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一文读懂铝合金、锌合金、镁钛的对比

时间:2024-09-23作者: 人物雕塑

  随着我们正常的生活品质的提高,对产品审美和品质的要求也在不断的提高。慢慢的变多的消费类产品采用合金材料来制作。金属材料给人高端、坚固、耐用的品质感,而传统的塑料外壳产品在消费的人心中逐渐被贴上“廉价”和“低品质”的标签。

  对于消费类产品而言,常用的合金材料有铝合金、锌合金和镁合金。钛合金由于其生物相融性好,常用在医疗领域。今天就来扒一扒这几种合金材料的特性,做个对比。因此,归纳性的总结放在前面,见以下性能对比表。

  这四种合金,钛合金最硬,强度也最好。硬度方面,钛合金要远硬于其他三种合金。就抗拉强度而言,钛合金强与锌合金,其次是镁合金,强度最低的是铝合金。

  但产品结构设计而言,还需要仔细考虑重量,如果将比重考虑进去,锌合金由于密度最大,比强度反而最小。钛合金和镁合金比强度高,但钛合金价格昂贵,加工性不好,因此要考虑重量和强度的结构件,多采用镁合金。

  材料成分这里不费篇幅罗列。铝合金的密度为2.63~2.85g/cm,有较高的强度(σb为110~270MPa),比强度接近高合金钢,比刚度超过钢,有良好的铸造性能和塑性加工性能,良好的导电、导热性能,良好的耐蚀性和可焊性。

  压铸铝合金的流动性比较好,熔点为660℃。铝合金在产品结构设计中的工艺应用形式也最丰富,常用加工工艺有:压铸、挤出成型、机加工、冲压、锻造。建筑门窗大量应用铝合金型材,机械设备也常用铝型材搭建框架。电子科技类产品和生活快消品的外壳也不乏铝合金,这类产品外观要求比较高,很常见的工艺是挤出、机加工、冲压等。

  快消品的外壳比较少用压铸铝,因为压铸铝合金含有较高成分的Si,所以在做Anodizing(阳极氧化)时,直接与药液产生反应,氧化后表面效果比较差。铝铸件常用于内部结构件和对外观要求不高的零件,摩托车的发动机外壳需要复杂的结构,要求重量轻的同时也需要足够的强度,大部分旋转铝合金压铸作为胚料。

  1×××系列为:纯铝(铝含量不小于99.00%),该系列牌号的最后两位数表示为最低铝含量的百分点。牌号的第二位的字母表示原始纯铝的改型情况。

  2×××~8×××系列牌号的最后两位数没有特殊意义,仅用来区分同一组中不同的铝合金。牌号的第二位字母表示原始纯铝的改型情况。

  2×××系列为:以铜为主要合金元素的铝合金。2011快削合金,切削性好强度也高。2018、2218锻造用合金,锻造性良好且高温强度较高。

  3×××系列为:以锰为主要合金元素的铝合金。3105、3105建材、彩色铝板、瓶盖。

  4×××系列为:以硅为主要合金元素的铝合金。4032耐热性、耐摩秏性良好,热线胀系数小。活塞、汽缸头。

  5×××系列为:以镁为主要合金元素的铝合金。5052为中程度强度之最具代表性合金,一般钣金、船舶、车辆、建筑、瓶盖、蜂巢板。

  6×××系列为:以镁为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金。6063代表性的挤出用合金,强度比6061低,挤出性良好,可作复杂的断面形状之形材,耐蚀性及表面处理性均佳建筑、公路护栏、高栏、车辆、家具、家电制品、装饰品。

  7×××系列为:以锌为主要合金元素的铝合金。7075铝合金中具有最高强度的合金之一,但耐蚀性不佳,与7072之覆盖皮材可改善其耐蚀性,但成本提高。航空器、滑雪杖。

  抗拉强度大于480MPa的铝合金称为高强度铝合金,主要是以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu为基的合金,即2XXX(硬铝合金类)和7XXX(超硬铝合金类)系合金。前者的静强度略低于后者,但使用温度却比后者高。由于合金的化学成分、熔炼和凝固方式、加工工艺及热处理制度不同,合金的性能差异很大。

  锌合金熔点低,流动性好,易熔焊。按制造工艺可分为铸造锌合金和变形锌合金。铸造锌合金流动性和抵抗腐蚀能力较好,适用于压铸仪表,汽车零件外壳等。变形锌合金有很好的可塑性和延展性,主要用作电池外壳、印刷板、屋面板和日用五金等。铸造合金的产量远大于变形合金,对于快消品的结构件,很少用到变形合金。因此下文就仅针对压铸锌合金了。

  锌合金密度为6.3~6.7g/cm,抗拉强度σb为280~440MPa,熔点低,在385℃熔化,容易压铸成型。

  锌合金比重大,是本文所述的四种合金中比重最大的,流动性也是最好的,有很好的铸造性能,可以压铸形状复杂、薄壁的精密件,铸件表面光滑。

  常温下,锌合金的强度好。必须要格外注意的是,锌合金不宜在高温和低温(0℃以下)的工作环境下使用,锌合金在常温下有较好的机械性能。但在高温下抗拉强度和低温下冲击性能都显著下降。锌合金抗蚀性差,当合金成分中杂质元素铅、镉、锡超过标准时,导致铸件老化而发生变形。锌合金压铸件存在时效作用,有老化现象,即长时间后强度自然降低,变的易脆。这就是怎么回事很多人吐槽,更换锌合金水龙头时往往会发生脆断,导致水龙头螺纹部分残留在水管里无法弄出来。因此,依旧是建议大家装修时尽可能地选择铜质的水龙头,不要选锌合金的。

  目前国际上用作铸件的标准系列有两大类,—类是ZAMAK合金、一类是ZA系列合金。使用的ZAMAK合金有ZAMAK 2、ZAMAK 3、ZAMAK 5及ZAMAK 7。(为简便起见、统称上述合金为2号、3号、5号及7号合金)。ZA系列有ZA-8、ZA-12、ZA-27及ZA-35。ZA-8大多数都用在热室压铸,ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求,只能用于冷室压铸。ZA-35通常用于重力铸件。而ZAMAK合金发展要先于ZA系列合金、大多数都用在压力铸造。应用最广泛的是3号锌合金。

  ZAMAK 2:用于对机械性能有特别的条件、对硬度要求高、耐磨性好、尺寸精度要求一般的机械零件。

  ZAMAK 3:良好的流动性和机械性能。应用于对机械强度要求不高的铸件,如玩具、灯具、装饰品、部分电器件。

  ZAMAK 5:良好的流动性和好的机械性能。应用于对机械强度有一定要求的铸件,如汽车配件、机电配件、机械零件、电器元件。

  ZA8:拥有非常良好的冲击强度和尺寸稳定性,但流动性较差。应用于压铸尺寸小、精度和机械强度要求很高的工件,如电器件。

  Superloy:流动性最佳,应用于压铸薄壁、大尺寸、精度高、形状复杂的工件,如电器元件及其盒体。

  镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌合金。镁合金因其优良的铸造、挤压、切削和弯曲加工等性能,可以广泛地应用于汽车、电子、纺织、建筑和军事领域。

  镁合金的熔点是650℃,熔点比铝合金熔点低,压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当,一般可达250MPa,最高可达600多MPa。

  镁合金密度小(1.8g/cm3左右),强度高。镁合金是最轻的金属结构材料,比重只有1.8,分别为铝的2/3和铁的1/4,其比强度高达133,这使得镁合金可用作高强度材料。高强度镁合金的比强度还可以和钛相媲美。

  镁合金弹性模量大,消震性好,在弹性范围内,镁合金受到冲击载荷时,吸收的能量比铝合金件大一半,所以镁合金拥有非常良好的抗震减噪性能。

  镁合金拥有非常良好的压铸成型性能,压铸件壁厚最小可达0.5mm,适应制造汽车各类压铸件。镁合金件稳定性较高,压铸件的铸造性加工尺寸精度高,可进行高精度机械加工。

  镁合金的散热相对与合金来说有绝对的优势,对于一样体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器,某热源生产的热量(温度)镁合金比铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度,顶部更容易达到高温。

  但镁合金线μm/m℃,而铝合金则为23μm/m℃,黄铜约20μm/m℃,结构钢12μm/m℃,铸铁约10μm/m℃,岩石(花岗岩、大理石等)仅为5~9μm/m℃,玻璃5~11μm/m℃。应用在热源处时一定要考虑温度对结构尺寸的影响。

  镁合金的应用举例:一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架,使其坚固耐用,手感好;手机电话,笔记本电脑的壳体;在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳和散热部件上使用镁合金;汽车方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配支架等要求重量轻而强度大的结构件。

  镁合金牌号以英文字母+数字+英文字母的形式表示。前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号(元素代号如下表规定),其后的数字表示其最主要的合金组成元素上下极限值的平均值。最后面的英文字母为标识代号,用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。

  钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属,强度高、耐蚀性好、耐热性高。钛合金大范围的应用于制作飞机发动机压气机部件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等。钛合金也应用在火箭、导弹和高速飞机的结构件。

  钛是同素异构体,熔点为1668℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛;在882℃以上呈体心立方晶格结构,称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素而得到不同组织的钛合金。室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。我国分别以TA、TC、TB表示。

  钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右,仅为钢的60%,一些高强度钛合金超过了许多合金结构刚的强度,因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。

  钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等。在美国,已有5种β钛合金被推荐至医学领域,即TMZFTM(TI-12Mo-Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo,适于作为植入物植入人体,如人造骨骼,血管支架等。

  TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、血管支架、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

  钛合金制品能够最终靠压铸和机械加工方法得到。钛合金熔化温度很高,对于模具钢材要求也较高。钛合金机械加工的方法很多,最重要的包含:车削、铣削、镗孔、钻削、磨削、攻丝、锯削、电火花加工等。

  钛合金机械加工性能同样不佳。钛合金切削加工时切削力只是略高于同等硬度的钢,但大多数钛合金热导率很低,只有钢的1/7,铝的1/16,因此切削产生的热量不会迅速散走,聚集在切削区域,导致刀具刃口迅速磨损,崩塌和生成积屑瘤。

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