Stel je een materiaal voor dat zo licht is als een veertje en toch zo sterk als staal - zo'n doorbraak zou industrieën transformeren. Magnesiumlegeringen bieden dit opmerkelijke potentieel, maar ze staan voor een cruciale uitdaging: wanneer hun sterkte toeneemt, neemt hun taaiheid af, waardoor hun vermogen om traditionele metalen te vervangen wordt beperkt. Is er een manier om magnesiumlegeringen zowel sterk als taai te maken? Het antwoord ligt in de shot peening-technologie.

In een tijdperk waarin energie-efficiëntie en ecologische duurzaamheid voorop staan, is lichtgewicht ontwerp essentieel geworden. Magnesiumlegeringen onderscheiden zich van andere metalen door hun uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding, waardoor ze ideaal zijn om gewicht te verminderen zonder de prestaties te beïnvloeden. In automobieltoepassingen kunnen magnesiumcomponenten het gewicht van voertuigen verminderen, waardoor de brandstofefficiëntie wordt verbeterd en de uitstoot wordt verminderd. In de lucht- en ruimtevaart verbeteren lichtere vliegtuigstructuren de vliegprestaties en verlagen ze de operationele kosten.

Ondanks hun voordelen hebben magnesiumlegeringen beperkingen. Een belangrijk probleem is het in evenwicht brengen van sterkte en taaiheid - een "schommelstoel-effect" waarbij het verbeteren van het ene vaak het andere verzwakt. De kristallijne structuur van magnesium en de beperkte glijsystemen bij kamertemperatuur leiden tot een slechte weerstand tegen plastische vervorming, waardoor het risico op broze breuk toeneemt. Dit vormt veiligheidsproblemen in toepassingen met hoge belasting.

Wanneer het moeilijk blijkt om de algehele materiaaleigenschappen te optimaliseren, biedt oppervlaktemodificatie een alternatief. Onderzoek toont aan dat de meeste materiaalfalen ontstaan aan het oppervlak. Door het oppervlak te versterken - de slijtvastheid, vermoeiingssterkte en andere eigenschappen te verbeteren - kunnen ingenieurs de levensduur en betrouwbaarheid van een materiaal aanzienlijk verlengen. Beschouw het als een beschermend "pantser" dat het materiaal beschermt tegen externe schade.

Recente ontwikkelingen in het ontwerp van gradient microstructuren bieden een veelbelovende oplossing. Deze aanpak creëert een geleidelijke overgang in korrelgrootte en structuur van het oppervlak naar de kern, waarbij oppervlaktehardheid wordt gecombineerd met interne taaiheid. Stel je een cake voor met een knapperige karamellaag aan de buitenkant en zachte crème aan de binnenkant - de gradient microstructuur brengt op dezelfde manier sterkte en flexibiliteit in evenwicht.

Om deze gradientstructuur in magnesiumlegeringen te creëren, blijkt shot peening-technologie van onschatbare waarde. Deze kosteneffectieve oppervlaktebehandeling bombardeert het materiaal met hogesnelheid micro-projectielen (meestal stalen of keramische kogeltjes), waardoor plastische vervorming wordt geïnduceerd die de oppervlaktemicrostructuur en mechanische eigenschappen verandert. Stel je talloze kleine hamers voor die het oppervlak verdichten, waardoor het dichter en harder wordt.

Shot peening verbetert de materiaalprestaties door drie primaire effecten:

1. Plastische Vervorming: De impact van projectielen veroorzaakt oppervlakteverharding, waardoor de sterkte en hardheid aanzienlijk toenemen - als het toevoegen van een beschermende schil.

2. Roosterdefecten: Het proces genereert dislocaties en vacatures die verdere vervorming belemmeren, waardoor de sterkte wordt verhoogd - vergelijkbaar met het creëren van interne obstakels.

3. Korrelverfijning: Intense vervorming breekt oppervlaktekorrels af en vormt zelfs nanokristallen. Kleinere korrels betekenen meer grenzen, waardoor vervorming verder wordt tegengegaan - vergelijkbaar met het veranderen van rotsblokken in grind.

Terwijl conventioneel shot peening voornamelijk de vermoeiingsweerstand verbetert, gebruikt "Ernstig Shot Peening" (SSP) parameters met een hogere intensiteit om diepere, meer uitgesproken gradientstructuren te creëren - als een diepe weefselmassage voor metalen.

AZ31, een veelgebruikte magnesiumlegering met uitstekende vormbaarheid en lasbaarheid, is bijzonder veelbelovend voor het vervangen van aluminium en staal in voertuigen. De balans tussen sterkte en taaiheid moet echter worden verbeterd. Twin-Roll Casting (TRC), een innovatieve productiemethode, biedt fijnere korrelstructuren tegen lagere kosten in vergelijking met traditioneel walsen.

Onderzoekers testten TRC-geproduceerde AZ31-platen met verschillende kogelgroottes (0,40–3,18 mm) en luchtdrukken (0,06–0,22 MPa), waarbij ze de microstructuur en mechanische eigenschappen analyseerden. Belangrijkste bevindingen:

• Grotere kogels creëren diepere vervormingslagen, maar kunnen de oppervlakteruwheid vergroten.

• Hogere drukken intensiveren de impacten, maar riskeren oppervlaktescheuren.

• Langer peenen verhoogt de hardheid, maar kan vermoeidheidsschade veroorzaken.

Nabehandeling door gloeien bij 150 °C verbeterde de ductiliteit verder zonder de sterkte op te offeren.

Shot peening opent nieuwe mogelijkheden voor magnesiumlegeringen. Door parameters nauwkeurig te controleren, kunnen ingenieurs gradientstructuren afstemmen om meerdere eigenschappen tegelijkertijd te optimaliseren. Naarmate deze technologie zich ontwikkelt, zullen magnesiumlegeringen breder worden gebruikt in de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart en de elektronica - en zo lichtgewicht, duurzame technische oplossingen bevorderen.