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。归纳性的总结先放在前面,见以下性能表。
四种合金物理性能对比
这四种合金,钛合金最硬,强度也最高。硬度方面,钛合金要远硬于其他三种合金。就抗拉强度而言,钛合金强于锌合金,其次是镁合金,强度最低的是铝合金。
但就产品结构设计而言,还需要考虑重量,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,加工性能不好,因此在需要综合考虑重量和强度的结构件中,多采用镁合金。
镁及镁合金
镁的密度小,易于燃烧,这是由于它的物理、化学性质所决定的。20℃时金属镁的密度是1.738g/cm3,液态金属镁的密度为1.58g/cm3;在标准大气压下,金属镁的熔点是(650±1)℃,沸点为1090℃。在空气中加热时,金属镁在632℃~635℃开始燃烧。因此决定了镁的制备及合金冶炼工艺比较复杂。工业用镁的纯度可达到99.9%,但是纯镁不能用作结构材料,在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度,目前使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。
镁合金特性
①质轻:镁的比重只有1.8G/CM3,铝合金的比重为2.7G/CM3,镁合金比铝合金轻30%,比钢轻80%。所以,汽车及手提电子产品中镁合金已成为零件制造成理想材料。
②强度:镁合金在金属及塑料等工程材料中,具有极佳的强度/重量比。屈服强度160MPa ,抗拉强度240MPa。
③压铸性:在保持良好的结构条件下,镁合金允许铸件壁厚最小达到0.6mm,这是塑料在相同强度下无法达到的。铝合金的压铸性能也要在1.2-1.5mm以上时才能与镁合金相比。镁合金较易压铸成型,适合大批量压铸生产(生产速度可达铝的1.5倍)。此外,镁合金模的磨损也较铝为低。主要原因就是铝的粘度高。镁合金压力铸造的优点包括高的生产率;高精度;好的表面质量;精细的铸件晶粒;可压铸薄壁和复杂结构的产品。
④减震性:镁有极好的滞弹吸震性能,可吸收震动和噪音,用作设备机壳可减少噪音传递、预防冲击和防止凹陷损坏。作为LCD或是LED的背板是好的。
⑤刚性:镁的刚性为铝的2倍并比大部分塑胶为高。镁有良好的抗应力阻力。
⑥高电磁干扰屏障:镁合金有良好的阻隔电磁波功能,适合生产电子产品。
⑦良好的切削性能:镁比铝和锌有更好的切削性,使镁成为更易切削加工的金属材料。
⑧镁合金的比热容较小,合金液的冷却速度快。
⑨镁合金和模具钢材的亲和力小,不易粘附模具。
镁合金材料的优点
①重量轻:镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者,它的比重为铝合金的68%,锌合金的27%,钢铁的23%,它除了做3C产品的外壳、内部结构件外,还是汽车、飞机等零件的优秀材料。
②比强度、比刚度高:镁合金的比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当,而远远高于工程塑料,为一般塑料的10倍。
③耐振动性好:在相同载荷下,减振性是铝的100倍,钛合金的300~500倍。
④电磁屏蔽性佳:3C产品的外壳(手机及电脑)要能够提供优越的抗电磁保护作用,而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰。
⑤散热性好:一般金属的热传导性是塑料的数百倍,镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金,远高于钛合金,比热则与水接近,是常用合金中最高者。
⑥质感佳:镁合金的外观及触摸质感极佳,使产品更具豪华感。
镁合金VS铝合金
镁、铝在元素周期表中相邻,镁合金和铝合金性质较为接近,两者相比互有优劣,镁合金的优势在于:
①镁合金比重为铝合金的68%。
②镁合金的比强度是铝合金的1.3倍。
③镁合金的减震性能是铝合金的18倍:镁合金耐冲击,阻尼吸震性能优良,镁合金抵抗震动以及降低噪音的性能是铝合金的10-50倍。
④镁合金的高频段电磁屏蔽效能是铝的2倍左右:随着频率升高,纯镁的屏蔽效能变化整体比较平缓而纯铝的屏蔽性能下降较快,因此镁的电磁屏蔽性能要优于铝,防辐射性能可达到100%。
当然,镁合金也存在一些不足,主要为:
①镁合金较铝合金易燃烧:镁及镁合金的化学性能很强,在空气中易氧化、易燃烧,且生成的氧化膜疏松,而铝及铝合金因为外面有一层氧化铝隔绝了空气,所以不容易燃烧。
②镁合金较铝合金耐腐蚀性差:各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用,因此,工业生产的镁锭必须镀膜钝化,涂油及以蜡纸包覆。
③镁合金的杨氏模量、疲劳程度和冲击值等零件设计方面的材料性能比铝合金低,当代替铝合金制作零件时,厚度需要增加,导致轻量化效果降低;
④镁合金较铝合金的铸造性能差,易产生显微疏松降低铸件的力学性能,其综合成本也比铝合金高,塑性加工件的价格远高于铝合金。
⑤镁合金的热热导率仅为铝合金的38%-75%:镁合金的热导率不如铝合金,铝合金的散热性能更优。
由于镁、铝性质类似,两者在应用领域存在一定的替代关系,特别是汽车零部件以及建筑模板领域对绿色、节能、轻量化的追求越发极致,未来镁替代铝会是大势所趋。
镁合金VS锌合金
①机械性能区别:在机械性能方面,镁合金的密度较小,强度高、刚度好、耐冲击性能强,且具有较好的防腐蚀性,故广泛应用于航空航天、汽车、电子产品等领域。锌合金则密度较大,机械性能相对较差,但具有较好的铸造性能和表面处理性能,常用于模具、压铸件、五金制品等领域。
②耐腐蚀性能区别:由于成分的不同,镁合金和锌合金的耐腐蚀性能也有所差别。镁合金在大气环境下易于氧化和腐蚀,但是有些镁合金经过特殊处理后可以大大提高其耐腐蚀性。锌合金则在湿润环境下容易产生腐蚀现象,但是可通过合适的表面处理方法来提高其耐腐蚀性。
③其他区别:除了上述主要区别外,镁合金和锌合金还有其他一些差异。比如:镁合金燃烧性能强,且易于点燃;锌合金燃烧性能相对较差,即使是高温下也不容易燃烧。此外,由于镁合金的电化学性质较活泼,因此易于发生自腐蚀现象;锌合金虽然不太容易自腐蚀,但在电化学方面的性质相对较差。
综上所述,虽然镁合金和锌合金都是常见的金属合金,但它们的成分、机械性能、耐腐蚀性能等方面存在较明显的差异。因此,在具体应用时,需要根据不同的需求和使用环境进行选择。
镁合金VS钛合金
①密度比较:钛合金和镁合金都是轻金属材料,比一般的钢铁材料轻很多。钛合金的密度约为4.5克/立方厘米,而镁合金的密度则仅为1.7克/立方厘米,因此总体上来说镁合金比钛合金更轻。
②强度比较:钛合金和镁合金在强度方面也有所不同。钛合金具有高强度和优异的机械性能,可以承受高温和高强度的应力。而镁合金则较为柔软,具有较低的强度和硬度,但是也可以在一定条件下发挥出很好的性能。因此,在具体应用中需要根据具体要求来选择不同的材料。
③耐腐蚀性:钛合金和镁合金都具有较好的耐腐蚀性能,但是镁合金的腐蚀性还是相对较强的,尤其是在潮湿的环境中容易腐蚀和变形。而钛合金则具有更为优异的耐腐蚀性能,特别是在海洋环境中,因此常用于制造海工设备等。
总体来说,钛合金和镁合金都是优秀的轻金属材料,在不同领域有着广泛的应用。钛合金的密度相对较大,但是强度更高,且耐腐蚀性能更为优异,适用于制造需要高强度和耐腐蚀性的场合。而镁合金比较轻,但是强度较低,通常适用于制造部分要求轻量化、柔软的零部件和器具。
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