机械工程材料9

第九章有色金属及其合金引言第一节铝及其合金第二节铜及其合金第三节钛及其合金第四节镁及其合金第五节锌及其合金第六节轴承合金引言

除黑色金属(钢、铁)以外的所有金属，称为有色金属（又称非铁合金）。可分为：轻金属(密度<4.5g/cm3):Al、Mg、K、Ca、Ti等。重金属(密度>4.5g/cm3):Cu、Ni、Zn、Sn、Pb、Co等。贵金属：Au、Ag、Pt等。稀有金属：W、Ti、Mo、V、Nb等。放射性金属：Ra、Th、U等半金属：Si、Ge、B等。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.材料占汽车净重比AlFe塑料其它橡胶磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纤维各种材料在先进汽车中占的重量百分比一、工业纯铝

1.纯铝的特性铝：原子序数为13，原子量为26.98，面心立方结构，熔点660℃，密度2.702，晶格常数4.05Å，原子直径2.86Å，标准电极电位－1.67V高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为50～100Å，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。纯铝除在氧化性的浓硝酸(80～98％)中有极高的稳定性外(优于Ni—Cr系不锈钢)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。第一节铝及其合金良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。高的导电性：位于银、铜、金之后。高的导热性：热交换器。无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。低强度、高塑性：强度为80MPa-130MPa，延伸率30-50%，铝箔。2.铝中杂质主要杂质为Fe和Si，其次有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等。Fe、Si含量及相对比例(铁硅比)对纯铝性能有很大影响。铝中存在很少的铁或硅时就出现FeAl3或β(Si)，它们性质硬脆，使纯铝塑性变差，尤其针状的FeAl3影响更甚。硅含量控制要求更严格，铝中铁硅比不当时，会引起纯铝铸锭产生裂纹。FeAl3、α、β相的电位比铝高，破坏了纯铝表面氧化膜的连续性，因而降低了纯铝的耐蚀性，同时也降低了纯铝的导电性。3.纯铝的牌号旧标准新标准LG1、LG2、LG3、LG4、LG5L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-18A06：Al：余量、Si≤0.55、Cu≤0.10、Mg≤0.10、Zn≤0.10、Mn≤0.10、Fe：0.000～0.500、FeSi：0.000～1.500注：单个:≤0.05;合计:≤0.151A85、1A90、1A93、1A97、1A99、1060、1050A、1035、8A06、1A30、1100

LG1、LG2、LG3、LG4、LG5、L2、L3、L4、L6、L4-1、L5-14.纯铝的应用高纯铝主要用于科研、化学工业、电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。1A50食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉

1A60要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途

1070用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具

1A45包装及绝热铝箔，热交换器

1A99电解电容器箔，光学反光沉积膜二、铝合金美F-117隐身战斗机

(所用材料大部分是铝合金)高比强铝合金机翼二、铝合金

纯铝的强度和硬度很低，不宜做工程结构材料，向铝中加入适量Si、Cu、Mg、Zn等元素（主加元素）和Cr、Ti、Zr、B、Ni等元素（辅加元素），组成铝合金，可提高强度并保持纯铝的特性。（一）分类（二）热处理（三）变形铝合金（四）铸造铝合金二、铝合金铝合金变形铝合金（一）分类铸造铝合金不可热处理强化铝合金可热处理强化铝合金（二）热处理二、铝合金1.退火1）再结晶退火2）低温退火3）均匀化退火§8.1铝及其合金

形变铝合金的退火*消除应力,硬度不变(低温退火)。*消除加工硬化,降低硬度,便于冷塑性加工(再结晶退火)。

铸造铝合金的退火*消除应力;均匀成分(均匀化退火)。2.淬火（固溶处理）固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。3.时效时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。加热固溶淬火过饱和时效析出（三）变形铝合金1.防锈铝合金2.硬铝合金3.超硬铝合金4.锻铝合金二、铝合金二、铝合金防锈铝合金(LF)Al–Mn

通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。例:LF21。

Al–Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。例:LF2、LF6等。卫星天线（LF2）汽化器(热交换管为LF21)汽车零部件材料选用举例防锈铝合金在汽车上的应用油箱、导管、线材、轻载荷骨架等

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，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。2.硬铝合金(LY)主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。例如：LY1、LY11、LY12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)3.超硬铝合金(LC)属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金。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4.锻铝合金(LD)

Al-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.如LD5、LD6、LD10。压气机叶片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金常用牌号有LD7(2A70)、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。（四）铸造铝合金

铸造铝合金常用来制作铸件，要求具有良好的铸造性能。因此，铸造铝合金的成分应接近共晶点，必须具有一定量的共晶组织，其合金元素的含量也较形变铝合金多些。铸造铝合金的塑性差，常采用变质处理和热处理的办法提高其力学性能。包括：Al-Si系：代号为ZL1+两位数字顺序号Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号Al-Zn系：代号为ZL4+两位数字顺序号1.铸造铝–硅合金(ZL101～ZL111)活塞(裙部为铝硅合金)ZL102合金的铸态组织（变质前）ZL102合金的铸态组织（变质后）

Al-Si系铸造铝合金又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明。这种合金流动性好，熔点低，热裂倾向小，但粗大针状的硅晶体的存在会严重降低合金的力学性能。因此，在生产中常采用“变质处理”提高合金的力学性能。AI-Si合金相图2.铸造铝–铜合金Al-Cu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。汽缸头常用代号有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。3.铸造铝–镁合金Al-Mg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。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等.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)

4.铸造铝–锌合金Al-Zn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(ZL401)

常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。第二节铜及其合金一、工业纯铜二、铜合金铜管铜与黄铜带纯铜：面心立方晶格，原子量63.54，密度8.9，熔点1083℃,延伸率≥40%工业纯铜的牌号及应用纯铜含铜99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达99.99%—99.9999%，又称为4N、5N、6N铜。工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。无氧铜用“T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。一、纯铜纯铜的性能

导电导热性：高的导电、导热性，仅次于银而居第二位。20℃时铜的电阻率为1.613µΩ•cm，热导率为402W／m·K；银为1.590µΩ•cm，银为419W／m·K。用途：各种导线、电缆、导电牌、电器开关等导电器材和各种冷凝管、散热管、热交换器、真空电弧炉的结晶器等。导电器材用量占铜材总量一半以上。所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。耐蚀性：铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，铜在许多介质中化学稳定性好。铜在大气中耐蚀性良好，暴露在大气中的铜能在表面生成难溶于水、并与基底紧密结合的碱性硫酸铜(即铜绿，CuS04·3Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3·Cu(OH)2)薄膜，对铜有保护作用，可防止铜继续腐蚀。铜在淡水及蒸汽中抗蚀性能也很好。所以野外架设的大量导线、水管、冷凝管等，均可不另加保护。铜在海水中的腐蚀速度不大。铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100℃时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。磁性：为逆磁性物质，磁化率为-0.085×10-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器。铁磁性杂质(Fe、Co、Ni)在铜中呈不溶状态时，即显铁磁性。用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01％以下。铜的机械性能

软态铜：σb=200～240MPa，35～45HB，δ≈50％，ψ达75％。硬态铜：σb≥350～400MPa，110～130HB，延伸率δ=6％。铜为面心立方晶格，滑移系多，变形易，退火态铜不经中间退火可压缩85～95％而不产生裂纹。纯铜在500～600℃呈现“中温脆性”，热加工需在高于脆性区温度下进行。中温脆性是低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，因在中温区它以液体状态存在于晶界，造成热脆，而在较高温度时，由于Pb、Bi在Cu中的固溶度增大，微量Pb、Bi又固溶于铜的晶粒内，不造成危害，从而使塑性又升高。二、铜合金按化学成分可分为：（一）黄铜Cu--Zn（二）青铜除黄铜和白铜外的几乎所有的铜合金（三）白铜Cu--Ni（四）新型铜合金

纯铜中加入Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr等合金元素制成铜合金。铜合金既保持了纯铜优良的性能，又有较高的强度。二、铜合金黄铜制品黄铜棒(一)黄铜以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。黄铜铸件黄铜棒1、普通黄铜铜与锌的二元合金称为普通黄铜。加工普通黄铜的牌号为：H(黄)+表示铜平均百分含量的数字，如H68。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。

单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好,强度高.常用牌号有H59、H62。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普通黄铜的组织特征图单相黄铜H68双相黄铜H59普通黄铜加入Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等合金元素，形成各种特殊黄铜，如铝黄铜、锡黄铜、铅黄铜、锰黄铜等。特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。2.特殊黄铜1）特殊黄铜代号HAl59-3含铝量WAl=3%含铜量WCu=59%2）常用的特殊黄铜海军黄铜---HSn62-1易切削黄铜---HPb59–1

其它特殊黄铜金相组织图ZQSn10–1

其它合金元素含量为1%主加元素锡含量为10%青铜铸造青铜代号：（二）青铜Cu—Sn、Cu—Al、Cu—Be、Cu—Pb、Cu—Si等铜合金，分别为如锡青铜

、铝青铜

、铍青铜、硅青铜等。青铜是铜合金中综合性能最好的合金。表8-6常用青铜的代号（牌号）、力学性能及用途1.锡青铜最古老的铜合金。用于鼎、钟、武器、铜镜等。锡青铜具有良好的耐蚀性、减摩性、抗磁性、低温韧性、弹性和铸件体积收缩率小等，在大气、海水、蒸气、淡水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在亚硫酸钠、酸和氨水中的耐蚀性差。锡青铜有三大用途：⑴用作高强、弹性材料，如作弹簧、弹片、弹性元件。⑵用作耐磨材料。如作滑动轴承的轴套、齿轮等耐磨零件。⑶铸件体积收缩小、耐蚀，用来制作艺术铸件，如铜像等。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)以铝为主加元素的铜合金，铝含量为5~11%。强度、硬度、耐磨性、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。常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。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。2.铝青铜大型水力发电设备中的抗磨环铍青铜即含1.5～2.5％Be的铜合金淬火时效强度高，σb达1250～1500MPa，硬度350～400HB。弹性极限高(700～780MPa)，弹性稳定性好，弹性滞后小，耐蚀、耐磨、耐寒、耐疲劳，无磁性，冲击不发生火花，导电、导热性能好，所以，铍青铜的综合性能优良，但价格较贵。常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。铍青铜用作高级弹性元件(如弹簧、膜片，手表的游丝)，特殊要求的耐磨元件，高速，高压下工作的轴承、衬套、齿轮等。3.铍青铜大型水力发电设备中的抗磨环铍青铜制品普通白铜是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。普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。常用牌号有B5、B19等。用于在蒸汽和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（四)白铜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。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。其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。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

一、工业纯钛

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。美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造1.性能特点1）密度小、熔点高，具有同素异构转变。2）强度低，但比强度高，塑性及低温韧性好，耐蚀性高。3）具有良好的压力加工工艺性能，切削性能较差。4）在氮气中加热可燃烧，因此加热或焊接时使用氩气做保护气。

2.种类及牌号1）根据杂质含量分：

高纯钛（纯度达99.9%）工业纯钛（纯度达99.5）2）工业纯钛牌号：TA+顺序号数字1、2、3表示。3.用途纯钛主要用于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二、钛合金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。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TA0~TA3为工业纯钛。

钛合金泵1、型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。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.强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越.钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体2、型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。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。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3、+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼、铬等。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+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镁及镁合金（一）纯镁镁是—种轻金属。纯镁的密度为1.74g／cm3，熔点为650℃，具有密排六方晶格。镁在氢氟酸、碱和矿物油中的耐蚀性好，但在大气、淡水、海水中的耐蚀性差，室温下镁的塑性较低，冷变形困难，但加热至250℃以上则具有较好的塑性。工业纯镁的编号方法是：代号“M”＋顺序号。纯镁主要用于配制镁合金。此外，还可用作化工、冶金中的还原剂。（二）镁合金在纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素制成镁合金。目前应用的镁合金有Mg-Mn系、Mg–Al-Zn系、Mg–Zn-Zr系、Mg–Re-Zr系，它们可分为变形镁合金和铸造镁合金。1.变形镁合金代号：MB+顺序号2.铸造镁合金代号：ZM+顺序号第六节轴承合金

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。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。一、组织性能要求当轴高速旋转时，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。1.轴承合金的性能要求：1）在工作温度下,应具有足够的抗压强度、疲劳强度和高的耐磨性。2）具有足够的塑性与韧性。3）具有较小的摩擦系数。4）具有良好的磨合性。5）具有良好的抗蚀性。6）具有良好的导热性。7）具有较小的膨胀系数。8）具有良好的抗咬合性。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.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.软基体(或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用,以避免擦伤轴颈。2.组织要求