鋁合金、鋅合金、鎂合金、鈦合金對比
發(fā)布時間：2023-09-23 人氣：160
隨著人們生活品質(zhì)的提高，對產(chǎn)品審美和品質(zhì)的要求也在不斷提升。越來越多的消費類產(chǎn)品采用合金材料來制作。金屬材料給人高端、堅固、耐用的品質(zhì)感，而傳統(tǒng)的塑料外殼產(chǎn)品在消費者心中逐漸被貼上“廉價”和“低品質(zhì)”的標簽。
對于消費類產(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，做個對比。
因此，歸納性的總結(jié)放在前面，見以下性能對比表。
這四種合金，鈦合金最硬，強度也最好。硬度方面，鈦合金要遠硬與其他三種合金。就抗拉強度而言，鈦合金強與鋅合金，其次是鎂合金。
強度和硬度對比
但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，還需要考慮重量，如果將比重考慮進度，鋅合金由于密度最大，比強度反而最小了。鈦合金和鎂合金比強度高，但鈦合金價格昂貴，加工性不好，因此在要綜合考慮重量和強度的結(jié)構(gòu)件種，多采用鎂合金。
鋁合金
材料成分直接找度娘，這里不費篇幅羅列。鋁合金的密度為2.63～2.85g/cm，有較高的強度(σb為110～270MPa)，比強度接近高合金鋼，比剛度超過鋼，有良好的鑄造性能和塑性加工性能，良好的導電、導熱性能，良好的耐蝕性和可焊性。
壓鑄鋁合金的流動性比較好，熔點為熔點660℃。
鋁合金在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的工藝應(yīng)用形式也最豐富，常用加工工藝有：壓鑄、擠出成型、機加工、沖壓、鍛造。建筑門窗大量應(yīng)用鋁合金型材，機械設(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，機加工，沖壓等。
快消品的外殼比較少用壓鑄鋁，因為壓鑄鋁合金含有較高成分的Si，所以在做Anodizing（陽極氧化）時，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)件和對外觀要求不高的零件，摩托車的發(fā)動機外殼需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求重量輕同時也需要足夠的強度，大都旋轉(zhuǎn)鋁合金壓鑄作為胚料。
鋁鑄發(fā)動機外殼
鋁的牌號：
1×××系列為：純鋁（鋁含量不小于99.00%），該系列牌號的最后兩位數(shù)表示為：最低鋁含量的百分點。牌號的第二位的字母表示原始純鋁的改型情況。
2×××～8×××系列牌號的最后兩位數(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，切削性好強度也高。2018 2218鍛造用合金，鍛造性良好且高溫強度較高。
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⑵最^。
5×××系列為：以鎂為主要合金元素的鋁合金。5052為中程度強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相為強化相的鋁合金。6063代表性的擠出用合金，強度比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
抗拉強度大于480MPa的鋁合金稱為高強度鋁合金，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。前者的靜強度略低于后者，但使用溫度卻比后者高。由于合金的化學成分、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
鋅合金熔點低，流動性好，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)量遠大于變形合金，對于快消品的結(jié)構(gòu)件，很少用到變形合金。因此下文就僅針對壓鑄鋅合金了。
鋅合金密度為6.3~6.7g/cm，抗拉強度σb為280~440MPa，熔點低，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械性能。但在高溫下抗拉強度和低溫下沖擊性能都顯著下降。鋅合金抗蝕性差，當合金成分中雜質(zhì)元素鉛、鎘、錫超過標準時，導致鑄件老化而發(fā)生變形。鋅合金壓鑄件存在時效作用，有老化現(xiàn)象，即長時間后強度自然降低，變的易脆。這就是為什么很多人吐槽，更換鋅合金水龍頭時往往會發(fā)生脆斷，導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盡量選擇銅質(zhì)的水龍頭，不要選鋅合金的。
目前國際上用作鑄件的標準系列有兩大類，—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。(為簡便起見、統(tǒng)稱上述合金為2號、3號、5號及7號合金)。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號鋅合金。
ZAMAK 2:用于對機械性能有特殊要求、對硬度要求高、耐磨性好、尺寸精度要求一般的機械零件。
ZAMAK 3:良好的流動性和機械性能。應(yīng)用于對機械強度要求不高的鑄件，如玩具、燈具、裝飾品、部分電器件。
ZAMAK 5:良好的流動性和好的機械性能。應(yīng)用于對機械強度有一定要求的鑄件，如汽車配件、機電配件、機械零件、電器元件。
ZA8:具有良好的沖擊強度和尺寸穩(wěn)定性，但流動性較差。應(yīng)用于壓鑄尺寸小、精度和機械強度要求很高的工件，如電器件。
Superloy:流動性最佳，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。
鎂合金的熔點是650℃，熔點比鋁合金熔點低，壓鑄成型性能好。鎂合金鑄件抗拉強度與鋁合金鑄件相當，一般可達250MPa，最高可達600多MPa。
鎂合金密度?。?.8g/cm3左右），強度高。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，其比強度高達133，這使得鎂合金可用作高強度材料。高強度鎂合金的比強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，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，可進行高精度機械加工。
鎂合金的散熱相對與合金來說有絕對的優(yōu)勢，對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，頂部更容易達到高溫。
但鎂合金線膨脹系數(shù)很大，達到25～26μm/m℃，而鋁合金則為23μm/m℃，黃銅約20μm/m℃，結(jié)構(gòu)鋼12μm/m℃，鑄鐵約10μm/m℃，巖石（花崗巖、大理石等）僅為5～9μm/m℃，玻璃5～11μm/m℃。應(yīng)用在熱源處時一定要考慮溫度對結(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)碼單反相機都采取鎂合金做骨架，使其堅固耐用，手感好；手機電話，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（元素代號如下表規(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識代號，用以標識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，強度高、耐蝕性好、耐熱性高。鈦合金廣泛應(yīng)用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等。鈦合金也應(yīng)用在火箭、導彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。
鈦是同素異構(gòu)體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結(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，添加適當?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%，一些高強度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)剛的強度，因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。
鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(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，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學領(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)學實例相當多。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、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。
鈦合金制品可以通過壓鑄和機械加工方法得到。鈦合金熔化溫度很高，對于模具鋼材要求也較高。鈦合金機械加工的方法很多，主要包括：車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。
鈦合金機械加工性能同樣不佳。鈦合金切削加工時切削力只是略高于同等硬度的鋼，但大多數(shù)鈦合金熱導率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16，因此切削產(chǎn)生的熱量不會迅速散走，聚集在切削區(qū)域，導致刀具刃口迅速磨損，崩塌和生成積屑瘤。
