第8章 有色金属2

第九章有色金属材料有色金属：除黑色金属（钢、铁）以外的所有金属材料§1铝及铝合金具有银白色金属光泽，密度2.72g/cm3，熔点660.4℃，具有良好的导电和导热性，其导电性仅次于银和铜。纯铝在空气中易氧化，表面形成一层能阻止内层金属继续被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大气腐蚀性能。纯铝具有面心立方结构，具有极好的塑性和较低的强度（轧成箔片）铸、压力加工、焊和切削加工性能具佳。工业纯铝中含有少量铁、硅等杂质元素，杂质含量增加，其导电性、抗蚀性及塑性都降低。铝合金的分类铝合金的热处理（退火、淬火、时效）退火再结晶退火：T两以上保温一段时间用以消除变形工件的加工硬化，提高塑性，以便继续进行成形加工。低温退火：消除内应力，适当增加塑性。均匀化退火：消除铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性。2、铝合金的淬火将铝合金加热到固溶线以上保温快冷，使第二相来不及析出，得到过饱合、单一的固溶体。淬火后铝合金强度、硬度不高，具有很好的塑性。3、铝合金的时效热处理将淬火后铝合金在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称为~~时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。时效过程中使铝合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。其强化效果是依靠时效过程中所产生的时效硬化现象来实现的。时效的实质，是第二相从过饱和、不稳定的单一α固溶体中析出和长大，由于第二相与母相（α相）的共格程度不同，使母相产生晶格畸变而强化。由图可见：经4~5天时效后，其抗拉强度有了显著提高时效温度越高，强化效果越低。形变铝合金防锈铝（Al-Mg、Al-Mn）——LF，抗腐蚀性和塑性好，做油箱、油管、铆钉等。不可热处理强化。硬铝（Al-Cu-Mg）——LY，机械性能好，抗腐蚀性差;做螺旋桨叶片等。超硬铝（Al-Cu-Mg-Zn）——LC，强度最高，抗腐蚀性差，做飞机大梁、起落架等。锻铝（Al-Mg-Si-Cu）——LD，机械性能和锻造性能好，做锻件、模锻件等。1．防锈铝合金主要系列：Al-Mn系、Al-Mg系防锈铝合金中主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高铝合金的抗蚀能力，并起到固溶强化作用。Mg也可起到强化作用，并使合金的比重降低。防锈铝合金锻造退火后是单相固溶体，抗腐蚀能力高，塑性好。这类铝合金不能进行时效硬化，属于不能热处理强化的铝合金，但可冷变形加工，利用加工硬化，提高合金的强度。

2．硬铝合金硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金，还含有少量的Mn。各种硬铝合金都可以进行时效强化，属于可以热处理强化的铝合金，亦可进行变形强化。合金中的Cu、Mg是为了形成强化相。Mn主要是提高合金的抗蚀性，并有一定的固溶强化作用，但Mn的析出倾向小，不参与时效过程。少量的Ti或B可细化晶粒和提高合金强度。

3．超硬铝合金超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的Cr和Mn。Zn、Cu、Mg与Al可以形成固溶体和多种复杂的第二相，例如MgZn2，Al2CuMg，AlMgZnCu等。所以经过固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度。它是强度最高的一种铝合金。但这种合金的抗蚀性较差，高温下软化快。可以用包铝法提高抗蚀性。超硬铝合金多用来制造受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架等。4．锻铝合金锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。合金中的元素种类多但用量少，具有良好的热塑性，良好的铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。这类合金主要用于承受重载荷的锻件和模锻件。锻铝合金通常都要进行固溶处理和人工时效。铸造铝合金铸造铝合金按照主要合金元素的不同，可分为四类：Al-Si铸造铝合金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu铸造铝合金，如ZL201、ZL203等；Al-Mg铸造铝合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn铸造铝合金，如ZL401、ZL402等。

1．Al-Si铸造铝合金

Al-Si铸造铝合金通常称为硅铝明，硅铝明包括简单硅铝明（Al-Si二元合金）和复杂硅铝明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）。含11～13%Si的简单硅铝明（ZL102）铸造后几乎全部是共晶组织。因此，这种合金流动性好，铸件产生的热裂倾向小，适用于铸造复杂形状的零件。它的耐腐蚀性能高，有较低的膨胀系数，可焊性良好。该合金的不足之处是铸造时吸气性高，结晶时能产生大量分散缩孔，使铸件的致密度下降。由于Al-Si合金组织中的共晶硅呈粗大的针状，使合金的机械性能降低，所以必须采用变质处理。

2．Al-Cu铸造铝合金Al-Cu合金的强度较高，耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松倾向，耐蚀性较差。ZL201的室温强度高，塑性比较好，可制作在300℃以下工作的零件，常用于铸造内燃机汽缸头、活塞等零件。ZL202塑性较低，多用于高温下不受冲击的零件。ZL203经淬火时效后，强度较高，可作结构材料铸造受中等载荷和形状较简单的零件。3．AL-Mg铸造铝合金Al-Mg合金（ZL301、ZL302）强度高，比重小（约为2.55），有良好的耐蚀性，但铸造性能不好，耐热性低。Al-Mg合金可进行时效处理，通常采用自然时效。多用于制造承受冲击载荷，在腐蚀性介质中工作的，外形不太复杂的零件，如舰船配件、动力机械零件等。4．Al-Zn铸造铝合金Al-Zn合金（ZL401、ZL402）价格便宜，铸造性能优良，经变质处理和时效处理后强度较高，但抗蚀性差，热裂倾向大。常用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器零件。§2铜及其合金有优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁性物质。有良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造铜合金有很好的铸造性能。有某些特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜）；高的弹性极限及疲劳极限（铍青铜等）。色泽美观。

一.纯铜纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常称为紫铜。密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4℃，具有优良的导电性和导热性，其导电性仅次于银。主要用于制作电工导体,纯铜在大气、淡水中具有良好的耐蚀性，但在海水中较差。纯铜具有面心立方结构，故塑性好。根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。二、黄铜——Cu-Zn系合金Cu-Zn合金相图α相是锌溶于铜中的固溶体，具有面心立方晶格，塑性好，β′相是以电子化合物CuZn为基的有序固溶体，具有体心立方晶格，性能硬而脆。

单相黄铜：wZn<39%，组织为α，塑性很好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。常用H68、H70、H80，主要用作弹壳和精密仪器；两相黄铜：wZn39~45%，双相黄铜的牌号有H62、H59等，退火状态组织为α＋β＇。由于室温β＇相很脆，冷变形性能差，而高温β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。普通黄铜：Cu-Zn二元合金，代号：H+Cu%如：H68表示含CU68%的铜锌合金。特殊黄铜为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。

特殊黄铜的编号方法是：“H＋主加元素符号＋铜含量＋主加元素含量”。例如：HPb60-1表示平均成分为60%Cu，1%Pb，余为Zn的铅黄铜特殊黄铜可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前加“Z”。例：ZCuZn31Al2表示平均成分为31%Zn，2%Al，余为Cu的铝黄铜。

P179页常用黄铜的牌号、成分、性能和特点及应用。锡黄铜：锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，也可使黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。铅黄铜：铅能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。铅对黄铜的强度影响不大，略为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬套。铝黄铜：铝能提高黄铜的强度和硬度，但使塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性的氧化膜，因而改善黄铜在大气中的抗蚀性。铅黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。硅黄铜：硅能显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。锰黄铜：锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，也能提高在海水中及过热蒸汽中的抗蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件。铁黄铜：黄铜中加入铁，同时加入少量的锰，可起到提高黄铜再结晶温度和细化晶粒的作用，使机械性能提高，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐蚀的零件镍黄铜：镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒，提高机械性能和抗蚀性，降低应力腐蚀开裂倾向。镍黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电机制造工业中广泛应用。三、青铜青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金也叫青铜。所以青铜实际上包含锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类。青铜的编号规则是：“Q＋主加元素符号＋主加元素含量＋其它元素含量。如QSn4-3表示成分为4%Sn、3%Zn、其余为铜的锡青铜。铸造青铜的编号前加“Z”。

1.锡青铜锡青铜的性能受锡含量的显著影响：WSn<8%的锡青铜塑性好，适于压力加工；WSn>10%的锡青铜塑性较低，适于作铸造合金。锡青铜的铸造流动性差，易形成分散缩孔，铸件致密度低，但合金体积收缩率小，适于铸造外形及尺寸要求精确的铸件。良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，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较差。2．铝青铜以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜。铝青铜的强度和抗蚀性比黄铜和锡青铜还高，它是锡青铜的代用品，常用来制造弹簧、船舶零件等。铝青铜可通过热处理进行强化。铝青铜有良好的铸造性能。在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性，耐磨损、冲击时不发生火花等特性。缺点:体积收缩率比锡青铜大，铸件内容易产生难熔的氧化铝，难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定。3．铍青铜以铍为合金化元素的铜合金称为铍青铜。它是极其珍贵的金属材料，热处理强化后的抗拉强度可高达1250～1500MPa，HB可达350～400，远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢媲美。铍青铜的含铍量在1.7%～2.5%之间，铍溶于铜中形成α固溶体，固溶度随温度变化很大，故可以固溶时效强化。铍青铜具有很高的弹性极限、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性，导电、导热性极好，并且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。因此铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，耐磨零件（钟表齿轮，高温、高压、高速下的轴承）及防爆工具等。§3轴承合金滑动轴承合金是指用于制造滑动轴承轴瓦及内衬的材料。

滑动轴承在工作时，承受轴传给它的一定压力，并和轴颈之间存在摩檫，因而产生磨损。由于轴的高速旋转，工作温度升高，故对用作轴承的合金，首先要求它在工作温度下具有足够的抗压强度和疲劳强度，良好的耐磨性和一定的塑性及韧性，其次还要求它具有良好的耐蚀性、导热性和较小的膨胀系数。组织特点软基体上分布着硬质点，或者在硬基体上分布着软质点。当机器运转时，软基体受磨损而凹陷，硬质点就凸出于基体上，减小轴与轴瓦间的摩檫系数，同时使外来硬物能嵌入基体中，使轴颈不被擦伤。软基体能承受冲击和振动，并使轴与轴瓦很好地磨合。常用的轴承合金按主要化学成分可分为锡基、铅基、铝基和铜基等，前两种称为巴氏合金，编号方法为：“ZCh＋基本元素符号＋主加元素符号＋主加元素含量＋辅加元素含量”，其中“Z”、“Ch”分别是“铸”造轴“承”的汉语拼音字首。例如，ZChSnSb11Cu6表示含11.0%Sb锑、6%Cu的锡基轴承合金。1．锡基轴承合金（锡基巴氏合金）锡基轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合