現代産業の基礎である金属材料の性能のばらつきは、特定の用途における金属材料の選択に直接影響します。マグネシウム、亜鉛、チタン、アルミニウム合金-4 つの主要な軽量金属材料-は、密度、強度、耐食性、加工性などの主要な指標に大きな違いがあります。
I. 基本物性の比較
1. 密度と比強度
密度が 1.7 ～ 1.9 g/cm3 のマグネシウム合金は、構造用金属の中で最も軽量です。その比強度（強度/密度）は150〜250MPa/(g/cm3)に達し、アルミニウム合金の比強度(80〜120MPa/(g/cm3))を大幅に上回ります。たとえば、AZ91D マグネシウム合金は 280 MPa の引張強度を維持しながら、重量は 6061 アルミニウム合金のわずか 68% です。チタン合金はより高い密度 (4.5 g/cm3) を持っていますが、その比強度は依然として 300 MPa/(g/cm3) を超えており、航空宇宙エンジンのブレードの 30% の軽量化を達成しています。
亜鉛合金は 6.6 ～ 7.2 g/cm3 の高密度を持ち、比強度はわずか 40 ～ 60 MPa/(g/cm3) です。ただし、比重が高いため、ダイカスト用途では厚さ 0.5 mm までの精密ギア成形が可能です。これは、アルミニウム合金 (肉厚 1.2 mm が必要) では達成できない偉業です。{6}}
2. 熱-物理的性質
マグネシウム合金の熱伝導率（156W/(m・K)）はチタン合金（6.7W/(m・K)）の23倍です。ラップトップ冷却モジュールでは、マグネシウム合金ケースにより CPU 温度を 8 ～ 10 度下げることができます。アルミニウム合金は優れた熱伝導率 (237 W/(m・K)) を示しますが、マグネシウム合金は軽量であるという利点により、モバイル デバイスの熱管理において優位性を確保します。
チタン合金は室温で 500 度でも強度の 80% を維持しますが、アルミニウム合金は 200 度で強度の 40% を失います。-この耐熱性の違いにより、チタン合金は航空機エンジンの燃焼室に最適な材料となっていますが、アルミニウム合金は主に常温構造部品に使用されています。{6}}
II.化学的性質と耐食性
1. 酸化挙動
マグネシウムは空気中で厚さ 0.5 ～ 1 μm の MgO 膜を急速に形成しますが、この膜は多孔質で脆く、3.5% NaCl 溶液中では 24 時間以内に孔食を示します。マイクロ アーク酸化技術により、マグネシウム表面に 20 μm の厚さのセラミック コーティングを生成でき、耐食性を 10 倍向上させることができます。-
アルミニウム合金表面に自然に形成された Al₂O₃ 膜 (3-5nm) には自己修復特性があり、海洋環境で 10 年を超える耐用年数を維持します。陽極酸化された 6061 アルミニウム合金は、25μm の膜厚を達成し、塩水噴霧耐性は 2000 時間を超えます。
チタン合金表面に形成された TiO₂ 膜 (2-10 nm) は完璧な不動態化特性を示し、王水や濃硫酸などの腐食性の高い媒体中でも安定性を保ちます。工業用純チタンの海水中での腐食速度はわずか0.001mm/aで、316Lステンレス鋼の20分の1です。
2. 電食
亜鉛合金は、湿気の多い環境では粒界腐食を起こしやすいです。不純物元素（Pb、Cd）の含有量が0.005％を超えると、腐食速度が3倍に増加します。 0.1% Mg を添加すると Zn-Mg 相が形成され、電気化学的腐食が大幅に抑制されます。
マグネシウム合金は、電解質中でアルミニウム合金（-1.66 V）よりも大幅に低い標準電極電位（-2.37 V）を有しており、マグネシウム/アルミニウム界面で電食を引き起こします。絶縁コーティングまたは犠牲陽極保護を実装すると、腐食速度を 0.1 mm/a 未満に制御できます。
Ⅲ．機械加工性とプロセス適応性
1. 鋳造特性
マグネシウム合金は、アルミニウム合金（660 度）よりも融点（650 度）が 10 度低いにもかかわらず、粘度が低く、流動性に優れ、充填能力が優れています。ダイカスト製造において、マグネシウム合金金型は、アルミニウム合金の 2 倍である 200,000 サイクルの耐用年数を達成します。
亜鉛合金は融点が最も低く（385 度）、ホット-チャンバー ダイカスト-機による連続生産を可能にします。これにより、アルミニウム合金冷間ダイカスト--と比較して生産効率が 40% 向上します。ただし、亜鉛合金はマグネシウム合金（0.5%）よりも収縮率（0.6%）が高いため、より精密な金型設計が必要になります。
2.変形処理
アルミニウム合金は、圧延や押出などのプロセスを通じて 90% 以上の変形を達成でき、T6 状態の 6061 アルミニウム合金は 290 MPa の降伏強度に達します。しかし、マグネシウム合金は六方最密充填 (HCP) 結晶構造のため、室温では塑性変形能力が低くなります。このため、等角角押出成形 (ECAP) を使用して超微細粒子構造を実現し、伸び率を 8% から 25% に増加させる必要があります。-
チタン合金は非常に高い加工硬化率 (n=0.4) を示し、切削抵抗は鋼の 1.5 倍です。高温鍛造（900 ～ 1000 度）では - 相の微細構造が得られますが、これにより装置のエネルギー消費量が 30% 増加します。新しい-タイプのチタン合金（例: Ti-5553）は、制御された安定化元素含有量により室温での成形性を50%向上させます。-。
IV.典型的なアプリケーションシナリオの分析
1. 航空宇宙部門
チタン合金は F-22 戦闘機の構造の 41% を占めています。 TC4 合金で製造された着陸装置ビームは、-55 度から 600 度の温度範囲にわたって安定した性能を維持します。マグネシウム合金 AZ31B は衛星マウントの 40% の軽量化を達成しますが、宇宙環境の耐食性要件を満たすためにニッケルメッキが必要です。
アルミニウム合金 7075-T6 は、ボーイング 787 型機の 15% を構成しています。摩擦撹拌溶接 (FSW) によって接合されたその翼桁は、従来のリベット構造ではわずか 70% であったのに対し、母材の 90% に達する接合強度を達成しています。
2. 自動車産業
マグネシウム合金ホイール (AM60B など) は、アルミニウム合金ホイールと比較して重量を 35% 削減しますが、コストは 2 倍になります。半固体射出成形 (SSM) 技術により、マグネシウム合金ホイールの製造コストを 40% 削減できます。
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 度）、エンジン部品への用途が制限されます。
3. 3C エレクトロニクス
マグネシウム合金はノートパソコンの筐体において 65% の市場シェアを占めています。 AZ91D 合金は、マイクロアーク酸化後に 1200 HV の表面硬度を達成し、耐摩耗性においてステンレス鋼を上回ります。-アルミニウム合金 6063 はスマートフォンのミッドフレームの 80% を構成しており、ナノインプリンティング技術により 0.1 mm の精度でのテクスチャ加工が可能です。-
チタン合金は折りたたみ式携帯電話のヒンジに使用されています。 - タイプの Ti-3Al-2.5V 合金は冷間スピニングを受け、弾性率が 105 GPa から 120 GPa に増加し、200,000 回の折り畳みサイクルの要件を満たします。