Metalltetthet: Diagram, sammenligning, effekt i CNC-maskinering

Fysiske egenskaper ved metaller er alltid viktige, enten det er relatert til maskinering eller faktisk bruk. Tetthet er en fysisk egenskap ved metaller som har stor betydning når det gjelder bruksområder. For eksempel, med hensyn til luftfart, er tettheten til metaller ekstremt avgjørende fordi den påvirker drivstofforbruk og hastighet direkte. Denne artikkelen dekker tettheten til forskjellige metaller i detalj og hvordan den påvirker maskineringen av respektive metaller.

Hva er tettheten til metaller?

I vitenskapelige termer er tetthet masse per volumenhet. Det beskrives som: Enkelt sagt betyr tetthet hvor tettpakket atomer er i strukturen. Metaller der et stort antall atomer er tettpakket, føles tyngre. For eksempel veier kobber- og Al-kuber av samme størrelse forskjellig. Cu er tungt sammenlignet med Al fordi tettheten er høyere på grunn av de store, tettpakkede atomene.

Er tetthet en iboende eller ytre fysisk egenskap?

Tetthet er en iboende egenskap ved metaller. Det betyr at det er den grunnleggende egenskapen til materialet som ikke avhenger av mengden materiale. For eksempel vil en liten kube av Al eller en stor blokk av Al ha samme tetthet.

Enheter brukt til å måle metalltetthet

De vanlige enhetene som brukes for å angi tetthet er g/cm³ ^eller kg/m³ ^. Tetthet måles vanligvis i g/ ^cm³.

Hvordan beregne tettheten til et metall?

Det er veldig enkelt å beregne tettheten til metaller. To nødvendige ting for å beregne tettheten er masse og volum.

Formel for beregning av tetthet

Formel:

Tetthet = Masse/Volum

• Masse er mengden materie som er tilstede i metallet

Det kan være i gram (g) eller kilogram (kg).

• Volum er plassen som metallet opptar

Kan være i ^cm³ eller ^m³

Tetthetsdiagram for vanlige metaller

Tabellen nedenfor viser tettheten til forskjellige metaller. Metaller med en tetthet på 1–5 g/cm3 regnes som lette metaller og brukes ofte i luftfartssektoren. Etter hvert som tettheten øker, blir metallene tyngre. Det er viktig å merke seg at titantetthet er mye omtalt fordi det er mye brukt i noen avanserte industrier som presisjonsdeler.

Hva er vanlige metaller etter tetthet?

Basert på tetthet er metaller kategorisert i tre kategorier: metaller med lav tetthet, middels tetthet og høy tetthet. Disse metallene blir deretter maskinert og brukt i forskjellige applikasjoner deretter.

Lavdensitetsmetaller

Metaller med 1–5 g/cm³ ^er metaller med lav tetthet. Det betyr at disse metallene er svært lette. I dette området kommer Al, Zn, Mg, Ti og Fe. Krystallstrukturen til disse metallene er forskjellig, men har fortsatt lavere tetthet. Al (kvaliteter 6061 og 7075) og Ti (kvaliteter Ti-6Al-4V og Ti-5Al-2.5Sn) er de vanligste metallene innen luftfartssektoren. Disse metallene brukes i hovedkomponenter i et fartøy for å øke drivstoffeffektiviteten.

Når det gjelder CNC-maskinering, styrer ikke tetthet selve maskineringen. Den kan imidlertid påvirke materialenes maskinbarhet indirekte. Materialer med lav tetthet, som kunstig intelligens, kan være enkle å skjære på grunn av mindre skjærekraft.

Metaller med middels tetthet

Metaller som stål, Cu, Ni og messing er metaller med middels tetthet som kommer i området 7–9 g/cm³ ^. Stål med middels tetthet, som AISI 1045-stål, brukes hovedsakelig i trykkbeholdere og konstruksjonsdeler. Inconel 718 brukes i turbinblader og komponenter til luftfartsmotorer. C36000-messing brukes i varmevekslere og elektriske kontakter.

Disse metallene er viktige, men viser ulik CNC-maskineringsatferd. Messing og stål er enkle å maskinere , mens nikkel er svært vanskelig. Derfor varierer skjæreparametrene mye når et metall endres.

Metaller med høy tetthet

For det meste faller metaller og superlegeringer for heiskonstruksjon i denne kategorien. Disse metallene brukes under tøffe forhold, som strålingsskjerming, høytemperaturytelse osv. For eksempel brukes W-Cu-legering i motvekter innen luftfart. Det er et veldig hardt og sprøtt metall, så maskinering er ekstremt vanskelig. Et annet eksempel er at Pb-Sb-legering brukes i strålingsskjerming, men den er veldig myk og duktil, så høy maskineringsevne.

Tetthet av rene metaller vs. metalllegeringer

Tetthet er en iboende egenskap ved metaller. Det er den grunnleggende karakteristiske egenskapen; det betyr at den forblir den samme uavhengig av mengden materiale, men den endrer seg fra materiale til materiale. Rene metaller og metalllegeringer har forskjellige tettheter fordi rene metaller bare er ett materiale, mens det i legeringer er mer enn ett materiale, så tettheten er forskjellig for rene metaller og metalllegeringer.

Tetthet av rene metaller

I rene metaller, som rent jern eller Al, finnes det bare én type atom og krystallstruktur. Tettheten beregnes basert på atommassen og hvor tett de er pakket i en krystallstruktur (BCC, FCC eller HCP, osv.). Så tettheten i rene metaller er fast og forutsigbar, slik som tettheten til rent Al er 2.70 g/cm³ ^. Her er en tabell over tettheten til vanlige rene metaller:

Tetthet av metalllegeringer

Metalllegeringer er laget av mer enn én type grunnstoff. For eksempel er det to hovedbestanddeler i W-Cu. Siden atommassen til forskjellige grunnstoffer er forskjellig, påvirker dette direkte den totale tettheten. Det er derfor metalltetthetslegeringene stadig endres etter hvert som typen legeringselementer endres. En annen grunn er at hvert grunnstoff resulterer i en endring i pakningsfaktoren til atomene. Nedenfor er tettheten til vanlige metalllegeringer.

Hovedforskjell: Forutsigbar og variabel tetthet

Den viktigste forskjellen med hensyn til tetthet mellom rene metaller og metalllegeringer er prediksjonen og variasjonen av tetthet.

Tetthet av Metaller vs. ikke-metaller

Generelt har metaller høyere tetthet sammenlignet med ikke-metaller på grunn av atompakkingsfaktorer. For eksempel har metaller et tetthetsområde på 0.5–22 g/cm³ ^, og keramikk har <3 g/ ^cm³.

Styrke-til-vekt-forhold

Styrke-til-vekt-forholdet er forskjellig med hensyn til tetthet for metaller og ikke-metaller. Metaller, som Ti, har et høyere styrke-til-vekt-forhold. Men i ikke-metaller, som i plast, har styrke-til-vekt-forholdet et høyere styrke-til-vekt-forhold. Plast viser et veldig lavt styrke-til-vekt-forhold, men karbonkompositter viser et veldig høyt styrke-til-vekt-forhold.

Stivhet-til-vekt-forhold

Generelt sett har ikke-metaller et høyere stivhets-til-vekt-forhold sammenlignet med metaller. Til syvende og sist avhenger det av materialtypen. For eksempel viser polymerer lav stivhet i forhold til vekt, men kompositter viser et svært høyt stivhets-til-vekt-forhold.

Vektkritiske applikasjoner

I vektkritiske applikasjoner foretrekkes generelt metaller på grunn av deres høyere styrke-til-vekt-forhold. For det meste har ikke-metaller et dårlig styrke-til-vekt-forhold, og er derfor ikke foretrukket i vektkritiske applikasjoner.

Sammenligning av maskinbarhet

Materialtetthet kan påvirke maskinbarheten, men det er ikke den direkte faktoren for CNC-maskinering. Generelt er tettheten til metaller høyere enn ikke-metaller. Og dette kan påvirke skjærekraften og verktøyslitasjen.

I tillegg til tettheten, presenterer tabellen nedenfor forskjeller basert på maskinbarhet mellom metaller og ikke-metaller.

Faktorer som påvirker metalltettheten

Dette er noen faktorer som direkte og indirekte påvirker metalltettheten:

Atommasse

Atommasse er vekten til et grunnstoff. Den vanligste enheten er gram per mol (g/mol). Atommassen til hvert grunnstoff er forskjellig. For eksempel er atommassen til C 12 g/mol, og for Fe er den 56 g/mol. Det er faktisk vekten til et grunnstoff. Når atommassen endres, endres tettheten til metaller direkte.

Atomarrangement

Det finnes mange krystallstrukturer, for eksempel kroppssentrert kubisk (BCC), flatesentrert kubisk (FCC) og heksagonal tettpakket (HCP). Atomarrangementet i hver krystallstruktur er forskjellig. For eksempel, i BCC-metaller er atomene tettpakket, så tettheten til BCC-metaller er høyere sammenlignet med FCC-metaller, der atomene er mindre tettpakket.

Legeringskomposisjon

Legeringssammensetning betyr elementene som er tilstede i legeringen. Stål, en legering av enkle Fe- og C-elementer, har en annen krystallstruktur, og derfor er atompakkingsfaktoren forskjellig fra ren Fe. Tettheten varierer derfor basert på elementene som er tilstede i legeringen.

Temperatur

Ved høye temperaturer blir metaller myke fordi atomer eksiteres med stigende temperatur. For å stabilisere seg beveger atomer seg raskt, slik at det dannes vakanter. Når det dannes vakanter, reduseres tettheten til metaller. For eksempel, i stål, i austenittisk stadium (912 °C), reduseres tettheten fra 7.86 g/cm³ ^til 7.7 g/ ^cm³.

Under CNC-maskinering går ikke temperaturen til det området der det oppstår vakanser og reduserer tettheten. Derfor påvirker ikke CNC-maskineringen tettheten.

Trykk

Trykkets rolle er motsatt av temperaturens når det gjelder tetthet. Når trykket øker, øker tettheten til metaller. Når trykk brukes, komprimeres gitteret, atomavstanden reduseres, slik at tettheten øker. For eksempel, når et trykk på 500–800 MPa brukes, øker tettheten med 7.87–7.9 g/cm³ ^. Men ved CNC-maskinering er ikke trykket opp til denne verdien, så metalltettheten endres ikke.

Så konklusjonen er at CNC-maskinering ikke påvirker tettheten til metaller i det hele tatt.

Fordeler med CNC-maskinering som ikke påvirker metalltettheten

CNC-maskinering er kjent for sin presisjon i maskinering av deler. På grunn av automatisert maskinering er sjansen for feil lavere sammenlignet med manuell maskinering. Men med hensyn til tetthet gir CNC-maskinering følgende fordeler.

Forutsigbar vekt på deler

Under CNC-maskinering når ikke temperaturer og trykk den verdien der tettheten reduseres eller øker, så tettheten forblir den samme gjennom hele maskineringen. Derfor forblir vekten på delene forutsigbar.

Støtte for lettvektsdesign

Lettmetaller, som Mg, kan enkelt bearbeides på CNC-maskiner. Tetthet har derfor ingen innvirkning på bearbeidingen av lettmetaller.

Bedre kvalitetskontroll

For å oppnå topp kvalitet på produktene er det bedre å teste tettheten til metallene før de brukes i de respektive applikasjonene. Kvalitetskontroll resulterer i høyere presisjon i maskinering og mer effektiv ytelse.

Hvordan tetthet påvirker CNC-maskinering

CNC-maskinering påvirker ikke tettheten til metaller, noe som betyr at tettheten forblir den samme etter maskineringsprosessene. La oss se hvordan tetthet påvirker parametrene til CNC-maskinering.

Skjærekraft

Siden tettheten avhenger av atomenes atompakningsfaktor. For eksempel, i Al, er det en FCC-krystallstruktur. Atomene er mindre tettpakket, så tettheten deres er lav, dvs. 2.70 g/cm3 ^, sammenlignet med Ti, som har en HCP og en tetthet på 4.50 g/cm3. En høyere pakningsfaktor fører til høyere styrke, så høyere skjærekrefter kreves for å maskinere Ti sammenlignet med Al.

Verktøyslitasje

Høy tetthet av et metall betyr høy styrke og høy hardhet på grunn av den atomare pakningsfaktoren. Så verktøyslitasje er høyere i tilfelle av metaller med høy tetthet, som wolfram.

Materialfjerningshastighet

Materialfjerningshastigheten (MRR) er også knyttet til metallenes styrke og hardhet, som påvirkes direkte av tetthet. I samme situasjon, på grunn av lavere tetthet, er materialfjerningshastigheten høyere for Al sammenlignet med W, som har en høyere tetthet.

Tips for optimalisering av deler basert på metalltetthet

Enkelte faktorer kan justeres for å optimalisere delene basert på metalltetthet. Denne optimaliseringen er noen ganger nødvendig for å unngå material-, tids- og pengetap.

Velg de riktige metallene

Metallene bør velges basert på kravene til applikasjonene. Hvis kravet for eksempel er styrke-til-vekt-forhold, velges metaller med lavere tetthet. Det er derfor Ti ofte brukes i luftfartsindustrien.

Optimaliser geometrien til deler

Deler kan optimaliseres gjennom geometri. For eksempel reduserer det vekten betydelig å lage lommer i delene.

Balansert vektfordeling

Når metaller med ulik tetthet kombineres, for eksempel i konstruksjonen til et fly, er balansen i vektfordelingen svært kritisk. Den kontrollerer direkte turbulens og vibrasjon. Derfor bør metallene velges med omhu med hensyn til tetthet og plassering i konstruksjonen.

Konklusjon

Metalltettheten er en iboende egenskap og er definert som masse per volumenhet. Metaller opptil 4 g/cm³ ^regnes som metaller med lav tetthet, de med en tetthet på opptil 8 g/cm³ ^er metaller med moderat tetthet, og de med en tetthet på mer enn 8 g/cm³ ^er tungmetaller. CNC-maskinering påvirker ikke metalltettheten fordi temperatur og trykk ikke går opp til det området der det genereres vakanser, og tettheten reduseres. Men metalltettheten påvirker CNC-maskineringsparametere indirekte fordi den kontrollerer mekaniske egenskaper, som styrke og hardhet. Å forstå metalltetthet kan optimalisere deler med høy presisjon og høy kvalitet.

I praktiske anvendelser kan metalltetthet påvirke vekten på deler og innstillingen av skjæreparametere. Tuofa spesialiserer seg på tilpassede presisjonsmetalldeler . Hvis du trenger tilpasset CNC-maskinering, kan du kontakte Tuofa for et raskt tilbud.

FAQ

Hvilket metall har den høyeste tettheten?

Osmiummetall har den høyeste tettheten av metaller. Den er omtrent 22.58 g/ ^cm³.

Hvilket metall har den laveste tettheten?

Litiummetall har den laveste tettheten av metaller. Den er omtrent 0.53 g/ ^cm³.

Hva er tyngre, stål eller kobber?

Kobber er et tungmetall fordi tettheten er høyere enn stål, dvs. 8.96 > 7.87 g/ ^cm³.