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材料大变天?苹果15pro、小米14、三星S24已启用钛合金边框,是镁合金加入这场商战的时候了!毕竟更轻更好加工~

材料大变天?苹果15pro、小米14、三星S24已启用钛合金边框,是镁合金加入这场商战的时候了!毕竟更轻更好加工~ 文镁科技
2023-11-13
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跟随遥遥领先的步伐,苹果发布了iPhone15系列手机,轻量化是这次15pro最大的亮点(os:论轻金属,镁合金才是头把交椅),钛合金边框首次亮相智能手机。(事实上,苹果并不是最早一批选择钛金属造手机的厂商。2010年,酷派发布了一款型号为「N930」的智能手机,整个背部、中框都采用了钛金属材料。)

本文旨在营销镁合金,看是否也能成为主流手机厂牌的天选之子,为了证实我们的想法,除了找对比资料之外,也采访了轻金属和表面处理的专家,综合来说,镁合金还是非常有竞争力的......


回顾苹果发布会,不得不感叹真的是演讲的盛宴:举重若轻的表达,恰到好处的语音语调,把苹果15pro从14pro从称手的家伙优化成板砖这件事讲得无与伦比的精彩。


转念一想,确实轻量化对于手机来说已经是一个硬需求了。请看VCR:



演讲原文:
我们很兴奋为大家推出,精美绝伦的全新钦金属设计:这是我们为iPhone外边框采用的最为高端的材质。钛金属不仅坚固耐用,同时也更轻盈,从而成就了我们迄今最轻的Pro机型。你一拿起来就能感觉到,钛金属看起来真的太美了。全新弧形边沿质感出众,这也是iPhone迄今最窄的边框:这使我们能够缩小 iPhone 尺寸的同时,不影响显示屏的大小。总而言之:更轻的机身和新的边沿,让 iPhone 15 Pro 拿着就让人爱不释手。

格雷格·乔斯维亚克(Greg Joswiak)-现任苹果全球营销高级副总裁


苹果公司的材料科学工程师伊莎贝尔·杨(Isabel Yang)首次介绍了iPhone15 Pro和iPhone15 Pro Max上全新采用的钛合金材质。她表示,Pro 机型采用了全新的内部结构框架,使用户更容易进行维修,并且可以轻松更换背面玻璃。




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用钛合金的理由:

巧妙平衡重量和坚固

2021年1月,苹果公司就获得了“给钛金属进行半光泽处理方法”专利。该专利涉及将喷砂和蚀刻与化学阳极氧化工艺相结合的过程,以达到预期的表面效果;2022年5月,苹果又获得“钛合金上创造纹理表面的工艺”专利授权。

早前,供应链爆料称,iPhone 15 Pro、iPhone 15 Pro Max将首次采用钛金属中框。而在发布会上这两款新机型上配备的钛金属中框,属于五级钛合金(下文Part4有解析),硬度为330~390 HV。



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材料大变天?
苹果15pro、小米14、三星S24已启用钛合金,

是镁合金加入这场商战的时候了!毕竟更轻更好加工~

官方标语强调:“钛金属,坚固轻盈,pro得真材实料”,钛金属的价格并不贵,但成本更贵制作程序更复杂,比镁合金加工难度高多了。同为轻质金属材料,为什么不用镁合金?而用钛合金?


为此,我们找到了惠普信息技术研发有限公司 RD 表面处理专家李永军想了解一下,这泼天的富贵有没有可能落到镁合金头上?

Q镁合金在性能上是否适合做手机边框?都是外壳,现在高端电脑用镁合金外壳,手机是否也可以做镁合金外壳? 钛合金的加工挺难的,我们的机床在加工钛合金方面有没有什么优势?

A首先镁合金做中框还是钛合金做中框都是可以的,以前手机、电脑都设计过,没有问题。钛合金的优势是它表面比较光洁,致密度好,但它的缺点第一个是密度比较大拿起来比较重;第二个就是钛合金的加工没有优势比较浪费工时。


镁合金更有优势,一个是它比较轻,同时它又能达到相应的硬度和支撑,不易折弯,镁合金另外一个优点是比较易加工它可以铸造,也可以CNC,都很方便。



Q那在整体成本上,哪个更划算呢?
A在整体成本上,镁合金当然非常的有优势,第一个他可以用Thixo molding也就是镁合金半固态触变铸造的形式把它做出来,效率特别高,CNC可以做一些周边的修复,而不是全部用CNC铣出来;第二个利用Thixo molding镁合金可以做非常复杂的内部结构,来支持设计者做更好的内部布局的变化。从成本的角度来讲,镁合金成本更低 ,大概是钛合金的60%。



03
镁合金or钛合金

简单818他们的特性

钛合金由于其生物相容性好,常用在医疗领域。今天就来简单扒一扒镁合金和钛合金这两种材料的特性,做个对比:

物理性能对比表

强度和硬度对比:
硬度:钛合金>镁合金
强度:钛合金>镁合金

钛合金和镁合金比强度高,但钛合金价格昂贵,加工性不好,因此要综合考虑重量和强度的结构件,多采用镁合金。

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金,其次是镁锰合金和镁锌合金。镁合金因其优良的铸造、挤压、切削和弯曲加工等性能,可以广泛地应用于汽车、电子、纺织、建筑和军事领域。



钛合金
钛是20世纪80 年代走向工业化生产的一种重要金属,也是一种对经济和国防具有重要意义的新型金属。钛合金与镁合金相似,它密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点,在航空航天和军事领域中获得了广泛应用,包括军用、民用飞机、航空发动机、导弹、舰艇、核反应堆以及轻型火炮等。

钛是同素异构体,熔点为1668℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛;在882℃以上呈体心立方晶格结构,称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素而得到不同组织的钛合金。室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金,我国分别以TA、TC、TB表示。


它的密度一般在4.51g/cm3左右,仅为钢的60%,一些高强度钛合金超过了许多合金结构刚的强度,因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。


部分钛和钛合金的力学性能

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等。在美国,已有5种β钛合金被推荐至医学领域,即TMZFTM(TI-12Mo-Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo,适于作为植入物植入人体,如人造骨骼,血管支架等。

TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、血管支架、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。
钛合金制品可以通过压铸和机械加工方法得到。钛合金熔化温度很高,对于模具钢材要求也较高。钛合金机械加工的方法很多,主要包括:车削、铣削、镗孔、钻削、磨削、攻丝、锯削、电火花加工等。

钛合金机械加工性能同样不佳。切削加工时切削力只是略高于同等硬度的钢,但大多数钛合金热导率很低,只有钢的1/7,铝的1/16,因此切削产生的热量不会迅速散走,聚集在切削区域,导致刀具刃口迅速磨损,崩塌和生成积屑瘤。



镁合金

熔点是650℃:熔点比铝合金熔点低,压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当,一般可达250MPa,最高可达600多MPa。


密度小(1.8g/cm3左右):强度高。镁合金是最轻的金属结构材料,比重只有1.8,分别为铝的2/3和铁的1/4,其比强度高达133,这使得镁合金可用作高强度材料。高强度镁合金的比强度甚至可以和钛相媲美。

弹性模量大:消震性好,在弹性范围内,镁合金受到冲击载荷时,吸收的能量比铝合金件大一半,所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。具有良好的压铸成型性能,压铸件壁厚最小可达0.5mm,适应制造汽车各类压铸件。镁合金件稳定性较高,压铸件的铸造性加工尺寸精度高,可进行高精度机械加工。


它的散热相对于合金来说有绝对的优势,对于相同体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器,某热源生产的热量(温度)镁合金比铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度,顶部更容易达到高温。

但镁合金线膨胀系数很大,达到25~26μm/m℃,而铝合金则为23μm/m℃,黄铜约20μm/m℃,结构钢12μm/m℃,铸铁约10μm/m℃,岩石(花岗岩、大理石等)仅为5~9μm/m℃,玻璃5~11μm/m℃,应用在热源处时一定要考虑温度对结构尺寸的影响。



变形镁合金

变形镁合金有很高的比强度、比刚度和塑性,是航空航天领域中最有前途的金属结构材料之一,座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用镁理合金制件。有研究表明采用镁合金部件代替铝合金,可以解决铝合金机翼的疲劳问题。


目前,对于镁合金的研究和开发已基本成熟,多个品牌的变形镁合金已经开发出来。例如:耐热镁合金、耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强韧镁合金以及超轻变形Mg-Li合金。

其中,镁锂合金的研究十分活跃,美国、日本、俄罗斯在理论和应用开发方面都做了不少研究,我国也有一些单位进行前期研究,如东北大学和哈尔滨工业大学。目前主要应用在歼击机和枪械方面,如喷气式歼击机“洛克希德F-80”以及“B-36”轰炸机都应用这类镁合金。

耐热镁合金目前主要在往稀土镁合金方向研究,如美国开发的QE22和 WE44镁合金具有相当高的高温强度,已运用到直径1m的“维热尔”火箭壳体的制作上,提高了其飞行性能。

阻燃镁合金目前的研究也在向稀土化方向发展。这方面上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发出加入铍和稀土元素的镁合金,已成功的应用到了轿车变速箱壳盖的工业试验。



镁合金的应用举例
一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架,使其坚固耐用,手感好;手机电话,笔记本电脑的壳体;在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳和散热部件上使用镁合金;汽车方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配支架等要求重量轻而强度大的结构件。



镁合金压铸方向盘骨架
按成型方法分为变形镁合金铸造镁合金两类:
镁合金牌号以英文字母+数字+英文字母的形式表示。前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号(元素代号如下表规定),其后的数字表示其最主要的合金组成元素上下极限值的平均值。最后面的英文字母为标识代号,用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。

镁合金常用牌号有AZ31B、AZ31S、AZ31T、AZ40M、AZ41M、AZ61A、AZ61M、AZ61S、AZ62M、AZ63B、AZ80A、AZ80M、AZ80S、AZ91D、AM60B、AM50A、M1C、M2M、M2S、ZK61M、ZK61S、ME20M、LZ91、LZ61、LZ121、LA141、LA191、LAZ933、LA81、LA91、LAZ931、MA18、MA21、MA14等。



04
镁价格划算、碳中和、零排放......

发布会上的一些专业名词解释


除了专业问题,我们还整理了关于发布会上苹果15pro的名词和一些常见的问题向文镁科技轻量化研究院副院长宿宁博士解答:

Q全新外边框采用5级金属,比纯钛的抗拉强度更高,这句话怎么理解呢?
A这句话可以理解为新的外边框材料采用了一种称为5级金属的材料,而这种材料在抗拉强度上超过了纯钛。这说明这种5级金属比纯钛更能承受拉力,更具强度和耐久性。

Q里面提到一个5级钛金属的概念,镁合金属于几级?
AG5级钛金属通常指的是钛-6铝-4钒(Ti-6Al-4V)合金,其中钛含量为90%,铝含量为6%,钒含量为4%。这种合金具有较高的强度、耐腐蚀性和热处理性能,广泛应用于航空航天、汽车、医疗和化工等领域。

镁合金的分类没有统一的级别标准,通常采用不同的合金元素含量或性能指标来进行区分。常见的镁合金有AZ系列(如AZ31、AZ61、AZ91等)和AM系列(如AM60、AM50等)。这些合金根据不同的成分比例和热处理工艺,具有不同的力学性能、耐腐蚀性和加工性能。镁合金主要应用于航空航天、汽车、电子设备等领域,以其优秀的轻量化性能而受到关注。

Q为什么苹果说再生铝合金可以达到0碳排放,再生铝合金是什么?
A再生铝合金是由废铝合金材料和废旧铝或含铝的废料,经过重新熔化后提炼而得到的铝合金或铝金属。而原生铝则是用开采铝矿得到的铝矿石,通过电解槽提炼出的纯铝。相比原生铝,再生铝的强度、硬度、韧性和抗氧化性能更强,使用寿命更长。苹果之所以宣称再生铝合金可以达到0碳排放,是因为再生铝的生产过程相比原生铝减少了开采和提炼矿石的环节,从而减少了能源消耗和碳排放。此外,再生铝的生产还可以利用废旧铝材料,减少了铝废弃物对环境的污染。

Q再生镁合金和再生铝合金性能和碳贡献有什么区别?
A密度小镁合金的密度约为1.8g/cm³,约为铝合金的2/3,因此同等体积的条件下镁合金比铝合金更轻。
比强度高镁合金的比强度(强度与密度的比值)高于铝合金,这意味着在同等强度要求下,镁合金可以做得更轻。
弹性模量大镁合金的弹性模量比铝合金大,这意味着镁合金在承受外力时变形更小,刚性更好。
散热性好镁合金的散热性能优于铝合金,相同体积和形状的镁合金和铝合金散热器,镁合金更容易将热量从根部传递到顶部,提高散热效率。
抗震减噪性好镁合金在弹性范围内吸收能量的效率高,可以作为装甲使用,同时可以降低机器运行时的噪音。
耐腐蚀性好含有稀土元素的镁合金具有良好的抗腐蚀能力。

Q进一步谈谈钛金属的铝金属基底结构,通过固态扩散接合,采用全新的热机械工艺,将两种金属以超高压力接合,内部的铝金属与钛金属外边框产生协同性能,有助于散热和进一步减轻重量。这个技术是怎么理解呢?直接用镁或镁铝相结合有什么区别,在碳中和里面有什么作用,因为苹果打了一个0排放的概念。
A这个技术可以理解为通过固态扩散接合和全新的热机械工艺,将新设计的铝金属基底结构与钛金属外边框以超高压力的方式进行接合。该技术的主要目的是实现铝金属和钛金属之间的协同性能,并在材料的散热和重量减轻方面提供优化效果。

具体来说,这项技术有以下特点和作用:

固态扩散接合通过高温下两种金属接触并施加压力,使得原子间发生扩散,形成稳定的连接界面。这种固态扩散接合的方法,相对于传统焊接或粘接方法,可以提供更坚固和可靠的连接,同时避免了熔化和液态相的存在。
全新的热机械工艺该技术使用全新的热机械工艺,通过超高压力的方式将铝金属基底结构与钛金属外边框接合。这种工艺可能包括加热、压力施加、冷却等步骤,以确保接合界面的稳定性和结合强度。
协同性能通过将铝金属基底结构与钛金属外边框接合,可以实现两种金属之间的协同作用。例如,在散热方面,铝金属具有良好的导热性能,而钛金属则具有较高的强度和耐腐蚀性能。通过组合两种金属的优点,可以提高整体散热效果和材料的机械性能。
减轻重量采用铝金属基底结构与钛金属外边框的超高压力接合,可以进一步减轻材料的重量。铝金属相对较轻,而钛金属也具有较低的密度。通过结合这两种材料,并在接合过程中实现高度紧密的连接,可以有效减轻整体结构的重量。

相比于直接使用镁或镁铝相结合,采用新设计的铝金属基底结构与钛金属外边框的接合技术具有以下区别:
材料性能铝金属具有良好的导热性能和成型性,而钛金属具有较高的强度和耐腐蚀性能。通过接合这两种材料,可以发挥它们各自的优点,并提供更多方面的性能优化。
接合强度采用固态扩散接合和超高压力接合的方法,可以获得更高的接合强度和接合质量,确保材料在使用过程中的稳定性和可靠性。

在碳中和领域,常见的技术包括碳纤维增强复合材料等,可以通过与铝金属基底结构和钛金属外边框的接合相结合使用,以实现更好的材料性能和重量减轻效果。

最后,关于苹果提出的零排放概念,这与具体的技术结合应用可能存在关联,零排放概念通常涉及减少或消除对环境产生的有害排放物的释放。在材料设计和制造中,通过使用轻量化材料、优化能源利用等技术,可以减少产品的整体排放量,从而达到零排放的目标。

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策划编辑:梅艳南

文字整理:吴姬慧

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