Kaip šiuolaikinės pramonės kertinis akmuo, metalinių medžiagų eksploatacinių savybių skirtumai tiesiogiai įtakoja jų pasirinkimą konkrečioms reikmėms. Magnio, cinko, titano ir aliuminio lydiniai -keturios pagrindinės lengvosios metalo medžiagos- turi reikšmingų pagrindinių rodiklių, tokių kaip tankis, stiprumas, atsparumas korozijai ir apdirbamumas, skirtumus.
I. Pagrindinių fizinių savybių palyginimas
1. Tankis ir savitasis stiprumas
Magnio lydiniai, kurių tankis yra 1,7–1,9 g/cm³, yra lengviausi konstrukciniai metalai. Jų savitasis stipris (stiprumas/tankis) siekia 150–250 MPa/(g/cm³), gerokai viršijantis aliuminio lydinių (80–120 MPa/(g/cm³)). Pavyzdžiui, AZ91D magnio lydinio tempiamasis stipris yra 280 MPa, o 6061 aliuminio lydinys sveria tik 68%. Nors titano lydiniai pasižymi didesniu tankiu (4,5 g/cm³), jų savitasis stipris vis tiek viršija 300 MPa/(g/cm³), todėl aviacijos ir erdvėlaivių variklių mentės sumažėja 30 %.
Cinko lydinių tankis yra 6,6–7,2 g/cm³, o savitasis stipris – tik 40–60 MPa/(g/cm³). Tačiau jų didelis savitasis sunkis leidžia tiksliai išlieti iki 0,5 mm storio krumpliaračių liejimo štampavimo būdu--, o tai nepasiekiama naudojant aliuminio lydinius (reikalingas 1,2 mm sienelės storis).
2. Šiluminės -fizinės savybės
Magnio lydinio šilumos laidumas (156 W/(m·K)) yra 23 kartus didesnis nei titano lydinio (6,7 W/(m·K)). Nešiojamojo kompiuterio aušinimo moduliuose magnio lydinio korpusai gali sumažinti procesoriaus temperatūrą 8–10 laipsnių. Aliuminio lydinys pasižymi puikiu šilumos laidumu (237 W/(m·K)), tačiau lengvas magnio lydinio pranašumas užtikrina jo dominavimą mobiliųjų įrenginių šilumos valdyme.
Titano lydinys išlaiko 80 % kambario temperatūros stiprumo 500 laipsnių kampu, o aliuminio lydinys praranda 40 % stiprumo esant 200 laipsnių kampui. Dėl šio atsparumo karščiui skirtumo titano lydinys yra tinkamiausia medžiaga orlaivių variklių degimo kameroms, o aliuminio lydiniai daugiausia naudojami aplinkos temperatūros konstrukcijų komponentuose.
II. Cheminės savybės ir atsparumas korozijai
1. Oksidacinis elgesys
Magnis ore greitai sudaro 0,5–1 μm storio MgO plėvelę, tačiau ši plėvelė yra porėta ir trapi, 3,5% NaCl tirpale per 24 valandas pasireiškia taškinė korozija. Mikro-lanko oksidacijos technologija gali sukurti 20 μm- storio keraminę dangą ant magnio paviršių, dešimt kartų padidindama atsparumą korozijai.
Natūraliai susidariusi Al₂O₃ plėvelė (3-5 nm) ant aliuminio lydinio paviršių pasižymi savaime gyjančiomis savybėmis, todėl jūrinėje aplinkoje tarnavimo laikas viršija dešimt metų. Anoduoto 6061 aliuminio lydinio dangos storis yra 25 μm, atsparumas druskos purškimui viršija 2000 valandų.
TiO₂ plėvelė (2-10 nm), susidariusi ant titano lydinio paviršių, pasižymi puikiomis pasyvavimo savybėmis ir išlieka stabili net ir labai ėsdinančiose terpėse, tokiose kaip vandens regija ir koncentruota sieros rūgštis. Pramoninio gryno titano korozijos greitis jūros vandenyje yra tik 0,001 mm/a, ty viena dvidešimtoji 316 l nerūdijančio plieno.
2. Elektrocheminė korozija
Cinko lydiniai yra linkę į tarpkristalinę koroziją drėgnoje aplinkoje. Kai priemaišų elementų (Pb, Cd) kiekis viršija 0,005 %, korozijos greitis padidėja tris kartus. Pridėjus 0,1 % Mg susidaro Zn-Mg fazė, žymiai slopinanti elektrocheminę koroziją.
Magnio lydiniai turi žymiai mažesnį standartinį elektrodų potencialą (-2,37 V) nei aliuminio lydiniai (-1,66 V) elektrolituose, todėl magnio ir aliuminio sąsajose atsiranda galvaninė korozija. Įdiegus izoliacines dangas arba apsaugą nuo anodo, korozijos greitis yra mažesnis nei 0,1 mm/a.
III. Apdirbamumas ir procesų pritaikymas
1. Liejimo savybės
Magnio lydinių lydymosi temperatūra (650 laipsnių) yra 10 laipsnių žemesnė nei aliuminio lydinių (660 laipsnių), tačiau jie pasižymi mažesniu klampumu, geresniu sklandumu ir geresne pripildymo galia. Gaminant liejimo spaudimą, magnio lydinio liejimo formų tarnavimo laikas yra 200 000 ciklų, du kartus ilgesnis nei aliuminio lydinių.
Cinko lydiniai turi žemiausią lydymosi temperatūrą (385 laipsniai), todėl galima nepertraukiamai gaminti naudojant karštojo{1}}kamerinio-liejimo mašinas. Tai leidžia 40 % padidinti gamybos efektyvumą, palyginti su aliuminio lydinio šaltuoju{5}}kameriniu liejimu-. Tačiau cinko lydiniai pasižymi didesniu susitraukimo greičiu (0,6 %) nei magnio lydinių (0,5 %), todėl reikia tikslesnės formos konstrukcijos.
2. Deformacijos apdorojimas
Aliuminio lydiniai gali pasiekti daugiau nei 90 % deformacijos per tokius procesus kaip valcavimas ir ekstruzija, o 6061 aliuminio lydinys T6 sąlygomis pasiekia 290 MPa takumo ribą. Tačiau dėl jų šešiakampės sandarios (HCP) kristalinės struktūros magnio lydiniai turi prastą plastinę deformaciją kambario temperatūroje. Dėl to būtina naudoti vienodo-kampo kampo ekstruziją (ECAP), kad būtų pasiekta itin-smulkių grūdelių struktūra, padidinanti pailgėjimą nuo 8 % iki 25 %.
Titano lydiniai pasižymi išskirtinai dideliu kietėjimo laipsniu (n=0.4), o pjovimo jėgos yra 1,5 karto didesnės nei plieno. Aukštos-temperatūros kalimas (900–1000 laipsnių) sukuria -fazines mikrostruktūras, tačiau tai padidina įrangos energijos sąnaudas 30%. Nauji -titano lydiniai (pvz., Ti-5553) padidina kambario temperatūros formavimąsi 50 % dėl kontroliuojamo stabilizavimo elemento kiekio.
IV. Tipinių taikymo scenarijų analizė
1. Aviacijos ir kosmoso sektorius
Titano lydiniai sudaro 41% naikintuvo F-22 konstrukcijos. Jo važiuoklės sijos, pagamintos iš TC4 lydinio, palaiko stabilų veikimą nuo -55 laipsnių iki 600 laipsnių temperatūroje. Magnio lydinio AZ31B palydovų laikiklių svoris sumažinamas 40 %, tačiau tam, kad atitiktų erdvės aplinkos atsparumo korozijai reikalavimus, reikia padengti nikeliu.
Aliuminio lydinys 7075-T6 sudaro 15% Boeing 787 orlaivių. Jo sparnų kotai, sujungti naudojant frikcinį maišomąjį suvirinimą (FSW), pasiekia 90 % pagrindinės medžiagos jungties stiprumą, palyginti su tik 70 % tradicinių kniedytų konstrukcijų.
2. Automobilių pramonė
Magnio lydinio ratlankiai (pvz., AM60B) sumažina svorį 35 %, palyginti su aliuminio lydinio ratlankiais, tačiau dvigubai brangiau. Pusiau -lietimo liejimo (SSM) technologija gali sumažinti magnio lydinio ratlankių gamybos sąnaudas 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 laipsnių), riboja jų naudojimą variklio komponentuose.
3. 3C Electronics
Magnio lydiniai užima 65 % nešiojamųjų kompiuterių korpusų rinkos. AZ91D lydinys po mikro-lanko oksidacijos pasiekia 1 200 HV paviršiaus kietumą, o atsparumu dilimui lenkia nerūdijantį plieną. Aliuminio lydinys 6063 sudaro 80 % išmaniųjų telefonų vidurinių -kadrų, todėl naudojant nanoimprinting technologiją galima apdoroti tekstūrą 0,1 mm tikslumu.
Titano lydiniai naudojami sulankstomo ekrano mobiliųjų telefonų vyriuose. -Ti-3Al-2,5 V lydinys yra šaltai verpiamas, padidinant jo tamprumo modulį nuo 105 GPa iki 120 GPa, atitinkantį 200 000 lankstymo ciklų reikalavimą.
