第七章 有色金属材料及其在汽车上的应用

第七章有色金属材料及其在汽车上的应用第一节铝及铝合金第二节铜及铜合金第三节滑动轴承合金第四节其他有色金属

1材料学上通常把铁、锰、铬及以铁碳为主的合金（钢铁）称为黑色金属，如钢、生铁、铁合金、铸铁等，把其他金属及其合金称为有色金属。有色金属具有质轻、强度和硬度一般比普通金属高、导电性好、电阻温度系数小等钢铁材料所不具备的物理性能和化学性能，而且又具有一定的力学性能和较好的工艺性能，是实现汽车轻量化的理想材料，因而在现代汽车工业中得到了广泛的应用。汽车上常用的有色金属主要有铝、铜及其合金和滑动轴承合金。近年来，镁、钛、锌及其合金和粉末冶金材料等有色金属的应用也日趋广泛。2铝及铝合金第一节3了解纯铝以及常用铝合金的基本性能。熟悉铝以及常用铝合金在汽车制造中的主要应用。知道铝以及常用铝合金在汽车制造中的主要应用。

4学习目标近年来，轿车上的铝及其合金用量已经从占汽车总质量的5%左右上升至15%甚至更高。在20世纪末，全铝合金车身首先在德国奥迪轿车上被采用，把有色金属在汽车制造业中的应用推向更高的层次。采用铝、镁、钛等轻金属替代钢铁材料减轻自重，是汽车制造业中轿车实现轻量化的一种重要手段。5铝及铝合金的密度小，属于轻金属。铝在地球上的储量丰富，高居各种有色金属首位。如果在轿车制造中采用铝合金制造汽车的发动机缸体和车身，整个汽车的质量可以减轻40%以上。现代轿车材料要求强度高而质量轻，采用铝合金的车身是一条理想的出路。但是，铝材加工成本高，而且铝合金材料冲压及焊接技术要求比较特殊，所有零部件均由铝合金材料制造的难度比较大，以目前的技术尚不是一般厂家可以做到的，大部分轿车还是部分零部件采用铝合金制造，例如车圈、气缸盖、发动机上盖、气缸体和变速器外壳等。67一、工业纯铝1.工业纯铝的基本性能工业纯铝呈银白色，纯度为98.0%～99.7%，熔点较低，只有660℃，其密度小，仅为2.7g/cm3，约为铁的1/3。工业纯铝具有良好的塑性，断后伸长率为35%～50%；但强度低（Rm=80～100MPa）、硬度低（25～30HBW），可以经冷变形处理提高硬度，更主要的是可以通过合金化使其强化；可以进行冷、热压力加工，容易加工成各种板材、箔材、线材或型材等，但是纯铝的焊接性能较差。8铝的导电、导热性能良好，仅次于银、铜和金，是铁的3倍，并具有良好的耐蚀性。常用铝代替铜制作导线和零件、电气设备的散热片等。铝在空气中具有良好的耐蚀性，表面可被氧化形成氧化膜，故在化工、日用品工业中广泛使用。但铝不耐酸、碱和盐的腐蚀。92.工业纯铝的表示法根据《变形铝及铝合金化学成分》（GB/T3190—2008）的规定，工业纯铝的牌号有1070A、1060、1050A、1035、1200（相当于旧牌号L1、L2、L3、L4、L5）等，牌号中数字越大，表示杂质的含量越高，纯度越低。103.工业纯铝的主要用途工业纯铝主要用来代替铜制作导线、电缆、电气元件以及强度不高的耐蚀器皿、生活器皿和配制铝合金等。在汽车中常用于制作压缩机垫圈，排气阀垫片，内、外装饰件和铭牌等。11二、铝合金铝合金是在纯铝中加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素而形成的合金。铝合金不仅保持着纯铝密度小、导热性和耐蚀性好的优点，其强度、硬度也得到了极大提高，常用于制造质量轻、强度要求较高的零件。目前，铝合金在汽车上不仅用于制造活塞、气缸体、气缸盖、连杆和进气歧管等发动机零部件，还用于制造轮毂、离合器壳、变速器壳、转向器壳和变速器拨叉等底盘零部件，甚至车身、车架等也开始采用铝合金制造。常见铝合金汽车零件如下图所示。1213根据化学成分和生产工艺不同，铝合金分为变形铝合金、铸造铝合金和压铸铝合金三类。1.变形铝合金变形铝合金是指适宜于压力加工成形的铝合金。其合金含量一般小于5%（高强度铝合金的合金含量在14%）。它具有良好的塑性，可加工成锻坯、板材、管材和棒材等各种型材，用于汽车各种零件的制造。变形铝合金分为能热处理强化和不能热处理强化两大类。常用的变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金四类。其中，防锈铝合金属于不能热处理强化的铝合金，其他三类均属于能热处理强化的铝合金。变形铝合金的特性及其应用见下表。14152.铸造铝合金铸造铝合金是可以直接用铸造方法浇注成零件或毛坯的铝合金，其所含合金元素的数量比较大，压力加工性能差，但铸造性能较好，可以制造形状复杂的零件，合金元素的总含量在8%～25%范围内，因加入元素不同而分为许多类别。铸造铝合金的代号用“ZL”加三位数字表示。“ZL”是“铸铝”汉语拼音的缩写，第一位数字表示合金类别：1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系，4为铝锌系。第二、三位数字表示合金顺序号，化学成分不同则序号不同，优质合金在后面加“A”。例如ZAlSi12Cu2Mg1，表示含硅量为12%，含铜量为2%，含镁量为1%的铝硅合金（其代号则为ZL108）。16（1）铝硅合金铝硅系铸造合金简称为铝硅合金，是目前工程上应用最为广泛的铸造铝合金，合金中单加入硅元素的简称为简单铝硅合金，此外还可以加入铜、镁等元素，构成复杂铝硅合金，其中ZL102使用最为普遍，又称“硅铝明”。铝硅合金的特点是流动性好，收缩小，不易产生裂纹，适于进行锻造。此外，铝硅合金密度小，耐蚀性好，又可以用变质处理来提高其强度，所以常用于浇铸或压铸质量轻、有一定强度和复杂形状的中小型零件，尤其是薄壁零件，如仪器仪表零件、活塞、发动机气缸体及工作温度在200℃以下、要求气密性好的承载零件。高强度的复杂铝硅合金可以制造形状复杂、强度要求高并可在高温下工作的机器零件，如内燃机气缸体、气缸盖、活塞等。17（2）铝铜合金铝铜系铸造合金简称为铝铜合金，其特点是耐热性好，具有较高的高温强度，能通过热处理来强化。其最大的缺点是耐蚀性差，随含铜量增加耐蚀性降低。加入镍、锰后耐热性大大提高，常用于制造高强度或高温条件下工作的零件，如高速内燃机缸头、活塞等。18（3）铝镁合金铝镁系铸造合金简称为铝镁合金，其特点是密度小，强度高，耐蚀性较好，能耐大气和海水腐蚀。但铸造性能较差，铸件组织疏松，热强性也差，一般仅适用于在200℃以下工作的零件。因此，常用来制造耐腐蚀的铸件，如海轮配件等。它在一定场合可以替代不锈钢。19（4）铝锌合金由于能溶入大量的锌（极限溶解度为32%），所以铝锌合金的强度显著提高，而且价格比较便宜。在合金中加入适量的锰、铁和镁，可以提高耐热性，缺点是耐蚀性能差，主要用于制造结构形状复杂的汽车、飞机零件和医疗器械、仪表零件、日常用品等。203.压铸铝合金在现代汽车制造工业中，由于压力铸造的生产效率高，铸件质量好、强度和硬度高，所以，铝合金铸件逐步由压力铸造来制造。适于压力铸造的铝合金称为压铸铝合金。压铸铝合金的代号用“YL”开头表示，其牌号则用“YZAl”开头表示，表示的格式和铸造铝合金相同。例如，YL102（YZAlSi12）。目前铝制变速器壳、离合器壳、转向器壳等大多采用压力铸造，而活塞、气缸体、气缸盖和轮毂等零件也开始逐步采用压力铸造。常用铸造铝合金和压铸铝合金的特性及其应用见下表。212223铜及铜合金第二节24了解铜和铜合金的种类和基本性能。知道铜及铜合金在汽车制造中的主要应用。

25学习目标是人类发现和使用最早的金属。铜有优良的导电、导热性和良好的化学稳定性，在金属的导电、导热性能上仅次于银。铜的塑性变形能力很高，可采用挤压、压延和拉拔等压力加工方法制成各种型材，在工业上得到广泛应用，特别是制作导电器材，其用量占铜总用量的一半以上。在汽车工业所用有色金属材料中，铜合金用量仅次于铝合金，在汽车上用于制造各类热交换器、散热器、耐磨减摩零件、电气元件、油管等构件。2627一、工业纯铜纯铜是用电解法获得的，也称“电解铜”，外观呈紫红色，故又称紫铜。工业纯铜的含铜量为99.50%～99.95%。纯铜具有良好的塑性、导电性和耐蚀性，特别是导电性仅次于银而居于第二位。铜的密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃。工业纯铜的强度、硬度低，不宜制作结构零件，广泛应用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金。此外，纯铜还可用于制作气缸垫、进排气管垫、轴承衬垫和油管等。我国工业纯铜常用的有T1、T2、T3三种代号。代号中数字越大，表示杂质含量越高，导电性、塑性越差。28二、黄铜黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金。根据其中化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两大类。普通黄铜普通黄铜由铜和锌两种元素组成，其含锌量小于50%。普通黄铜具有良好的耐蚀性和压力加工性能，并具有一定的塑性和强度。在普通黄铜中，若含锌量小于35%，则塑性、韧性好，能够进行冷热压力加工；当含锌量为36%～46%时，黄铜的塑性、韧性下降，硬度和脆性增加，冷压力加工困难，只能进行热压力加工，故又称热加工黄铜。29由于黄铜强度比纯铜高，价格便宜，又有较好的耐蚀性，因此得到了广泛应用。普通黄铜中铜的含量越高，延展性越好，切削加工性能越差。此外，通过加工硬化，能改善黄铜的切削加工性能。30普通黄铜可以分为压力加工普通黄铜和铸造普通黄铜两类。（1）压力加工普通黄铜压力加工普通黄铜的代号用H+含铜量表示，例如，H62表示含铜量为62%的压力加工普通黄铜。（2）铸造普通黄铜铸造普通黄铜的牌号则用ZCu+主加元素符号+主加元素含量+其他加入元素符号及含量组成，例如，ZCuZn38表示含锌量为38%的铸造普通黄铜。普通黄铜在汽车上常用于制造散热器管、油管接头、气缸水套和黄油嘴等。312.特殊黄铜为了获得某些性能，在普通黄铜中加入铝、硅、锰、锡、铅等合金元素而组成的合金，称为特殊黄铜。按其所加元素的不同，分为硅黄铜（HSi80-3）、铅黄铜（HPb63-3）、锡黄铜（HSn62-1）等。特殊黄铜加入合金元素，改善了黄铜的力学性能、耐蚀性或某些工艺性能。如加入铝能提高黄铜的硬度、强度和耐磨性；加入硅能提高黄铜的硬度、强度和铸造性能；加入锰能提高黄铜的力学性能和耐蚀性；加入锡能提高黄铜的耐蚀性，尤其是能提高黄铜在海水中的耐蚀性；加入铅能改善黄铜的切削加工性能等。32特殊黄铜又可分为压力加工特殊黄铜和铸造特殊黄铜两类。（1）压力加工特殊黄铜压力加工特殊黄铜的代号用“H”加锌以外的主要添加元素符号和两组数字的格式表示，第一组数字表示铜的质量分数，第二组数字表示锌以外的主要添加元素的百分含量。例如，HPb59-1表示含铜量为59%，含铅量为1%的铅黄铜。33（2）铸造特殊黄铜铸造特殊黄铜的牌号则用“ZCu”加主要添加元素符号及其百分含量和其他添加元素符号及其百分含量的格式表示。例如，ZCuZn16Si4表示含锌量为16%，含硅量为4%的铸造硅黄铜。合金元素的加入，提高了材料的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性，因此，其综合性能较普通黄铜得到普遍提高。特殊黄铜在汽车上常用于制造转向节衬套、钢板销衬套等，还可用于制造减摩零件、管接头和垫圈等零件。常用黄铜的特性及其应用见下表。3435三、青铜青铜原指铜锡合金，因呈青黑色而得名。由于需要发展了不含锡而加入铝、硅、铍、锰、铅等其他元素的青铜，称为特殊青铜或无锡青铜。按其化学成分的不同，青铜可分为锡青铜和特殊青铜两大类；按其加工方法的不同，青铜又可分为压力加工青铜和铸造青铜两大类。36压力加工青铜的代号用“Q”加主要添加元素符号和若干组数字表示。数字分别表示主要添加元素的百分含量和其他添加元素的百分含量，符号只表示主要添加元素，其他添加元素在符号中不表示，需查找有关标准或手册。例如，QSn4-4-2.5表示含锡量为4%、含锌量为4%、含铅量为2.5%的锡青铜。铸造青铜的代号和牌号表示法同铸造黄铜。37锡青铜锡青铜是以锡为主要添加元素的铜合金。工业用锡青铜的含锡量一般不超过14%。锡青铜具有一定的强度和硬度，以及良好的耐磨性、耐蚀性和铸造性能，特别适合铸造形状复杂的铸件。锡青铜的价格较昂贵，且力学性能不佳，所以大部分零件都由特殊青铜制造。锡青铜在汽车上常用于铸造齿轮，制造发动机曲轴衬臂、活塞销衬套、轴套、轴瓦等。382.特殊青铜特殊青铜又称为无锡青铜，是由铝、铅、硅、铍、锰等元素添加而成的铜合金。按其所加元素的不同，特殊青铜可分为铝青铜、铅青铜、硅青铜、铍青铜、锰青铜等。特殊青铜具有较高的强度和耐磨性以及良好的耐蚀性和工艺性等，它们是锡青铜的主要替代材料。例如，铝青铜具有较好的耐磨性、耐蚀性和加工工艺性，其强度、硬度和塑性都优于锡青铜，并且可以进行锻造，常用于制造齿轮、蜗轮和轴套等；铅青铜具有良好的疲劳强度和韧性，还具有良好的导热性和耐磨性，常用于制造重载荷的轴瓦等。39常用青铜的特性及其应用见下表。4041滑动轴承合金第三节42了解滑动轴承合金的种类和基本性能。知道滑动轴承合金在汽车制造中的主要应用。

43学习目标44滑动轴承合金是用来制造滑动轴承轴瓦或内衬的专用合金。滑动轴承的传动效率不如滚动轴承，但是滑动轴承承压面积大，噪声小，工作平稳，故常用于高速重载的场合，如汽车发动机的曲轴轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承都采用了滑动轴承。常见的轴瓦结构如下图所示。4546轴在轴承中运转工作时，轴承不仅要受到强烈的摩擦，而且要承受轴颈传给的周期性载荷。为了减少轴的磨损，保证轴承正常工作，滑动轴承合金应具备以下性能：合适的硬度，足够的强度和耐磨性，足够的塑性和韧性，较小的摩擦因数和高的磨合性能，良好的导热性、耐蚀性和低膨胀系数等。为了满足上述性能要求，滑动轴承合金的理想组织应由塑性好的软基体和均匀分布在软基体上的硬质点构成，如下图所示。4748软基体组织的塑性高，能与轴颈磨合，并承受轴的冲击。软基体磨损后形成凹坑，可储存润滑油，在轴颈和轴瓦之间形成油膜，减少摩擦和磨损，而凸起的硬质点则起支撑轴颈的作用。常用的滑动轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基轴承合金和铝基轴承合金等。49一、锡基、铅基轴承合金（巴氏合金）锡基和铅基轴承合金牌号的表示方法为“Z”+基本元素符号+主加元素符号及质量分数+辅加元素符号及质量分数。例如，ZPbSb15Sn5为铸造铅基轴承合金，主加元素锑的质量分数为15%，辅加元素锡的质量分数为5%，其余为铅。锡基和铅基轴承合金强度较低，不能承受高压，故常用离心浇注法将其镶铸在钢制的轴瓦上，形成一层薄（厚度小于0.1mm）而均匀的内衬。50锡基轴承合金（锡基巴氏合金）锡基轴承合金是以锡为基体元素，加入铅、铜等元素组成的合金。这类合金摩擦因数小，塑性和导热性好，并具有良好的耐腐蚀能力。常用作重要轴承，如汽轮机、内燃机、压气机等机器的高速轴承。其缺点是价格昂贵，因锡是稀有金属；抗疲劳强度差，工作温度不能超过150℃。512.铅基轴承合金（铅基巴氏合金）铅基轴承合金是以铅为基体，加入锡、铜元素组成的合金。这类合金的强度、硬度、韧性、导热性及耐蚀性均较锡基轴承合金差，且摩擦因数较大，但是价格便宜。因此，铅基轴承合金常用来制造承受中低载荷的中速轴承，如汽车曲轴轴承、连杆轴承、电动机轴承等，铸造工作温度不能超过120℃。52二、铜基、铝基轴承合金铜基轴承合金铜基轴承合金是以铜为基体，加入适量的锡、铅、锌等元素组成的合金，主要有铸造锡青铜和铸造铅青铜等合金。常用的铸造锡青铜有ZCuSn10Pb1和ZCuSn5Pb5Zn5等，铸造合金机体断面组织中存在着较多的分散缩孔，有利于储存润滑油，这种合金能承受较大的载荷，广泛用于中速重载荷轴承，如电动机、泵、金属切削机床及汽车转向机构等的轴承，铸造锡青铜轴承合金可直接制成轴瓦。532.铝基轴承合金铝基轴承合金是以铝为基体，加入适量的锡、铜等元素组成的合金。铝基轴承合金分为高锡铝基轴承合金、低锡铝基轴承合金和铝镁锑轴承合金等。其中，高锡铝基轴承合金是目前在汽车上广泛应用的一种轴承合金，它是以铝为基体加入20%的锡和1%的铜组成的合金，具有较高的承载能力、良好的耐磨性和导热性，价格较低，能替代锡基轴承合金，用于制造曲轴轴瓦和连杆轴瓦。但它的膨胀系数较大，易与轴发生咬合，所以在装配时应留有较大的间隙。54常用滑动轴承合金的特性及其应用见表7-3-1。55其他有色金属第四节56了解除了铜和铝之外的其他有色金属及合金的种类和基本性能。知道其他有色金属及合金在汽车制造中的主要应用。

57学习目标随着社会及科技的发展，人们对汽车提出了更高的要求：轻型、节能、美观、安全、环保等。有色金属在汽车上的应用也日益增多，钛、镁、锌等合金的应用也越来越受到人们的重视。58一、镁及镁合金镁的密度仅为1.74g/cm3，还不到铝的2/3。纯镁具有很高的化学活性，耐蚀性很差，强度和塑性均不高，所以一般不直接用作结构材料。镁合金是在镁中加入铝、锌、锰、锆等合金元素而制成的。常用的有镁-锰合金、镁-铝-锌合金和镁-锌-锆合金等。镁合金可以进行热处理，它具有较好的耐蚀性，强度和塑性都得到了提高，而且减振性能良好，易于吸收冲击载荷，同时还具有良好的铸造性能和切削加工性能，只是耐热性稍差。59镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金，它们的代号分别以“MB”和“ZM”加序号表示。汽车上应用的镁合金除少量镁板等变形镁合金外，一般都使用铸造镁合金。目前，镁合金作为汽车轻量化材料，在汽车上的应用量还不如铝合金。但它一直为汽车行业所关注，并不断寻求应用途径，镁合金的发展潜力很大。目前已有不少汽车零件采用了镁合金制造，如壳体类的发动机气缸体、曲轴箱、变速器壳、离合器壳、进气歧管等，还有一些车身骨架零件和车身覆盖件正在开发和推广采用镁合金制造。可以预见，随着镁合金研究的进一步深入，其应用范围还将不断扩大。60二、锌及锌合金锌呈蓝白色，密度为7.14g/cm3，室温下脆性较大。由于锌在常温下表面易生成一层保护膜，所以锌主要用作钢铁表面的防护性镀层。锌能和铝、铜、镁等合金元素组合成锌合金。锌合金的强度较高，铸造性能好，价格也不高，不足之处是塑性较低，耐热性、焊接性能较差。锌合金也可分为变形锌合金和铸造锌合金。铸造锌合金主要用于受力不大、形状复杂的小尺寸结构件或装饰件上。目前应用最广的铸造锌合金是ZZnAl4Cu1Mg。锌合金在汽车上可用于制造汽油泵壳、机油泵壳、车门手柄、刮水器、安全带扣和内饰件等。61三、钛及钛合金钛呈银白色，密度为4.51g/cm3，熔点高达1677℃，是一种高熔点的轻金属。纯钛的强度较高，接近于碳素结构钢，耐蚀性优于铬镍不锈钢，韧性与钢铁相当。目前，由于钛较昂贵，限制了它的应用。钛能和铝、铬、锰、钼、钒等合金元素组成钛合金。按其组织类型的不同，钛合金可分为α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金，其代号分别以TA、TB、TC加序号来表示。62钛呈银白色，密