工程材料及热处理9 有色金属及硬质合金

9.1铝及其合金9.2铜及其合金9.3钛及其合金9.4滑动轴承合金9.5硬质合金9有色金属及硬质合金金属材料分为黑色金属（钢铁材料）和有色金属两大类。有色金属是指元素周期表中除铁以外的所有金属，国际上通称为非铁金属。如Al、Cu、Mg、Ti、Pb、Sn、Zn等金属及其合金有色金属在金属材料中占据有很重要的地位，它不仅是制造各种优质合金钢及耐热钢所必须的合金元素，而且许多有色金属材料具有比重小、比强度高、耐热、耐腐蚀和良好的导电性、导热性、弹性以及一些特殊的物理性能，已经成为现代工业中必不可少的结构材料。9.1铝及其合金铝是地壳中的蕴藏最多的有色金属。在金属材料中，铝合金的用量仅次于钢铁，是工业中应用最广泛的重要有色金属材料。纯度为99%~99.99%（AL）的纯铝称为工业纯铝。具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性纯铝熔点为660℃，密度较小（2.7g/cm3），只有铁的三分之一。纯铝的导电、导热性仅次于银、铜、金。如果按单位重量的导电能力比较，铝的导电能力约为铜的两倍。铝具有优良的抗大气腐蚀性能力。铝与氧亲和力大，在大气中其表面能形成一层致密的氧化膜，可隔绝铝与氧的接触，阻止进一步氧化。纯铝的强度很低（σb仅有80~100MPa）、塑性很好（δ=35%~40%，ψ=80%），易于加工成形。工业纯铝可制作电线、电缆、以及要求具有较高导热和抗大气腐蚀性能，而对强度要求不高的用品或器皿。工业纯铝的主要用途是配制铝合金。9.1.1工业纯铝为提高铝的力学性能，在纯铝中加入合金元素制成铝合金。铝合金保留纯铝密度小、耐蚀性好的特点，力学性能比纯铝高得多，经热处理后铝合金的比强度（强度与密度之比）接近甚至超过合金钢，可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。用于铝合金的合金元素可分为主加元素（硅、铜、镁、锰、锌等）和辅加元素（铬、钛、锆等）。主加元素溶解度高，具有显著的强化作用。辅加元素的主要作用是改善铝合金的某些工艺性能，如细化晶粒、改善热处理性能等。9.1.2铝合金及其应用铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金型材铝铸件铝合金的二元相图通常具有如图9-1所示的形式。以相图中最大溶解度点D为界，把铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。铝合金的分类铝合金分类示意图合金元素溶入铝中产生的固溶强化效果有限，因而必须通过热处理进一步提高强度。铝合金的强化是通过淬火（固溶处理）和时效强化来实现的。铝合金的时效强化

铝合金的时效强化处理

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。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在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。时效强化效果与加热温度和保温时间有关。图9-3含铜4%铝合金在不同温度下的时效曲线

合金元素在铝中的溶解度一般都是有限的，因此铝合金组织中除了形成铝基固溶体（α）外，还有第二相（金属间化合物）出现。铝合金具有低密度、耐腐蚀、良好的导热性、良好的塑性和加工工艺性。铝合金还可通过冷变形或热处理来大幅提高强度。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。铝合金与钢、铸铁力学性能对比铝合金组织和性能特点性

能低碳钢低合金钢高合金钢铸铁铝合金相对密度1.01.01.00.920.35相对比强度极限1.01.62.50.601.8相对比屈服极限1.01.74.20.702.9～4.3相对比刚度1.01.01.00.518.5根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四类。通常加工成各种规格的板、带、线、管等型材供应。按GB/T16474-1996规定，变形铝合金牌号用2×××~8×××系列表示。牌号第一位数字表示以主要合金元素确定的组别，按2-铜、3-锰、4-硅、5-镁、6-镁硅、7-锌，8-其它元素的顺序来确定合金组别；牌号第二位的字母为“A”，表示为原始合金。例如，5A05表示以镁为主加合金元素的变形铝合金，最后两位的数字××用于标识同一组别中的不同铝合金。（一）变形铝合金的牌号、性能及用途

超硬铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。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.

锻铝合金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.飞机主起落架压气机叶片铸造铝合金的力学性能较变形铝合金差，但它具有良好的铸造性能，可以通过铸造成型方法生产形状复杂的零件，全世界每年消费的铝中，有15%~20%用于铸造铝合金。铸造铝合金的成分通常接近其合金相图的共晶点，合金的熔点低、流动性好、铸造性好。但共晶组织使塑性降低，不适于压力加工。一般用于制作质轻、耐蚀、形状复杂及有一定力学性能的零件。常用铸造铝合金有

A1-Si系、A1-Cu系、Al-Mg系和

Al-Zn系四大类，各类铸造铝合金都可以通过热处理强化或调整力学性能。（二）铸造铝合金铸造铝合金的牌号由“铸”字的汉语拼音字首“Z”＋Al＋其它主要元素符号及百分含量来表示，如ZAlCu10表示含10%Cu的Al-Cu系铸造铝合金。另外，压铸合金在牌号前面冠以字母“YZ”，优质合金的牌号后面标注“A”。铸造铝合金的代号用“铸铝”的汉语拼音字首“ZL”加三位数字表示。第一位数字表示合金类别（1表示铝硅系，2表示铝铜系，3表示铝镁系，4表示铝锌系）。后两位数为顺序号。例如，ZL102表示2号Al-Si系铸造铝合金。铸造铝合金牌号（1）铝硅系铸造铝合金

该系铝合金又称为“硅铝明”，一般Si含量为4%~22%。

A1-Si系合金具有良好的铸造性能，经过热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐蚀性和中等的切削加工性能，是铸造铝合金中种类最多、应用最广泛的合金系。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。活塞(裙部为铝硅合金)（2）铝铜系铸造铝合金

该系铸造铝合金中Cu含量为3%~11%，其特点是耐热性在铝合金中最高，缺点是铸造性和耐蚀性差，随着Cu增加，铸造性能提高，耐蚀性增加，但强度降低。这类合金在航空产品上应用较广，主要用于承受大载荷的结构件和耐热零件。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）铝镁系铸造铝合金

该系铸造铝合金密度小（为2.55×103kg/m3）、强度高，具有优异的耐蚀性、良好的切削加工性能，但其铸造性能差，耐热性低（一般使用温度小于200℃），熔铸工艺复杂，时效强化效果小。常用牌号有ZL301，ZL302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。鼓风机密封件等(ZL102、301)（4）铝锌系铸造铝合金该系铸造铝合金铸造性能好，铸态下可自然时效，不用热处理就能得到较高的强度，是一种铸态下高强度合金；价格是铝合金中最便宜的；缺点是密度大、耐蚀性差、热裂倾向大。常用于制作汽车、飞机、医疗器械、压铸仪表壳体等零件。常用的有ZL40l、ZL402。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)9.2铜及其合金纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。特点：1、面心立方晶格，无同素异构转变2、塑性高、强度低，δ→50％，σb→240MPa3、导电和导热性好，抗腐蚀用途：纯铜主要用于导电、导热及兼有抗蚀性的器材，如电线、电缆、电刷、铜管等，纯铜也作为配制铜合金的原料。9.2.1工业纯铜纯铜虽可通过冷变形强化，但塑性大大下降，因此常用合金化来获得强度较高的铜合金。加入合金元素主要通过固溶强化、时效强化、过剩相强化等提高铜的强度。（1）按化学成分

铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三大类。（2）按生产方法

铜合金可分为压力加工产品和铸造产品。9.2.2铜合金及其应用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。黄铜铸件黄铜棒（一）黄铜特殊黄铜制品（二）、青铜青铜是以除Zn和Ni以外的合金元素为主加元素的铜合金。Cu-Sn合金是应用最早的青铜。

常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。

船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)铍青铜制品（三）、白铜

铜和镍都具有面心立方晶格，可无限互溶，所以各种铜-镍合金均为单相组织。这类合金不能进行热处理强化，主要通过固溶强化和加工硬化来提高力学性能。白铜具有较高的强度和塑性，弹性好，易于进行冷、热变形加工，具有很好的耐蚀性、电阻率较高，广泛用于耐蚀的结构件和弹簧、插接件等。铜镍二元合金称为普通白铜。其代号表示方法是：B（“白”的汉语拼音字首）+镍的含量（质量分数）×100，例如，B30表示成分w（Ni）=30％的普通白铜。在铜镍二元合金基础上加入其它合金元素的铜基合金称为特殊白铜。其代号表示方法是：B+特殊合金元素化学符号+镍的含量（质量分数）×100-特殊合金元素的含量（质量分数）×100。例如，BMn3-l2表示含3%Ni、12%Mn和85％Cu的锰白铜。钛及钛合金具有密度小、重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，资源丰富，是一种很有发展前途的金属材料。在航空工业、化工、医疗、体育用品、汽车工业、信息产业等方面得到了应用。由于钛及钛合金的加工条件复杂，成本较昂贵，在很大程度上限制了它们的应用。9.3钛及其合金

美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造纯钛密度小，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.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。9.3.1纯钛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.根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金。我国的钛合金牌号分别以TA、TB、TC加上顺序号表示。9.3.2钛合金及其应用钛合金应用钛合金泵钛合金氢泵诱导轮钛合金眼镜架钛合金飞机叶片轴承分滚动轴承和滑动轴承两类。滑动轴承具有承压面积大、承载能力强、工作平稳、无噪音、装拆方便等优点，占有非常重要的地位。在滑动轴承中，制造轴瓦及内衬的合金称为轴承合金，又称轴瓦合金。9.4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。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。对轴承合金的性能要求：（1）低摩擦系数，以减小轴的磨损和动力消耗，避免由于摩擦使温度升高而发生咬合；（2）良好的磨合性，以保证工作时轴和与轴瓦很好的磨合；（3）足够的抗压强度和疲劳强度并能抵抗冲击和振动，以保证在承受轴颈施加的较大压应力、交变应力和冲击振动下能正常工作。（4）轴承合金还应具有良好的耐蚀性、良好的导热性、小的膨胀系数和良好的铸造性能。9.4.1对滑动轴承合金的要求根据以上性能要求，目前轴承合金的组织特征可分为两大类。一类是在软基体上分布着硬质点，另一类是在硬基体上分布着软质点。其中软基体使合金具有很好的嵌镶性、顺应性和抗咬合性，并在磨合后，软基体内凹，硬质点外凸，使滑动面之间形成微小间隙，成为储油空间和润滑油通道，有利于减摩。外凸的硬质点起支撑作用，有利于承载。软基体还具有抗冲击与振动能力。但这种组织难以承受高的载荷。属于这类组织的轴承合金有锡基和铅基轴承合金。具有硬基体和软质点的轴承合金，也具有较低的摩擦系数，能提高轴承的承载能力，但其磨合性较差，属于这类组织的轴承合金有铝基轴承合金和铝青铜等。轴承合金的组织特点9.4.2常用滑动轴承合金巴氏合金轴瓦内燃机轴瓦硬质合金是以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等）的粉末为主要成分，加入铁、钴、镍等起粘结作用的金属粉末，经过配料、压制成形、烧结、后处理等工艺过程（该过程称为粉末冶金法）而制成的材料。9.5硬质合金硬质合金密度范围在6.0~16.0g/cm3之间。硬质合金具有高的抗压强度、耐蚀性和抗氧化性，常温下硬度可达86~93HRA（约为69~81HRC）；红硬性高，可达900~1000℃。硬质合金的耐磨性高出高速