Као камен темељац модерне индустрије, варијације перформанси металних материјала директно утичу на њихов избор за специфичне примене. Легуре магнезијума, цинка, титанијума и алуминијума-четири главна лака метална материјала-показују значајне разлике у основним метрикама као што су густина, чврстоћа, отпорност на корозију и обрадивост.
И. Поређење основних физичких својстава
1. Густина и специфична чврстоћа
Легуре магнезијума, са густином од 1,7–1,9 г/цм³, спадају у најлакше конструкцијске метале. Њихова специфична чврстоћа (чврстоћа/густина) достиже 150–250 МПа/(г/цм³), што знатно премашује ону код легура алуминијума (80–120 МПа/(г/цм³)). На пример, легура магнезијума АЗ91Д одржава затезну чврстоћу од 280 МПа док тежи само 68% легуре алуминијума 6061. Иако легуре титанијума имају већу густину (4,5 г/цм³), њихова специфична чврстоћа и даље премашује 300 МПа/(г/цм³), постижући смањење тежине лопатица ваздухопловних мотора за 30%.
Легуре цинка имају високу густину од 6,6-7,2 г/цм³ са специфичном чврстоћом од само 40-60 МПа/(г/цм³). Међутим, њихова велика специфична тежина омогућава прецизно обликовање зупчаника до 0,5 мм дебљине у апликацијама за ливење под притиском-, што је подвиг недостижан са легурама алуминијума (захтева дебљину зида од 1,2 мм).
2. Топлотна{1}}физичка својства
Топлотна проводљивост легуре магнезијума (156 В/(м·К)) је 23 пута већа од легуре титанијума (6,7 В/(м·К)). У модулима за хлађење лаптопа, кућишта од легуре магнезијума могу смањити температуру процесора за 8–10 степени. Алуминијумска легура показује супериорну топлотну проводљивост (237 В/(м·К)), а ипак предност мале тежине легуре магнезијума обезбеђује њену доминацију у управљању топлотом мобилних уређаја.
Легура титанијума задржава 80% чврстоће на собној{1}}температури на 500 степени, док легура алуминијума губи 40% своје чврстоће на 200 степени. Ова разлика у отпорности на топлоту чини легуру титанијума изборним материјалом за коморе за сагоревање мотора авиона, док се легуре алуминијума претежно користе у структурним компонентама на -температури околине.
ИИ. Хемијска својства и отпорност на корозију
1. Оксидационо понашање
Магнезијум брзо формира МгО филм дебљине 0,5–1 μм у ваздуху, али овај филм је порозан и крхак, испољава корозију удубљења у року од 24 сата у 3,5% раствору НаЦл. Технологија микро-оксидације може да генерише керамички премаз од 20 μм- на магнезијумским површинама, повећавајући отпорност на корозију десет пута.
Природно формиран Ал₂О₃ филм (3-5нм) на површинама од легуре алуминијума поседује својства самозалечења, одржавајући радни век преко десет година у морском окружењу. Анодизирана легура алуминијума 6061 постиже дебљину премаза од 25 μм, са отпорношћу на слани спреј преко 2000 сати.
ТиО₂ филм (2-10 нм) формиран на површинама легуре титанијума показује савршена својства пасивирања, остајући стабилан чак и у високо корозивним медијима као што су царска вода и концентрована сумпорна киселина. Стопа корозије индустријског чистог титанијума у морској води је само 0,001 мм/а, једна двадесетина од нерђајућег челика 316Л.
2. Електрохемијска корозија
Легуре цинка су склоне интергрануларној корозији у влажним срединама. Када садржај елемената нечистоћа (Пб, Цд) премашује 0,005%, брзина корозије се повећава три пута. Додавањем 0,1% Мг формира се фаза Зн-Мг, која значајно инхибира електрохемијску корозију.
Легуре магнезијума поседују значајно нижи стандардни потенцијал електроде (-2,37 В) од легура алуминијума (-1,66 В) у електролитима, што доводи до галванске корозије на интерфејсу магнезијум/алуминијум. Примена изолационих премаза или жртвоване анодне заштите може контролисати стопе корозије испод 0,1 мм/а.
ИИИ. Обрадивост и прилагодљивост процеса
1. Особине ливења
Легуре магнезијума имају тачку топљења (650 степени) 10 степени нижу од легура алуминијума (660 степени), а ипак показују нижи вискозитет, супериорну флуидност и бољу способност пуњења. У производњи{4}} ливења под притиском, калупи од легуре магнезијума постижу радни век од 200.000 циклуса, двоструко више од легура алуминијума.
Легуре цинка поседују најнижу тачку топљења (385 степени), што омогућава континуирану производњу помоћу машина за ливење у врућој{1}}коморији{2}}. Ово доводи до повећања ефикасности производње од 40% у поређењу са ливењем под хладном{5}}комором- од легуре алуминијума. Међутим, легуре цинка показују већу стопу скупљања (0,6%) од легура магнезијума (0,5%), што захтева прецизнији дизајн калупа.
2. Обрада деформација
Легуре алуминијума могу постићи преко 90% деформације кроз процесе као што су ваљање и екструзија, при чему легура алуминијума 6061 у стању Т6 достиже границу течења од 290 МПа. Легуре магнезијума, међутим, показују слабу способност пластичне деформације на собној температури због своје хексагоналне, тесно-упаковане (ХЦП) кристалне структуре. Ово захтева употребу екструзије под једнаким{7}}углом (ЕЦАП) да би се постигла ултра-фино зрнаста структура, повећавајући издужење са 8% на 25%.
Легуре титанијума показују изузетно високе стопе очвршћавања (н=0.4), са силама резања 1,5 пута већим од челика. Високо{3}}ковање на високим температурама (900–1000 степени) даје -фазне микроструктуре, мада то повећава потрошњу енергије опреме за 30%. Нове легуре титанијума -типа (нпр. Ти-5553) повећавају способност обликовања при собној-температури за 50% захваљујући контролисаном садржају стабилизујућих елемената.
ИВ. Анализа типичних сценарија примене
1. Ваздухопловство
Легуре титанијума чине 41% структуре борбеног авиона Ф-22. Његове греде стајног трапа, произведене од легуре ТЦ4, одржавају стабилне перформансе на температурама у распону од -55 степени до 600 степени. Магнезијумска легура АЗ31Б постиже смањење тежине од 40% у носачима за сателите, иако захтева никловање да би се испунили захтеви за отпорност на корозију у свемирском окружењу.
Алуминијумска легура 7075-Т6 чини 15% авиона Боеинг 787. Његови крилни кракови, спојени заваривањем трењем (ФСВ), постижу чврстоћу споја која достиже 90% основног материјала, у поређењу са само 70% за традиционалне структуре са закивањем.
2. Аутомобилска индустрија
Фелне од легуре магнезијума (нпр. АМ60Б) смањују тежину за 35% у поређењу са фелнама од алуминијумске легуре, али уз двоструку цену. Технологија получврстог бризгања (ССМ) може смањити трошкове производње точкова од легуре магнезијума за 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 степени), ограничавајући њихову примену у компонентама мотора.
3. 3Ц Електроника
Легуре магнезијума заузимају 65% тржишног удела у кућиштима за лаптопове. Легура АЗ91Д постиже површинску тврдоћу од 1200 ХВ након микро-оксидације, надмашујући нерђајући челик у отпорности на хабање. Алуминијумска легура 6063 чини 80% средњих{8}}рамова паметних телефона, омогућавајући обраду текстуре са прецизношћу од 0,1 мм помоћу технологије наноимпринта.
Легуре титанијума се користе у шаркама мобилних телефона са преклопним екраном. Легура -Ти-3Ал-2,5В се подвргава хладном предењу, повећавајући свој модул еластичности са 105 ГПа на 120 ГПа, испуњавајући захтев за 200.000 циклуса савијања.
