Horčík patrí prakticky k najľahším kovom, ktoré možno použiť na výrobu konštrukčných dielov. Vzhľadom na to, že Mg je najľahším kovom, možno hmotnosť konštrukcií znížiť práve aplikáciou Mg zliatin. Horčíkové zliatiny to predurčuje na čoraz širšie aplikácie v automobilovom priemysle a v ďalších odvetviach.
Komerčne používané Mg zliatiny majú špecifickú hmotnosť cca 1,7 g.cm-3, čo je cca o 35 % nižšia hodnota ako u Al zliatin a cca o 75 % nižšia ako v prípade ocelí. Horčík sa na rozdiel od iných kovov dá odlievať do extrémne tenkostenných a tvarovo komplexných súčiastok, ktoré sú často ľahšie, ako keby boli vyrobené z plastu.
V situácii, keď každý ušetrený kilogram na hmotnosti automobilu má stále rastúcu hodnotu, dá sa logicky predpokladať, že podiel horčíkových zliatin v karosériách bude takisto rásť. Tento trend nakoniec potvrdzuje aj fakt, že objem horčíkových odliatkov v automobiloch sa za posledných 5 rokov takmer zdvojnásobil.
Dnes si už bez použitia horčíkových zliatin nevieme predstaviť ultraľahké notebooky, fotoaparáty, ďalekohľady ani mobilné telefóny. Horčík okrem toho výborne tlmí vibrácie a dá sa veľmi dobre obrábať.
Vlastnosti horčíkových zliatin
Medzi ďalšie výhody Mg zliatin patrí vysoký pomer pevnosti a hmotnosti, dobrá odlievateľnosť, obrobiteľnosť a v určitých prípadoch aj zvariteľnosť. Navyše, tieto zliatiny sú dobre recyklovateľné. Vo všeobecnosti majú Mg zliatiny približne rovnakú odolnosť proti korózii ako mäkké ocele, ale ich korózna odolnosť je nižšia ako u Al zliatin.
Prečítajte si tiež: Komplexná starostlivosť o pohybový aparát: Walmark Vápnik Horčík Zinok
Vplyv legujúcich prvkov
Vlastnosti čistého hliníka sa môžu meniť pomocou zliatin. Napríklad pridanie horčíka značne zvyšuje pevnosť materiálu. Vplyvy legujúcich prvkov na vlastnosti Mg zliatin a vlastnosti vybraných zliatin sú uvedené v tabuľke nižšie.
Použitie horčíkových zliatin
Najvýhodnejšie použitie horčíkových zliatin v karosériách automobilov je na veľkorozmerné a komplexne tvarované diely, ktoré možno vyrobiť ako odliatok z jedného kusa, napríklad dvere, armatúrové panely, priečinky, časti podlahy, strechy, kapoty a pod. Dnes prakticky existujú horčíkové odliatky celých vnútorných dverí automobilov vyšších tried. Z horčíkových zliatin sa vyrába výstuž volantu, pojazdy sedadiel, rôzne kryty v motore, ľahké skrinky, atď.
Jeden diel z horčíka, napr. armatúrový panel, dokáže nahradiť 30 tradičných dielov na výrobu tohto komponentu z ocele. Niektoré aplikácie Mg zliatin v automobilovom priemysle sú uvedené na obrázku.
Americká strategická štúdia Magnesium Vision 2020 ukázala, že keby sa všetky v praxi známe používané diely z horčíkových zliatin dali do jedného automobilu, ich celková hmotnosť by bola asi 160 kg, v kombinácii s hliníkovými zliatinami by sa však automobil odľahčil o najmenej 130 kg oproti tradičnému vyhotoveniu z ocele. Takéto odľahčenie by umožnilo následné zníženie hmotnosti ďalších komponentov, čím by sa mohlo dosiahnuť celkové zníženie hmotnosti až o 225 kg.
Zváranie horčíkových zliatin
Pri zhotovovaní zvarových spojov tavnými technológiami má výrazný vplyv vysoká reaktivita Mg s kyslíkom. Horčík má na vzduchu nízku oxidačnú odolnosť pri vyšších teplotách, čo bráni dobrému zmáčaniu zvarového kovu, pokiaľ sa nezvára v inertnej atmosfére, alebo ak sa pri zváraní nepoužije vhodné tavivo. V zliatinách na báze Mg-Al-Zn zlepšuje obsah Al do 10 hm. % zvariteľnosť (zjemnenie zrna).
Prečítajte si tiež: Správne hnojenie viniča
Ako najvýhodnejšie sa javí použitie technológie zvárania elektrónovým lúčom. S rastúcim obsahom Al sa zlepšovala zvariteľnosť Mg zliatin. Odporúčajú Mg zliatinu AZ 91 zvárať pri parametroch: P = 2 200 W a vzv = 16 mm/s. Hĺbka vyhotoveného zvaru bola 29 mm a koeficient formy zvaru 8,2. Vzhľadom na vysokú rýchlosť ochladzovania bola veľkosť zŕn v ZK cca 10 μm.
Pórovitosť ZK je hlavným problémom pri zváraní Mg zliatin laserom. Stúpa so zvyšovaním tepelného príkonu (zvýšenie výkonu lasera a zníženie rýchlosti zvárania). Na zváranie Mg zliatiny typu AZ 31 (hrúbky 1 mm) sa v rámci ďalšieho výskumu použil 1,5 kW diódový a 2 kW CO2 laser. Hustota výkonu 8 000 W.cm-2 je dostatočná na dosiahnutie úplného pretavenia zliatiny pri rýchlosti zvárania 150 mm/s pri zváraní CO2 laserom a 50 mm/s pri zváraní diódovým laserom.
Tvorbe zápalov sa bolo možné vyhnúť defokusáciou laserového lúča. Zváranie diódovým laserom bolo charakteristické menšou pórovitosťou oproti zváraniu CO2 laserom. Mikroštruktúra zvarového spoja vyhotoveného CO2 laserom je dokumentovaná na obr.
V ďalšej práci sa Scintilla et al. zaoberali zváraním Mg zliatiny typu AZ 31 hrúbky 3,3 mm pevnolátkovým Nd:YAG laserom. V práci bolo riešené vysokofrekvenčné indukčné spájkovanie tvárnenej Mg zliatiny AZ 31. Použilo sa zariadenie s výkonom 25 kW a frekvenciou 50 kHz. Z dôvodu odstránenia povrchového oxidu sa použilo tavivo QJ 210 (KCl 50 %, LiCl 32 %, NaF 10 %, ZnCl2 8 %). Ako ochranný plyn sa použil Ar.
Rtg. difrakčná analýza preukázala prítomnosť tuhého roztoku α-Mg a tvrdej eutektoidnej štruktúry α-Mg + MgZn. Usporiadanie plechov pri tvrdom spájkovaní Mg zliatiny je uvedené na obr. Vplyv obsahu Zn na mikroštruktúru a mechanické vlastnosti Mg zliatin série ZK (ZK 21, ZK 40 a ZK 60) zváraných CO2 laserom (3 kW) hrúbky 2 mm je popísaný v práci. Mikroštruktúry zvarových spojov sú dokumentované na obr. 6.
Prečítajte si tiež: Ako užívať zinok a horčík spoločne?
Kvôli nižšiemu tepelnému príkonu možno zváranie laserom úspešne aplikovať pri zváraní Mg zliatin typu ZK, ktoré majú obsah Zn < 4 hm. % a klasickým oblúkovým zváraním sú ťažko zvariteľné. Zliatina ZK 60 je náchylná na kryštalizačné praskanie a vyznačuje sa horšou zvariteľnosťou, ktorá vyplýva z prítomnosti precipitátov Mg51Zn20 vylúčených po hraniciach zŕn v ZK. Zrná ZK zliatiny ZK 40 sú najjemnejšie zo všetkých troch zliatin. Veľkosť zrna je cca 4,8 μm.
Xiao et al. Ďalšia práca sa zaoberá zváraním Nd:YAG laserom zliatiny AZ 31 hrúbky 2,5 mm s cieľom hodnotenia odolnosti zvarov proti koróznemu praskaniu pod napätím. Uskutočnilo sa zváranie bez a s použitím prídavného materiálu AZ 61. Ďalšia práca sa zaoberala zváraním metódou GTAW zliatiny AZ 91 hrúbky 15 mm.
Difúzne zváranie zliatiny AZ 91 s použitím medzivrstvy Ag (hrúbka 100 μm) bolo realizované pri teplote 480 °C a časoch 0,5; 1 a 2 h pri tlaku 1 MPa vo vákuu 2.10-3 Pa. Pevnosť v šmyku všetkých vzoriek sa pohybovala v intervale 65 až 70 MPa. Počas zvárania došlo k taveniu a rozpusteniu Ag medzivrstvy v matrici.
Ďalší výskum bol realizovaný v spolupráci prestížnych japonských výskumných pracovísk a to: Department of Metallurgy and Materials Science (Osaka Prefecture University), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology a Osaka Municipal Technical Research Institute. Výskum bol zameraný na difúzne zváranie zliatiny AZ31 s presne určenou veľkosťou zrna do 16,8 μm, Zliatina bola zváraná vo forme valcovaného plechu s hrúbkou 0,8 mm. Typická mikroštruktúra materiálu žíhaného pri teplote 673 K je dokumentovaná na obr.
Drsnosť povrchu pri difúznom zváraní bola 24 μm a dosiahla sa jemným otryskaním a následným leptaním. Parametre zvárania boli T = 673 K, čas zvárania 0,5 až 8 h, tlak 2 až 10 MPa. Zvarové rozhranie je dokumentované na obr.
Bolo zistené že najlepšie pevnostné vlastnosti vykázali vzorky vyhotovené pri parametroch: 10 MPa/0,5 h, 5 MPa/1h, 3 MPa/3h a 2 MPa/8h. Pri bodovom FSW zváraní Mg zliatiny s Al zliatinou (hrúbky 1 mm) bol skúmaný vplyv rôznej rýchlosti otáčania nástroja a času pôsobenia nástroja na charakter spoja. Na rozhraní Mg-Al sa vytvorili intermetalické fázy. Hrúbka týchto fáz narastala so zvyšovaním rýchlosti rotácie nástroja a mala výrazný vplyv na pevnosť spoja. Intermetalické vrstvy boli väčšinou tvorené fázami Al3Mg2 (na povrchu Al zliatiny) a Al12Mg17 (na povrchu Mg zliatiny).
Vedci z Nanjing University of Science and Technology v spolupráci s Auburn University a Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science (Yan et al.) skúmali možnosti navárania (plátovania) hliníkových zliatin na Mg zliatiny explóziou. Experiment sa zaoberal naváraním Al 7075 na Mg zliatinu AZ31B. Chemické zloženie uvedených kovov je v tab. Pri experimente bolo použité uhlové situovanie zváraných materiálov. Urýchľovaným materiálom bola Al zliatina. Ako podkladový materiál bol zvolený betón.
Vyhodnotenie kvality bimetalov po zváraní sa vykonalo optickou mikroskopiou, SEM a EDS mikroanalýzou. Ďalej bola na vzorkách skúmaná tvrdosť a ťažnosť spoja. Mikroštruktúra rozhrania zvarového spoja je dokumentovaná na obr. Zvarové rozhranie bolo charakteristicky zvlnené. Nebola zistená prítomnosť intermetalických fáz.
Obdobný výskum zvárania explóziou sa vykonal i na Katedre zvárania MTF STU v Trnave v spolupráci s Explosia, a. s., Pardubice. Na Harbin University of Technology (Čína) bolo v rámci výskumu realizované difúzne zváranie plechov z Mg zliatiny ZK 60 hrúbky 1,5 mm. Patel et al. V literatúre je uvedený aj výskum zo zvárania kovaním (Forge Welding) zliatiny ZK 60A-T5.
Práca podáva čiastočný pohľad na v súčasnosti veľmi aktuálnu problematiku metalurgického spájania Mg zliatin, ako aj Mg zliatin s inými kovmi. Kolektív autorov a zároveň riešiteľov nového projektu VEGA MŠVVS a SAV pod názvom „Výskum metalurgického spájania a ďalších technologických procesov spracovania horčíkových a iných ľahkých zliatin progresívnymi a ekologicky vhodnými technológiami“ bude povďačný, ak okrem Katedry materiálového inžinierstva Strojníckej fakulty ŽU Žilina bude záujem o participáciu na uvedenom projekte v rokoch 2012 až 2014.
Príspevok je realizovaný s podporou Grantovej agentúry VEGA MŠVVŠ SR, projekt č.