轻金属的性能和生产

目录

介绍
轻量化金属的性能
铝及铝合金的性能
镁及镁合金的性能
钛及钛合金的性能
铍及其合金的性能
轻金属生产
铝及铝合金的生产
镁及镁合金的生产
钛及钛合金的生产
铍及铍合金的生产
轻金属加工
融化处理
粉加工
热机械加工
形成
连接和组装
制造商
最近的进展

介绍

轻量化材料在运输制造领域亚博网站下载变得越来越重要，包括飞机、汽车、重型卡车、铁路、船舶和国防制造业。

轻金属和合金具有高强度重量比和低密度，通常定义为低毒性相对于重金属，除了铍。轻金属由铝、铍、钛和镁合金组成。

轻金属通常用于需要轻质和改善性能的材料和操作。亚博网站下载常见的应用包括化学工艺、船舶、航空航天和医疗应用。

为消费者以及工业和军事部门设计的轻型车辆消耗更少的燃料，提供更好的性能。除了运载更大的货物，更轻的车辆可以以更低的成本行驶同样的距离，释放更少的二氧化碳。

轻量化金属的性能

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铝及铝合金的性能

铝和铝合金是轻量的有色金属，具有优异的强度、延展性和耐腐蚀性。铝是良好的导热体和导电体，也是钛/钢合金中的合金元素。铝合金也资源丰富。

铝比钛轻，但强度不如钛。铝合金具有优良的刚度和柔韧性，随着温度的降低而增加。

在零度以下，大多数铝合金的冲击强度和抗拉强度等性能略有变化。产量可能增加，伸长率可能略有下降。铝合金没有韧脆转变。

镁及镁合金的性能

与铝及铝合金类似，镁及镁合金是一种非铁金属，具有强度适中、延展性好、密度低、耐腐蚀性好等特点。材料具有亚博网站下载拉伸和其他性能，这些性能依赖于几个因素，如条件、成分、热处理、制造细节等。

镁没有明确的屈服点，镁合金容易受到缺口和其他应力升高的影响，这大大降低了其耐久极限。镁基材料弹性模量低，单位回弹率高。亚博网站下载

与熔融铝不同，熔融镁不会与工具钢发生反应，从而延长模具寿命。此外，其减少的热输入和低腐蚀降低了热疲劳的趋势。

钛及钛合金的性能

钛和钛合金具有高的强度重量比、良好的疲劳性能和优异的耐腐蚀性能。钛也被认为是一种难熔金属，这意味着它具有很高的耐热性和耐磨性。它在氯或海水中不腐蚀，是一种耐王水的金属。

商业纯钛和钛合金是非磁性的。对于金属而言，所有钛合金的导热系数都很低。温度对钛的物理性质有很大影响。合金牌号（主要是高强度材料）与商用纯牌号相比，可在相对较高的温度下保持拉伸强度和耐张强度。亚博网站下载

与拉伸强度相比，钛合金具有优异的高周疲劳强度。韧性基于织构、微观结构、强度和成分，它们相互关联。

铍及其合金的性能

铍是一种有用的合金元素。具有低密度、高刚性、高强度、结构稳定、反射率等特点。铍因其特殊的硬度而区别于其他金属。

与镁、铝、钛等普通结构轻金属合金相比，这种金属的密度是第二低的。铍具有较高的导热性和比热，因此与其他金属相比具有优异的比热耗散。这种金属具有异常高的杨氏模量。

铍的密度比铝低30%，而其硬度比钢高50%。这种金属的比刚度大约是复合材料的四倍，是其他合金或金属的六倍。它在正常环境条件和高温下耐腐蚀。

轻金属生产

铝及铝合金的生产

铝合金可以通过轧制、铸造、锻造、挤压和拉伸来发展;然而，不同的成分比其他成分更容易适应某些过程。铝金属的热挤压是非常重要的，因为它允许生产几乎任何类型的形状的横截面。

在这一过程中，将预热过的钢坯安装在压料容器上，并通过带有冲压件的塑钢模具进行压料。虽然大多数铝合金可以挤压，但6000系列合金形成了大量的商业挤压，提供了最佳的速度和易于挤压的组合，并能够形成薄型材和复杂形状，具有良好的表面光面。

虽然挤压过程是多功能的，但它只能提供2D形状。相比之下，铸造允许生产复杂的3D产品。在过去几年左右的时间里，挤压工艺的开发工作已经提高了铸件用于显著受力应用的能力。

砂，压铸，和永久模具的方法正在被使用。工艺的选择取决于所需铸件的数量、性能、质量和性能考虑，以及最终用途。以前，压铸件不用于热处理，但这一限制已被先进的方法克服。

镁及镁合金的生产

镁可以通过多种技术进行铸造，如砂型铸造、永久型铸造、高压压铸、挤压和半固态铸造。压铸是镁合金最普遍的铸造技术。

在这个过程中，薄壁，复杂的组件是在高产量的支持下，每体积熔融金属的低热含量。冷室机和热室机用于镁。

为确保最佳性能，镁合金可采用更高的喷丸速度，尤其是薄壁部件。真空压铸是压铸工艺的变体之一，与传统压铸工艺相比，真空压铸工艺可以制造出性能更好、孔隙率更低的零件。

半固态铸造法也可以用来制造镁，但用镁合金颗粒代替液态镁。半固态成型通常用于较小的组件。

在评估镁铸件的不同工艺和合金时，应考虑几个因素，以确保以较低的成本获得高质量的部件。这些因素包括模具成本、铸造后操作和最终用途。

镁铸件的模具寿命是铝铸件的三到四倍。众所周知，镁是最容易加工的结构金属，与其他金属的可加工性相比，它是刀具行业的标准。

钛及钛合金的生产

克罗尔法是钛金属的主要生产工艺。在这个过程中，用氯气处理矿石金红石，生成四氯化钛，然后与钠或镁反应，净化并还原为金属海绵钛。

这种海绵钛最终要经过合金化和熔化过程。然而，这个过程是费力的，使它非常昂贵。后来发明了一种方法来生产高质量的钛合金粉末，这种粉末可以有效地将这种金属加工成商业产品。

将纯化海绵钛转化为适合结构用途的形式涉及几个步骤。钛锭的固结是在氩或真空环境中进行的。

合金元素，海绵，或有时回收的废料被机械压实并焊接成一个延伸的圆柱形电极，然后通过电流在铜坩埚中熔化。再以类似的方式熔化这个铸锭，以确保合金元素的均匀分布。

另一个固结过程是冷炉熔化，这是在真空或氩气室中进行的铜坩埚。加热是用氦/氩等离子体炬或多束电子束实现的，熔化的金属通过炉嘴，最后进入水冷铜模具。

冷炉工艺适用于隔离聚集在炉底的高密度污染物。然后，钢锭被加工成轧钢产品，如板材、管材、棒材、线材、钢坯等。

铍及铍合金的生产

高纯氢氧化铍是铍元素重要应用的输入材料，如铍陶瓷、铜铍合金和纯铍金属制造。为了制造高纯度的铍金属，首先将氢氧根溶解在氟化铵中，然后加热到900°C以上，产生熔融的氟化铍。

在将氟化铍铸造到模具中之后，它在坩埚中与熔融的镁结合，然后加热。这个过程将纯铍从镁渣中分离出来，形成铍球。剩余的镁在真空炉中进一步处理后燃烧掉，留下99.99%的纯铍。

铍球通常通过等静压变为粉末，生产出可用于生产纯铍金属屏蔽或铍铝合金的粉末。

轻金属加工

轻金属加工方式多种多样，如熔化加工、粉末加工、热机械加工、成形、涂层、连接和组装。

融化处理

金属铸造，即将熔化的金属倒入模具中，然后冷却使其凝固，是一种古老的工艺，即使在今天，也为减轻金属结构的重量提供了巨大的潜力。有三种先进的熔体加工技术:薄壁铸造、高完整性铸造和异种金属铸造。

薄壁铸造是一种可以铸造多种金属的工艺，如铝和钢。然而，当使用熔融金属时，会出现一些并发症;例如保持适当的流动，防止金属在充模前凝固。

在高完整性铸造中，某些产品应该满足独特的标准，没有微观组织和气孔存在于整个铸件。

在异种金属铸件中，在一个铸件中使用两种或两种以上的金属，这提供了相当大的好处。在这里，可以铸造产品，使其部分由一种金属形成，其他部分由不同的金属形成，在最需要的地方利用材料的各种特性。亚博网站下载

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粉加工

在这个过程中，加热、压力或两者都作用于粉末，以产生内部混合的坚硬产品，赋予产品新的、有价值的特性。这种粉末是通过熔化金属并在水喷雾或惰性气体的作用下强行通过喷嘴产生的。这将金属打碎成小液滴，最终冷却形成粉末。

接下来，轧制、挤压、喷涂或压制金属粉末，以生产毛坯进行额外成型，或直接成型为几乎成品的部件。

热机械加工

热机械加工（TMP）改善了金属的性能，实现了轻量化设计，并降低了制造成本。TMP涉及同时控制和使用热处理和变形处理，以获得具有改进性能和提供更好性能的部件和材料。亚博网站下载

TMP在每个过程阶段提供控制。除了控制冷却外，成型时间和温度以及工艺每一步的变形量都是同时受控的。这一过程的控制加热，成型和冷却的每一个步骤的过程，使工程师能够以许多创新的方式开发材料的微观结构。

TMP提供了对最终产品更好的控制，潜在地消除了额外的再加热和淬火步骤的需要，并使生产过程更低的成本和更高效。TMP可以为铝合金、钛合金和其他金属创造新的、改进的性能。该工艺提高了材料的强度、抗断裂性和抗疲劳退亚博网站下载化性。

形成

成形涉及多种方法，用于将金属转化为可用形式。成形过程包括弯曲、挤压弯曲、制动弯曲、辊弯、冲压拉伸等。

镁合金板材和挤压件通常采用弯曲成形，弯曲半径是弯曲过程中的一个主要因素。

橡胶垫块成形是最传统的成形工艺，在金属成形时用橡胶垫块代替金属模具;液压成形和挤压成形是这种工艺的一种变体。

冲击挤压，也称为反挤压/反挤压，传统上用于镁合金，可用于获得完全对称的管状零件；它可以用来制造其他技术无法制造的组件。

旋压涉及使用旋压工具在车床上生产符合心轴或成型块形状的部件；对于只需要少量零件的产品，该工艺是最经济的成型方法。与纺纱工艺类似，在不改变坯料断面厚度的情况下，与成形块的形状形成流动成形。

所有类型的金属在高温下进行锻造；在此过程中，用锤子从不同方向敲击金属，直到获得所需形状，从而锻造金属

连接和组装

轻量化材料(主要是金属)的连接方法在工程应用混合结构的发亚博网站下载展中越来越重要。需要合适的连接技术来一致地连接这些材料。亚博网站下载

一些连接方法包括粘合、机械紧固和焊接。这些工艺可以单独使用，也可以在单一方法中组合使用，以确保耐用的接合面。连接方法各有优缺点，最佳技术取决于应用。

粘接是一种固态连接方法，它依赖于工件与聚合物粘合剂之间形成的分子间作用力来形成接头。机械紧固使用额外的夹紧部件，而不结合接缝表面。

传统的焊接工艺，如气体保护金属极电弧焊、钨极气体保护焊、埋弧焊和保护金属极电弧焊，已被用于在金属-金属接头中焊接异种材料。然而，这些过程的高能量输入导致材料冶金不匹配。亚博网站下载

新出现的方法，如超声波焊接、激光焊接、搅拌摩擦焊接和摩擦点焊，被认为是更可行的。超声波焊接是一种低能量输入的固态焊接方法。

在该方法中，通过施加局部高频振动能量和适度的夹紧力来启动聚并。激光焊接补充了用其他焊接技术难以获得的接头的加工和制造。

摩擦点焊类似于线性搅拌摩擦焊，但在摩擦点焊期间，刀具没有线性移动。该过程包括三个阶段，如下落、搅拌和缩回。涂层是用于加工轻质金属的另一种方法。

最近的进展

最近，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种新的轻质金属，其中含有镁，并注入了厚厚的碳化硅纳米颗粒。这种金属具有在移动电子、汽车、飞机等领域使用的潜力。他们还开发了一种新的、可扩展的制造技术，可以为超强但高性能的轻质金属铺平道路。yabo214

韩国科学家已经开发出一种新型的合金钢，它具有超强的韧性和低成本。它与钛的强度重量比相同。在另一项研究中，研究人员开发了一种轻质镁基复合材料，这种材料足够轻，可以漂浮在水面上，但与目前使用的其他复合材料一样坚固。亚博网站下载它能承受400°C以上的温度。

一项研究表明，与传统的贱金属和合金相比，新型轻质复合金属泡沫（CMF）在隔热方面更有效。这种品质使这些CMF成为空间探索、储存和运输核材料、爆炸物等的潜在候选材料。