消费类产品常用合金材料大揭秘

随着生活品质提升，消费者对产品审美与品质要求提高，合金材料在消费类产品中应用愈发广泛。金属材料给人高端、坚固、耐用之感，相比之下，传统塑料外壳产品逐渐被视为 “廉价”“低品质”。消费类产品常用合金材料有铝合金、锌合金和镁合金，钛合金因生物相融性好多用于医疗领域。以下详细介绍这几种合金材料特性并对比。

合金材料性能对比

物理性能

在这四种合金中，钛合金硬度最高、强度最佳。硬度方面远超其他三种合金；抗拉强度上，钛合金强于锌合金，其次是镁合金，铝合金强度最低。

强度和硬度与重量关系

产品结构设计需考虑重量因素，锌合金因密度最大，比强度最小。钛合金和镁合金比强度高，但钛合金价格贵且加工性差，综合考虑重量和强度，镁合金在结构件中更为常用。

各类合金材料详解

铝合金

1. 材料特性
   • 密度在2.63 - 2.85g/cm³，强度较高（σb为110 - 270MPa），比强度接近高合金钢，比刚度超过钢。
   • 具备良好的铸造、塑性加工、导电导热、耐蚀及可焊性。压铸铝合金流动性好，熔点660℃。
2. 工艺应用
   • 工艺应用形式多样，常用加工工艺包括压铸、挤出成型、机加工、冲压、锻造。
   • 建筑门窗、机械设备框架常使用铝合金型材；电子产品和生活快消品外壳也常用，外观要求高，常见工艺有挤出、机加工、冲压等。快消品外壳少用压铸铝，因其含Si成分在阳极氧化时与药液反应，影响表面效果。
   • 铝铸件用于内部结构件和外观要求不高的零件，如摩托车发动机外壳，多选用铝合金压铸作胚料。
3. 铝的牌号
   • 1×××系列：为纯铝（铝含量≥99.00%），牌号后两位表示最低铝含量百分点，第二位字母表示原始纯铝改型情况。
   • 2××× - 8×××系列：牌号后两位无特殊意义，仅区分同一组不同铝合金，第二位字母表示原始纯铝改型情况。
     • 2×××系列：以铜为主要合金元素，如2011快削合金切削性好、强度高；2018、2218锻造用合金锻造性好、高温强度高。
     • 3×××系列：以锰为主要合金元素，3105常用于建材、彩色铝板、瓶盖。
     • 4×××系列：以硅为主要合金元素，4032耐热、耐磨，热膨胀系数小，用于活塞、汽缸头。
     • 5×××系列：以镁为主要合金元素，5052是中程度强度代表性合金，用于一般钣金、船舶、车辆等。
     • 6×××系列：以镁为主要合金元素且以Mg₂Si相为强化相，6063是代表性挤出用合金，强度低于6061，挤出性好，可制复杂断面型材，常用于建筑等领域。
     • 7×××系列：以锌为主要合金元素，7075是高强度合金之一，但耐蚀性不佳，与7072搭配可改善，常用于航空器、滑雪杖。
     • 8×××系列：以其他元素为主要合金元素。
     • 9×××系列：为备用合金组。
   • 抗拉强度＞480MPa的铝合金为高强度铝合金，主要是Al - Cu - Mg和Al - Zn - Mg - Cu基合金，即2XXX（硬铝合金类）和7XXX（超硬铝合金类）系合金，前者静强度略低但使用温度更高，因多种因素合金性能差异大。

锌合金

1. 材料特性与分类
   • 熔点低，流动性好，易熔焊。按制造工艺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好，用于压铸仪表、汽车零件外壳等；变形锌合金有良好可塑性和延展性，用于电池外壳等。铸造合金产量远超变形合金，快消品结构件很少用变形合金，以下主要讲压铸锌合金。
   • 密度6.3 - 6.7g/cm³，抗拉强度σb为280 - 440MPa，熔点385℃，易压铸成型。
2. 性能特点
   • 比重大，是四种合金中比重最大的，流动性最好，铸造性能优良，可压铸复杂薄壁精密件，铸件表面光滑，如压铸件最薄壁厚可达0.4mm。
   • 常温下强度较好，但不宜在高温和低温（0℃以下）环境使用，高温下抗拉强度和低温下冲击性能显著下降。
   • 抗蚀性差，杂质元素铅、镉、锡超标会致铸件老化变形，且压铸件有时效作用，长时间后强度自然降低、易脆，如锌合金水龙头易脆断，建议装修选铜质水龙头。
3. 国际标准系列
   • 国际上用作铸件的标准系列有ZAMAK合金和ZA系列合金。
   • ZAMAK合金：有ZAMAK 2、ZAMAK 3、ZAMAK5及ZAMAK 7，发展早于ZA系列合金，主要用于压力铸造，应用最广的是3号锌合金。
     • ZAMAK 2：适用于对机械性能、硬度、耐磨性要求高，尺寸精度要求一般的机械零件。
     • ZAMAK 3：流动性和机械性能良好，应用于对机械强度要求不高的铸件，如玩具、灯具等。
     • ZAMAK 5：流动性和机械性能好，应用于对机械强度有一定要求的铸件，如汽车配件等。
   • ZA系列合金：有ZA - 8、ZA - 12、ZA - 27及ZA - 35。
     • ZA - 8：具有良好的冲击强度和尺寸稳定性，但流动性较差，应用于压铸小尺寸、高精度和高机械强度工件，如电器件。
     • Superloy：流动性最佳，应用于压铸薄壁、大尺寸、高精度、形状复杂工件，如电器元件及其盒体。

镁合金

1. 合金组成与应用领域
   • 以镁为基础加入其他元素组成合金，主要合金元素有铝、锌、锰等。目前最广泛使用的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌合金。
   • 因优良的铸造、挤压等加工性能，广泛应用于汽车、电子、纺织、建筑和军事领域。
2. 材料性能
   • 熔点650℃，比铝合金熔点低，压铸成型性能好。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。
   • 密度小（1.8g/cm³左右），强度高，是最轻的金属结构材料，比重仅为铝的2/3和铁的1/4，比强度高达133，高强度镁合金比强度可与钛媲美。
   • 弹性模量大，消震性好，在弹性范围内受冲击载荷时，吸收能量比铝合金件大一半，抗震减噪性能良好。
   • 压铸成型性能良好，压铸件壁厚最小可达0.5mm，适合制造汽车各类压铸件，压铸件稳定性高，铸造加工尺寸精度高，可高精度机械加工。
   • 散热优势明显，但线膨胀系数较大，为25 - 26 μm/m℃，应用在热源处需考虑温度对结构尺寸的影响。
3. 应用举例与牌号
   • 一般中高端及专业数码单反相机用镁合金做骨架，手机电话、笔记本电脑壳体，电脑和投影仪等的外壳和散热部件，汽车中要求重量轻而强度大的结构件等常用镁合金。
   • 镁合金按成型方法分为变形镁合金和铸造镁合金两类。牌号以英文字母 + 数字 + 英文字母形式表示，前面字母是主要合金组成元素代号，数字表示主要合金组成元素上下极限值平均值，最后的字母为标识代号，用以区分不同合金。常用牌号众多，如AZ31B、AZ31S等。

钛合金

1. 合金特性与应用
   • 是钛与其他金属制成的合金金属，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高特点。广泛应用于飞机发动机部件、火箭等结构件。
   • 无毒、质轻、强度高且生物相容性优良，是理想医用金属材料，如美国有5种β钛合金用于医学领域，TiNi合金利用形状记忆效应和超弹性在医学上有诸多应用。
2. 合金结构与加工
   • 钛是同素异构体，熔点1668℃，低于882℃时为密排六方晶格结构（α钛），882℃以上为体心立方晶格结构（β钛）。通过添加合金元素可得不同组织的钛合金。
   • 室温下有α合金、(α + β)合金和β合金三种基体组织，我国分别以TA、TC、TB表示。
   • 密度一般在4.51g/cm³左右，仅为钢的60%，一些高强度钛合金强度超过许多合金结构钢，比强度远大于其他金属结构材料。
   • 制品可通过压铸和机械加工获得，熔化温度高，对模具钢材要求高。机械加工方法多样，但加工性能不佳，切削加工时切削力略高于同等硬度钢，且热导率低，易导致刀具磨损。