鈦合金、鋁合金、鋅合金、鎂合金對(duì)比 |
作者：本站 發(fā)布時(shí)間：2023-03-02 瀏覽：681次 |
| 隨著人們生活品質(zhì)的提高，對(duì)產(chǎn)品審美和品質(zhì)的要求也在不斷提升。越來(lái)越多的消費(fèi)類產(chǎn)品采用合金材料來(lái)制作。金屬材料給人高端、堅(jiān)固、耐用的品質(zhì)感，而傳統(tǒng)的塑料外殼產(chǎn)品在消費(fèi)者心中逐漸被貼上“廉價(jià)”和“低品質(zhì)”的標(biāo)簽。 對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品而言，常用的合金材料由鋁合金、鋅合金和鎂合金。鈦合金由于其生物相融性好，常用在醫(yī)療領(lǐng)域。方工就來(lái)扒一扒這幾種合金材料的特性，做個(gè)對(duì)比。 因此，歸納性的總結(jié)放在前面，見(jiàn)以下性能對(duì)比表。 這四種合金，鈦合金最硬，強(qiáng)度也最好。硬度方面，鈦合金要遠(yuǎn)硬與其他三種合金。就抗拉強(qiáng)度而言，鈦合金強(qiáng)與鋅合金，其次是鎂合金。 強(qiáng)度和硬度對(duì)比 但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，還需要考慮重量，如果將比重考慮進(jìn)度，鋅合金由于密度最大，比強(qiáng)度反而最小了。鈦合金和鎂合金比強(qiáng)度高，但鈦合金價(jià)格昂貴，加工性不好，因此在要綜合考慮重量和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件種，多采用鎂合金。 鋁合金 材料成分直接找度娘，這里不費(fèi)篇幅羅列。鋁合金的密度為2.63～2.85g/cm，有較高的強(qiáng)度(σb為110～270MPa)，比強(qiáng)度接近高合金鋼，比剛度超過(guò)鋼，有良好的鑄造性能和塑性加工性能，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的耐蝕性和可焊性。 壓鑄鋁合金的流動(dòng)性比較好，熔點(diǎn)為熔點(diǎn)660℃。 鋁合金在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的工藝應(yīng)用形式也最豐富，常用加工工藝有：壓鑄、擠出成型、機(jī)加工、沖壓、鍛造。建筑門窗大量應(yīng)用鋁合金型材，機(jī)械設(shè)備也常用鋁型材搭建框架。電子產(chǎn)品和生活快消品的外殼也不乏鋁合金，這類產(chǎn)品外觀要求較高，比較常見(jiàn)的工藝是擠出，機(jī)加工，沖壓等。 快消品的外殼比較少用壓鑄鋁，因?yàn)閴鸿T鋁合金含有較高成分的Si，所以在做Anodizing（陽(yáng)極氧化）時(shí)，直接與藥液產(chǎn)生反應(yīng)，氧化后表面效果比較差。鋁鑄件常用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和對(duì)外觀要求不高的零件，摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求重量輕同時(shí)也需要足夠的強(qiáng)度，大都旋轉(zhuǎn)鋁合金壓鑄作為胚料。 鋁鑄發(fā)動(dòng)機(jī)外殼 鋁的牌號(hào)： 1×××系列為：純鋁（鋁含量不小于99.00%），該系列牌號(hào)的最后兩位數(shù)表示為：最低鋁含量的百分點(diǎn)。牌號(hào)的第二位的字母表示原始純鋁的改型情況。 2×××～8×××系列牌號(hào)的最后兩位數(shù)沒(méi)有特殊意義，僅用來(lái)區(qū)分：同一組中不同的鋁合金。牌號(hào)的第二位字母表示原始純鋁的改型情況。 2×××系列為：以銅為主要合金元素的鋁合金。2011快削合金，切削性好強(qiáng)度也高。2018 2218 鍛造用合金，鍛造性良好且高溫強(qiáng)度較高。 3×××系列為：以錳為主要合金元素的鋁合金。3105 3105建材、彩色鋁板、瓶蓋。 4×××系列為：以硅為主要合金元素的鋁合金。4032耐熱性、耐摩秏性良好，熱膨脹系數(shù)小。活塞、汽缸頭。 5×××系列為：以鎂為主要合金元素的鋁合金。5052為中程度強(qiáng)度之最具代表性合金，一般鈑金、船舶、車輛、建筑、瓶蓋、蜂巢板。 6×××系列為：以鎂為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金。6063代表性的擠出用合金，強(qiáng)度比6061低，擠出性良好，可作復(fù)雜的斷面形狀之形材，耐蝕性及表面處理性均佳建筑、公路護(hù)欄、高欄、車輛、家具、家電制品、裝飾品。 7×××系列為：以鋅為主要合金元素的鋁合金。7075鋁合金中具有最高強(qiáng)度的合金之一，但耐蝕性不佳，與7072之覆蓋皮材可改善其耐蝕性，但成本提高。航空器、滑雪杖。 8×××系列為：以其他元素為主要合金元素的鋁合金 9×××系列為：備用合金組 抗拉強(qiáng)度大于480MPa的鋁合金稱為高強(qiáng)度鋁合金，主要是以Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu為基的合金，即2XXX（硬鋁合金類）和7XXX（超硬鋁合金類）系合金。前者的靜強(qiáng)度略低于后者，但使用溫度卻比后者高。由于合金的化學(xué)成分、熔煉和凝固方式、加工工藝及熱處理制度不同，合金的性能差異很大。 鋅合金 鋅合金熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，易熔焊。按制造工藝可分為鑄造鋅合金和變形鋅合金。鑄造鋅合金流動(dòng)性和耐腐蝕性較好，適用于壓鑄儀表，汽車零件外殼等。變形鋅合金有很好的可塑性和延展性，主要用作電池外殼、印刷板、屋面板和日用五金等。鑄造合金的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于變形合金，對(duì)于快消品的結(jié)構(gòu)件，很少用到變形合金。因此下文就僅針對(duì)壓鑄鋅合金了。 鋅合金密度為6.3~6.7g/cm，抗拉強(qiáng)度σb為280~440MPa，熔點(diǎn)低，在385℃熔化，容易壓鑄成型。
鋅合金比重大，是本文所述的四種合金中比重最大的，流動(dòng)性也是最好的，有很好的鑄造性能，可以壓鑄形狀復(fù)雜、薄壁的精密件，鑄件表面光滑。我設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中，鋅合金壓鑄件最薄壁厚僅0.4mm。 常溫下,鋅合金的強(qiáng)度好。需要注意的是，鋅合金不宜在高溫和低溫（0℃以下）的工作環(huán)境下使用，鋅合金在常溫下有較好的機(jī)械性能。但在高溫下抗拉強(qiáng)度和低溫下沖擊性能都顯著下降。鋅合金抗蝕性差，當(dāng)合金成分中雜質(zhì)元素鉛、鎘、錫超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，導(dǎo)致鑄件老化而發(fā)生變形。鋅合金壓鑄件存在時(shí)效作用，有老化現(xiàn)象，即長(zhǎng)時(shí)間后強(qiáng)度自然降低，變的易脆。這就是為什么很多人吐槽，更換鋅合金水龍頭時(shí)往往會(huì)發(fā)生脆斷，導(dǎo)致水龍頭螺紋部分殘留在水管里無(wú)法弄出來(lái)。因此，方工還是建議大家裝修時(shí)盡量選擇銅質(zhì)的水龍頭，不要選鋅合金的。 目前國(guó)際上用作鑄件的標(biāo)準(zhǔn)系列有兩大類，—類是ZAMAK合金、一類是ZA系列合金。使用的ZAMAK合金有ZAMAK 2、ZAMAK 3、ZAMAK5及ZAMAK 7。(為簡(jiǎn) 便起見(jiàn)、統(tǒng)稱上述合金為2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)及7號(hào)合金)。ZA系列有ZA-8、ZA-12、ZA-27及ZA-35。ZA-8主 要用于熱室壓鑄，ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求，只能用于冷室壓鑄。ZA-35一般用于重力鑄件。而ZAMAK合金發(fā)展要先于ZA系列合金、主要用于壓力鑄造。應(yīng)用最廣泛的是3號(hào)鋅合金。 ZAMAK 2: 用于對(duì)機(jī)械性能有特殊要求、對(duì)硬度要求高、耐磨性好、尺寸精度要求一般的機(jī)械零件。 ZAMAK 3: 良好的流動(dòng)性和機(jī)械性能。應(yīng)用于對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求不高的鑄件，如玩具、燈具、裝飾品、部分電器件。 ZAMAK 5: 良好的流動(dòng)性和好的機(jī)械性能。應(yīng)用于對(duì)機(jī)械強(qiáng)度有一定要求的鑄件，如汽車配件、機(jī)電配件、機(jī)械零件、電器元件。 ZA8: 具有良好的沖擊強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，但流動(dòng)性較差。應(yīng)用于壓鑄尺寸小、精度和機(jī)械強(qiáng)度要求很高的工件，如電器件。 Superloy: 流動(dòng)性最佳，應(yīng)用于壓鑄薄壁、大尺寸、精度高、形狀復(fù)雜的工件，如電器元件及其盒體。 鎂合金 鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅合金。鎂合金因其優(yōu)良的鑄造、擠壓、切削和彎曲加工等性能，可以廣泛地應(yīng)用于汽車、電子、紡織、建筑和軍事領(lǐng)域。 鎂合金的熔點(diǎn)是650℃，熔點(diǎn)比鋁合金熔點(diǎn)低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件抗拉強(qiáng)度與鋁合金鑄件相當(dāng)，一般可達(dá)250MPa，最高可達(dá)600多MPa。 鎂合金密度小（1.8g/cm3左右），強(qiáng)度高。鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，比重只有1.8，分別為鋁的2/3和鐵的1/4，其比強(qiáng)度高達(dá)133，這使得鎂合金可用作高強(qiáng)度材料。高強(qiáng)度鎂合金的比強(qiáng)度甚至可以和鈦相媲美。 鎂合金彈性模量大，消震性好，在彈性范圍內(nèi)，鎂合金受到?jīng)_擊載荷時(shí)，吸收的能量比鋁合金件大一半，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。 鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚最小可達(dá)0.5mm, 適應(yīng)制造汽車各類壓鑄件。鎂合金件穩(wěn)定性較高，壓鑄件的鑄造性加工尺寸精度高，可進(jìn)行高精度機(jī)械加工。 鎂合金的散熱相對(duì)與合金來(lái)說(shuō)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于相同體積與形狀的鎂合金與鋁合金材料的散熱器，某熱源生產(chǎn)的熱量（溫度）鎂合金比鋁合金更容易由散熱片根部傳遞到頂部的速度，頂部更容易達(dá)到高溫。 但鎂合金線膨脹系數(shù)很大，達(dá)到25～26 μm/m℃，而鋁合金則為23 μm/m℃，黃銅約20 μm/m℃，結(jié)構(gòu)鋼12 μm/m℃，鑄鐵約10μm/m℃，巖石（花崗巖、大理石等）僅為5～9 μm/m℃，玻璃5～11 μm/m℃。應(yīng)用在熱源處時(shí)一定要考慮溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響。 鎂合金的應(yīng)用舉例：一般中高端及專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)都采取鎂合金做骨架，使其堅(jiān)固耐用，手感好；手機(jī)電話，筆記本電腦的殼體；在內(nèi)部產(chǎn)生高溫的電腦和投影儀等的外殼和散熱部件上使用鎂合金；汽車方向盤、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等要求重量輕而強(qiáng)度大的結(jié)構(gòu)件。 按成型方法分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩類。 鎂合金牌號(hào)以英文字母+數(shù)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組成元素代號(hào)（元素代號(hào)如下表規(guī)定），其后的數(shù)字表示其最主要的合金組成元素上下極限值的平均值。最后面的英文字母為標(biāo)識(shí)代號(hào)，用以標(biāo)識(shí)各具體組成元素相異或元素含量有微小差別的不同合金。 鎂合金常用牌號(hào)有AZ31B、AZ31S、AZ31T、AZ40M、AZ41M、AZ61A、AZ61M、AZ61S、AZ62M、AZ63B、AZ80A、AZ80M、AZ80S、AZ91D、AM60B、AM50A、M1C、M2M、M2S、ZK61M、ZK61S、ME20M、LZ91、LZ61、LZ121、LA141、LA191、LAZ933、LA81、LA91、LAZ931、MA18、MA21、MA14等。 鈦合金 鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高。鈦合金廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等。鈦合金也應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。 鈦是同素異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1668℃，在低于882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪囟玫讲煌M織的鈦合金。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。我國(guó)分別以TA、TC、TB表示。 鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)剛的強(qiáng)度，因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。 鈦無(wú)毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。在美國(guó)，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)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，適于作為植入物植入人體，如人造骨骼，血管支架等。 TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多。如血栓過(guò)濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、血管支架、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。 鈦合金制品可以通過(guò)壓鑄和機(jī)械加工方法得到。鈦合金熔化溫度很高，對(duì)于模具鋼材要求也較高。鈦合金機(jī)械加工的方法很多，主要包括：車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。 鈦合金機(jī)械加工性能同樣不佳。鈦合金切削加工時(shí)切削力只是略高于同等硬度的鋼，但大多數(shù)鈦合金熱導(dǎo)率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16，因此切削產(chǎn)生的熱量不會(huì)迅速散走，聚集在切削區(qū)域，導(dǎo)致刀具刃口迅速磨損，崩塌和生成積屑瘤。 |
