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。越來越多的消費(fèi)類產(chǎn)品采用合金材料來制作。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)沒有特殊意義,僅用來區(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?;钊?、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法弄出來。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、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?。?.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)與合金來說有絕對(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。