1、第九章 有色金属及其合金 l在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把其他非铁金属及其合金称为有色金属。 l有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料.材料材料占占汽车净重比汽车净重比AlFe塑料塑料其它其它橡胶橡胶磁磁材料材料玻璃玻璃聚聚碳酸酯碳酸酯TiTi碳纤维碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比第一节 铝及铝合金 l一、纯铝 l纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低(660.4), 导电、导热性能优良。l耐大气腐蚀，易于加工成形 。l具有面心立方
2、晶格，无同素异构转变，无磁性。铝合金制造的机翼纯铝分工业纯铝和高纯铝两类。 Al含量小于99.93%的纯铝称为工业纯铝，牌号为1080、1070、1060等。第一位数字纯铝第二位数字0其杂质极限含量无特殊控制后两位数字纯度。 铝含量大于99.93%的纯铝成为高纯铝，牌号表示为：1 字母 数字 数字铝质量分数中小数点后面的两位数字A表示原始纯铝其他字母表示原始纯铝的改型情况应用：主要用来制作电线、电缆、散热片、配置合金等。1A99、1A97、1A93l铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性 。l铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。
3、铝合金型材铝铸件l二、铝合金的分类l可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。l形变铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.铝合金分类示意图l铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。铝合金的分类变形铝合金（D以左）铸造铝合金（D以右）不能热处理强化铝合金能热处理强化铝合金牌号1）变形铝合金牌号第一位数字+字母+后两位数字区分同一组中不同的铝合金A为原始合金BY为原始合金改型情况铝合金的组别5A02、3A212）铸造铝合金牌号Z+Al+元素符号+数字主加元素百分比主加元素ZAlSi9Mg三、铝合金的热处理 并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。l时效强化是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下
4、某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。 l可热处理强化形变铝合金的热处理方法：固溶处理 + 时效强化或硬化。l固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温加热固溶淬火过饱和时效析出l在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。l时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 l温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。含4%Cu铝合金的时效曲线 时效时间/d时效时间屈服强度时效峰过时效亚时效铝合金的热处理四、铝合金的牌号、性能及用途 l1、变形铝合金l 变形铝及铝合金牌号表示方法
5、l根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。全世界铝的用量百万吨一次生产量二次回收量总用量lGB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号铝合金波纹管铝合金波纹管铝合金制品铝是可以回收利用的金属铝是可以回收利用的金属l 常用变形铝合金l 防锈铝合金l主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。lMn和Mg主要作用是卫星天线（LF2） 提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。l防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，
6、但切削性能差。l不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 汽化汽化器器( (热热交换交换管为管为LF21LF21) )l常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。l常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯 铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。l 硬铝合金l主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。l可进行时效强化，也可进行变形强化。l强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。l常用硬铝合金如LY11 (2A11
7、)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等. 飞机翼梁(腹板为硬铝合金)l 超硬铝合金l属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。l时效强化效果超过硬铝合金.l热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.飞机主起落架l 锻铝合金lAl-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.压气机叶片压气机叶片lAl-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)
8、、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。美F-117隐身战斗机(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼l2、铸造铝合金 包括：lAl- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号lAl-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号lAl-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号lAl-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号l Al-Si系铸造铝合金 l又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明. 57712.7%在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组
9、成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织l加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。lAl-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 活塞(裙部为铝硅合金)l用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。l Al-Cu系铸造铝合金l这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。汽缸头l常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作
10、的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。l Al-Mg系铸造铝合金l这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。l常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等.l主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。鼓风机密封件等(ZL102、301)l Al-Zn系铸造铝合金l这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。大型空压机活塞大型空压机活塞(ZL401)(ZL401)l常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.l主要用于制造形状复杂受力较小的
11、汽车、飞机、仪器零件。第二节 铜及铜合金 l一、铜及铜合金性能特点l纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。 l纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。 热轧铜合金l铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性.l铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。铜管铜与黄铜带l二、黄铜l以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。l黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。l按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。 黄铜铸件黄铜铸件黄铜棒l1、普通黄铜l铜与锌的二元合金称为普通黄铜。l加工普通黄铜的
12、牌号为：H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68。l从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织,分别称单相黄铜和两相黄铜。 普通黄铜的显微组织 单相黄铜 两相黄铜 l单相黄铜塑性好。l常用牌号有H80、H70、 H 68。l适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。l两相黄铜热塑性好, 强度高.l常用牌号有H59、H62。l适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。冷凝器管汽车机油泵衬套l2、特殊黄铜l在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。 l加工特殊黄铜的牌号为：lH(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百
13、分含量, 如HPb59-1. l特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。 黄铜制品黄铜棒黄铜棒l常用牌号有HPb63-3、HAl60-1、HSn62-1、HFe59-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。l主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。 l三、青铜l除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 l加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量l如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).l常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 青铜制品l1、锡青铜l是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。
14、l锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。l锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。 锡青铜锭Cu-Sn相图l常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。l主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)l2、铝青铜l以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。l强度、硬度、耐大型水力发电设备中的抗磨环 磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 l常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn
15、13Fe3Ni2等。l主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。l3、铍青铜l以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。l具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.铍青铜制品l常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。l用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.l普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 l普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。l常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和
16、海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等. 白铜件l四、白铜l以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特殊白铜。l特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。l其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。l常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。l用于制造精密机械、仪表零件及 医疗器械等。康铜热偶白铜型材第三节 钛及钛合金 l一、工业纯钛 l纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti, 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti.l纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。美F-22战机约36%重
17、量的零件用钛合金制造l纯钛主要用于 350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。 钛钢复合反应釜钛管换热器钛制蒸馏塔l二、钛合金l纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.l按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。 钛合金泵l1、型钛合金l主加元素为铝，还有锡、硼等。 l不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相固溶体. l强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀
18、性优越. 钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体l常用牌号有TA5、TA7等 l主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。 钛合金卫星框架钛合金液下泵-Ti合金组织l2、型钛合金l加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。l经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。l这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。钛合金管钛合金管应用l型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。l主要用于350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。钛合金棒钛合金眼镜架钛离心泵l3、+型钛合金l加入的合金元素有铝、钒
19、、 钼 铬等。l可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。钛合金列管式换热器l+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为+时效析出的针状。+钛合金组织+钛合金组织（电镜）l+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等. 生物医用材料飞机压气机叶片第四节 轴承合金 l制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑 作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。l与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装
20、方便等优点。 l一、组织性能要求l当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。l对轴承合金的性能要求： l 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷.l 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合。l 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。l为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点.l当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油 和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用.l软基体 (或
21、质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用, 以避免擦伤轴颈。 l1、锡基轴承合金 l是以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。l二、常用轴承合金l工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。l典型牌号为ZSnSb11Cu6。l(其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的显微组织 l锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过 150 ，价格高。巴氏合金轴瓦l广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。 l2、铅基轴承合金l是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。l典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2。ZPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织(+)共晶基体+方块状SnSb+针状Cu3Sn l铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。l常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。 内燃机轴瓦l锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。表面保护层 减磨层 镍栅层 轴承合金 衬背
