了解软金属：铝、镁、黄铜、铜的材质特性

2022-08-29 14:38:11 技术专栏

　　软金属：铝、镁、黄铜、铜

　　元素铝柔软且具有高度延展性，因此不适合机械应用。因此，热处理通常通过添加硅、铜、镁和锌等元素来进行，以获得轻而坚固的合金。今天，它被用于机身、汽车和各种消费品。

　　Protolabs 的切割服务使用三种类型的铝制造零件：A5052-H112、A6061-T651 和 A7075-T651。H 和 T 数字表示材料的质量。在T651的情况下，经过热处理以去除残余应力后，将其机械拉1至3%以提高切削过程中的稳定性。铝A6061是镁和硅的混合物，锻造品的屈服强度(屈服强度)为275MPa以上。它具有优良的耐腐蚀性，如果设备合适，可以焊接。这使其成为低疲劳应用的理想选择，例如机械结构部件、液压阀体、船舶和汽车部件，以及大多数需要坚固和轻质材料的应用。

　　车床加工用铝件铝 A7075 比 A6061 更硬更坚固，屈服强度几乎翻倍。A7075的主要合金元素是锌、镁和铜。美军很多枪械都使用A7075，顶油拉塞使用A7075制成的锻造铝连杆，波音飞机翼梁使用A7075。它是一种坚韧的材料。事实上，A6061 仅优于需要耐腐蚀性和比 A7075 制成的零件更具弹性的零件。这两种材料都很容易切割。

　　另一种常用的轻质材料是镁。它是地壳成分中第四丰富的元素。它的重量是 A6061 的三分之二，强度也差不多。所有结构金属中更轻的。当足够的强度和重量很重要时，例如相机和手机机身、电动工具框架和笔记本电脑机箱，建议使用镁。汽车制造商正在其变速箱任务箱、座椅框架和进气歧管中充分利用镁，以努力提高燃油经济性。

　　二次加工前通过触变成型的镁合金注塑件镁合金更基本的添加剂是铝和锌。具有优良的吸振性和机械加工性，易于成型和压铸。例如，在 Protolabs 美国工厂，零件使用镁合金 AZ31-B 进行加工。

　　镁容易腐蚀，并具有在高温下失去强度的弱点。尽管如此，大众汽车在甲壳虫风冷发动机的曲轴箱中使用镁已有 50 多年的历史。在价格方面，它比铝贵，但镁组件相对容易制造，因此差异在很大程度上被抵消了。

　　用于航空航天领域的铜机加工件软金属以黄铜和铜结束。它看起来非常相似。与铜相比，黄铜的应用范围更广。除了氨和一些酸含量高的环境外，黄铜具有极强的耐候性和耐腐蚀性。如果您曾经更换过汽车散热器、安装过厨房水龙头或吹过法国号，那么您就是在处理黄铜零件。Protolabs 美国工厂支持的黄铜 C260 是一种 70% 铜和 30% 锌的合金，被认为是使用更多的铜合金。黄铜有几十个等级，但都有细微的差别，用途也明显不同。将铜的比例降低几个百分点将使黄铜适用于铆钉和螺钉。如果再减少一点，再加一点铁，就会是64黄铜(Muntzmetal)，适用于门窗的装饰框架，船底的衬里。

　　对于加工操作员来说，黄铜是一种易于处理的材料。冷却液的使用是可选的，但刀具寿命非常长，切削速度相当快。它的抗拉强度可与低碳钢相媲美。具有讽刺意味的是，铜完全不同。虽然铜是黄铜的主要成分，但纯铜的机加工性大约要低五倍，而且由于铜的韧性和粘性，即使是更有耐心的机加工操作员也避免使用铜。切割铜片几乎是不可能的，而且铜的高导热性使其在切割过程中迅速升温。铜的导电性仅次于银。这一特性使其成为当今使用的更重要的金属之一。基本上，电力是通过铜(和铝)布线获得的。

　　元素铜存在于自然界中，所以一千年前，人类首先用铜制造硬币和餐具。今天，铜存在于 570 多种金属合金中。黄铜就是这样一种金属合金。还有更多如碲铜、镍铜、青铜、青铜、铝合金、合金钢等。铜也可用于 EDM 电极。EDM是一种常用于金属注塑成型和冲压的技术。在现代社会，铜只是金属。

　　车削黄铜零件

　　硬金属：钢、不锈钢、铬镍铁合金、铬、钛

　　现代社会也需要硬金属。从汽车、游轮、电缆、活动扳手等一切都使用钢。无论合金类型如何，铁都是钢的主要原料。炼铁和限量生产钢已经进行了数千年。然而，直到 19 世纪中叶贝塞麦工艺的发明，高质量钢的大规模生产才成为可能。工业革命就这样开始了。

　　与软金属一样，少量的合金元素会对钢的性能产生惊人的影响。含碳和锰不到1%，再加上一点冶金，脆铁变成坚韧的低碳钢CR1018(相当于S17C)。飞机用合金钢 4140(相当于 SCM440)是一种含有同样少量铬和钼的合金。

　　喷砂前后的不锈钢齿轮像下面这样的碳钢可以在一定程度上硬化，可以很容易地焊接，但问题只有一个。碳钢生锈。几乎所有使用碳钢的应用都需要电镀和涂漆。生锈无法停止。因此，冶金学家开发了不锈钢。如果铬量在10.5%以上，耐蚀性会大大提高。不锈钢广泛用于化学工业、纺织加工和海洋应用。更多的不锈钢具有耐候性，可以承受1,482°C以上的温度。在这个温度下，铝、黄铜和铜会熔化。例如，316不锈钢适用于热交换器，通常用于蒸汽轮机和排气歧管。

　　通过直接金属激光烧结 (DMLS) 制造的复杂钛原型零件Protolabs 的 300 系列不锈钢含有超过 20% 的铬和大量的镍，使切割变得更加困难。然而，这种不锈钢被广泛使用，其主要应用是医疗设备、真空和压力容器、食品和饮料制造设备。300系列不锈钢非常坚韧，但不如碳钢硬。如果您的应用需要硬度，请考虑使用 17-4 PH 不锈钢增加强度。

　　这种极其坚韧且用途广泛的材料含有镍、铬和铜。虽然被认为是不锈钢家族的一部分，但它在退火状态下的可加工性接近于高温合金。热处理时硬度轻松达到45HRC，抗拉强度达到1034MPa以上，是碳钢的3倍。更常用于医疗、航空航天、核工业和所有其他需要高强度和优异耐腐蚀性相结合的领域。

　　如果您正在寻找一种非常坚韧的合金，钴铬合金或铬镍铁合金可能是一个不错的选择。Protolabs 美国工厂不支持使用此类材料进行切割，而是使用 DMLS(直接金属激光烧结)，这是一种用于增材制造(3D 打印)服务的工艺，我们也接受钴铬合金和铬镍铁合金的烧结。每种材料都有自己的高性能特性。

　　铬镍铁合金含有超过 50% 的镍，并在一定温度范围内具有出色的强度。它用于特殊需求，例如燃气轮机叶片、喷气发动机的压缩机盘，甚至是核反应堆和喷气发动机的燃烧室。由于镍含量高，铬镍铁合金被归类为更难切削的合金之一，需要具有耐磨涂层硬质合金的精密加工工具。在元素周期表中，钴紧挨着镍。钴是钴铬合金的主要成分。钴铬合金以其优异的耐磨性和生物相容性而著称，适用于牙科植入物、人工髋/膝关节和动脉支架。

　　更后是钛。当这种轻质元素与铝和钒混合制成合金时，它就成为一种坚固且耐腐蚀的材料。与钴铬合金一样，钛具有生物相容性，广泛用于接骨螺钉、销钉和接骨板。它的抗拉强度几乎是低碳钢的两倍，但重量只有一半。这使得钛成为航空航天工业和高性能汽车制造商的有吸引力的材料。

　　切割：金属制造的基础知识

　　如果没有成型的方法，任何金属都不值得。这个的中心是切割。它随着钢材的加工而发展。在过去的 150 年里，工具已经从粗皮带轮和蒸汽动力设备发展到今天的高科技超精密数控机床。

　　在 Protolabs，我们拥有大量的处理工具。使用此处说明的材料，可以切割和车削大约 1 到 200 个零件。它的中心是加工中心。诸如立铣刀之类的切削工具被旋转以切削材料。将要加工的物体固定在虎钳或类似的夹紧装置上，并在多个轴向方向上移动切削刀具以形成复杂的形状。在5轴加工中心，可以同时使用所有轴，可以从多个方向加工人造膝、螺旋桨等自由形状。

　　CNC加工中心和CNC车床内部

　　CNC车床使用卡盘或夹头固定和旋转要加工的物体，并用车刀(咬合)加工它。如果您需要一套壁灯或花园软管配件，您可以在车床上轻松制作此类零件。对于 Protolabs 使用的复合车床，可以通过添加旋转工具和中间轴来改进车床。因此，不再需要之前的二次切割过程。

　　铸造成型：金属零件的量产

　　对于大规模生产，机加工零件通常移至铸造或成型工艺。

　　在MIM(金属注射成型)工艺中，金属粉末如镍钢、316不锈钢、17-4 PH或铬钼与蜡或热塑性树脂制成的粘合剂混合。将正确比例混合的原料预热数百度。与注射成型方法类似，它是在高压下注射到模具中的。

　　在 MIM 中使用的烧结炉中加热大量零件。几秒钟后，将取出的模制品放入脱脂烘箱中。在这里，大部分树脂粘合剂是通过硝酸去除的。此时，未精制的零件有点脆弱，因此请小心地将其取出并放入烧结炉中。此处，在略低于原料熔化温度的温度下加热。

　　使用 MIM，您可以制造具有超高密度的近净形零件。收缩率估计为 ± 20%，如果零件设计得当，公差为 ± 0.3 mm 是可能的。待加工物体的形状必须适合 MIM。否则，将无法承受去除粘合剂的过程和烧结过程。例如，小齿轮有利于 MIM 制造，但圆顶形零件会比在没有支撑的情况下被汽车撞击更平坦。正确的零件和模具设计对于 MIM 的成功同样重要。

　　MIM加工零件经过多道工序达到超高密度在类似的过程中，触变成型用于制造镁部件。与 MIM 不同，它不使用活页夹或多步骤流程。相反，镁在惰性(通常是氩气)气氛中加热，直到它变成半固态，然后注入模具中。由于在注射过程中通过施加压力来降低粘度，因此通过触变成型的零件比压铸零件更薄，并且可以进行精密成型。您可以创建复杂的形状，而不会出现 MIM 担心的收缩和变形。

　　说实话，触变成型只有一个限制。零件的材料仅为镁。除了在许多汽车和消费产品中的应用外，它还是**材料，使 Chixo Molding 成为轻质、**和具有成本效益的零件的更佳选择。

　　3D 打印：用于非常复杂的零件

　　对于无法通过迄今为止描述的任何方法制造的零件，有金属激光烧结 (DMLS)，它是层压成型工艺之一。DMLS 正在大胆地扩展到其他制造工艺无法处理的领域。与用于树脂的 SLS(选择性激光烧结，增材制造，用激光熔化尼龙基粉末并兼容所有形状)类似，DMLS 类似于铝、钴铬合金、铬镍铁合金、不锈钢和钛等金属。达到完结。

　　Protolabs 中使用的金属激光烧结 (DMLS) 加工机与大多数分层成型工艺一样，DMLS 通过从底部分层来构建零件，就像一层蛋糕一样。将 3D CAD 模型切成约 0.03 毫米厚的层，并使用激光在金属粉末地板上绘图。然后，粉末层以相同的密度分层。当激光通过时，金属颗粒熔化并与周围的颗粒融合，从而可以生产出具有相同机械性能的金属。这样，几个小时后，成品零件就会出现。

　　使用 DMLS，公差通常为 ± 0.08 毫米，零件特征可以小于一个句点 (.)。由于它是在非常高的温度下加工的，因此在建模时需要一个小的支撑材料来支撑要加工的物体并防止变形。需要进行二次加工以去除支撑材料。此外，其表面与铸件一样粗糙(约200-400 µin Ra)，因此可能需要进行一些二次处理，例如抛光或机加工。

　　金属二次加工方法

　　二次加工在许多制造过程中很常见。对于金属零件尤其如此。进行热处理以增加强度并消除在原材料加工和剧烈切削过程中产生的内应力。1018等碳钢可以通过渗氮或碳化硬化，4140通过调质的热处理方法可以很容易地硬化到50HRC以上。如前所述，17-4 PH 不锈钢的强度可与某些 400 系列不锈钢一样。然而，300系列不锈钢只能通过冷加工或从模具中取出来硬化。铝、镁等软金属在低温下能缓解应力，低温热能降解，但不能硬化。

　　表面处理也是切割后的。在许多情况下，铝会经过阳极氧化处理，使其表面几乎具有任何颜色的耐刮擦性。对于非装饰用途，转化涂层处理(铬酸盐处理)是合适的。这种处理也适用于镁，但使用不同的化学物质。铜和黄铜在暴露于氧气时会变色。因此，为了防止这种情况，应用化学镀镍或镀铬。不锈钢和超合金不需要这种处理，但钢要么是黑色氧化物涂层，要么是镀镍、镉和锌等材料。喷漆也是一种常见的选择，但我们建议使用其他研磨剂，例如喷砂，以确保在喷漆前清洁、无锈的表面。