第八章 非铁金属

第八章非铁金属碳素钢、合金钢、铸铁铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金铀承合金硬质合金金属材料钢铁材料非铁金属第一节铝及铝合金第二节铜及铜合金第三节钛及钛合金第一节铝及铝合金一、纯铝1）密度小(ρ=2.7103kg/m3)，是一种轻型金属。2）具有良好的导电性和导热性。3）表面能形成致密的Al2O3保护膜，阻止进一步氧

化，具有较好的抗大气腐蚀能力。4）具有良好的加工工艺性能。1、特性

2、工业纯铝的牌号、化学成分和用途（GB/T16474-1996）现牌号曾用牌号化学成分/%用途实物图片Al杂质1070L199.70.3垫片、电容、电子管隔离罩、电缆、导电体和装饰体铝电容1060L299.60.41050L399.50.51035L499.350.651200L599.01.00不受力而具有某种特性的零件，如电线保护导管、通信系统的零件、垫片和装饰件铝垫片表8—1工业纯铝的牌号、化学成分和用途（GB/T16474-1996）铝合金铸造铝合金压铸铝合金二、铝合金及其分类变形铝合金1．铸造铝合金

具有良好的铸造性能，可用金属铸造成形工艺直接获得零件。1）种类铝-硅（Al-Si）系（应用最广泛）铝-铜（Al-Cu）系铝-镁（Al-Mg）系铝-锌（Al-Zn）系2）代号

“ZL”+三位数字第一位数字表示铝合金的类别，1为铝硅合金，2为铝铜合金，3为铝镁合金，4为铝锌合金；后两位数字表示合金的顺序号如ZAlSi7Mg等3）常用铸造铝合金的牌号、化学成分、力学性能（摘自GB/T1173-1995）类别牌号代号主要化学成分w/%用途举例SiCuMgZn其他铝硅合金ZAlSi7MgZL1016.5～7.50.25～0.45工作温度在185°以下形状复杂的零件，如飞机仪表零件、抽水机壳体、柴油机零件等ZAlSi12ZL10210.0～13.0形状复杂的仪表壳体、水泵壳体、工作温度在200°以下高气密性、低载零件等ZAlSi9MgZL1048.0～10.50.17～0.35在200°以下工作的内燃机气缸头、等铝铜合金ZAlCu5MnZL2014.5～5.3Ti0.15～0.35在300°以下工作的零件，如发动机机体、气缸体等ZAlCu4ZL2034.0～5.0形状简单的中载零件，如托架、在200°以下工作并切削加工性好的零件等铝镁合金ZAlMg10ZL3019.5～11.0在大气或海水工作的零件，在150°以下工作，承受大振动载荷的零件等ZAlMg5SiZL3030.8～1.34.5～5.5腐蚀介质中工作的中载零件，严寒大气及200°以下工作的海轮配件等铝锌合金ZAlZn11Si7ZL4016.0～8.00.1～0.39.0～13.0在200°以下工作，结构形状复杂的汽车、飞机、仪表零件等2．压铸铝合金在高压作用下将铝锭（纯度92%左右）和合金材料压铸成型的铝合金，铸件的精度及表面质量较其他铸造方法高，可压铸出形状复杂的薄壁件或镶嵌件，强度硬度较高，生产率高。牌号代号主要化学成分w/%力学性能SiCuMnMgALRm/MPaA/%HBWYZAlSi10MgYL1019.0～10.0≤0.6≤0.350.40～0.60余量200270YZAlSi12YL10210.0～13.0≤1.0≤0.35≤0.10余量220260YZAlSi10YL1048.0～10.5≤0.30.20～0.500.17～0.30余量220270YZAlSi9Cu4YL1127.5～9.53.0～4.0≤0.50≤0.10余量3203.585YZAlSi11Cu3YL1139.6～11.52.0～3.0≤0.50≤0.10余量230180YZAlSi17Cu5MgYL11716.0～18.04.0～5.0≤0.500.45～0.65余量220<1-YZAlMg5Si1YL302≤0.35≤0.25≤0.357.5～8.5余量220270常用压铸铝合金的牌号、化学成分、力学性能（摘自GB/T15114-2009）3．变形铝合金变形铝合金可通过压力加工制成型材，故要求合金应具有良好的塑性变形能力。其组织主要是固溶体，塑性变形能力很好，适用于锻造、轧制和挤压。常用变形铝合金的牌号、化学成分、性能及用途类别曾用牌号牌号半成品种类状态①力学性能用途举例Rm(Mpa)A(%)防锈铝合金LF202冷轧板材热轧板材挤压板材0H1120167～226117～157≤22616～186～710在液体中工作的中等强度的焊接件、冷冲压件等LF2121冷轧板材热轧板材挤制厚壁管材0H112H11298～147108～118≤16718～2012～15—可塑性和焊接性要求较高、在液体或气体介质中工作的低载荷零件,如油箱、油管、液体容器、饮料罐等硬铝合金LY1111冷轧板材（包铝）热轧板材拉挤制管材0T40226～235353～373≤2451210～1210用做各种要求中等强度的零件或构件、冲压的连接部件、空气螺旋桨叶片、局部镦粗的零件（如螺栓、铆钉）LY1212冷轧板材（包铝）热轧板材拉挤制管材T4T40407～427255～275≤24510～138～1210用量最大，用做各种要求高载荷的零件或构件(不包括冲压件和锻件),如飞机的骨架零件、蒙皮、翼梁、铆钉等超硬铝合金LC4LC90409挤压棒材冷轧板材热轧板材T60T6490～510≤2404905～7103～6用做承力构件和高载荷零件，如飞机上的大梁、桁条、加强框、蒙皮、翼肋、起落架零件等,通常多用以取代12锻铝合金LD5250挤压棒材T635312用做形状复杂、中等强度的锻件和冲压件,内燃机活塞、压气机叶片、叶轮、圆盘以及其他在高温下工作的复杂锻件，比70耐热性好LD770挤压棒材T63538三、铝合金的强化纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。

为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入合金元素制成合金，对铝进行强化。1．固溶强化及固溶热处理

2．时效强化3．过剩相强化

4．变质处理

5．冷变形强化

强化方法：铝合金的典型特点是密度小、比强度高，可以减轻运载类机器的自身重量，提高运载能力和降低能源消耗，因此在汽车、飞机等工业领域应用较多；同时，由于其在大气环境中具有良好的耐腐蚀性，所以在建筑、装饰、包装、仪表及日常用具制造等方面也得到广泛应用。第二节铜及铜合金a)青铜剑b)青铜鼎一、纯铜1）密度较大（ρ=8.96×103kg/m3），是一种重金属。2）具有很好的导电性和导热性。3）具有优良的耐蚀性。4）良好的塑性易于进行冷、热变形加工。1、特性铜合金黄铜青铜二、铜合金白铜1、黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金按化学成分：普通黄铜和特殊黄铜按生产方式：压力黄铜和铸造黄铜成分分类1）普通黄铜成分：铜-锌二元合金牌号：“H+数字”性能：与含锌量有关2）特殊黄铜成分：在普通黄铜的基础上再加入锡、硅、锰、铅、铝

等合金元素所形成的铜合金

牌号：性能：普通黄铜更高的强度、硬度、耐蚀性和良好的

铸造性能特殊黄铜“H+主加元素符号+铜含量的百分数

+主加元素含量的百分数”铸造黄铜“ZCu+主加元素符号+主加元素的含量

+其他元素的元素符号及其含量”3）黄铜牌号、性能及用途表8-7常用压力黄铜组别牌号性能特点用途普通黄铜H80强度较低，塑性良好，导电、导热性好，在大气和淡水中有较高的耐蚀性,适于冷、热变形加工造纸网、薄壁管、波纹管、建筑装饰用品H68在铜合金中其塑性和变形加工性能最好，强度较高,有弹壳黄铜之称复杂的冷冲压件、散热器外壳、弹壳、导管、波纹管、轴套等H62强度高，塑性相对较低,但热态下塑性良好，具有良好的可切削性和焊接性铆钉、销钉、螺钉、螺母、垫圈、弹簧、夹线板、导管、散热器等特殊黄铜HSn90-1与同等含铜量的普通黄铜相比，具有更高的强度和硬度，并具有一些特殊性能，如耐蚀性和耐磨性等汽车、拖拉机弹性套管及其他耐腐蚀减摩零件HSi80-3船舶零件、在蒸汽(<265℃)条件下工作的零件HMn58-2主要用于船舶和精密电器制造工业HPb59-1用于热冲压及切削加工零件,如销子、螺钉、垫圈、轴套、喷嘴等HAl船舶、电动机及其他在常温下工作的高强度耐蚀零件。表8-8常用铸造黄铜的牌号、性能特点和用途牌号性能特点用途ZCuZn38有优良的铸造性能和较高的力学性能和耐磨性，可切削性能好,可以焊接，耐蚀性较好，有应力腐蚀开裂倾向一般结构件及耐腐零件，如法兰、阀座、螺杆、螺母、支架、手柄、日用五金ZCuZn25Al6-Fe3Mn3耐磨板、滑块、蜗轮、螺栓ZCuZn40Mn2在淡水、海水、蒸汽中工作的零件,如阀体、阀杆、泵管接头ZCuZn33Pb2煤气和给水设备的壳体、仪器的构件2、白铜1）成分白铜是以镍为主加元素的铜合金2）牌号3）性能具有良好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高其强度。双元白铜“B”加镍含量三元及以上白铜“B”加第二种主加元素符号及

除基元素铜外的成分数字组青铜锡青铜铝青铜铍青铜硅青铜铸造青铜压力加工青铜3、青铜1）分类2）牌号“Q+主加元素符号及含量+其他元素含量”

如QSn4-3“ZCu+主加元素符号+主加元素的含量+其他元素的元素符号及其含量”如ZCuPb30压力青铜铸造青铜3）青铜牌号、性能及用途表8-9常用压力青铜牌号性能特点用途QSn4-3具有较好的塑性和适当的强度,适于压力加工弹性元件、管配件、化工机械中耐磨零件及抗磁零件QSn6.5-0.1弹簧、接触片、振动片、精密仪器中的耐磨零件QSn重要的减磨零件,如轴承、轴套、蜗轮、丝杠、螺母QAl7具有更好的耐蚀性、耐磨性和耐热性。并且具有更好的力学性能重要用途的弹性元件QAl9-4耐磨零件,如轴承、蜗轮、齿圈;在蒸汽及海水中工作的高强度、耐蚀零件Qbe2经淬火后加以人工时效可获得较高的强度、硬度、抗蚀性和抗疲劳性,还具有良好的导电性和导热性,是一种综合性较好的结构材料重要的弹性元件,耐磨性高及在高速、高压、高温下工作的轴承QSi3-1硅青铜具有很高的力学性能和耐蚀性能,并具有良好的铸造性能和冷、热变形加工性能弹性元件;在腐蚀介质下工作的耐磨零件,如齿轮表8-10常用铸造青铜牌号、力学性能和用途牌号性能特点用途ZCuSn5Pb5Zn5优良的耐蚀性，中等强度，耐磨性和减摩性优于其他铜合金较高负荷、中速的耐磨、耐蚀零件,如轴瓦、缸套、蜗轮ZCuSn10Pb1良好的耐磨，耐蚀性，强度较高高负荷、高速的耐磨零件,如轴瓦、衬套、齿轮ZCuPb30有良好的自润滑性能,易切削,铸造性能差，易产生比重偏析。高速双金属轴瓦ZCuAl9Mn2优良的耐蚀性，较高的强度和韧性耐蚀、耐磨件,如齿轮、衬套、蜗轮

铜及其合金的典型特点是具有良好的导电性、耐腐蚀性能和工艺性能，可作为导电结构材料使用，也可制造在淡水、海水、蒸汽和其它较弱腐蚀性介质中工作的形状复杂的机械零件，主要应用在电力、电器、石油、化工、船舶及给水工程等领域。第三节钛及钛合金

钛及其合金具有质量轻、强度高、耐高温和抗腐蚀等其它金属所不具备的优异特性，是制造火箭、人造卫星、航天飞机和

宇宙飞船等航天器部件的理想材料，所

以有“太空金属”之称。一、纯钛1）纯钛是银白色的金属,熔点高，密度小，热膨胀系数小，钛的比强度位于金属之首。2）钛具有良好的塑性,可制成细丝、薄片。3）具有极高的耐蚀性、抗氧化性1、特性2、工业纯钛的牌号、室温力学性能及用途（GB/T3621-2007、GB/T2965-2007）

牌号材料状态力学性能（退火状态）≥用途Rm(MPa)A(%)TA1板材240301．航空、航天：飞机、火箭的骨架，发动机的部件2．化工：热交换器、泵体、搅拌器3．造船：耐海水蚀的管道、阀门、泵、发动机的活塞和连杆4．医疗：人造骨骼、植入人体的固定螺钉5．机械：在低于条件下工作且受力较小的零件棒材24024TA2板材40025棒材40020TA3板材50020棒材50018TA4板材58020二、钛合金钛合金α型钛合金β型钛合金α+β型钛合金组织稳定,焊接性良好具有良好的塑性强度、耐热性和塑性都较好钛合金的牌号、室温力学性能及用途牌号力学性能（退火状态）用途Rm(MPa)A(%)TA5≥685≥12用于400°以下在腐蚀介质中工作的零件及焊接件，如飞机的骨架、蒙皮、气压泵的壳体、叶片，船舶上一些零件TA6≥685≥12TA7735~930≥12500°以下长期工作的结构件和各种模锻件，短时使用可达900°，亦可作超低温部件(－253°)，如超低温容器等

α型钛合金板材（摘自GB/T3621-2007）

α+β型钛合金棒材（摘自GB/T2965-2007）

牌号力学性能（退火状态）≥用途Rm(MPa)A(%)TC158515400°以下工作的冲压件、焊接件和模锻件，以及低温结构件TC268512TC489510400°以下长期工作的零件，各种容器、泵等低温部件，船舶耐压壳体，坦克上的履带等，其强度比TC1、TC2高TC698010可在450°以下使用，主要用作飞机发动机上的结构材料TC10103012450°以下长期工作的零件，如飞机结构零件，起落架支架，蜂窝联结片，导弹发动机外壳、武器结构件等钛及其合金具有质量轻、比强度高、耐高温和抗腐蚀性强等其它金属所不具备的优异性能，但由于其价格较高，只是在特殊条件和环境下使用。钛及其合金主要应用于航空航天、军械、医疗卫生等特殊领域。第四节轴承合金用于制造滑动轴承轴瓦及其内衬的合金，称为轴承合金。一、轴承合金的性能要求1．足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的压力。2．高的耐磨性和小的摩擦系数，以减小轴颈的磨损。3.足够的塑性和韧性，较高的抗疲劳强度，以承受轴颈的交变载荷，并抵抗冲击和振动。4.良好的导热性及耐蚀性，以利于热量的散失和抵抗润滑油的腐蚀。5.良好的磨合性，使其与轴颈能较快地紧密配合。二、轴承合金的组织特点1．第一类组织

在软的基体上均匀分布着硬的质点，这是轴承合金较理想的组织。软的基体可承受冲击和振动，并具有较好的磨合性，以保证配合良好。软的基体被磨损后，形成凹坑，可存储润滑油，保证轴承有较好的润滑条件，以减轻轴的磨损。而凸出的硬质点则起着支撑轴的作用，并且在有瞬时过载时，凸起的硬质点会被压入软组织中，避免擦伤轴颈。2．第二类组织

在硬的基体上分布着软的质点。这种组织也可达到上述要求，这类轴承合金的硬度较高，具有较大的承载能力，但磨合能力较差，应相应提高轴颈处的硬度。三、常用轴承合金轴承合金

锡基轴承合金

铅基轴承合金

铜基轴承合金

铝基轴承合金

应用最广又称为巴氏合金

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金，是以锡（Sn）为基体，主加元素锑(Sb)，辅加元素铜（Cu）等组成的合金。锑溶于锡形成a固溶体作为软基体。锑与锡生成的化合物（SnSb）、铜与锡生成的化合物（Cu6Sn5）作为硬质点。这种轴承合金具有适中的硬度、小的摩擦系数、较好的塑性及韧性、优良的导热性和耐蚀性等优点，常用于重要的轴承。由于锡是较贵的金属，因此妨碍了它的广泛应用。组织特点性能特点

锡基轴承合金的牌号和用途

牌号用途牌号表示法ZSnSb12Pb10Cu4用于制造一般中速、中压发动机的主轴承，不适宜在高温下工作这类合金为直接浇铸成形，所以其牌号表示方法为：“Z”(“铸”字汉语拼音字母字首)＋基体元素符号＋主加元素符号＋主加元素含量＋辅加元素符号＋辅加元素含量。如：ZSnSb11Cu6表示锡基轴承合金，主加元素锑的含量约为11%，辅加元素铜的含量约为6%,其余为锡。ZSnSb11Cu6用于制造重载、高速、低于110℃的重要轴承，如1500KW以上蒸汽机、3700KW涡轮压缩机、涡轮泵及高速内燃机的轴承ZSnSb8Cu4用于大型机器轴承及重载汽车发动机轴承ZSnSb4Cu4制造韧性高、浇注层较薄的重载荷高速轴承，如涡轮内燃机高速轴承及轴衬2.铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

铅基轴承合金通常是以铅锑为基，加入锡、铜等元素组成的轴承合金。其组织为软基体加硬质点，软基体是PbSnSb的共晶组织，硬质点是白色方块状的化合物SnSb及白色针状的化合物Cu2Sn。组织特点性能特点铅基轴承合金的强度、硬度、韧性均低于锡基轴承合金，且摩擦因数较大，故只用于中等负荷的轴承。但由于价格便宜，在可能的情况下，应尽量用其代替锡基轴承合金。3．铜基轴承合金铜基轴承合金主要有铅青铜和锡青铜等。

铅青铜是锡基轴承合金的代用品，常用牌号有ZCuPb30,它是平均含铅量为30%的铸造铅青铜。铅青铜是一种硬基体软质点的轴承合金，铅和铜在固态时互不溶解，因此，它的室温显微组织是Cu＋Pb，Cu为硬基体，颗粒状Pb为软质点。

锡青铜也是一种良好的轴承合金，常用牌号有ZCuSn10P1,可以用来制造机床上的轴瓦、蜗轮、开合螺母等。铜基轴承合金的性能特点与巴氏合金相比，铜基轴承合金具有高的承载能力、良好的耐磨性、高的导热性（为锡基的6倍）、高的疲劳强度，并能在较高温度下（300～320℃）工作，可广泛用于制造高速、重负荷下工作的轴如航空发动承，机、大功率汽轮机、高速柴油机等的主轴轴承和连杆轴承。铅基轴承合金的牌号和用途

牌号用途牌号表示法ZPbSb16Sn16Cu2制造110～880KW蒸汽涡轮机、150～750KW电动机和小于1500KW起重机中的重载推力轴承等

铅基轴承合金的牌号表示方法与锡基轴承合金相同。例如ZPbSb16Sn16Cu2，其中铅为基体元素；锑为主加元素，其含量为16%；辅加元素锡的含量为16%，铜的含量为2%，其余为铅。ZPbSb15Sn5Cu3制造船舶机械、小于250KW电动机、水泵轴承等ZSnSb11Cu6制造承受中等冲击载荷、中速机械的轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承和连杆轴承，也适用于高温轴承ZPbSb15Sn5制造低速、低压力下的机械轴承等ZPbSb10Sn6制造重载、耐蚀、耐磨轴承等4．铝基轴承合金铝基轴承合金是一种新型减磨材料，具有密度小、导热性好、疲劳强度高和耐腐蚀性好等优点，并且资源丰富，价格低廉，已逐渐替代其他轴承合金。常用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和铝锡轴承合金两类。（1）铝锑镁轴承合金

铝锑镁轴承合金以铝为基，加入锑3.5%～4.5%和镁0.3%～0.7%。其组织为软的基体上分布着硬质点，软基体为共晶组织（Al＋SbAl）,硬质点为金属化合物SbAl。由于镁的加入可使针状的SbAl改变为片状，从而改善了合金的塑性和韧性，提高了屈服强度。该合金生产工艺简单，成本低，具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大。主要用于制造承受中等载荷、滑动速度低于10m/s的轴承，如低速柴油机轴承等。（2）铝锡轴承合金

铝锡轴承合金以铝为基，加入锡约20%和铜1%。其组织是在较硬的铝基体上均匀分布着较软的锡颗粒。加入少量的铜，可溶于铝中进一步强化基体。该合金生产工艺简单，成本低，具有较高的抗疲劳强度，良好的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性。目前已在汽车、拖拉机和内燃机车上广泛应用。使用性能是所有轴承合金中最好的一种，但价格较高，多用于工作载荷较大和转速较高的轴承，如汽车、拖拉机、汽轮机的高速轴承等。锡基轴承合金铅基轴承合金使用性能不如锡基轴承合金，但价格便宜，故应尽可能替代锡基轴承合金使用，常用于汽车、拖拉机曲轴的轴承等。铜基轴承合金属于硬基体轴承合金，承载能力强、导热性能好，可用于制造高速、重负荷下工作的轴承，如航空发动机、大功率汽轮机、高速柴油机的主轴轴承和连杆轴承等。铝基轴承合金减磨性能不如锡基轴承合金，但资源丰富，价格低廉，且具密度小、导热好、耐腐蚀和疲劳强度高，目前已逐渐替代其他轴承合金，在汽车、拖拉机和内燃机车上广泛应用。第五节硬质合金硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）粘结剂，在真空炉或氢气还原为炉中烧结而成的粉末冶金制品。一、硬质合金的性能特点1．硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）、热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）、耐磨性好