轻质金属: 铝, 钛, 和镁

在当今迅速发展的行业中, 对将强度与减轻体重减轻的材料的需求从未有所更大.

轻质金属彻底改变了我们设计和制造产品的方式, 在航空航天范围内实现创新, 汽车, 消费电子产品, 及以后.

这些材料有助于减少能耗, 提高性能, 并解锁创意工程解决方案的可能性.

在这些金属中, 铝, 钛, 和 镁 是最突出的. 每个都提供独特的特征，使其在其各自的应用中必不可少.

在本指南中, 我们将探索属性, 优势, 并使用这些金属，并讨论它们在现代制造和可持续性中的重要性.

1. 为什么轻量级金属很重要

对轻质材料的需求是由几个因素驱动的:

• 燃油效率: 在汽车和航空航天行业, 减轻车辆重量可以显着提高燃油效率, 导致运营成本降低并减少环境影响.
• 设计灵活性: 轻巧的金属允许更具创新和复杂的设计, 可以增强产品性能和美学.
• 可持续性: 通过减轻体重, 这些金属有助于较低的碳排放和更可持续的制造工艺.

减轻体重不仅可以提高性能，还可以降低成本, 使轻质金属成为现代工程和设计中的重要组成部分.

2. 铝: 多功能轻巧的金属

历史和发现

• 1825: 丹麦化学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Oerst）首先通过反应无水铝与钾汞合金反应.
• 1845: 德国化学家弗里德里希·沃勒（FriedrichWöhler）以更可识别的金属形式生产铝.
• 1886: Hall-Héroult过程, 由美国查尔斯·马丁·霍尔（Charles Martin Hall）和法国人PaulHéroult独立开发, 通过使其在经济上可行，彻底改变了铝的生产.

物理特性

• 密度: 2.7 g/cm³, 使其成为最轻的结构金属之一.
• 熔点: 660°C (1220°f).
• 沸点: 2467°C (4472°f).
• 电导率: 61% 铜, 使其成为电力的好导体.
• 导热率: 237 w/(m·k) 在室温下, 非常适合传热应用.
• 反射率: 反思 95% 可见光和 90% 红外辐射, 在反射表面和涂料中有用.

机械性能

• 产生强度: 范围从 15 到 70 MPA纯铝, 但可以达到 240 MPA在6061-T6等合金中.
• 延性: 高度延展, 允许它易于形状和形成.
• 耐腐蚀性: 由于形成薄, 表面上的保护性氧化物层.
• 疲劳性抗性: 好的, 使其适用于涉及重复压力的应用.
• 可焊性: 通常很好, 尽管有些合金可能需要特殊的技术.

生产和处理

• 萃取: 铝主要从铝土矿矿石提取, 其中包含 30-60% 氧化铝 (氧化铝).
• 精制: 拜耳过程用于将铝土矿改进氧化铝. 这涉及将铝土矿溶解在氢氧化钠溶液中，并在高温和压力下, 然后进行过滤和沉淀.
• 冶炼: Hall-Héroult工艺在冰糖浴中电解熔融氧化铝 (na₃alf₆) 在950°C左右生产铝金属.
• 合金: 纯铝通常与铜等元素合金, 镁, 硅, 和锌以增强其特性.
• 成型: 铝可以铸造, 滚动, 挤压, 并伪造成各种形状和形式, 使其在制造方面具有高度的用途.

优势

• 轻的: 三分之一的钢, 对体重敏感的应用至关重要.
• 耐腐蚀性: 保护性氧化物层可防止进一步的氧化, 确保长期表现.
• 回收: 这可以无限期地回收，而不会失去质量, 使其具有很高的可持续性. 回收铝仅需要 5% 产生新铝所需的能量.
• 形成性: 高度形成, 允许复杂而复杂的设计.
• 导电性和导电性: 非常适合热交换器和电气应用.
• 美学吸引力: 光滑的, 可以以多种方式完成的闪亮表面, 增强其视觉吸引力.

申请

• 汽车:

• • 车身面板: 减轻车辆重量, 提高燃油效率.
  • 车轮: 轻巧耐用, 增强性能.
  • 发动机块: 帮助管理热量并减轻体重.
  • 例子: 福特F-150皮卡车, 引入 2015, 具有全铝体, 减轻体重 700 磅和改善燃油经济性 25%.

• 航天:

• • 飞机结构: 高强度重量比率至关重要.
  • 机翼和机身: 晚期铝合金合金, 15% 比传统铝合金轻, 提高燃油效率.
  • 例子: 波音 787 Dreamliner使用这些高级合金来提高性能.

• 建造:

• • 窗框: 轻巧和耐腐蚀.
  • 门: 耐用且美观.
  • 屋顶和覆层: 持久和耐候性.
  • 例子: 迪拜的Burj Khalifa, 世界上最高的建筑物, 用途 28,000 铝制面板的外墙.

• 包装:

• • 饮料罐: 轻巧可回收.
  • 挫败: 障碍物且易于形成.
  • 食物包装: 保护内容并广泛回收.
  • 例子: 超过 200 每年生产十亿美元的铝罐, 回收率周围 70%.

• 电子产品:

• • 散热器: 出色的热导率有助于管理热量.
  • 外壳: 轻巧耐用.
  • 印刷电路板: 为组件提供稳定的基础.
  • 例子: 许多笔记本电脑和智能手机都使用铝制套管来提高热量管理和耐用性.

• 消费品:

• • 炊具: 甚至热量分配和轻量级.
  • 餐具: 耐用且易于清洁.
  • 家居用品: 多才多艺和持久.
  • 例子: 铝炊具在厨师和家庭厨师中很受欢迎，其性能和易用性.

3. 钛: 强大而轻巧的竞争者

历史和发现

• 1791: 威廉·格雷戈尔（William Gregor）, 英国神职人员, 和矿物学家, 在康沃尔郡发现了钛, 英格兰, 他以黑沙的形式称为“梅纳特派”。
• 1795: 马丁·赫特里希·克拉普尔特（Martin Heartrich Klapurt）, 德国化学家, 独立发现矿物金红石中的元素，并以希腊神话巨人的身份将其命名为“钛”.
• 1910: 马修·亨特（Matthew Hunter）和他在通用电气的团队开发了猎人的过程, 产生了纯钛金属.
• 1940s: 威廉·J. Kroll开发了 kroll过程, 生产钛的更有效的方法, 今天仍然使用.

物理特性

• 密度: 4.54 g/cm³, 使其比钢轻，但比铝重.
• 熔点: 1668°C (3034°f).
• 沸点: 3287°C (5949°f).
• 电导率: 相对较低, 关于 13.5% 铜.
• 导热率: 缓和, 关于 21.9 w/(m·k) 在室温下.
• 反射率: 高的, 特别是以抛光形式, 反思 93% 可见光.

机械性能

• 产生强度: 高的, 通常从 345 到 1200 MPA取决于合金.
• 抗拉强度: 出色的, 通常超过 900 高强度合金中的 MPa.
• 延性: 好的, 使其成型和成形.
• 耐腐蚀性: 由于其表面形成了钝态氧化层，因此非常出色.
• 疲劳性抗性: 非常好, 使其适用于涉及循环加载的应用.
• 可焊性: 好的, 尽管需要仔细控制环境以防止污染.

生产和处理

• 萃取: 钛主要从钛铁矿等矿物中提取 (审批) 和金红石 (二氧化钛).
• 精制: 加工钛铁矿以提取二氧化钛 (二氧化钛), 然后使用克罗尔工艺将其还原为海绵钛.
• 克罗尔法: 涉及还原四氯化钛 (氯化钛₄) 在惰性气氛中高温下与镁或钠.
• 亨特工艺: 另一种使用钠还原四氯化钛的方法, 虽然现在不太常用.
• 合金: 纯钛通常与铝等元素形成合金, 钒, 和锡来增强其特性.
• 成型: 钛可以铸造, 滚动, 挤压, 并伪造成各种形状和形式, 尽管由于其在温度升高时对氧气和氮的反应性高，因此需要专门的设备.

优势

• 高强度重量比: 钛与钢一样强，但要轻得多, 使其非常适合对体重敏感的应用.
• 耐腐蚀性: 被动氧化物层具有特殊的耐腐蚀性, 即使在恶劣的环境中.
• 生物相容性: 钛是无毒的，对人体组织无反应, 使其适用于医疗植入物.
• 耐热性: 高熔点和良好的热稳定性使其适用于高温应用.
• 耐用性: 持久耐穿的耐磨性.
• 美学吸引力: 抛光钛有一个光泽, 具有视觉吸引力的银色外观.

申请

• 航天:

• • 机身和发动机: 用于飞机结构, 引擎, 和紧固件由于其高强度与重量比和耐腐蚀性.
  • 例子: 波音 787 Dreamliner在机身和发动机中使用钛来减轻重量并提高燃油效率.

• 医疗的:

• • 植入物: 钛用于骨科植入物, 牙科植入物, 和手术仪器由于其生物相容性和强度.
  • 例子: 钛髋关节置换和牙科植入物是常见的医疗应用.

• 海军陆战队:

• • 船舶组件: 用于船体, 螺旋桨, 以及其他由于耐腐蚀性而导致的水下组件.
  • 例子: 钛用于海军船只的螺旋桨和轴，以承受海水腐蚀.

• 汽车:

• • 性能零件: 用于排气系统等组件中的高性能车辆, 气门弹簧, 和连杆.
  • 例子: 一级方程式赛车在各种组件中使用钛来减轻体重并提高性能.

• 消费品:

• • 珠宝: 钛由于其轻巧而用于珠宝, 低过敏性特性, 和彩色的能力.
  • 运动器材: 用于高尔夫球俱乐部, 自行车框架, 以及其他运动器材的力量和轻巧.
  • 例子: 钛高尔夫球俱乐部头提供了力量和体重节省的结合.

• 工业的:

• • 化学处理: 由于其耐腐蚀性，用于化学加工设备.
  • 例子: 钛用于化学工业的热交换器和反应容器.

4. 镁: 最轻的结构金属

历史和发现

• 1755: 约瑟夫·布莱克, 苏格兰化学家, 首先将镁鉴定为与石灰不同的元素 (氧化钙).
• 1808: 汉弗莱·戴维（Humphry Davy）, 英国化学家, 试图通过电解隔离镁，但没有成功.
• 1831: Antoine Bussy和Humphry Davy爵士独立成功地通过用钾来降低氯化镁来隔离镁金属.
• 1852: 罗伯特·本森（Robert Bunsen）和奥古斯特·冯·霍夫曼（August von Hofmann）开发了一种更实用的方法来生产镁, 奠定了工业生产基础.

物理特性

• 密度: 1.74 g/cm³, 使其成为最轻的结构金属.
• 熔点: 650°C (1202°f).
• 沸点: 1090°C (1994°f).
• 电导率: 缓和, 关于 22% 铜.
• 导热率: 好的, 关于 156 w/(m·k) 在室温下.
• 反射率: 高的, 反思 90% 可见光.

机械性能

• 产生强度: 纯镁相对较低, 通常在周围 14-28 MPA, 但是可以通过合金显着增加.
• 抗拉强度: 纯镁也相对较低, 大约 14-28 MPA, 但可以达到 350 合金中的MPA.
• 延性: 高的, 允许它易于形状和形成.
• 耐腐蚀性: 纯净形式贫穷, 但是合金和防护涂料有了很大的改进.
• 疲劳性抗性: 好的, 使其适用于涉及循环加载的应用.
• 可焊性: 由于其对氧气的反应性和形成脆性氧化物层的趋势而挑战, 但使用适当的技术可能.

生产和处理

• 萃取: 镁主要是从矿物（例如白云岩）中提取的 (坎格(Co₃)₂) 和岩石 (mgco₃), 以及海水和盐水.
• 精制: 道琼斯工艺工艺通常用于从海水中提取镁. 这涉及将氯化镁转化为氢氧镁, 然后将其钙化形成氧化镁并还原为镁金属.
• Pidgeon过程: 另一种方法涉及在高温下用铁硅镁降低氧化镁.
• 合金: 纯镁通常与铝等元素合金, 锌, 锰, 和稀土元素以增强其特性.
• 成型: 镁可以铸造, 滚动, 挤压, 并伪造成各种形状和形式, 尽管由于其反应性和低熔点而需要专门的设备和技术.

优势

• 轻的: 最轻的结构金属之一, 使其非常适合对体重敏感的应用.
• 高特异性强度: 将低密度与合理的强度结合在一起, 提供高强度的比率.
• 良好的延展性: 容易形成和形成, 允许复杂的设计.
• 出色的阻尼能力: 有效吸收振动和噪音, 使其适用于需要降噪的应用.
• 回收: 可以有效回收, 使其成为环保的材料.
• 可生物降解: 一些镁合金是可生物降解的, 使它们适合临时医疗植入物.

申请

• 汽车:

• • 车身板: 用于汽车尸体, 车轮, 和发动机组件以减轻重量并提高燃油效率.
  • 例子: 镁合金用于转向轮, 座椅框架, 和发动机块以减轻车辆重量.

• 航天:

• • 结构成分: 用于飞机和航天器组件，以减轻体重和提高性能.
  • 例子: 波音 787 Dreamliner使用镁合金在各个结构部件中提高燃油效率.

• 电子产品:

• • 住房和案件: 用于笔记本电脑和智能手机外壳，可轻巧和良好的导热率.
  • 例子: 许多笔记本电脑和片剂使用镁合金套管来提高耐用性和热量管理.

• 消费品:

• • 运动器材: 用于自行车框架, 高尔夫俱乐部, 和其他运动器材轻巧和力量.
  • 例子: 镁合金自行车框架可节省强度和体重.

• 医疗的:

• • 植入物: 可生物降解的镁合金用于临时医疗植入物，例如支架和骨板.
  • 例子: 镁支架可以随着时间的流逝而溶解, 减少对后续手术的需求.

• 建造:

• • 屋顶和覆层: 用于建筑物的轻质屋顶和覆层材料.
  • 例子: 镁合金板用于屋顶，以提供轻巧耐腐蚀的覆盖物.

5. 铝的比较, 钛, 和镁

化学组成

财产	铝 (al)	钛 (的)	镁 (毫克)
原子数	13	22	12
原子量	26.9815386 你	47.867 你	24.305 你
电子配置	[这是] 3S²3p¹	[ar] 3D²4S²	[这是] 3S²
氧化状态	+3	+4, +3, +2	+2
自然发生	铝土矿, 冰晶石	伊尔米特, 金红石, 白血氧	白云石, 宏伟的, 海水, 盐水
常见合金	6061, 7075	ti-6al-4V, TI-3AL-2.5V	AZ31, AE44
反应性	形成保护性氧化物层	形成保护性氧化物层	高反应性, 形成效率较低的氧化物层
酸和碱	对许多酸的抗性, 与强大的反应	对大多数酸和碱的抗性	用酸和碱剧烈反应

物理特性

财产	铝	钛	镁
密度 (g/cm³)	2.7	4.54	1.74
熔点 (°C)	660	1668	650
沸点 (°C)	2467	3287	1090
电导率 (% Cu)	61	13.5	22
导热率 (w/(m·k))	237	21.9	156
反射率 (%)	95 (可见光), 90 (红外线的)	93 (抛光)	90 (抛光)

机械性能

财产	铝	钛	镁
产生强度 (MPA)	15-70 (纯的), 240 (6061-T6)	345-1200	14-28 (纯的), 350 (合金)
抗拉强度 (MPA)	15-70 (纯的), 310 (6061-T6)	900+	14-28 (纯的), 350 (合金)
延性	高的	好的	高的
耐腐蚀性	出色的 (氧化物层)	例外 (氧化物层)	贫穷的 (合金改进)
疲劳性抗性	好的	非常好	好的
可焊性	通常很好	好的	具有挑战性的

生产和处理

过程	铝	钛	镁
萃取	铝土矿 (30-60% al₂o₃)	伊尔米特 (审批), 金红石 (二氧化钛)	白云石 (坎格(Co₃)₂), 宏伟的 (mgco₃), 海水, 盐水
精制	拜耳过程	kroll过程, 猎人过程	陶氏过程, Pidgeon过程
合金	铜, 镁, 硅, 锌	铝, 钒, 锡	铝, 锌, 锰, 稀土元素
成型	铸件, 滚动, 挤压, 锻造	铸件, 滚动, 挤压, 锻造	铸件, 滚动, 挤压, 锻造 (专业设备)

优势

优势	铝	钛	镁
轻的	三分之一的钢	比钢轻, 比铝重	最轻的结构金属
耐腐蚀性	出色的	例外	贫穷的 (合金改进)
回收	高度可回收 (5% 所需的能量)	可回收 (但更多的能源密集型)	高度可回收
形成性	高度形成	好的	高度形成
导热率	出色的	缓和	好的
生物相容性	N/A。	出色的	好的 (可生物降解的合金)
耐热性	好的	高的	好的
美学吸引力	光滑的, shiny surface	有光泽, 银色外观	高反射率, 银色外观

6. 轻质金属的可持续性

铝

• 回收: 铝可以无限期地回收而不会失去质量, 使其具有很高的可持续性.
• 能源消耗: 虽然初始生产是能源密集型的, 回收利用和降低运输成本的长期益处使其环保.

钛

• 寿命长: 钛的高强度和耐腐蚀性意味着由其制成的产品持续更长的时间, 减少对频繁替换的需求.
• 能源密集型: 与铝相比，钛的产量更具能源密集型, 但是它的耐用性抵消了这个缺点.

镁

• 减轻体重: 镁的轻巧性质减少了车辆和航空航天应用的能源消耗, 导致较低的碳排放.
• 回收: 镁很容易回收, 为循环经济做出贡献.

7. 轻质金属的未来趋势

合金创新

• 增强的强度和耐用性: 正在开发新合金以改善轻质金属的机械性能, 使它们适合更苛刻的应用.
• 耐腐蚀性: 正在研究高级涂料和表面处理，以增强这些金属的耐腐蚀性.

高级制造过程

• 3D打印: 增材制造正在革新轻质金属的使用方式, 允许创建复杂的几何形状和定制零件.
• 高级铸造技术: 新的铸造方法正在改善轻质金属的形成性和强度.

需求不断增长

• 电动汽车: 向电动汽车的转变正在推动对轻质材料的需求，以提高电池效率和整体车辆性能.
• 可再生能源: 轻巧的金属正在风力涡轮机中找到应用, 太阳能电池板, 和其他可再生能源技术.

8. 结论

铝, 钛, 镁是必需的轻质金属，可提供独特的特性和优势.

他们的多功能性, 力量, 可持续性使它们在现代行业中必不可少.

随着技术的发展, 这些金属将继续在推动创新和应对全球挑战方面发挥关键作用.

鼓励企业和工程师探索这些材料，以塑造设计和可持续性的未来的尖端解决方案.

通过拥抱轻质金属的潜力, 我们可以创造更高效的, 耐用的, 以及满足快速发展的世界需求的环保产品.

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