīnija sakausējuma diskiem, lai gan par divkāršu cenu. Daļēji{5}}iesmidzināšanas liešanas (SSM) tehnoloģija var samazināt magnija sakausējuma disku ražošanas izmaksas par 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 grādi), ierobežojot to pielietojumu dzinēja komponentos.
3. 3C Electronics
Magnija sakausējumi ieņem 65% tirgus daļu klēpjdatoru korpusos. AZ91D sakausējums sasniedz virsmas cietību 1200 HV pēc mikro-loka oksidācijas, pārspējot nerūsējošā tērauda nodilumizturību. Alumīnija sakausējums 6063 veido 80% no viedtālruņa vidus{8}kadriem, kas ļauj apstrādāt tekstūru ar 0,1 mm precizitāti, izmantojot nanoapdrukas tehnoloģiju.
Titāna sakausējumi tiek izmantoti mobilo tālruņu salokāmo ekrānu eņģēs. -tipa Ti-3Al-2,5V sakausējums tiek pakļauts aukstai vērpšanai, palielinot tā elastības moduli no 105 GPa līdz 120 GPa, kas atbilst 200 000 locīšanas ciklu prasībām.
