انواع فلزات سبک وزن

1. معرفی انواع فلزات سبک

1.1 تعریف فلزات سبک وزن

فلزات سبک وزن دارای تراکم قابل ملاحظه ای در زیر فولاد هستند (7.8 g/cm³). در عمل, طبقه بندی "سبک" به معنای تراکم در زیر است 3 g/cm³, همراه با نسبت های قدرت بالا به وزن.

این فلزات شامل آلومینیوم هستند (2.70 g/cm³), منیزیم (1.74 g/cm³), تیتانیوم (4.51 g/cm³), بریلیم (1.85 g/cm³), لیتیوم (0.53 g/cm³), و رسوایی (2.99 g/cm³) ⚒.

جرم کم آنها در هر واحد حجم طراحان را قادر می سازد وزن ساختار را کاهش دهند بدون اینکه استحکام یا دوام را قربانی کنند.

1.2 اهمیت در صنعت مدرن

تولید کنندگان در هوافضا, خودرو, و الکترونیک مصرفی برای بهبود مصرف سوخت به دنبال اجزای سبک تر است, عمر باتری را افزایش دهید, و عملکرد را تقویت کنید.

به عنوان مثال, تعویض پانل های شاسی فلزی با آلومینیوم در اتومبیل می تواند وزن خودرو را بیش از حد کاهش دهد 200 کلوت, کاهش مصرف سوخت تا حداکثر 10 %یه.

در هوا فضا, هر کیلوگرم ذخیره شده به طور مستقیم به چندین هزار دلار در هزینه های عملیاتی در طول عمر یک هواپیمای هواپیما ترجمه می شود.

در ضمن, مزارع نوظهور مانند وسایل نقلیه برقی و الکترونیک قابل حمل فلزات را نیاز دارند که سبکی را با هدایت حرارتی و الکتریکی بالا ترکیب می کنند.

2. استانداردهای فلزی سبک وزن

برای طبقه بندی و مقایسه فلزات سبک وزن, مهندسان به معیارهای استاندارد متکی هستند:

2.1 تراکم و قدرت خاص

• تراکم (حرف): جرم در هر واحد حجم, اندازه گیری شده در g/cm³. چگالی پایین ساختارهای سبک تر را قادر می سازد.
• قدرت خاص (s/r): عملکرد یا قدرت کششی نهایی (MPa) تقسیم بر چگالی. مقاومت خاص بالا نشانگر ظرفیت بارگذاری بارز برای حداقل جرم است.

2.2 مقاومت در برابر خوردگی

• آلومینیوم & تیتانیوم: شکل پایدار, لایه های اکسید خود درمانی که از اکسیداسیون و بسیاری از مواد شیمیایی محافظت می کنند.
• منیزیم & لیتیوم: برای استفاده در فضای باز به روکش یا آلیاژ نیاز دارید; محافظت نشده, آنها به راحتی در محیط های مرطوب یا شور خوردگی می کنند.
• بریلیم & رسوایی: مقاومت در برابر خوردگی جوی خوب اما سمیت را نشان می دهد (بودن) یا هزینه (چیز) چالش ها.

2.3 هدایت حرارتی و الکتریکی

• رسانایی الکتریکی:
  • آلومینیوم: 37 ms ms/m
  • منیزیم: 23 ms ms/m
  • تیتانیوم: ~ 2.4 ms/m
• هدایت حرارتی:
  • آلومینیوم: ~ 205 w/m · k
  • منیزیم: 156 w/m · k
  • تیتانیوم: ~ 22 w/m · k

رسانایی بالا به نفع سینک های گرما و میله های اتوبوس برقی است; فلزات کم هرایی مانند لباس تیتانیوم قطعات ساختاری با درجه حرارت بالا.

2.4 قابلیت ساخت و تولید

• رتبه پذیری (% از فولاد برش آزاد):
  • آلومینیوم: 67 %
  • منیزیم: 25 %
  • تیتانیوم: 5 %
• تشکیل دهنده & جوش:
  • جوش آلومینیوم و منیزیم به راحتی (با اقدامات احتیاطی برای اشتعال پذیری MG).
  • تیتانیوم نیاز به محافظ بی اثر دارد; لیتیوم و اسکاندیوم به دلیل واکنش و کمبود ، کارشناسی تخصصی را ارائه می دهند.

3. فلزات سبک وزن مشترک

3.1 آلومینیوم (ال)

آلیاژهای آلومینیوم بیش از 25 % استفاده از فلز جهانی, برای چگالی کم آنها (2.70 g/cm³) و خصوصیات مکانیکی همه کاره.

تولید کنندگان آلیاژ خالص آل با عناصری مانند Si, مس, Mg, و روی به قدرت خیاطی, قابلیت هدایت, و مقاومت در برابر خوردگی برای برنامه های کاربردی از هواپیماهای هوافضا تا الکترونیک مصرفی.

مسیرهای پردازش اولیه شامل ریخته گری است, نورد گرم و سرد, اکستروژن, جعل, و روشهای پیشرفته مانند شکل گیری نیمه جامد و تولید افزودنی.

آلیاژهای قابل درمان با گرما (2xxx, 6xxx, 7سری xxx) از طریق سخت شدن بارش قدرت کسب کنید, در حالی که سریال غیر قابل درمان است (1xxx, 3xxx) به سختگیری کار اعتماد کنید.

نقاط قوت عملکرد معمولی 100-550 MPa, و هدایت حرارتی به 205 پوند/متر · k می رسد, ساخت آلومینیوم به یک اسب بخار در نقش های سینک و ساختاری.

3.2 منیزیم (Mg)

آلیاژهای منیزیم تمایز کمترین چگالی را در بین فلزات ساختاری نگه دارید (1.74 g/cm³), ارائه 33 پوند % صرفه جویی در وزن در مقابل آلومینیوم.

سیستم های اصلی آلیاژ - AZ (zn -mg), من (al -mn), و ZK (Zn -Zr -MG)- قدرت معقول و منطقی (عملکرد 120-300 MPa) با قابلیت بازیگری و مقاومت خزش.

ساختار کریستالی بسته بندی شده شش ضلعی آنها ، شکل پذیری دمای اتاق را محدود می کند; تولید کنندگان به طور معمول داغ, با خطاب, یا از جعل گرم برای جلوگیری از شکستگی شکننده استفاده کنید.

جوش زدن اصطکاک و تولید افزودنی آلیاژهای منیزیم مناطق تحقیقاتی فعال باقی مانده است, به عنوان فشار بخار بالا و واکنش پذیری در زیر گرمای شدید چالش هایی را ایجاد می کند.

علیرغم حساسیت خوردگی در محیط های شور یا مرطوب, پوشش های محافظ و طراحی آلیاژ عمر خدمات در اجزای خودرو و هوافضا را گسترش می دهد.

3.3 تیتانیوم (از)

آلیاژهای تیتانیوم قدرت خاص قابل توجهی را نشان می دهد - به 240 MPA · cm³/g - و این عملکرد را در دمای بالا حفظ کنید (تا 600 درجه سانتی گراد), ویژگی هایی که زیر استفاده از آنها در موتورهای جت و گیاهان شیمیایی است.

آلیاژها در سه کلاس قرار می گیرند: بوها (باستانی, TI -SN), A+B (ti -al -v, به عنوان مثال. TI 6AL-4V), و β (از من, ti -v) سیستم, هر یک بهینه شده برای قدرت, سختی, و شکل پذیری.

پردازش معمولی شامل بازسازی قوس خلاء است, جعل, نورد, و درمان های حرارتی مکانیکی; تولید افزودنی (همجوشی بستر پودر لیزر) به عنوان مسیری برای هندسه های پیچیده با حداقل قراضه ظاهر می شود.

هدایت حرارتی کم تیتانیوم (~ 22 w/m · k) و مقاومت در برابر خوردگی زیاد در محیط های دریا یا کلر ، قدرت مکانیکی آن را تکمیل می کند.

3.4 بریلیم (بودن)

بریلیم یک تراکم فوق العاده کم را ترکیب می کند (1.85 g/cm³) با سفتی زیاد (مدول ~ 287 GPA), به بالاترین سختی خاص همه فلزات ساختاری.

در درجه اول به عنوان آلیاژهای Be -Cu یا Be -Ni یافت می شود, این سختی را تقویت می کند, هدایت حرارتی (200 w/m · k), و استحکام خستگی در تماس های برقی, الکترودهای جوشکاری نقطه, و چشمه های هوافضا.

به دلیل شفافیت آن در برابر تابش یونیزه ، در ویندوزهای اشعه ایکس و آشکارسازهای ذرات سرو می شود.

خطرات سمیت حاکی از پروتکل های دقیق کنترل گرد و غبار و محافظت شخصی در طول ماشینکاری CNC و دست زدن به.

برنامه های تخصصی در سنسورهای روغن و گاز, اجزای نظامی, و تصویربرداری با وضوح بالا از ماهیت غیر مغناطیسی و ثبات ابعادی استفاده می شود.

3.5 لیتیوم (یک)

فقط در 0.53 g/cm³, لیتیوم به عنوان سبکترین عنصر جامد ایستاده است, خاصیتی که نقش مهمی خود را در الکترودهای باتری و آلیاژهای ویژه سوق می دهد.

باتری های لیتیوم یون مصرف می کنند 70 % از مین شده لی, فعال کردن تراکم انرژی بالا (>250 WH/kg) در وسایل نقلیه برقی و الکترونیک قابل حمل.

در متالورژی, افزودنیهای LI به آلیاژهای آلومینیوم یا منیزیم ساختار دانه را تصفیه می کنند, انعطاف پذیری را بهبود بخشید, و چگالی را تا حداکثر کاهش دهید 10 % در حین افزایش سفتی.

فلز لیتیوم همچنین به عنوان شار در جوش درجه حرارت بالا و به عنوان یک معرف در سنتز آلی عمل می کند.

پیشرفت های اخیر در باتری های حالت جامد و لیتیوم-سولفور همچنان به مرزهای ذخیره انرژی مبتنی بر LI ادامه می دهد.

3.6 رسوایی (چیز)

اثر آلیاژ کمیاب اما قدرتمند اسکاندیم قدرت و جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم را بزرگ می کند (تا +20 % قدرت عملکرد) در حالی که چگالی کم دارد (~ 2.99 گرم در سانتی متر مربع).

آلیاژهای آلومینیومی- SC رسوبات ریز و درشت را تشکیل می دهند که مهار تبلور مجدد را مهار می کنند, سازه های دانه فوق العاده ریز و اکستروژن های مقاوم در برابر گرما.

هزینه بالا (بارها >ما $2 000/کلوت) محدودیت SC را محدود کنید (<0.5 دنباله %) به هوافضا به قطعات ساختاری, تجهیزات ورزشی با کارایی بالا, و لامپ های فلزی هالید.

عرضه در حال ظهور از محصولات جانبی غنی از اسکاندیم (به عنوان مثال, باقیمانده معدن اورانیوم) ممکن است دسترسی را گسترده تر کند, تقویت آلیاژهای حاوی SC با دمای بالا و افزودنی جدید.

4. تجزیه و تحلیل مقایسه ای فلزات سبک وزن

4.1 چگالی در مقابل. قدرت خاص

انتخاب مواد سبک وزن اغلب با ترسیم قدرت خاص شروع می شود (مقاومت کششی نهایی تقسیم بر چگالی) در برابر چگالی برای هر فلز.

• لیتیوم به چگالی فوق العاده کم اما قدرت مطلق پایین می رسد; رقیبان قدرت خاص آن یا از فلزات سنگین تر فراتر می رود ($1).
• بریلیم بالاترین قدرت خاص را در بین فلزات ساختاری ارائه می دهد, علی رغم نگرانی های سمیت ، آن را برای مؤلفه های سخت و حساس ایده آل می کند ($1).
• تیتانیوم با چگالی متوسط ​​، قدرت نهایی بسیار بالایی را متعادل می کند, به دست آوردن قدرت خاص عالی برای هوافضا و ایمپلنت های پزشکی ($1).

4.2 سفتی و مدول الاستیک

مهندسان مدول الاستیک را در نظر می گیرند (مدول) نسبت به چگالی برای سنجش سختی خاص:

• بریلیم نسبت مدول به چگالی استثنایی (سفتی خاص) آن را برای ساختارهای دقیق و ویندوزهای اشعه ایکس ارزشمند می کند ($1).
• تیتانیوم, آلومینیوم, منیزیم, و رسوایی خوشه از نزدیک در مدول خاص, اگرچه سفتی مطلق بالاتر تیتانیوم از بارهای سنگین تر پشتیبانی می کند.

4.3 هدایت حرارتی و الکتریکی

هدایت بر استفاده در غرق گرما, بندهای برقی, یا قطعات ساختاری عایق.

• آلومینیوم ترکیب حرارتی و الکتریکی بالا را با چگالی کم ترکیب می کند, ساختن آن به عنوان پیش فرض برای مبدلهای حرارتی و هادی های هدف عمومی ($1).
• تیتانیوم نمایشگاههای کم, مناسب تر برای قطعات ساختاری درجه حرارت بالا که عایق از جریان گرما مفید می شود ($1).

4.4 مقاومت در برابر خوردگی و تولید

رفتار خوردگی و سهولت پردازش بیشتر این فلزات را متمایز می کند:

• آلومینیوم و تیتانیوم لایه های اکسید پایدار را تشکیل دهید, اعطای مقاومت در برابر خوردگی عالی در اکثر محیط ها بدون پوشش اضافی ($1) ($1).
• منیزیم و لیتیوم در شرایط مرطوب یا شور به سرعت خورد; آنها برای تقویت دوام به پوشش های محافظ یا آلیاژ نیاز دارند ($1).
• بریلیم در برابر خوردگی مقاومت می کند اما به دلیل گرد و غبار سمی ، کنترل ایمنی دقیق را در حین ماشینکاری می طلبد ($1).
• رسوایی-آلیاژهای آلومینیومی تقویت شده در حالی که باعث تقویت پالایش دانه می شوند ، شکل گیری و جوشکاری آلومینیوم را حفظ می کنند, اگرچه محدودیت هزینه بالای اسکاندیم استفاده گسترده است ($1).

فرآیندهای تولید نیز متفاوت است:

• ماشین کاری: نرخ آلومینیوم 67 پوند % از فولاد برش آزاد, منیزیم 25 پوند %, تیتانیوم 5 پوند % ($1).
• جوش: جوش آلومینیوم و منیزیم به راحتی (با شار و گاز بی اثر برای میلی گرم), تیتانیوم نیاز به محافظ بی اثر دارد; آلیاژهای لیتیوم و اسکاندیم نیاز به کار تخصصی دارند ($1).

این چارچوب مقایسه ای مهندسان مواد را قادر می سازد تا با چگالی فلز سبک وزن مطابقت داشته باشند, قدرت, سفتی, قابلیت هدایت, مقاومت در برابر خوردگی, و تولید در مورد خواسته های برنامه های خاص, متعادل کردن عملکرد در برابر محدودیت های هزینه و پردازش.

5. کاربردهای صنعت فلزات سبک وزن

5.1 بسته بندی تاول دارویی

بسته های تاول دارویی به رطوبت فویل PTP متکی هستند- و سد ضد اکسیژن برای محافظت از مواد فعال در برابر تخریب در طول عمر. تولید کنندگان آلومینیوم لاک آلومینیوم لاک بر روی شبکه های تاول PVC یا PVDC, ایجاد جیب های فردی که استریل را حفظ می کنند تا زمانی که بیماران قرص ها را از طریق فویل فشار دهند.

فویل تاول PTP همچنین دارای ویژگی های آشکار و ضد جعلی است-از جمله میکرو متن, چاپ بارکد پنهان, یا نقش برجسته هولوگرافی-برای افزایش امنیت زنجیره تأمین در داروهای با ارزش بالا.

استحکام سوراخ آن و خصوصیات اشک آور کنترل شده سهولت دسترسی بیماران مبتلا به محافظت در هنگام حمل و نقل و حمل و نقل.

5.2 غذا و قنادی

تولیدکنندگان مواد غذایی و شیرینی سازی از فویل PTP برای بسته های تاول تک گوش از نعناع استفاده می کنند, آدامس, شکلات, و میله های میان وعده.

قابلیت محافظت از نور و عطر و بوی فویل طعم دهنده عطر و طعم, رنگ, و بافت از تولید تا مصرف.

مارک ها قدردانی می کنند که فویل PTP می تواند در برابر عقیم سازی حرارتی و ذخیره سازی طولانی در یخچال بدون سازش مانع مقاومت کند.

دستگاه های تاول زده انعطاف پذیر هر دو فیلم PVC درجه غذا و فویل را کنترل می کنند, فعال کردن خطوط پر سرعت که بخش های جداگانه را با یکپارچگی مهر و موم ثابت بسته بندی می کند.

5.3 لوازم آرایشی و مراقبت شخصی

در مواد آرایشی, کیسه های فویل آلومینیومی بهداشتی را فعال می کنند, بسته های یکبار مصرف برای کرم ها, لولاها, شامپوها, و ماسک صورت.

این نمونه بردارها فشارهای مکانیکی شدید را تحمل می کنند - 1.5 تن در تست های ترانزیت - بدون ترکیدن, حفظ کیفیت محصول تا مصرف مصرف کننده.

کیسه های فویل نیز از زنده پشتیبانی می کنند, چاپ تمام رنگ و اتمام بافتی که از بسته بندی پریمیوم تقلید می کند, افزایش جذابیت برند در درج مجله و کمپین های مستقیم.

فاکتور فرم و محافظت از نور آنها از دوز دقیق و تجربه تازه ای برای لوازم آرایشی در اندازه آزمایش اطمینان حاصل می کند.

5.4 برق و الکترونیک

فراتر از بسته بندی, فوق العاده نازک, فویل آلومینیومی به سبک PTP با خلوص بالا (لاک دار نیست) به عنوان ماده الکترود در خازن های الکترولیتی و کیسه های لمینت لیتیوم یون استفاده می شود.

فویل های خازن برای بهینه سازی خازن و به حداقل رساندن خود تخفیف ، سطح ناخالصی بسیار پایین و کنترل سنج دقیق را تقاضا می کنند.

در کیسه های باتری, فویل آلومینیوم به عنوان یک سبک وزن عمل می کند, بیرونی مقاوم در برابر خوردگی که فیلم های پلیمری چند لایه را مهر می کند, محافظت از سلول ها در برابر رطوبت و آسیب مکانیکی.

5.5 در حال ظهور و طاقچه استفاده می کند

بسته بندی هوشمند و ایمن

• فویل با قابلیت RFID: ادغام آنتن های فوق العاده نازک در لمینت های فویل امکان ردیابی در زمان واقعی و احراز هویت محصولات با ارزش بالا را فراهم می کند.
• هولوگرافی ضد جعل: هولوگرام های برجسته یا چاپ شده بر روی سطح فویل PTP داروهای جعلی و کالاهای لوکس را از بین می برد.

لوازم الکترونیکی رسانا و چاپی

• مدارهای چاپی: الکترونیک انعطاف پذیر از هدایت فویل برای ایجاد سنسورهای چاپی و اتصال به کارتهای پزشکی یکبار مصرف استفاده می کند.
• مصرف انرژی: سطوح فویل به عنوان بسترهایی برای سلولهای خورشیدی با فیلم نازک یا ژنراتورهای تریبوالکتریک در نمونه های بسته بندی هوشمند خود با نیروی خود عمل می کنند.

قالبهای تاول ویژه

• تاول های فیلم کامپوزیت: ترکیب فویل PTP با فیلم های سد مانند PET با روکش اکسید آلومینیوم ساختارهای هیبریدی را برای API های فوق العاده حساس بازده می دهد.
• روکش های تخریب پذیر: کارآزمایی های تحقیقاتی برای کاهش زباله های پلیمری از مهر و موم های زیستی استفاده می کنند, فعال کردن بسته های تاول پایدار.

این برنامه های کاربردی برش تکامل فویل آلومینیوم PTP از بسته بندی ساده مصرف کننده گرفته تا یک بستر مادی چند منظوره نوآوری در سراسر صنایع را نشان می دهد.

6. نتیجه گیری

فلزات سبک - آلومینیوم اسپانیایی, منیزیم, تیتانیوم, بریلیم, لیتیوم, و اسکاندیم - مهندسی مدرن قدرتمند با ارائه ترکیبات متناسب با چگالی کم, قدرت خاص, مقاومت در برابر خوردگی, و عملکرد حرارتی یا الکتریکی.

بخش های هوافضا و خودرو از این ویژگی ها برای افزایش کارآیی و کاهش انتشار استفاده می کنند, در حالی که الکترونیک است, دستگاه های پزشکی, و تجهیزات ورزشی ویژگی های فلزی خاص برای کاربردهای تخصصی.

پیشرفت های مداوم در توسعه آلیاژ, تولید افزودنی, و تنوع زنجیره تأمین بیشتر استفاده از فلزات سبک را گسترش می دهد, رانندگی پایداری و نوآوری در صنایع.