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在现代工业的宏大版图中,铝合金宛如一颗璀璨的明星,闪耀着独特的光芒。从浩瀚宇宙中穿梭的航天器,到广袤大地驰骋的汽车;从人们手中小巧精致的电子设备,到建筑领域里的创新应用,铝合金凭借其卓越的性能,成为了众多行业不可或缺的关键材料。它就像是一位万能的 “多面手”,以轻盈之躯,扛起了工业发展的重任,为各个领域带来了革新与突破,也悄然改变着我们的生活。
铝合金家族庞大,成员众多,依据工艺与成分,可大致分为变形铝合金和铸造铝合金两大 “派系”,每一个派系下面又有更细致的分类,不同种类的铝合金都有自己独特的 “性格”,在不同的领域发挥着关键作用。
变形铝合金,如同一位擅长 “变形” 的高手,能够承受压力加工,通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺,变幻出各种形态和规格,广泛应用于航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等领域。根据能否通过热处理来提高机械性能,它又可进一步分为不可热处理强化型和可热处理强化型。
不可热处理强化型铝合金,不能通过热处理来提升机械性能,只能依靠冷加工变形来实现强化,主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。像 5052 铝合金,就属于 Al - Mg 系的不可热处理强化型铝合金 ,它的使用范围极为广泛,特别是在建筑业中,可谓是不可或缺的存在。其耐蚀性极佳,在盐雾试验中,耐蚀性大于 20 年;延伸率大于 15%,这使得它具有良好的成形加工性能。由于其主要合金元素为镁,还具有优良的抗蚀性和焊接性,常用于制造飞机油箱、油管,以及交通车辆、船舶的钣金件,仪表、街灯支架与铆钉、五金制品、电器外壳等。
可热处理强化型铝合金,则可以通过淬火和时效等热处理手段,显著提高机械性能,包括硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。以 6061 - T6 铝合金为例,它属于 Al - Mg - Si 系合金,具有中等强度,同时具备良好的塑性和优良的耐蚀性,尤其是无应力腐蚀开裂倾向,焊接性也十分优良,在航空航天、汽车制造、建筑等行业中都有广泛应用。比如在汽车制造中,常用于制造卡车的结构件;在建筑领域,可用于塔式建筑的结构部分。
铸造铝合金,采用的是熔融金属充填铸型的方法,从而获得各种规格形状的零件毛坯。它的组织和性能,不仅与化学组成成分密切相关,还受到铸造工艺和热处理方法的影响。根据主要的铸造方式,可分为压铸主导型和砂铸主导型。
压铸主导型铝合金,以 ADC12 为典型代表,属于 Al - Si - Cu 系合金,其中 Si 含量在 9.6 - 12%。它具有出色的流动性,在模具温度 200℃时,流动长度大于 800mm,这使得它能够压铸出薄壁复杂的铸件,最小壁厚可达 0.5mm。而且,其生产效率高,铸件尺寸精度高,表面光洁度好,强度和硬度也较高,在汽车、电子、电机、家电和一些通讯行业等领域应用广泛,比如汽车的发动机零部件、电子设备的外壳等,很多都是由 ADC12 铝合金压铸而成。
砂铸主导型铝合金,如 ZL114A,属于 Al - Si - Mg 系合金,经过 T6 处理后,屈服强度≥270MPa,铸造合格率大于 95% 。它的力学性能及熔铸工艺都很优异,在航空、航天及交通运输等产业需求量很大,像高速铁路接触网棘轮等对强度要求较高的铸造件,就会用到 ZL114A 铝合金。
铝合金之所以能在众多材料中脱颖而出,其独特的物理特性功不可没,这些物理特性就像是它的 “秘密武器”,让它在不同的应用场景中都能大显身手。下面,我们通过列表对比的方式,来详细了解铝合金的密度、导热系数、线膨胀系数、导电率、耐蚀性等关键物理特性,以及它与钢、钛合金的对比情况。
特性 |
典型值 |
对比参考(钢 / 钛合金) |
密度 |
2.7g/cm³ |
钢的 1/3,钛合金的 60% |
导热系数 |
120 - 220W/(m·K) |
纯铝的 50 - 80%,铜的 60% |
线膨胀系数 |
23×10⁻⁶/℃ |
比钢高 2 倍,需配合热障涂层 |
导电率 |
35 - 62% IACS |
纯铝的 60 - 90%,铜的 57 - 110% |
耐蚀性 |
海洋大气腐蚀率 < 0.02mm/a |
需阳极氧化 / 微弧氧化处理提升 |
从密度上看,铝合金的密度仅为 2.7g/cm³,大约是钢密度的 1/3,钛合金密度的 60% 。这一特性使得铝合金在对重量有严格要求的领域,如航空航天、新能源汽车等,具有无可比拟的优势。以飞机为例,使用铝合金制造机身结构,可以大大减轻飞机的重量,从而降低燃油消耗,提高飞行效率。在新能源汽车领域,铝合金的应用也有助于减轻车身重量,增加续航里程。
铝合金的导热系数在 120 - 220W/(m・K) 之间,是纯铝导热系数的 50 - 80%,约为铜导热系数的 60%。这表明铝合金具有良好的导热性能,能够快速传导热量,因此在需要散热的场合,如电子设备的散热器、汽车发动机的冷却系统等,铝合金得到了广泛应用。像电脑 CPU 的散热器,很多就是采用铝合金材质,能够有效地将 CPU 产生的热量散发出去,保证电脑的稳定运行。
在导电率方面,铝合金的导电率为 35 - 62% IACS,是纯铝导电率的 60 - 90%,铜导电率的 57 - 110% 。虽然铝合金的导电率比不上铜,但由于其重量轻、成本低等优点,在一些对导电性能要求不是特别高的场合,如电力传输中的架空电缆等,铝合金也被大量使用。
不过,铝合金的线膨胀系数较大,为 23×10⁻⁶/℃,大约是钢的 3 倍。这意味着在温度变化较大的环境中,铝合金的尺寸变化会比较明显。例如,在航空航天领域,飞机在高空飞行时,温度变化剧烈,铝合金部件的热膨胀问题就需要特别关注,通常会采用热障涂层等技术来解决这一问题。
铝合金的耐蚀性也值得一提,在海洋大气环境下,其腐蚀率小于 0.02mm/a 。铝在空气中会迅速形成一层致密的氧化铝保护膜,这层保护膜能够阻止氧气和水分进一步侵蚀铝合金基体,从而使其具有较好的耐蚀性。但是,在一些特殊环境中,如强酸碱环境,铝合金的耐蚀性就会受到挑战,此时通常需要对铝合金进行阳极氧化、微弧氧化等表面处理,以提高其耐蚀性能。例如,建筑用的铝合金门窗,经过阳极氧化处理后,不仅美观,而且具有更好的耐腐蚀性,能够在户外环境中长时间使用。
除了独特的物理特性,铝合金的机械性能也十分出色,在不同的应用场景中,展现出了可靠的 “机械本领”,从强度到塑性,再到疲劳性能,每一项都关乎着它在各个领域的实际应用效果。
铝合金的强度特性在不同牌号和类型中表现出显著差异,这使得它们能够满足各种不同领域的需求。普通铝合金的抗拉强度范围在 80 - 550MPa 之间,虽然数值看起来跨度较大,但这恰恰体现了其在不同应用场景下的适应性。在一些对强度要求不是特别高,但对成本和加工性能较为关注的领域,如一般的建筑结构件、日常用品的制造等,普通铝合金凭借其适中的强度、良好的塑性、加工性能以及相对较低的成本,成为了理想的选择。
超硬铝,以 7075 - T6 为典型代表,其抗拉强度≥572MPa,展现出了极高的强度。这种高强度使得 7075 - T6 铝合金在航空航天、军事装备等对材料强度要求苛刻的领域得到了广泛应用。在航空领域,飞机的结构件需要承受巨大的应力和复杂的载荷,7075 - T6 铝合金的高强度能够确保飞机在飞行过程中的安全性和可靠性。例如飞机的机翼、机身框架等关键部位,常常会使用 7075 - T6 铝合金来制造,以保证飞机在各种恶劣条件下都能正常运行。
而纳米晶铝合金,作为材料科学领域的前沿研究成果,虽然目前还主要处于实验室阶段,但它却展现出了令人惊叹的强度潜力,其强度已经突破 1GPa。这种超高强度的特性,预示着纳米晶铝合金在未来可能会在一些对材料性能要求极高的领域,如高端航空航天、先进武器装备等,发挥重要作用。一旦纳米晶铝合金能够实现大规模生产和应用,必将为这些领域带来新的变革。
铝合金的塑性指标,是衡量其在受力时发生永久变形而不破坏能力的重要参数,不同类型的铝合金在塑性方面表现各异。压铸铝合金 ADC12,由于其成分和铸造工艺的特点,延伸率通常在 1 - 3% 之间。这意味着 ADC12 铝合金在受力变形时,能够发生的塑性变形量相对较小,在一些对零件形状和尺寸精度要求较高,但对塑性变形要求不高的场合,ADC12 铝合金的这一特性并不会影响其应用。比如在制造一些电子设备的外壳、小型发动机的零部件等,ADC12 铝合金能够通过压铸工艺,精确地成型出各种复杂的形状,满足产品的设计要求。
与 ADC12 铝合金形成鲜明对比的是超塑性铝合金 5083。在高温条件下,5083 铝合金的延伸率能够大于 500% ,展现出了卓越的超塑性。这种超塑性使得 5083 铝合金在一些特殊的加工工艺和应用场景中具有独特的优势。在航空航天领域,对于一些复杂形状的零部件,如飞机的进气道、机翼的某些特殊结构件等,可以利用 5083 铝合金的超塑性,通过超塑成型工艺来制造。在超塑成型过程中,5083 铝合金在高温和特定的应力条件下,能够像液体一样流动,填充到模具的各个角落,从而制造出形状复杂、精度高的零部件,同时还能减少加工工序,提高生产效率。
在实际应用中,很多铝合金构件会受到循环载荷的作用,因此疲劳性能成为了评估铝合金材料可靠性和使用寿命的重要指标。航空铝 2024 - T3 在这方面表现出了一定的特性,其在 10⁷次循环疲劳强度约为 130MPa 。飞机在飞行过程中,机身结构会受到各种交变载荷的作用,如气流的冲击、发动机的振动等,这些载荷会使飞机结构件承受循环应力。2024 - T3 铝合金的疲劳性能,能够保证飞机在长期的飞行过程中,结构件不会因为疲劳而发生突然的断裂,从而确保飞行安全。飞机的机翼蒙皮、机身框架等部位,经常会使用 2024 - T3 铝合金,通过合理的设计和制造工艺,充分发挥其疲劳性能优势,提高飞机的使用寿命和可靠性。
汽车轮毂用铝 A356 - T6 的疲劳性能也备受关注,其疲劳极限约为 0.3σb(σb 为抗拉强度)。汽车在行驶过程中,轮毂会不断地受到路面的冲击和振动,承受着循环载荷。A356 - T6 铝合金的疲劳性能,能够保证轮毂在长期的使用过程中,不会因为疲劳而出现裂纹或断裂,确保汽车行驶的安全性。汽车轮毂采用 A356 - T6 铝合金制造,不仅能够满足其对强度和疲劳性能的要求,还能利用铝合金的轻量化特性,降低轮毂的重量,从而提高汽车的燃油经济性和操控性能。
铝合金凭借其众多优势,在现代工业中占据着重要地位,然而,就像任何事物都有两面性一样,铝合金也存在一些短板,需要我们在应用中加以关注和应对。
在精密压铸方面,铝合金同样表现出色,其壁厚可以达到 0.5mm 。这使得铝合金能够用于制造各种薄壁、复杂的零部件,在电子设备、汽车零部件等领域有着广泛的应用。以电子设备为例,随着电子产品的不断小型化和轻薄化,对零部件的精度和薄壁化要求越来越高。铝合金通过精密压铸工艺,可以制造出手机外壳、电脑散热器等高精度、薄壁的零部件,满足电子产品的设计需求。而且,精密压铸的铝合金零部件表面光洁度高,尺寸精度准确,能够减少后续的加工工序,提高生产效率和产品质量。
激光熔覆技术也是铝合金功能扩展的重要手段之一。通过激光熔覆,铝合金表面可以形成一层硬度大于 800HV 的耐磨层 ,大大提高了其表面的耐磨性能。在机械制造领域,一些需要承受高磨损的铝合金零部件,如发动机的活塞、齿轮等,经过激光熔覆处理后,表面的耐磨层能够有效延长零部件的使用寿命,提高机械设备的性能和可靠性。
铝合金凭借其卓越的性能,在众多领域都有着广泛的应用,成为了推动各行业发展的重要力量。下面,我们就来看看铝合金在新能源汽车、航空航天、消费电子等领域的典型应用场景,以及它是如何发挥性能优势,为这些领域带来革新与突破的。
在新能源汽车领域,铝合金的应用为汽车的轻量化和结构优化提供了有力支持,就像是给汽车装上了 “轻量化翅膀”,让新能源汽车在节能与性能提升的道路上大步迈进。
以特斯拉 Model Y 的一体化压铸底盘为例,这一创新设计堪称铝合金应用的典范。通过采用铝合金一体化压铸技术,将原本需要 70 多个零部件组成的底盘,简化为一个整体铸件,零件数量大幅减少,从 70 个骤减至 1 个 。这不仅极大地简化了生产工艺,减少了生产工序和组装时间,提高了生产效率,还实现了显著的减重效果,底盘重量降低了 30% 。重量的减轻,使得车辆的能耗降低,续航里程得到有效提升,同时也改善了车辆的操控性能,让驾驶更加灵活和舒适。而且,一体化压铸的底盘结构更加稳固,在遭遇碰撞时,能够更好地分散冲击力,避免了因为焊点、焊缝遭受冲击而导致车体被撕裂的情况,大大提升了车辆的安全性。
电池托盘作为新能源汽车电池系统的重要组成部分,也广泛采用了铝合金材料,通常选用 6xxx 系铝合金。铝合金电池托盘具有良好的强度和耐腐蚀性,能够为电池提供可靠的保护,确保电池在各种复杂的使用环境下都能安全稳定地工作。其制造工艺一般采用挤压成型和 FSW 摩擦搅拌焊相结合的方式。挤压成型工艺可以制造出具有复杂截面形状的铝合金型材,满足电池托盘的结构设计要求;而 FSW 摩擦搅拌焊则能够实现高质量的焊接,保证电池托盘的密封性和结构强度。通过这种工艺制造的电池托盘,平面度能够控制在≤1mm/m ,尺寸精度高,能够与电池模组完美匹配,有效地提高了电池系统的整体性能。
在航空航天领域,铝合金更是不可或缺的关键材料,它就像是航空航天领域的 “幕后英雄”,默默地为飞行器的安全与性能保驾护航。
飞机蒙皮是飞机结构的重要组成部分,直接与大气接触,需要具备良好的强度、耐腐蚀性和损伤容限性能。2024 - T3 铝合金是常用的飞机蒙皮材料,其抗拉强度可达 470MPa ,能够承受飞机在飞行过程中所受到的各种气动力和结构应力。同时,它还具有良好的损伤容限设计,即使在受到一定程度的损伤时,也能保证飞机的结构完整性和安全性,不会因为局部损伤而导致整个结构的失效。在飞机的长期飞行过程中,蒙皮会受到气流的冲刷、雨水的侵蚀以及紫外线的照射等,2024 - T3 铝合金的耐腐蚀性能够确保蒙皮在恶劣的环境下长期使用,不会因为腐蚀而降低强度和性能。
火箭燃料箱是火箭的关键部件之一,需要在极端的温度和压力条件下工作,对材料的性能要求极高。2219 - T87 铝合金凭借其优异的性能,成为了火箭燃料箱的理想材料。在 - 253℃的低温环境下,其低温韧性保持率大于 90% ,这意味着在火箭发射和飞行过程中,当燃料箱内的燃料处于极低温状态时,2219 - T87 铝合金仍然能够保持良好的韧性,不会因为低温而变脆,从而保证燃料箱的结构安全,防止燃料泄漏等事故的发生。同时,2219 - T87 铝合金还具有良好的焊接性能和抗疲劳性能,能够满足火箭燃料箱复杂的制造工艺和长期使用的要求。
在消费电子领域,铝合金的应用则为产品带来了更好的质感、性能和外观设计,成为了消费电子产品提升品质和竞争力的 “秘密武器”。
手机中框作为手机的重要结构部件,不仅需要具备一定的强度和硬度,以保护手机内部的零部件,还需要具有良好的外观质感和加工性能,以满足消费者对手机外观的审美需求。7xxx 系铝合金因其高强度和良好的加工性能,成为了手机中框的常用材料。通过 CNC 加工工艺,可以精确地加工出各种复杂的形状和精细的细节,满足手机中框的设计要求。同时,纳米注塑技术的应用,使得铝合金中框与塑料部件能够实现良好的结合,提高了中框的整体性能和外观质量。经过这些工艺处理后的手机中框,表面粗糙度 Ra<0.8μm ,表面光滑细腻,质感十足,为手机增添了高端大气的外观品质。
散热器是消费电子产品中不可或缺的部件,它的作用是将电子产品运行过程中产生的热量及时散发出去,以保证电子产品的正常运行和性能稳定。1050 铝合金由于其纯度较高,导热性能良好,成为了散热器的理想材料。在制造散热器时,1050 铝合金可以被加工成各种形状和结构,以提高散热效率。其中,翅片厚度可达 0.1mm ,这种薄壁翅片结构能够增加散热器的散热面积,提高散热效率。在电子产品运行时,热量能够迅速通过铝合金散热器传导到翅片上,然后散发到周围空气中,确保电子产品在长时间运行过程中不会因为过热而出现性能下降、死机等问题。例如,电脑 CPU 散热器、手机散热器等,很多都是采用 1050 铝合金制造,为电子产品的稳定运行提供了有力保障。
在铝合金的应用过程中,如何根据具体需求选择合适的铝合金材料,是实现最佳性能与成本平衡的关键。下面,就为大家介绍一些铝合金选型的黄金法则,帮助大家在众多的铝合金牌号中找到最适合的那一款。
当对产品的重量有严格要求,且需要承载一定结构的情况下,7xxx 系铝合金是不二之选。7xxx 系铝合金以其超高的比强度,成为了追求轻量化设计的首选材料。在航空航天领域,飞行器的结构件需要在保证强度的同时,尽可能减轻重量,以提高飞行性能和效率。7075 铝合金作为 7xxx 系的代表,其比强度高达 220MPa・cm³/g ,超越了钛合金,被广泛应用于飞机的机翼、机身框架等关键结构件的制造。在新能源汽车领域,为了提高续航里程,减轻车身重量也是至关重要的。7xxx 系铝合金在汽车底盘、车身结构件等方面的应用,能够有效降低车身重量,提升汽车的能源利用效率。
如果产品需要在腐蚀环境中使用,特别是海洋环境等恶劣条件下,5xxx 系铝合金凭借其出色的耐蚀性脱颖而出。5xxx 系铝合金主要合金元素为镁,镁含量在 3 - 5% 之间,这使得它具有良好的抗蚀性。在海洋环境中,铝合金会受到海水的侵蚀、盐雾的腐蚀以及潮湿空气的影响,而 5xxx 系铝合金能够在这样的环境下保持稳定的性能,不易被腐蚀。例如,在船舶制造领域,5083 铝合金常用于制造船体结构件、甲板等,能够有效抵御海水的侵蚀,保证船舶的使用寿命和安全性。在一些沿海地区的建筑项目中,5xxx 系铝合金也被广泛应用于门窗、幕墙等部位,能够在潮湿的海洋性气候中保持良好的外观和性能。
对于散热器件来说,铝合金的导热性能是关键因素。1xxx 系铝合金由于其纯度较高,通常大于 99.7%,具有良好的导热性能,成为了散热器件的理想选择。在电子设备领域,如电脑 CPU 的散热器、手机的散热模块等,都大量使用了 1xxx 系铝合金。以 1050 铝合金为例,它的导热性能优异,能够快速将电子设备运行过程中产生的热量传导出去,保证设备的正常运行。在制造散热器时,1050 铝合金可以被加工成各种形状和结构,如翅片式散热器,通过增加散热面积,进一步提高散热效率。而且,1xxx 系铝合金的成本相对较低,在满足散热性能要求的同时,还能控制成本,具有较高的性价比。
在一些对成本较为敏感的通用壳体制造等领域,ADC12 铝合金以其较低的压铸综合成本成为了首选。ADC12 铝合金的压铸综合成本小于 15 元 /kg ,在保证一定强度和性能的前提下,能够有效降低产品的生产成本。在电子设备的外壳制造、一些小型家电的外壳制造等领域,ADC12 铝合金被广泛应用。它通过压铸工艺,可以制造出各种形状复杂、尺寸精度高的壳体,满足产品的设计需求。而且,ADC12 铝合金的生产效率高,能够快速大量地生产产品,进一步降低了生产成本。同时,它的表面质量较好,不需要进行过多的后续加工,也节省了加工成本。
为了更准确地选择铝合金材料,实现性能与成本的最优解,建议配套使用 JMatPro 软件进行合金成分仿真优化。JMatPro 软件是一款功能强大的材料性能模拟软件,它可以对铝合金的各种性能进行精确计算和模拟,包括强度、硬度、塑性、疲劳性能、热膨胀系数、导热系数等。通过输入不同的合金成分和工艺参数,JMatPro 软件能够预测铝合金在不同条件下的性能表现,帮助工程师优化合金成分和工艺,选择最适合的铝合金材料。在研发新型铝合金材料时,工程师可以利用 JMatPro 软件进行虚拟实验,快速筛选出具有潜在优势的合金成分和工艺方案,大大缩短研发周期,降低研发成本。
建立全生命周期成本(LCC)评估模型也是非常重要的。全生命周期成本评估模型考虑了铝合金材料从原材料采购、生产加工、使用维护到最终报废回收的整个过程中的成本。在选择铝合金材料时,不能仅仅关注材料的初始采购成本,还要考虑其在使用过程中的维护成本、能源消耗成本以及报废回收成本等。通过建立全生命周期成本评估模型,可以对不同铝合金材料的总成本进行全面评估,选择总成本最低的材料方案。在建筑领域,对于铝合金门窗的选材,虽然一些高性能铝合金材料的初始采购成本较高,但如果其具有良好的耐久性和低维护成本,从全生命周期成本的角度来看,可能反而更加经济实惠。
铝合金,凭借其独特的分类体系、优异的物理与机械性能、显著的优势以及广泛的应用领域,已然成为现代工业不可或缺的关键材料。从新能源汽车的一体化压铸底盘,到航空航天领域的飞机蒙皮与火箭燃料箱,再到消费电子的手机中框与散热器,铝合金的身影无处不在,它正以其卓越的性能推动着各个行业的发展与变革。
在未来,随着科技的不断进步,铝合金的应用前景将更加广阔。在新能源汽车领域,随着对续航里程和性能要求的不断提高,铝合金将在车身结构、电池系统等方面发挥更大的作用,助力新能源汽车实现更高效、更安全的发展。航空航天领域,对飞行器性能和安全性的追求永无止境,铝合金也将不断创新和优化,以满足航空航天领域日益严苛的要求。在消费电子领域,随着产品的不断升级换代,铝合金将继续为产品的轻薄化、高性能化提供有力支持,为消费者带来更好的使用体验。
为了更好地发挥铝合金的性能优势,我们需要不断深入研究其特性,持续优化生产工艺,加强表面处理技术的研发,以提高铝合金的综合性能。同时,要积极探索铝合金在新领域的应用,拓展其应用边界。在铝合金的选型过程中,要严格遵循选型黄金法则,根据具体需求选择最合适的铝合金材料,并借助 JMatPro 软件等工具进行合金成分仿真优化,建立全生命周期成本评估模型,以实现性能与成本的最优解。
相信在未来,铝合金将在科技创新的驱动下,不断突破自身的局限,为人类社会的发展做出更大的贡献。让我们共同期待铝合金在未来科技发展中绽放出更加耀眼的光芒!
(来源:铝合金熔铸研讨)
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