什么是轻金属？

轻金属具有较高的强度重量比和较低的密度，而钢的密度约为 7.8g/cm3。镁、钛和铝是广泛使用的钢替代品，密度低，具有重要的商业意义。

镁及其合金的密度最低；钛具有良好的耐腐蚀性和非凡的强度，而铝则是用途最广泛、适应性最强的材料。这三种金属均来自地壳，经过进一步强化，性能得到改善。更值得注意的是，它们通常具有可塑性，耐腐蚀、重量轻、延展性好。

典型的轻质金属

多种金属都属于轻金属类别。我们将在下面讨论工程应用中常见的轻金属：

镁

镁是一种常见的轻质非铁质结构金属。镁及其合金具有中等强度、低密度、优异的耐腐蚀性和良好的延展性。镁合金没有特定的屈服点，易受划痕和其他应力集中的影响，这可能会严重影响其耐久极限。镁的熔点范围与铝相似，分别为 650°C (1202°F) 和 660°C (1220°F)。

镁基金属具有较高的单位回弹率和较低的弹性模量。现代镁合金和涂层有助于提高镁制品的强度和耐用性。尽管镁制品的单位回弹率很高，但其弹性模量却很低。可加工性， 镁加工会产生高度易燃的粉尘。镁的典型应用包括高性能汽车部件、自行车车架、运动和娱乐设备以及消费品。

镁及镁合金生产

镁可与多种工艺兼容，包括高压压铸、铸造、永久模铸造和半固态铸造。大多数制造商在加工镁时都采用压铸技术。镁压铸可以高速制造具有复杂特征的薄壁部件。产品制造商使用热室和冷室机器来加工镁。加工专家建议提高镁的注射速度，以获得薄壁部件的最佳性能。

与传统压铸技术不同，真空压铸是压铸工艺的典型变体，制造商可利用该工艺生产性能更佳、孔隙率更低的部件。然而，在确定镁铸造的生产技术和合金时，必须考虑几个因素，以便以低成本获得优质部件。模具成本、最终用途应用和后铸造操作是典型的变量。

钛合金

钛 (Ti) 是一种闪亮的过渡金属，呈银色，具有出色的耐腐蚀性、出色的强度重量比，并且与其他金属相比密度相对较低。它是最坚固和耐热金属在这三者中，它以其高生物相容性和耐腐蚀性而脱颖而出，使其与任何化学过程高度兼容。因此，它被广泛应用于船舶设备、航空航天应用、化学加工设备、运动器材、船舶应用、矫形设备和牙科植入物。

当制造商需要高性能、轻量化的部件时，钛及其合金是钢的首选替代品。钛部件对极端热环境具有很高的耐受性。钛在机械性能下降之前可承受高达 550°C 的高温。

钛及钛合金生产

克罗尔法是标准的钛及钛合​​金生产工艺。该工艺包括用氯气处理主要矿石金红石，制成四氯化钛，然后通过与镁或钠的反应将其纯化并还原为金属钛海绵。

制造商对钛海绵进行合金化和熔化工艺，这通常既费力又昂贵。然而，专家们开发了一种替代方法来生产高质量的钛合金粉末。它能够有效地将这种金属加工成商业产品。然而，将纯化的钛海绵转化为适合结构应用的形式需要几个步骤。

钛制造商利用氩气或真空环境将纯化的钛海绵压实成锭。制造商通常将钛海绵、合金元素和回收的废料机械压缩并焊接成扩大的圆柱形电极，当电流通过时，电极会在铜坩埚中熔化。钛锭再次以相同的方式熔化，以确保合金元素的均匀分布。

铝合金

铝是一种坚固的有色金属，本质上很软，具有各种非常有利的特性，使其成为工业应用的合适材料。铝和铝合金具有出色的导电性、导热性和耐腐蚀性。虽然这些材料的提取和加工需要高能耗，但它们是环保且可回收的。此外，铝是一种长期不锈钢替代品。它具有较高的可加工性等级，可以很容易地铸造成不同的结构。

铝合金是一种重量极轻的金属，适用于电气、建筑和运输等行业的不同用途。一些铝合金具有与碳钢类似的高强度。6061 合金是一种常见的铝合金，由于其独特的性能组合而得到广泛应用。铝的典型用途包括医疗植入物和假肢、电线、饮料罐、窗框、汽车零件和航空航天部件。更值得注意的是，铝的钝化氧化层可保护其表面免受腐蚀性物质的侵蚀。此外，您还可以通过表面涂层技术和合金化来增强其固有的耐腐蚀性能。

制造商使用铸造、轧制、挤压、拉拔和锻造技术来生产铝及其合金。此外，由于铝合金的成分不同，某些工艺比其他工艺更合适。

然而，铝的热挤压被广泛接受，因为它能够生产几乎任何类型的横截面形状。该过程涉及将预热的坯料安装在压机容器上，并使用冲压器将其压入成型钢模。虽然挤压工艺适合大多数铝合金，但 6000 铝等级主要来自商业挤压。因此，它提供了挤压的简易性和速度的最佳组合，并具有获得具有所需薄截面和复杂形状的灵活性表面光洁度。

轻金属加工的常见方法

轻金属可与多种加工技术兼容。我们将探讨制造商将轻金属加工成首选最终用途产品的不同方法：

成型

成型是一种标准的金属加工技术，涉及一系列将金属转变为可用形式的过程。它包括弯曲、挤压弯曲、滚压弯曲、折弯和压拔等方法。对于所有类型的金属，成型过程都在较高的温度下进行。弯曲是形成镁板和挤压件的常用工艺。然而，弯曲半径在镁板弯曲操作中至关重要。

粉末加工

粉末加工包括对粉末施加热量、压力或两者，以形成具有内部混合物的硬质组件，从而提供新的、必要的产品特性。粉末的产生方式是将金属熔化，然后将其通过喷嘴，同时暴露在水雾或惰性气体中，将金属分解成微小液滴，然后冷却形成粉末。然后，将金属粉末喷涂、压制或挤压成毛坯，以便进一步成型或模制成不同形状的几乎成品零件。

熔融加工

熔铸是一种多功能的金属加工技术。它涉及用熔融金属填充模具，并在部件硬化时冷却。虽然这是一个过时的工艺，但它具有减轻金属结构重量的巨大潜力。薄​​壁、异种金属和高完整性铸造是三种先进的熔铸加工方法。

• 薄壁铸造：它与不同的金属兼容，包括钢和铝。然而，在使用熔融金属时，可能会出现诸如防止金属过早凝固和保持均匀流动等复杂情况。
• 异种金属铸造：这种技术将两种或多种金属结合在一次铸造中，具有显著的优势。它确保在需要时使用混合材料的各种机械性能。同样，产品可以用一种特定金属制成的零件铸造，而其他零件则由另一种金属制成。
• 高完整性铸造：在这里，您可以轻松制造特定产品以满足独特的标准和要求，而铸件中不存在微观结构和孔隙率。

热机械加工

热机械加工 (TMP) 是一种金属加工技术，可增强金属的材料性能。它能以较低的成本制造出具有复杂设计的轻质部件制造成本.该技术涉及同时控制和使用热处理和变形处理，以开发具有增强性能的组件和材料并提供最佳性能。

TMP 工艺在每个阶段都提供无缝控制。温度和成型时间同时控制，工艺每个步骤的变形量和冷却控制方式也同时控制。因此，由于能够控制每个步骤的加热、成型和冷却，工程师可以通过多种方式利用每种材料的微观结构。

TMP 可确保更好地控制最终产品，因为它无需进一步加热和淬火步骤。因此，它使生产过程更加高效和经济。热机械加工为钛合金、铝合金和其他轻金属提供了改进的性能。它增强了材料对疲劳引起的降解、强度和抗断裂性的抵抗力。

数控加工

铝、钛、镁等轻金属的 CNC 加工是指通过使用计算机数控（CNC）技术来为金属部件提供所需的切割形状。CNC（计算机数控）编程涉及使用计算机代码来指定加工工具的每个动作，以便可以非常精确地重复这些动作。
正如许多学者指出的那样，铝易于加工且具有良好的耐腐蚀性，尤其是阳极氧化后的铝部件可以经受 24-48 小时的盐雾测试。钛因其耐热性和强度而在尖端领域受到青睐，但由于材料的硬度和需要有效管理工具，用钛进行加工可能是一个挑战。镁是最轻的结构金属，因此享有 CNC 加工的好处，但必须考虑易燃性。CNC 加工接收和切割过程可确保最大限度地利用材料，最大限度地减少损失，并制造用于航天，汽车， 和医疗的行业。

选择最佳轻金属的有益考虑因素

这三种金属是减轻产品重量的绝佳方法。您可能需要考虑几个因素，才能有效地选择满足您应用需求的合适材料。以下是其中一些因素：

检查材料属性

了解钛、铝和镁等轻金属的机械性能至关重要，因为每种金属的耐腐蚀性、抗疲劳性、硬度和抗拉强度各不相同。根据预期应用的需求评估每种材料的机械性能。

钛具有最高的屈服强度和良好的疲劳性能，使其成为需要高强度和耐用性部件的应用的理想选择。钛和铝具有高耐腐蚀性，适用于部件暴露于恶劣环境和物质的应用。

成本/预算

成本/预算是影响材料选择的重要因素。因此，必须考虑哪种轻质、坚固的金属适合您的预算范围。考虑采购原材料、加工、制造和精加工每种材料的成本。然后，确定最符合预算的材料。虽然钛主要价格昂贵，但镁是理想的替代品，而铝是最便宜的。

可持续性或环境影响

您可能需要检查每种金属在其整个生命周期（从提取阶段到准备使用阶段）对环境的影响。此外，选择符合行业标准和环境法规的金属。然而，铝和镁等轻金属具有很高的可回收性，支持可持续的做法。

制造和加工

在确定适合您项目的金属时，可加工性、可成形性和兼容的连接技术是关键考虑因素。确保可以使用适合您项目的工艺（例如胶粘、焊接或铆接）有效地连接目标金属。虽然铝及其合金具有较高的可成形性，但镁和铝具有良好的可加工性。

结论

钛、铝和镁等轻金属是制造轻型结构的常见材料科学和工程用途。然而，选择合适的材料需要在耐腐蚀性、强度、成本、重量和可加工性之间取得微妙的平衡。每当您需要专家的帮助来为您的项目选择轻金属时，AT Machining 都是您完美的合作伙伴。