Kot temelj sodobne industrije razlike v zmogljivosti kovinskih materialov neposredno vplivajo na njihovo izbiro za specifične aplikacije. Magnezijeve, cinkove, titanove in aluminijeve zlitine-štirje glavni lahki kovinski materiali-kažejo znatne razlike v osnovnih meritvah, kot so gostota, trdnost, odpornost proti koroziji in obdelavnost.
I. Primerjava temeljnih fizikalnih lastnosti
1. Gostota in specifična trdnost
Magnezijeve zlitine z gostoto 1,7–1,9 g/cm³ sodijo med najlažje konstrukcijske kovine. Njihova specifična trdnost (trdnost/gostota) doseže 150–250 MPa/(g/cm³), kar bistveno presega tisto pri aluminijevih zlitinah (80–120 MPa/(g/cm³)). Na primer, magnezijeva zlitina AZ91D ohranja natezno trdnost 280 MPa, medtem ko tehta le 68 % aluminijeve zlitine 6061. Čeprav imajo titanove zlitine večjo gostoto (4,5 g/cm³), njihova specifična trdnost še vedno presega 300 MPa/(g/cm³), kar doseže 30-odstotno zmanjšanje teže lopatic letalskih motorjev.
Cinkove zlitine imajo visoko gostoto 6,6–7,2 g/cm³ s specifično trdnostjo le 40–60 MPa/(g/cm³). Vendar pa njihova visoka specifična teža omogoča natančno vlivanje zobnikov do debeline 0,5 mm pri -litju pod pritiskom-, kar je nedosegljivo z aluminijevimi zlitinami (zahteva debelino stene 1,2 mm).
2. Toplotne-fizikalne lastnosti
Toplotna prevodnost magnezijeve zlitine (156 W/(m·K)) je 23-krat večja od titanove zlitine (6,7 W/(m·K)). V hladilnih modulih prenosnih računalnikov lahko ohišja iz magnezijeve zlitine znižajo temperaturo procesorja za 8–10 stopinj. Aluminijeva zlitina ima vrhunsko toplotno prevodnost (237 W/(m·K)), vendar prednost magnezijeve zlitine pri lahki teži zagotavlja njeno prevlado pri upravljanju toplote mobilnih naprav.
Titanova zlitina obdrži 80 % svoje trdnosti pri sobni-temperaturi pri 500 stopinjah, medtem ko aluminijeva zlitina izgubi 40 % svoje trdnosti pri 200 stopinjah. Zaradi te razlike v toplotni odpornosti je titanova zlitina izbrani material za zgorevalne komore letalskih motorjev, medtem ko se aluminijeve zlitine pretežno uporabljajo v konstrukcijskih komponentah-temperature okolja.
II. Kemijske lastnosti in odpornost proti koroziji
1. Oksidacijsko obnašanje
Magnezij na zraku hitro tvori 0,5–1 μm debel film MgO, vendar je ta film porozen in krhek ter v 24 urah v 3,5 % raztopini NaCl pokaže luknjičasto korozijo. Tehnologija mikro-olok oksidacije lahko ustvari 20 μm-debelo keramično prevleko na magnezijevih površinah, kar desetkrat poveča odpornost proti koroziji.
Naravno oblikovan film Al₂O₃ (3-5nm) na površinah iz aluminijeve zlitine ima samozdravilne lastnosti in ohranja življenjsko dobo več kot deset let v morskem okolju. Anodizirana aluminijeva zlitina 6061 doseže debelino prevleke 25 μm, z odpornostjo na slano prho, ki presega 2000 ur.
Film TiO₂ (2-10 nm), oblikovan na površinah iz titanove zlitine, ima popolne lastnosti pasivacije in ostaja stabilen tudi v zelo korozivnih medijih, kot sta kraljeva vodka in koncentrirana žveplova kislina. Stopnja korozije industrijskega čistega titana v morski vodi je le 0,001 mm/a, kar je ena dvajsetina manj kot pri nerjavnem jeklu 316L.
2. Elektrokemična korozija
Cinkove zlitine so v vlažnem okolju nagnjene k interkristalni koroziji. Ko vsebnost nečistoč (Pb, Cd) preseže 0,005 %, se stopnja korozije poveča za trikrat. Dodatek 0,1 % Mg tvori fazo Zn-Mg, ki bistveno zavira elektrokemično korozijo.
Magnezijeve zlitine imajo znatno nižji standardni elektrodni potencial (-2,37 V) kot aluminijeve zlitine (-1,66 V) v elektrolitih, kar vodi do galvanske korozije na vmesnikih magnezij/aluminij. Izvedba izolacijskih premazov ali zaščite z žrtveno anodo lahko nadzoruje stopnje korozije pod 0,1 mm/a.
III. Obdelovalnost in prilagodljivost procesu
1. Lastnosti litja
Magnezijeve zlitine imajo tališče (650 stopinj) 10 stopinj nižje od aluminijevih zlitin (660 stopinj), vendar imajo nižjo viskoznost, večjo fluidnost in boljšo sposobnost polnjenja. Pri proizvodnji -tlačnega litja dosegajo kalupi iz magnezijeve zlitine življenjsko dobo 200.000 ciklov, kar je dvakrat več kot pri aluminijevih zlitinah.
Cinkove zlitine imajo najnižje tališče (385 stopinj), kar omogoča neprekinjeno proizvodnjo s-komornimi-stroji za tlačno litje. To zagotavlja 40-odstotno povečanje proizvodne učinkovitosti v primerjavi s tlačnim-litjem-aluminijevih zlitin v hladni{5}}komori. Vendar pa imajo cinkove zlitine višjo stopnjo krčenja (0,6 %) kot magnezijeve zlitine (0,5 %), kar zahteva natančnejšo zasnovo kalupa.
2. Obdelava deformacije
Aluminijeve zlitine lahko dosežejo več kot 90-odstotno deformacijo s postopki, kot sta valjanje in ekstrudiranje, pri čemer aluminijeva zlitina 6061 v stanju T6 doseže mejo tečenja 290 MPa. Magnezijeve zlitine pa kažejo slabo sposobnost plastične deformacije pri sobni temperaturi zaradi svoje heksagonalne tesno zapakirane (HCP) kristalne strukture. To zahteva uporabo ekstruzije z enakim-kotom (ECAP), da se doseže ultra-finozrnata struktura, ki poveča raztezek z 8 % na 25 %.
Titanove zlitine kažejo izjemno visoke stopnje utrjevanja (n=0.4), z rezalnimi silami, ki so 1,5-krat večje od sil jekla. Visoko{3}}temperaturno kovanje (900–1000 stopinj) daje -fazne mikrostrukture, čeprav to poveča porabo energije opreme za 30 %. Nove -titanove zlitine (npr. Ti-5553) izboljšajo preoblikovanje pri sobni-temperaturi za 50 % z nadzorovano vsebnostjo stabilizirajočih elementov.
IV. Analiza tipičnih scenarijev uporabe
1. Aerospace sektor
Titanove zlitine predstavljajo 41 % strukture lovskega letala F-22. Njegovi nosilci podvozja, izdelani iz zlitine TC4, ohranjajo stabilno delovanje pri temperaturah od -55 stopinj do 600 stopinj. Magnezijeva zlitina AZ31B doseže 40-odstotno zmanjšanje teže satelitskih nosilcev, čeprav zahteva nikljanje za izpolnjevanje zahtev glede odpornosti proti koroziji v vesoljskem okolju.
Aluminijeva zlitina 7075-T6 predstavlja 15 % letala Boeing 787. Njegovi krilni drogovi, spojeni s torno mešanim varjenjem (FSW), dosegajo trdnost spoja, ki doseže 90 % osnovnega materiala, v primerjavi s samo 70 % pri tradicionalnih kovičenih strukturah.
2. Avtomobilska industrija
Kolesa iz magnezijeve zlitine (npr. AM60B) zmanjšajo težo za 35 % v primerjavi s platišči iz aluminijeve zlitine, čeprav po dvojni ceni. Tehnologija poltrdnega brizganja (SSM) lahko zniža stroške proizvodnje platišč iz magnezijeve zlitine 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 stopinj), kar omejuje njihovo uporabo v komponentah motorja.
3. 3C Elektronika
Magnezijeve zlitine imajo 65-odstotni tržni delež pri ohišjih prenosnikov. Zlitina AZ91D doseže površinsko trdoto 1200 HV po mikro-obločni oksidaciji in po odpornosti proti obrabi prekaša nerjavno jeklo. Aluminijeva zlitina 6063 predstavlja 80 % sredi-okvirjev pametnega telefona, kar omogoča obdelavo teksture z natančnostjo 0,1 mm s tehnologijo nanoodtiska.
Titanove zlitine se uporabljajo v tečajih mobilnih telefonov z zložljivimi zasloni. Zlitina tipa -Ti-3Al-2,5V je podvržena hladnemu predenju, pri čemer se njen modul elastičnosti poveča s 105 GPa na 120 GPa, kar izpolnjuje zahtevo za 200.000 ciklov zvijanja.
