第八章 有色金属及其合金.docx

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第八章有色金属及其合金

第8章

有色金属及其合金

教学基本内容：

1、铝及铝合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用；

2、铜及铜合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用；

3、钛及钛合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用。

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

1、掌握铝、铜合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用；

2、熟悉合金元素对铝、铜合金的显微组织、热处理性能和使用性能的影响

3、了解钛及钛合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用。

教学重点及难点：

1、重点：

1）铝、铜合金的合金化的目的和热处理工艺；

2）铝、铜合金的分类、成分与性能特点及选择。

2、难点：

1）铝、铜合金合金化的机制；

2）铝、铜合金热处理工艺的制定。

教学方法及手段：

1、PPT讲解；

2、课堂讲解。

作业、讨论题、思考题：

1、论述铝合金、铜合金的合金化的目的和热处理工艺？

2、综述铝合金、铜合金的应用现状？

第八节与够眶摩擦___________________________________________________________________________________________________________________________有色金属及其合金

第一节铝及铝合金

一、纯铝

1、性能

1）用量最大的有色金属、银白色；

2）面心立方晶体、塑性好：

δ=50%，ψ=80%，适于形变加工；

3）熔点低660℃、密度小（2.7g/cm3）为铁的1/3，是一种轻金属材料；

4）导电性和导热性较好，仅次于银和铜；

5）对大气有良好的耐蚀性（Al2O3），但对酸、碱、盐的耐蚀性差；

6）强度低бb=80-100MPa，冷塑变后提高到бb=150-200MPa。

2、用途

工业纯铝很少用于制造机械零件，多用于制作电线、电缆及要求热导、抗蚀且受轻载的用品或器皿。

3、牌号

L+数字

序号，数字愈大其纯度愈低；

“铝”

二、铝合金的分类及热处理

合金化：

在铝中加入某些合金元素所形成的合金。

最大特点比强度高（强度/密度之比），可用作受力构件和零件。

防锈铝合金（热处理不能强化）

硬铝合金（热处理能强化铝合金）

形变铝合金超硬铝合金（热处理能强化铝合金）

铝合金锻造铝合金（热处理能强化铝合金）

铸造铝合金

三、铝合金的热处理

1）固溶热处理（淬火）

目的在水中快速冷却，获得过饱和铜（或其它合金元素）的α固溶体组织。

2）时效

经固溶热处理的合金在室温（自然时效）或加热至一定温度放置（人工时效），随时间廷长因第二相（如CuAl2）的弥散析出，使强度提高、塑性降低的现象称为时效强化，这种热处理方法称为时效。

四、常用铝合金

1、形变铝合金

1）防锈铝合金（LF）-----200Mpa左右

（1）成分

为Al-Mn系、Al-Mg系合金，Mn、Mg的主要作用是固溶强化和提高耐蚀性。

（2）热处理：

不能进行时效强化，常采用冷变形方法提高其强度/

（3）代号：

“LF+序号”，LF是“铝防”的汉语拼音字首，例、LF5。

（4）应用：

主要用于制作蒙皮、容器和装饰等抗蚀构件。

2）硬铝（LY）-----300-480MPa

（1）成分：

Al-Cu-Mg系合金，加入元素铜、镁形成强化相。

（2）热处理与性能

经固溶-时效处理，能获得相当高的强度，故称“硬铝”；但抗蚀性差，采用“包铝”提高抗蚀性能；

（3）代号：

“LY+序号”，“LY”是“铝硬”的汉语拼音字首；例、LY11

（4）应用：

主要用于制作发动机叶片、滑轮等有一定强度要求的零件和构件。

3）超硬铝（LC）-----600MPa

（1）成分：

Al-Cu-Mg-Zn系合金，加入元素铜、镁、锌形成更多的强化相。

（2）热处理

固溶处理-人工时效，其室温强度最高；采用“包铝”提高抗蚀性能。

（3）代号：

“LC+序号”，“LC”是“铝超”的汉语拼音字首，例、LC4。

（4）应用：

多用于制造受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架等。

4）锻铝（LD）-----400Mpa以上

（1）成分与性能

Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金，特点：

多元素少量；

且具有良好的热塑性、铸造和锻造性能，适合压力加工。

（2）热处理：

固溶处理-人工时效强化后，仍保持较高强度。

（3）代号：

“LD+序号”，“LD”是“铝锻”的汉语拼音字首；例、LD5。

（4）应用：

多用于制造受重载荷的锻件和模锻件。

2、铸造铝合金

1）成分：

具有良好的铸造性能，其成分接近共晶点。

2）热处理

（1）变质处理；

（2）固溶处理（淬火）+自然（人工）时效，提高其综合力学性能；

3）代号

ZL（铸铝）+序号（1××-硅系；2××-铜系；3××-镁系；4××-辛系）

例，ZL109---表示铸造铝硅合金。

4）常用铸造铝合金牌号、性能和应用

代号

性能

应用

ZL109

硅铝明

铸造性好、但力学性能低、бb=140MPa、δ=4%。

形状复杂的零件：

仪表、气缸体、水（油）泵壳体等。

ZL201

具有较高的耐热强度。

内燃机气缸盖、活塞等高温（300℃以下）工作的构件。

ZL301

具有较好的耐蚀性能、高强度，但铸造性和耐热性差。

泵体、船舰配件等大气或海水中工作的构件。

ZL401

具有较高的强度、铸造性好、价格便宜，但耐热性差。

汽车、飞机上形状复杂的构件。

第二节铜及铜合金

一、纯铜（紫铜）

1、主要性能

1）观呈紫红色，又称紫铜；纯铜密度为8.9g/cm3；熔点1083℃；导电性和导热性优良；无磁性；碰撞冲击时无火花；

2）很好的化学稳定性，在大气、淡水、冷水中具有很好的耐腐蚀性；但在海水、氨盐、氯化物、碳酸盐及氧化性酸中抗蚀性差，表面产生绿色的碱式碳酸铜薄膜，即铜绿。

3）强度较低，但塑性极好，可加工成铜箔；但纯铜加工硬化指数高，故通过冷变形强化效果好；而且其低温韧性好，焊接性能优良。

2、应用

主要用于导电导热及兼有耐蚀性要求的结构件，如电机、电器、电线电缆、电刷、防磁机械、化工换热及深冷设备等，也用于配制各种性能的铜合金。

3、牌号

按其纯度不同有四个牌号:

T1（99.95%Cu）、T2（99.90%Cu）、T3（99.7%Cu）、T4（99.5%Cu），其常用作导电，一般铜材及制铜合金。

二、铜合金

1、铜的合金化

通过合金元素固溶、淬火时效和形成过剩相来强化材料，提高合金的性能。

主要固溶强化元素有Zn、Sn、Ai、Mn、Ni等；Be、Ti、Zr、Cr等为常用的沉淀强化元素。

2、铜合金的分类

按成形方法分类：

变形铜合金及铸造铜合金。

按化学成分分类：

黄铜、青铜和白铜三大类。

1）黄铜

（1）成分：

在铜中主要加入合金元素锌所形成的合金。

（2）分类

按其成分分为：

普通黄铜和特殊黄铜，普通黄铜是由铜和锌组成的二元合金，特殊黄铜是在普通黄铜中加入其它合金元素组成的多元合金；

按加工方法分为：

压力加工黄铜和铸造黄铜。

（3）合金元素对黄铜性能的影响

当Zn<32%时，黄铜组织为单相α固溶体，Zn%↑→强度↑、塑性↑，可进行冷、热加工；

当32%

当Zn>45%时，Zn%↑→强度↓、塑性↓。

加入Al、Sn、Ni、Mn等进一步提高合金强度和耐蚀性；

加入Si、Pb等可提高耐磨性。

（4）黄铜的牌号

普通黄铜：

H70

含铜量的百分数

“黄”

特殊黄铜：

HPb59-1

主加合金元素含量的百分数1%Pb

含铜量的百分数

主加合金元素

“黄”

铸造黄铜：

ZCuZn38

含Zn38%；

普通黄铜合金

“铸”

（5）黄铜的性能和应用

бb≈320-600MPa，δ≈50%，价格便宜，因此日用品都用黄铜；

工程上制造弹壳、散热器、冷凝器管道等构件；

特殊黄铜可用于制造防海水浸蚀的船舶机械零件，如轴承、齿轮、螺旋桨叶和仪表，化工用耐蚀零件等。

（6）经冷加工的黄铜制品存在残余应力，易发生应力腐蚀开裂，需进行去应力退火；

2）青铜

是指黄铜和白铜以外的其它铜合金。

其中铜锡合金称为锡青铜，其它青铜称特殊青铜。

一般说，青铜的耐磨性比黄铜好，所以在机械制造中青铜用的比较多。

（1）牌号

压力加工：

Q+主加合金元素符号及其含量＋其它合金元素含量

例ＱSn6.5-0.1――代表Sn=6.5%,P=0.1%的锡青铜

铸造合金：

ZCuSn10Pb1。

（２）青铜分类、性能及应用

Ａ、锡青铜

①锡青铜在大气、淡水、海水和水蒸汽中具有良好的耐蚀性，但在酸类及氨水中其耐蚀性较差；

②Sn<7%的锡青铜为α单相固溶体，塑性好，适于压力加工；

③Sn>7%的锡青铜，由于塑性差，只适于铸造加工，且铸造性能一般（流动性差，易形成疏松，组织不致密，但收缩小）；

4青铜的耐磨性好；

5力加工锡青铜多用于制造导电弹性元件和轴瓦、轴套等耐磨零件；

6铸造锡青铜一般用于铸造气密性要求不高的铸件和艺术品。

B、铝青铜-----在铜中主要加入合金元素铝所形成的铜合金。

①比黄铜和锡青铜具有更高的强度、耐磨性和耐蚀性，并易于获得致密的铸件；

②Al=5%--7%的铝青铜塑性好，一般为压力加工铝青铜，如ZQAl9Mn2；主要用作强度和耐磨性较高的耐磨零件（齿轮、蜗杆、轴套等）；

③Al=8%-10%的铝青铜塑性低，一般为铸造铝青铜（如QAl5、Qal7）；主要用作仪器、仪表中的耐蚀弹性零件。

C、铍青铜------在铜中主要加入合金元素铍所形成的铜合金。

①铍青铜经固溶时效处理强化后，其强度бbmax=1250MPa，δ=2%--4%，疲劳抗力高，弹性好：

②而且抗蚀、耐热、耐磨等性能均好于其它铜合金；

③导电性和导热性优良，而且具有无磁性、受冲击时无火花等优点；

④主要用于制造精密仪器、仪表的弹性元件、耐磨零件等。

第三节钛及其合金

一、纯钛

1、性质

1）钛在地壳中蕴藏丰富，仅次于铝、铁、镁而居第四。

2）纯钛为银白色金属，相对密度4.54，也是一种轻有色金属。

钛熔点高（1680℃）、线膨胀系数小。

3）具有同素异物转变。

4）纯钛弹性模量低，耐冲击性好；强度与铁相似（бb=220-260MPa），比强度很高，且具有很高的塑性（δ=50-60%），钛的固溶强化显著，бb可高达550MPa，因此工业纯钛可直接用作工程结构材料。

5）钛具有较好的低温塑性，在550℃以下有较好的耐热性，故钛还常用作低温材料和耐热材料。

6）在大气、海水、高温气体（550℃以下）及中性和氧化性介质中具有极高耐蚀性，高于不锈钢；

但高温高浓度盐酸和硫酸、干燥氯气、氢氟酸和高浓度磷酸等介质对钛有较大的腐蚀作用。

2、纯钛的应用

工业纯钛（α-Ti）因其密度小，耐蚀性优异，而更重要的是其力学性能良好，因此是航空航天、船舶、化工等工业中常用的一种结构材料。

常用于制造350℃以下及超低温下工作的受力较小的零件及冲压件，如飞机蒙皮、构架、隔热板、发动机部件、柴油机活塞、连杆及耐海水等腐蚀介质下工作的管道阀门等。

二、钛合金及分类

1、热处理

1）退火：

提高合金塑性和韧性，消除应力及稳定组织；

2）淬火时效：

相变强化合金。

2、钛合金的性能特点与应用

1）α型钛合金

（1）牌号：

TA5、TA6、TA7

（2）组织：

α单相固溶体或α固溶体加微量金属间化合物；

（3）热处理：

不能热处理强化；

（4）性能：

室温强度较低（бb=850MPa），但高温（500-600℃）强度高，бb=400Mpa；组织稳定，耐蚀性优良，塑性及加工成型性好；具有优良的焊接性能和低温性能；

（5）应用：

常用于制作飞机蒙皮、骨架、发动机压缩机盘和叶片、蜗轮壳以及超低温容器。

2、β型钛合金

1）牌号：

TB1、TB2

2）组织：

亚稳β相；

3）热处理：

淬火时效——沉淀强化效果显著；

4）性能

бb=1300MPa，δ=5%；淬火态塑性韧性很好，冷成型性好；但该合金密度大，组织不够稳定，耐热性差，使用不太广泛。

5）应用：

制造飞机中使用温度不高但要求高强度的零部件，如弹簧、紧固件及厚截面构件。

3.α+β型钛合金

1）牌号：

TC1、TC2、TC3、TC4

2）组织：

α+β（不超过30%）两相；

3）热处理：

930℃固溶淬火+540℃时效2h；

4）性能-----综合机械性能极佳

бb=1300MPa，б0.2=1200MPa，δ=13%；具有良好的耐热性和很好低温性能；

5）应用----是应用最广泛的钛合金。

可用于制造航空发动机压气机盘和叶片，火箭发动机外壳及冷却喷管、飞行器用特种压力容器及化工用泵、船舶零件和蒸汽轮机部件等。

第四节轴承合金

定义：

用于制作轴瓦及其内衬的合金，轴瓦可直接用耐磨合金制成，也可在钢背上浇注（或轧制）一层耐磨合金形成复合的轴瓦。

1、工作条件

周期性负荷、冲击作用；强烈摩擦和磨损；启动、停车时，出现边界润滑或半干摩状态，引起磨损。

2、基本性能要求

（1）足够的抗压强度和疲劳强度；

（2）具有良好的减摩性，磨合性，抗冷焊性和嵌镶性；

（3）有一定的塑性和韧性；

（4）有良好的导热性和小的膨胀系数。

3、组织和结构要求

1）成分

（1）用对钢铁互溶性小的元素组成的合金，如Sn、Pb、Al、Cu、Zn等的合金，其对钢铁材料的粘着性和擦伤性小；

（2）有适量低熔点元素。

产生高温时，展平于摩擦面并形成塑性好的润滑层，减少接触点处的压力和摩擦阻力。

2）组织

●软基体上分布有均匀硬质点；

●硬基体上分布均匀的软质点。

●软基体（或质点）作用：

凹陷、保持润滑油、嵌藏外来硬质点磨粒以免划伤轴颈；

●硬质点（或基体）作用：

耐磨、支承轴的压力、减小轴和轴瓦接触面积。

4.常用轴承合金

1）锡基轴承合金（锡基巴氏合金）：

（1）成分

由Sn-Sb合金基础上添加Cu、Pb等元素形成，属软基体硬质点类。

（2）牌号

主要有ZchSnSb11-6、ZchSnSb8-4、ZchSnSb4-4等，

“Z”表示铸造，“ch”表示轴承合金，后为基本元素（Sn）+主加元素+主加元素含量+辅加元素含量等

例、ZchSnSb11-6表示含11%Sb和6%Cu的Sn基铸造轴承合金。

（3）特点

摩擦系数小、线膨胀小、有良好的工艺性、嵌镶性和导热性、耐蚀性优良；

但其抗疲劳性能较差，运转工作温度应小于110℃，且成本高。

（4）应用

主要用于制作重要轴承，如汽轮机、蜗轮机、内燃机、压气机等大型机器的高速轴瓦等。

2）铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

（1）成分

是Pb-Sb基合金基础上加入Sn和Cu元素形成，为软基硬质点类。

（2）牌号

ZchPbSn16-16-2，表示含16%Sn、16%Sb及2.0%Cu和余量的Pb，它可制成双层或三层金属结构。

（3）特点

高温强度高、亲油性好、有自润滑性、适于润滑较差的场合；而强度硬度、耐磨性、耐蚀性、导热性低于锡基合金，但成本低。

（4）应用

适宜制作中低载荷的轴瓦，如汽车拖拉机的曲轴轴承。

3）铝基轴承合金

（1）成分

可分为Al-Sn系（Al-20%Sn-10%Cu）、Al-Sb系（Al-4%Sb-0.5%Mg）和铝石墨系（Al-8Si合金+3~6%石墨）三类。

（2）特点

铝基轴承合金比重小，导热性好，疲劳强度高，抗蚀性和化学稳定性好，且价格低廉；

（3）应用

适用于高速高载荷下工作的汽车和拖拉机，柴油机的轴承。

4）粉末冶金减磨材料

（1）成分

铁-石墨及铜-石墨多孔含油轴承材料及金属塑料减磨材料。

（2）特点

减摩性好，寿命高，成本低，效率高；且自润滑性优良，材料孔隙能贮润滑油，使其工作时具有长期的润滑性。

（3）应用

该类材料已广泛用于汽车、农机、冶金矿山和纺织机械中的轴承。

5）其他轴承材料

锌基轴承合金，铜基轴承合金、多层轴承合金、非金属材料轴承。