《汽车机械基础》第8章

第8章有色金属材料及其合金8.1铝及其合金8.2铜及其合金8.3滑动轴承合金18.4粉末冶金材料8.5其他新型材料8.1铝及其合金铝具有密度小、耐蚀性好等特点，且铝合金的塑性优良，铸、锻、冲压工艺均适用，尤其适用于汽车零部件生产的压铸工艺。目前，美国、日本、德国是汽车采用铝合金最多的国家，图8-1所示为铝合金制造的车身框架。2图8-1铝合金车身框架8.1.1工业纯铝工业上使用的纯铝呈银白色，铝的密度为（约为钢的1/3），熔点为660℃，导电、导热性较好（仅次于金、银和铜），塑性好，能通过冷、热变形制成各种型材，抗大气腐蚀性好。铝的强度低，经加工硬化后其强度可提高到150～250MPa，但塑性会下降50%～60%。工业纯铝编号采用“铝”的汉字拼音字首加序号表示，如L1，L2，L3，L4等。L1为1号纯铝，序号越大铝的纯度越低，含杂质元素越多，塑性及导电导热性越差。38.1.2铝合金铝合金是在纯铝中加入合金元素而得到的一种合金材料。4铝合金按其成分和工艺特点可分为铸造铝合金和变形铝合金，如图8-2所示。变形铝合金的特点是加热到固溶线（DF线）以上为单相固溶组织，塑性好，适于压力加工。其中，对于变形铝合金，成分在点F以左的合金称为不可热处理强化铝合金；成分在点F与之间的合金称为可热处理强化铝合金。成分在点右边的铝合金，具有共晶组织，熔点低、流动性好，利于铸造。图8-2铝合金相图的一般类型1．变形铝合金变形铝合金采用4位字符牌号命名，牌号用2×××～8×××系列表示，如3A21，2A12等。牌号的第一位数字是依据主要合金元素铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）等的顺序来表示变形铝合金的组别。第二位数字或字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为A，则表示原始纯铝；数字为0表示原始合金，字母B～Y或数字1～9表示原始合金的改型情况。牌号最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金，如2A11表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。5根据主要性能特点和用途，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。（a）车身框架

（b）轮毂罩图8-3汽车变形铝零部件2．铸造铝合金铸造铝合金可分为铝硅（Al－Si）系、铝铜（Al－Cu）系、铝镁（Al－Mg）系、铝锌（Al－Zn）系等四类。6铸造铝合金的牌号用ZL＋三位数字表示。第一位数字是合金系列：1是Al－Si系合金；2是Al－Cu系合金；3是Al－Mg系合金；4是Al－Zn系合金。第二、三位数字是合金的顺序号。例如，ZL102表示2号Al－Si系铸造合金。（a）铝合金制动碟（b）铝合金轮毂（c）铝合金油桶图8-4汽车铸造铝合金零部件8.2铜及其合金78.2.1纯铜纯铜为紫色，故又称紫铜，密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃。工业纯铜分为四种：T1，T2，T3，T4。其中，编号越大，纯度越低，杂质含量越多。纯铜的导电性和导热性良好，并具有抗磁性，在大气和淡水中有良好的耐腐蚀性能。纯铜的强度、硬度不高，塑性、韧性、低温力学性能及焊接性良好，适宜进行各种冷热加工，通常用来做电线、电缆、铜管及配制铜合金等。常见的铜合金有黄铜和青铜两大类。8.2.2黄铜8黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。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。1．普通黄铜2．特殊黄铜1．普通黄铜9普通黄铜是由铜与锌组成的合金。普通黄铜的牌号以H＋数字表示，H表示黄铜的汉语拼音字首，数字表示铜的质量分数。例如，H68表示铜的质量分数为68%的普通黄铜。普通黄铜的组织和性能主要受含锌量的影响。如图8-5所示，当锌含量小于32%时，合金的强度和塑性都随锌含量的增加而提高；当锌含量为30%～32%时，塑性最高；当锌含量大于32%时，塑性下降；当锌含量为40%～45%时，强度最高；当锌含量大于45%时，铜合金的塑性和强度均急剧下降。图8-5黄铜含锌量与力学性能的关系2．特殊黄铜10在普通黄铜的基础上加入合金元素即可得到特殊黄铜。常加的合金元素有Pb，Sn等，通常根据加入的元素名称相应地称为铅黄铜、锡黄铜等。压力加工特殊黄铜的牌号为：H（黄）＋主加元素符号（Zn除外）+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1表示含铜量约为59%，含铅量约为1%，其余为锌的压力加工铅黄铜。铸造黄铜的代号用Z表示铸造，如ZHPb59-1表示含铜量约为59%，含铅量约为1%，其余为锌的铸造铅黄铜。图8-6黄铜零件8.2.3青铜青铜是以除锌和镍以外的合金元素为主加元素的铜合金。青铜的牌号表示方法为“Q”（“青”的汉语拼音字首）＋第一主合金元素的符号及平均含量（质量分数）＋其他合金元素的含量（质量分数），如QSn4-3表示含锡量为4%、含锌量为3%的加工青铜。111．锡青铜2．铝青铜3．铍青铜8.2.3青铜锡青铜是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3%～14%。含锡量低于8%的锡青铜塑性较好，适用于压力加工，也称为压力加工锡青铜；而含锡量大于10%的锡青铜，由于塑性差，只适用于铸造，又称为铸造锡青铜。121．锡青铜铝青铜是以铝为主要合金元素的铜合金，铝含量为5%～11%。铝青铜的强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性均高于黄铜和锡青铜，有良好的铸造性，但焊接性能差。铝青铜常用的牌号有QAl5，QAl7，ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。2．铝青铜铍青铜是以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.7%～2.5%。其具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，以及良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。铍青铜常用牌号有QBe2，QBe1.7，QBe1.9等。3．铍青铜8.3滑动轴承合金用来制造滑动轴承中的轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。13为了保证机器正常、平稳、无声地运行，轴承合金应满足一系列性能要求：在工作温度下具有足够的强度、硬度和疲劳强度，以承受交变载荷；具有足够的塑性和韧性，保证与轴的良好配合，以抵抗冲击和振动；有高的耐磨性，良好的磨合性和较小的摩擦系数；具有良好的耐蚀性和导热性，较小的膨胀系数；有良好的工艺性和铸造性能。锡基轴承合金铅基轴承合金铝基轴承合金8.3.1锡基轴承合金锡基轴承合金（Sn－Sb－Cu系合金）是以锡（Sn）为主并加入少量锑（Sb）、铜（Cu）等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金，也称为锡基巴氏合金。其编号方法是“ZCh＋基本元素＋主加元素＋主加元素含量＋辅助加入元素含量”，其中Z和Ch分别是“铸”和“承”字汉语拼音字首和第一个音节。例如，ZChSnSb11-6表示含Sb约11%（主加元素），含Cu约6%（辅加元素）的锡基铸造合金。148.3.2铅基轴承合金铅基轴承合金（Pb－Sb－Sn－Cu系合金）是以Pb为主加入少量Sb，Sn，Cu等元素的合金，又称为铅基巴氏合金。铅基巴氏合金的编号方法与锡基合金相同。15铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性，故铅基轴承合金常用于低速、低载条件下工作的场合，如汽车、拖拉机曲轴的轴承等，如图8-7所示为曲轴翻边轴瓦示意图。图8-7曲轴翻边轴瓦8.3.3铝基轴承合金该合金与08钢板一起热轧成双金属轴承，生产工艺简单，成本低廉，并具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大，故适用于制造负荷小于2000N/mm2，滑动速度低于10m/s的轴承。161．铝锑镁轴承合金这种合金以08钢为衬背，轧制成双合金带，具有较高的疲劳强度和良好的耐热性、耐磨性及耐蚀性，而且生产工艺简单，成本低，可制造负荷高达3200N/mm2，滑动速度低于13m/s的轴承。2．铝锡轴承合金铝基轴承合金是以铝为基体加入锑和锡等合金元素所组成的合金，具有密度小，导热性和耐蚀性好、疲劳强度高等优点，而且原料丰富，价格便宜。8.4粉末冶金材料粉末冶金法不但可以生产多种具有特殊性能的金属材料，如硬质合金、难熔金属材料、无偏析高速钢、耐热材料、减磨材料、过滤材料、热交换材料、摩擦材料、磁性材料等，而且还可以制造很多机械零件，如齿轮、凸轮、轴承、摩擦片、含油轴承等。与一般零件的生产方法相比，粉末冶金具有少切削或无切削、生产率高、材料利用率高、节省生产设备和占地面积等优点。17粉末冶金材料是用几种金属粉末或金属与非金属粉末做原料，通过配料、压制成型、烧结和后处理等工艺过程而制成的材料。生产粉末冶金材料的方法称为粉末冶金法。8.4.1粉末冶金8.4.2硬质合金18硬质合金是以WC，TiC，TaC等高熔点、高硬度的碳化物为主要成分，并加入钴（或镍）作为黏结剂，通过粉末冶金法制得的一种粉末冶金材料。硬质合金具有硬度高、热硬性高、耐磨性好、抗压强度高，在大气、酸、碱等介质中具有良好的耐蚀性及抗氧化性，线膨胀系数小等优点。钨钴类硬质合金主要成分是WC和Co。其牌号由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量组成。例如，YG8表示平均含Co量为8%的钨钴类硬质合金。钨钛钴类硬质合金主要成分是WC，TiC及Co。其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和TiC的平均含量组成。例如，YT15表示平均TiC含量为15%的钨钛钴类硬质合金。钨钛钽（铌）类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金，是由WC，TiC，TaC或NbC和Co组成的硬质合金。其牌号由“YW”（“硬，万”两字汉语拼音字首）和数字（无特殊意义，仅表示合金序号）表示，如YW2表示2号通用硬质合金。8.5其他新型材料19镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35%，铝材密度的66%。此外，它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在汽车工业中得到了广泛应用。8.5.1新型有色金属材料——镁合金和钛合金钛的比重为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固和更耐腐蚀；钛合金制造的车身可以承受更大的作用力。8.5.2纳米材料20纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。纳米技术在汽车上的结构材料、节能、环保等方面获得广泛的应用。目前发动机使用的块体纳米材料有：具有纳米晶粒的软纳米块体材料、尼龙黏土块体纳米材料、聚烯烃黏土块体纳米材料、氮化硅掺纳米粒子和纳米块体材料。纳米陶瓷轴、纳米橡胶材料、纳米汽油、纳米润滑剂和纳米增强增韧塑料在汽车制造和应用上起到了非常重要的作用。8.5.3稀土材料21中国稀土资源丰富，居世界前列。中国的稀土储量占世界已探明资源的80%，为我国大力开发稀土材料提供了得天独厚的条件。使用汽车废气净化催化剂是控制汽车废气排放、减少污染的最有效手段。含稀土的汽车废气净化催化剂