سبائك المغنيسيوم: AZ91 و WE43 و Mg-Al-Ca في الهندسة الحديثة

مقدمة

يمثل تخفيض الوزن دون التضحية بالأداء التحدي الرئيسي في عالم الهندسة اليوم. ويبحث المهندسون في صناعات السيارات والفضاء والإلكترونيات المحمولة باليد والأجهزة الطبية باستمرار عن مواد خفيفة الوزن وقوية ومتسقة في الوقت نفسه. ومن بين المعادن، كانت سبائك المغنيسيوم من أكثر الخيارات الواعدة. حيث يبلغ وزن المغنيسيوم 1.74 جم/سم مكعب، ويقل وزنه بحوالي الثلثين عن الألومنيوم وحوالي الربع عن الفولاذ. هذه الميزة الممتازة في الوزن، بالإضافة إلى كونها جذابة من وجهة نظر ميكانيكية، تجعل من سبائك المغنيسيوم الخيار الأفضل للتطبيقات التي يكون فيها الغرامات مهمة.

من بين عائلة سبائك المغنيسيوم الكبيرة، أثبتت بعض التركيبات أنها ملائمة بشكل خاص للتطبيقات الهيكلية خفيفة الوزن. تُعد سبائك AZ91 وWE43 وMg-Al-Ca أمثلة جيدة، ولكل منها توازنها المميز في القوة ومقاومة التآكل وقابلية التشغيل. يساعد الإلمام بخصائصها ومزاياها واستخداماتها النموذجية المهندسين على اختيار المادة المناسبة لمتطلبات التصميم المحددة.

AZ91: العمود الفقري الموثوق به

من بين سبائك المغنيسيوم، تبرز سبائك المغنيسيوم AZ91 نظرًا لانتشار استخدامها وقابليتها للتطبيق على نطاق واسع. يصف "AZ91" في اسمها عناصر السبائك الأساسية: حوالي 9% ألومنيوم و1% زنك. وتتمتع السبيكة بتوازن جيد بين الأداء المنخفض الوزن ومقاومة التآكل، وبالتالي تُستخدم سبيكة AZ91 على نطاق واسع حيثما كان الاقتصاد في الاستخدام أحد الاعتبارات.

تُعد قابلية الصب الجيدة إحدى المزايا الأساسية لسبائك AZ91. يمكن صب السبيكة في قوالب هندسية معقدة ذات عيوب منخفضة، وهذا أمر ضروري لقطع غيار السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية. كما أن الخواص الميكانيكية للسبائك عالية بما يكفي لمعظم الأغراض الإنشائية مع وجود مستوى جيد نسبيًا من الليونة. كما أن هذه السبيكة أكثر مقاومة للتآكل من العديد من سبائك المغنيسيوم الأخرى، وهذا يعزز من عمر الخدمة حيثما كان التعرض للرطوبة أو المواد الكيميائية الخفيفة متوقعاً.

تُستخدم سبيكة AZ91 على نطاق واسع في قطع غيار السيارات، بما في ذلك أغطية المحركات، وأغطية ناقل الحركة، والأجزاء الداخلية الهيكلية. كما أن خفة وزنه وقوته ومقاومته للتآكل جعلته أحد أكثر سبائك المغنيسيوم إنتاجاً في العالم.

اقرأ المزيد: التطبيقات الرئيسية الأربعة الرئيسية لسبائك المغنيسيوم

WE43: سبيكة عالية الأداء

في حين أن AZ91 يتفوق في التطبيقات الخفيفة والفعالة من حيث التكلفة، إلا أن هناك بعض المشكلات الهندسية التي تتطلب سبائك ذات ثبات حراري وقوة أكبر. يدخل WE43. WE43 عبارة عن سبيكة مغنيسيوم ترابية نادرة، مخلوطة بشكل أساسي بالإيتريوم (Y) وعناصر ترابية نادرة أخرى مثل النيوديميوم والجادولينيوم.

ويوفر إدخال هذه العناصر الأرضية النادرة ل WE43 خصائص استثنائية في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف، مما يجعلها مناسبة للفضاء والمركبات عالية الأداء وحتى التطبيقات الطبية. على عكس سبائك المغنيسيوم التقليدية، لا يتدهور WE43 في درجات الحرارة العالية مع فقدان كبير في القوة الميكانيكية، مما يجعله ذا قيمة لمكونات المحركات، والألواح الهيكلية، والتطبيقات القاسية الأخرى.

وإلى جانب الأداء الحراري، من المعروف أيضًا أن WE43 يُظهر مقاومة جيدة للتآكل، خاصةً بعد المعالجة السطحية بأنواعها المناسبة. على الرغم من أنه أثقل على الجيب من AZ91 لاحتوائه على عناصر أرضية نادرة، إلا أن فوائد الأداء تزن التكلفة في التطبيقات عالية التكلفة. وقد تم بالفعل استخدام WE43 في المكونات الهيكلية للطائرات، ومكونات المحركات عالية الأداء، وحتى الغرسات الطبية القابلة للتحلل الحيوي، مما يثبت إمكانية تصميم سبائك المغنيسيوم لتلبية متطلبات أداء محددة عند تحسينها.

سبائك Mg-Al-Ca: حلول خفيفة الوزن للمستقبل

تضمنت الأبحاث الحديثة سبائك Mg-Al-Ca كمرشح واعد جدًا للاستخدام الخفيف الوزن والمقاوم للتآكل. يتم خلط المغنيسيوم في المقام الأول مع الألومنيوم والكالسيوم في هذه السبائك لإنشاء منتجات ذات كثافة منخفضة وخصائص ميكانيكية مقبولة واستقرار بيئي محسّن.

تضيف إضافة الكالسيوم مقاومة للتآكل وتوفر ثباتًا حراريًا إضافيًا، بينما يتم تضمين الألومنيوم لقوته الميكانيكية. وتعتبر هذه السبائك جذابة بشكل خاص للتطبيقات على المنتجات التي يُتوقع استخدامها على المدى الطويل في البيئات الرطبة أو التي تتسبب في تآكل معتدل، مثل ألواح هياكل السيارات والأجزاء الداخلية للفضاء. كما تم أيضًا استكشاف استخدامات طبية حيوية أخرى لبعض تركيبات Mg-Al-Ca، مستفيدين من التوافق الحيوي الأصلي للمغنيسيوم وبطء التحلل الحيوي الفسيولوجي.

إن الخصائص المجتمعة للقوة والخفة ومقاومة التآكل في سبائك Mg-Al-Ca تضعها في مكانة قوية كمادة هندسية للمستقبل. وتستمر الأبحاث الإضافية في تحسين تركيبها وتقنيات المعالجة، مثل الصب والبثق والتصنيع الإضافي، لجعلها أكثر فائدة.

كيفية اختيار أفضل سبائك المغنيسيوم

يعد اختيار سبيكة المغنيسيوم المناسبة توازنًا دقيقًا بين متطلبات التطبيق، بما في ذلك الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل وقابلية التصنيع والتكلفة. تظل AZ91 حلاً ناضجاً وفعالاً من حيث التكلفة لغالبية تطبيقات السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية. ويوفر WE43 أداءً متميزًا لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة أو تطبيقات الإجهاد المرتفع، خاصةً في التطبيقات الفضائية والطبية. تُعد سبائك Mg-Al-Ca فئة جديدة توفر توازناً في مقاومة التآكل وخصائص خفيفة الوزن مناسبة للتطبيقات الهيكلية والطبية الحيوية. لمزيد من منتجات السبائك، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).