铝合金、锌合金、镁合金、钛合金对比



随着人们生活品质的提高,对产品审美和品质的要求也在不断提升。越来越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者心中逐渐被贴上“廉价”和“低品质”的标签。

对于消费类产品而言,常用的合金材料由铝合金、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。方工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。

物理性能对比表

这四种合金,钛合金最硬,强度也最好。硬度方面,钛合金要远硬与其他三种合金。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。

强度和硬度对比

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


铝合金

材料成分直接找度娘,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,熔点为熔点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,这类产品外观要求较高,比较常见的工艺是挤出,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,要求重量轻同时也需要足够的强度,大都旋转铝合金压铸作为胚料。

铝铸发动机外壳

铝的牌号:

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,热膨胀系数小。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。

8×××系列为:以其他元素为主要合金元素的铝合金

9×××系列为:备用合金组

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。

常用铝合金性能表
锌合金

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耐腐蚀性较好,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。我设计的产品中,锌合金压铸件最薄壁厚仅0.4mm。

常温下,锌合金的强度好。需要注意的是,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。这就是为什么很多人吐槽,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,方工还是建议大家装修时尽量选择铜质的水龙头,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、ZAMAK5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主 要用于热室压铸,ZA-12及ZA-27因有特殊熔化要求,只能用于冷室压铸。ZA-35一般用于重力铸件。而ZAMAK合金发展要先于ZA系列合金、主要用于压力铸造。应用最广泛的是3号锌合金。

ZAMAK 2: 用于对机械性能有特殊要求、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: 具有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

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甚至可以和钛相媲美。

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,所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。

镁合金具有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,对于相同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。

但镁合金线膨胀系数很大,达到25~26 μm/m℃,而铝合金则为23 μm/m℃,黄铜约20 μm/m℃,结构钢12 μm/m℃,铸铁约10μm/m℃,岩石(花岗岩、大理石等)仅为5~9 μm/m℃,玻璃5~11 μm/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。

镁合金压铸方向盘骨架

按成型方法分为变形镁合金铸造镁合金两类。

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。

镁合金常用牌号有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。

钛合金

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。钛合金广泛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。

部分钛和钛合金的力学性能
钛合金产品

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。

钛合金制品可以通过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,主要包括: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。



end


(文章内容源于网络,版权归原作者所有,有不妥请联系处理)

微信扫码分享