这篇文章对您来说非常重要且引人入胜，因为它介绍了许多性能卓越的新型金属。随着设备或材料的进步，轻质材料已成为当务之急，尤其是在航空航天工业中。轻质材料可以减轻重量、降低燃料消耗，从而降低成本。本文介绍了各种轻质金属及其加工工艺、应用以及针对特定应用的选择。
什么定义了“轻”金属？
一般来说，如果金属的密度低于5克/立方厘米，就被认为是轻金属。你可以说这只是一个经验法则，但工程师们并不重视这条规则。如果一种金属具有较高的强度重量比，就被称为“轻”金属。例如，铝的密度为2.7克/立方厘米，强度很高，这对航空航天工业至关重要。钢的密度为7.7克/立方厘米，因此是一种重金属。
元素周期表轻金属与结构轻金属
我们所说的轻质材料有两种类型：
元素周期表轻量级
这些是元素周期表中原子质量较低的元素，例如锂、钠、钾等。
它们的密度非常低；例如，锂的密度为0.53 g/cm³。
这些材料反应性极强、易燃且质地柔软，因此我们无法将其用于结构应用。锂仅用于电池。
结构轻金属
这些轻质金属专为先进应用而设计，例如航空航天应用中的强度重量比。以铝为例，它的密度为 2.7 克/立方厘米3 但仍用于飞机的结构部件。
密度在金属项目设计中的作用
任何材料的密度都很重要，因为它是任何应用选择材料的主要标准。它影响材料的三个主要特性。让我们来了解一下密度的关键作用：
刚性
低密度材料<2.7 g/cm3 刚度较低。因此，为了在需要高刚度的应用中使用低密度材料，我们通过蜂窝、肋条等结构变化进行整合。
疲劳
不同的低密度材料表现出不同的疲劳行为。例如，铝表现出优异的疲劳强度，但镁则需要额外关注。
可制造性
较轻的金属更容易加工，但由于强度较低，变形的风险仍然较高。
比强度 = 超强抗拉强度（MPa）密度g / cm3)
密度与强度图表，用于快速比较
通过下表，您可以快速比较多种材料的机械性能。
金属
密度g /cm³
拉伸强度（MPa）
弹性模量（GPa）
比强度（MPa·cm³/g）
笔记
锂
0.53
15
4.9
28.3
对于结构用途来说太软/反应性太差
镁 (AZ31)
1.74
255
45
146.6
最轻的结构金属；易燃
铝 (6061)
2.70
310
69
114.8
成本与性能的最佳平衡
钛（5 级）
4.42
1000
110
226.2
最高的强度重量比
铍
1.85
370
287
200.0
1.铝合金：88%被选用
在轻质金属中，铝是最常见的材料，88% 的工程师在使用轻质金属时更倾向于使用铝。原因在于其在密度、可制造性和机械性能之间的平衡。铝是一种低密度金属，密度为 2.7 g/cm³，但抗拉强度高达 200-500 MPa。它天然耐腐蚀、经济高效且易于回收。
CNC加工的关键铝材质等级（2024、5052、5083、6061、7075）
在下表中，您可以看到多种常见的铝合金，它们易于加工，以优化 CNC 应用。
年级
化学成分
屈服强度 (MPa)
阳极氧化行为
典型的 CNC 公差
最适合
2024
铜 (4.4%)、镁 (1.5%)、锰 (0.6%)
324
差（铜导致变色）
±0.05毫米
航空航天紧固件、卡车车轮
5052
镁（2.5%）、铬（0.25%）
193
优秀（清晰的表面）
±0.1毫米
船用五金、电子外壳
5083
镁（4.5%）、锰（0.7%）
228
良好（略阴）
±0.15毫米
造船、低温储罐
6061
镁 (1.0%)、硅 (0.6%)、铜 (0.28%)
276
优秀（透明/硬涂层）
±0.025毫米
汽车部件、自行车车架
7075
锌 (5.6%)、镁 (2.5%)、铜 (1.6%)
503
尚可（淡黄色）
CNC加工铝合金
当我们说Al是CNC加工之王时，这是因为：
加工速度比钢快 3 倍。
与钛合金相比，工具寿命延长 50%。
降低每个零件的能耗。
性能
高速加工能力
出色的切屑控制
卓越的表面光洁度
复杂几何形状轻松
缺点
低切削力可防止零件变形
薄壁（低至 5mm）是可以实现的
常见轻量化应用的铝合金
汽车：6061-T6 用于底盘（比钢轻 40%），5052 用于面板。
无人机电调：7075-T6 用于高强度框架，6061 用于预算构建。
散热片：6063为挤压翅片，1050为纯热导。
主要优点：重量轻、耐腐蚀、机械加工性优良。
新兴用途：3D 打印格子、多材料混合设计。
2.钛合金：10%选择
钛的密度为40克/立方厘米，比钢轻4.5%，但强度仍然高于钢。全球10%的应用使用钛，因为它具有天然的耐腐蚀性、生物相容性，并且能够在更高的温度下工作。钛的使用量低于铝，因为它的价格是铝的5-6倍。
常见钛合金牌号
以下是 CNC 加工中常用的一些钛合金等级。
1 年级 (UNS R50250)
它是纯度高达99.5%的钛合金。它是所有钛合金中硬度最低、延展性最好的。其强度较低（240-370 MPa），但具有优异的耐腐蚀性和成形性。它可用于船舶和化工领域。
2 年级 (UNS R50400)
用途最广泛的纯钛
优异的耐腐蚀性
非常适合热交换器、医疗设备
抗拉强度345-480MPa
3 年级 (UNS R50550)
比2级强
中等成形性
用于航空航天、压力容器
抗拉强度450-600MPa
4 年级 (UNS R50700)
最强纯钛等级
有限冷成型
外科植入物、化学设备
抗拉强度550-750MPa
5 级 Ti-6Al-4V 合金 (UNS R56400)
优质钛合金
航空航天/医疗标准
强度895-930MPa
可进行热处理以增强性能
CNC加工挑战与解决方案
钛是一种难加工金属，因为它的导热性较低，导致切削区热量集中。其次，钛合金的加工硬化现象也使加工变得困难。我们可以使用锋利的刀具和高压冷却液来应对这些挑战。
用于制造轻质且坚固部件的钛合金
钛虽然是一种轻质金属，但由于其优异的机械性能，仍在航空航天、医疗等行业得到广泛应用。例如：
您可以在喷气发动机中将其用于航空航天压缩机盘。
它用于海洋应用的高强度紧固件。
它用于高强度悬挂系统和许多其他应用。
3.镁合金：2%选择
由于密度较低（即 35 g/cm³），因此重量可减轻 1.74%。铝，但镁的可燃性（点燃于 450℃，）让很多工程师感到害怕。它非常适合在重量至关重要的领域，例如航空航天，但需要严格的安全协议。
热门铸造等级（AZ91D、AM60）
以下是常见的 Mg 铸造等级：
年级
抗拉强度
可铸性
最适合
AZ91D
230兆帕
（卓越）等级
薄壁零件（笔记本电脑外壳）
AM60
220兆帕
固德
耐冲击部件（汽车座椅）
加工安全指南
为了实现无风险加工，请遵循以下说明：
排屑：切勿让碎屑堆积起来；它们可能会自燃。
冷却剂：使用阻燃液体（不使用水基液体）。
刀具几何形状：锋利、抛光的工具可减少热量积聚。
镁合金应用
你会发现镁 赛车车轮（减轻重量胜过降低成本）和 航空部件 （如直升机变速箱外壳）。
其减震性能也使其非常适合 电动工具主体.
但由于存在火灾风险，许多消费品中禁止使用它。
定制项目中的轻金属比较
在设计定制组件时，材料的选择会直接影响性能、成本和可制造性。让我们以自行车工程解决方案为例，探讨一下轻金属在实际应用中的表现。
定制自行车零件中最常见的材料
铝凭借其无与伦比的性价比而胜出：
比钢轻 30%
比钛便宜50%
与镁相比，零火灾风险
钛金属具有极佳的耐用性，镁金属具有极高的轻质性，而铝金属却能以一半的成本提供 90% 的优势，这也解释了为什么它在 9/10 的自行车制造中占据主导地位。
新兴轻金属：特性与应用
您今天看到的是未来材料——太空时代合金和先进复合材料，它们正在推动超越传统金属的减重。虽然这些创新尚未成为主流，但它们解决了每一克都至关重要的特定挑战。
用于空间结构的锂镁合金
超轻（低于1.5克/立方厘米）但易碎。这类合金专用于航空航天应用，例如卫星部件，在这些应用中，减重比延展性更重要。
用于精密光学的铍和铍铜混合物
尽管毒性和出口限制限制了国防和航空航天领域的应用，但这是望远镜镜面和制导系统的终极刚度重量解决方案。
轻质强韧材料替代品
如今，碳纤维和高性能塑料在某些应用领域的表现优于金属，能够减轻重量且不会腐蚀，彻底改变了从医疗植入物到电动汽车零部件等一切领域。
轻金属加工（铸造、成型、CNC 和 3D 打印）
制造方法必须与每种金属的特性相匹配。铝在所有工艺（铸造、数控加工、3D打印）中均表现良好，而钛则需要专业知识，尤其是在精密数控加工和增材制造方面，因为它面临着独特的挑战。
镁和铝的压铸与熔模铸造
由于熔点较低，铝和镁是铸造的常见材料。对于薄壁（小于1毫米）的零件，可选择压铸。对于精度高且孔隙率低的零件，熔模铸造效果更佳，是制造复杂铝制零件的理想选择。
热成型和冷成型窗户
铝在200-500°C范围内易形成。钛则需要700-900°C才能避免开裂。镁则需要小心加热以防止着火。
CNC加工
对于铝，通过以下方式您将获得最佳效果：
速度：500-4,000 立方英尺/分钟
饲料：1-0.3毫米/齿
工具：3刃硬质合金立铣刀
钛合金要求精度：
速度：30-100 SFM（缓慢以防止加工硬化）
工具：锋利的涂层硬质合金，配有高压冷却液
钛加工需要专业的车间，例如 拓发 避免代价高昂的错误。镁需要防火协议。
增材制造
铝材适合 LPBF 打印。钛材（DMLS）可提供航空级部件，但成本更高。避免使用镁材——存在易燃风险。
如何设计更轻的金属项目？
明智的材料选择能够平衡性能、成本和可制造性。为了优化您的设计，请仔细评估这些关键因素，同时考虑项目的具体要求和限制。
1、负载要求
您必须将强度和刚度与预期载荷相匹配。对于高应力循环应用（例如发动机压缩机叶片中的 Ti-6Al-4V），钛的抗疲劳性能优于铝。
2. 加盟流程
连接方法决定了合金的选择。6061 等可焊铝合金最适合传统制造，而钛合金则需要采用电子束焊接或激光焊接等特殊技术，以防止污染并在关键应用中保持结构完整性。
3. 防腐蚀
评估暴露环境——船舶需要 5000 系列铝材，而室内部件可以使用更便宜的 6000 系列铝材。钛材在严苛的化学环境中表现出色。
4. 制造契合度
确保合金与生产方法相符。铝合金适合铸造；钛合金适合CNC加工或增材制造。对于复杂的几何形状，避免使用镁合金。
5. 每公斤成本与机加工零件成本
根据下表，铝在各方面仍然是最具成本效益的轻金属。钛难以加工，因此是最昂贵的金属。
金属
原材料成本（美元/公斤）
加工成本因素
最适合
铝板
$ 3-5
1x（基线）
大批量生产
钛
$ 30-50
3-5x
性能关键部件
镁
$ 5-8
2x
重量敏感原型
结语
选择合适的轻质金属，例如注重成本效益的铝、注重强度的钛或追求极致轻量化的镁，需要在性能、预算和安全性之间取得平衡。请记住：90% 的项目使用铝材即可成功，而钛材则需要像 TUOFA 这样的专家进行精密加工。本指南将帮助您做出更明智的材料决策，从而获得更坚固、更轻巧的产品。
常见问题
哪种金属是最轻的结构选择？
镁（1.74 克/立方厘米）凭借纯粹的轻盈而胜出，但铝（2.7 克/立方厘米）更安全，用途更广泛。钛（4.5 克/立方厘米）在重量不那么重要的情况下，提供了更佳的强度。
哪种轻质金属最适合大规模生产，且最具成本效益？
原材料铝比钛便宜 3 倍，如果考虑到加工成本，则更具成本效益。
钛总是比铝轻吗？
不是。钛的密度更大，但其强度更高，这意味着您通常可以使用更少的材料，有时最终可以获得更轻的零件。
什么是重量轻但坚固的金属？
钛合金（尤其是5级钛合金）具有最佳的强度重量比。铝（7075）在大多数应用中紧随其后，且成本更低。