CH06 第三章 有色金屬及其合金

1、有色金屬及合金有色金屬及合金 引言引言o工業(yè)生產(chǎn)中，通常把以鐵為基的金屬材料稱為黑色金屬，如鋼與鑄鐵，把非鐵金屬及其合金稱為有色金屬，如鉛、金屬、鎳、鋅、鈦、銅等，金屬及合金。o有色金屬及合金與鋼鐵材料相比，具有許多特殊性能，是現(xiàn)代工業(yè)生活中不可缺少的金屬材料。o本章重點(diǎn)介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金及軸承合金。 有色金屬及合金 o一、鋁及鋁合金 o二、銅及銅合金 o三、軸承合金o四、鈦及鈦合金的性能特點(diǎn)一、鋁及鋁合金一、鋁及鋁合金o1.鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)o2.提高鋁及鋁合金強(qiáng)度的主要途徑 o3.鋁及鋁合金的分類及用途1.1.鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)o（1）優(yōu)良的物理

2、性能 o（2）抗大氣腐蝕性能好 o（3）加工性能好，比強(qiáng)度高 （1）優(yōu)良的物理性能 o密度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，磁化率低純鋁的密度2.72g/cm3，僅為鐵的1/3，熔點(diǎn)為660.4，導(dǎo)電性僅次于Cu、Au、Ag。鋁合金的密度也很小，熔點(diǎn)更低，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。 （2）抗大氣腐蝕性能好o鋁和氧的化學(xué)親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會(huì)很快形成一層致密的氧化膜，防止內(nèi)部繼續(xù)氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞，因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。（3）加工性能好，比強(qiáng)度高o純鋁為面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，具有較高的塑性（=3

3、050%，=80%），易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能，純鋁的強(qiáng)度低，n=70Mpa，雖經(jīng)冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)度可提高到150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的結(jié)構(gòu)件，而鋁合金通過冷成型和熱處理，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到500600 Mpa，相當(dāng)于低合金鋼的強(qiáng)度，比強(qiáng)度高，成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。 2.2.提高鋁及鋁合金強(qiáng)度的主要途徑提高鋁及鋁合金強(qiáng)度的主要途徑o鋁合金的分類o鋁合金的分類o提高強(qiáng)度主要途徑分類鋁合金相圖的一般形式鋁合金相圖的一般形式鋁合金鋁合金的分類的分類1、根據(jù)合金的成分和生產(chǎn)工藝不同將鋁合金分為兩類：變形鋁合金和鑄造鋁合金。o成分小于D點(diǎn)的合金變形鋁合金。o成分大于D點(diǎn)的合

4、金，由于凝固時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好，適于鑄造鑄造鋁合金。2、在變形鋁合金中，成分小于F點(diǎn)的不能熱處理強(qiáng)化稱為不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，而成分位于F與D之間的合金，其固溶體成分隨溫度而變化，可進(jìn)行固溶強(qiáng)化+時(shí)效處理強(qiáng)化稱為能熱處理強(qiáng)化的鋁合金。 鋁合金鋁合金的分類的分類形變鋁合金形變鋁合金鑄造鋁合金鑄造鋁合金不能熱處理不能熱處理強(qiáng)化鋁合金強(qiáng)化鋁合金 能熱處理能熱處理強(qiáng)化鋁合金強(qiáng)化鋁合金提高強(qiáng)度途徑分類o冷變形（加工硬化）o變質(zhì)處理（細(xì)化晶粒強(qiáng)化）o固溶+時(shí)效處理（時(shí)效強(qiáng)化） （1）時(shí)效強(qiáng)化o固溶處理固溶處理 將成分位于DF之間的合金加熱到固態(tài)溶解度線DF以上某一溫度，獲得單相固溶體，然后

5、水冷（淬火），獲得過飽和固溶體稱為固溶處理。o時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化 這種過飽和固溶體是不穩(wěn)定的，在室溫放置或在低于固溶度線的某一溫度下加熱時(shí)，使過飽和固溶體趨于發(fā)生某種程度的分解，使合金的強(qiáng)度和硬度明顯提高，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效或時(shí)效硬化（時(shí)效強(qiáng)化）。在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱為自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。o合金發(fā)生時(shí)效的條件合金發(fā)生時(shí)效的條件 o時(shí)效規(guī)律時(shí)效規(guī)律合金發(fā)生時(shí)效的條件合金發(fā)生時(shí)效的條件o合金能在高溫形成均勻的固溶體o固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。 含含4%Cu的鋁合金自然時(shí)效曲線的鋁合金自然時(shí)效曲線含含4%Cu的鋁合金在不同溫度下的的鋁合金在不同溫度下的 人

6、工時(shí)效曲線人工時(shí)效曲線時(shí)效規(guī)律o時(shí)效溫度越高, 強(qiáng)度峰值越低, 強(qiáng)化效果越小;o時(shí)效溫度越高, 時(shí)效速度越快, 強(qiáng)度峰值出現(xiàn)所需時(shí)間越短;o 低溫使固溶處理獲得的過飽和固溶體保持相對的穩(wěn)定性, 抑制時(shí)效的進(jìn)行。時(shí)效強(qiáng)化的原因o分析表明：在時(shí)效過程中溶質(zhì)原子發(fā)生了如下的變化，首先溶質(zhì)原子發(fā)生富集，形成富集區(qū)，使晶格畸變加大，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，強(qiáng)度提高，其次隨時(shí)間的延長，富集區(qū)的原子趨于有序化，趨于形成第二相，但還沒形成第二相，其與原晶格保持共格關(guān)系，晶格畸變進(jìn)一步增大，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高，隨時(shí)間的繼續(xù)延長，第二相形成并逐漸離與母體的共格關(guān)系，這時(shí)晶格畸變減小，強(qiáng)度下降。 （2）細(xì)晶強(qiáng)化o純鋁和鋁

7、合金在澆注前進(jìn)行變質(zhì)處理，即在澆鑄前向合金注液中加入變質(zhì)劑，可有效地細(xì)化晶粒，從而提高合金強(qiáng)度，稱為細(xì)化晶粒強(qiáng)化。o細(xì)晶強(qiáng)化對于變形鋁合金的作用o細(xì)晶強(qiáng)化對于鑄造鋁合金的作用細(xì)晶強(qiáng)化對于變形鋁合金的作用o對于純鋁和變形鋁合金，常用的變質(zhì)劑Ti、B、Nb、Zr等元素，它們所起的作用就是形成外來晶核，從而細(xì)化鋁的晶粒。細(xì)晶強(qiáng)化對于鑄造鋁合金的作用o對于鑄造鋁合金：典型的鑄造鋁合金是鋁硅系合金（硅鋁明），這類合金具有優(yōu)良的鑄造性能（熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，收縮性?。┖秃附有阅芎茫纫院?113%Si的二元鋁硅合金鑄造性能最好?？梢?，二元鋁硅合金鑄造后幾乎全部得到（+Si）的共晶體，其中Si量粗大針葉狀，使

8、合金變脆，強(qiáng)度和塑性都很低，不宜作為工業(yè)合金使用，若對其采用變質(zhì)處理，在澆注前向合金中加入占合金重量23%的變質(zhì)劑（2份NaF和1份NaCl），可將針狀Si改變?yōu)榧?xì)小粒狀Si，得到細(xì)小均勻的共晶體和初生固溶體的亞共晶組織（+Si）+，顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性。鑄造鋁合金中，變質(zhì)處理細(xì)化晶粒的原因o在一般認(rèn)為是Na等元素能促進(jìn)硅的形核，并吸附在硅晶體的表面，阻止硅的長大。同時(shí)鈉的存在使液態(tài)合金產(chǎn)生510的過冷度，并使共晶點(diǎn)向右移動(dòng)，這樣不僅形核率增加，細(xì)化共晶組織而且使合金組織中出現(xiàn)了初生固溶體。純鋁與鋁合金的細(xì)晶強(qiáng)化（變質(zhì)處理）示意圖 未變質(zhì)處理 變質(zhì)處理后3.3.鋁及鋁合金的分類及用途鋁及鋁

9、合金的分類及用途o純鋁 o鋁合金 純鋁 o按純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁三類o高純鋁：99.996%99.93% 用于科研， 代號(hào)L04L01；o工業(yè)高純鋁：99.9%99.85% 用于作Al合金原料、鋁箱，代號(hào)L0、L00；o工業(yè)純鋁：99.0%98.0% 作管、線、棒、代號(hào)L1L6，數(shù)字大。 鋁合金 o(一）變形鋁合金n防銹鋁合金n硬鋁合金n超硬鋁合金n鍛鋁合金o（二）鑄造鋁合金 nAl-Si系合金nAl-Cu系合金nAl-Mg系合金nAl-Zn 系合金鋁合金牌號(hào)o鋁合金的牌號(hào)表示方法：Al+主要合金元素符號(hào)+主要合金元素平均含量，若為鑄造鋁合金前面加“Z”，如ZAlSi12表示平

10、均硅含量為12%的鑄造鋁合金。o按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁代號(hào)分別用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一組順序號(hào)表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而鑄造鋁合金的代號(hào)用“ZL”兩個(gè)字母和三個(gè)數(shù)字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等 （一（一) 變形鋁合金1.防銹鋁合金 ( LF ) : Al Mn 通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的 強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁好 )。 例如:LF21。 Al Mg 通過固溶強(qiáng)化提高鋁合金的 強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁輕 )。 例如:LF2、LF6等。飛機(jī)翼梁飛機(jī)翼梁( (腹板腹板為硬鋁合金為硬鋁合金) )2.硬鋁合金 ( LY )

11、: Al Cu Mg 通過時(shí)效強(qiáng)化提鋁合金強(qiáng)度,但耐蝕性不高。LY1、LY11、LY12。3.超硬鋁合金 ( LC ) : Al Zn Mg Cu 通過時(shí)效強(qiáng)化和形成的強(qiáng)化相,使鋁合金達(dá)到最高的硬度和強(qiáng)度。但耐蝕性較差。LC4、LC9。 飛機(jī)主起落架飛機(jī)主起落架4.鍛鋁合金 ( LD ) : Al Mg Si Cu 具有良好的熱塑性, 通過固溶處理和人工時(shí)效 來提高鋁合金的力學(xué)性能。 LD5、LD6、LD10。壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)葉片活塞活塞( (裙部為鋁硅合金裙部為鋁硅合金) ) ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ) 551.鑄造鋁鑄造鋁 硅合金硅合金 ( ZL101ZL111 ) :（二）鑄造

12、鋁合金硅鋁明 o簡單硅鋁明 o 組織+Si共晶體，它的最大優(yōu)點(diǎn)是鑄造性能好，此外，密度小，抗蝕性，耐熱性，焊接性也相當(dāng)好，但強(qiáng)度低，這類合金只適用于制造形狀復(fù)雜但對強(qiáng)度要求不高的鑄件，如儀表殼體等。o特殊硅鋁明n在該合金的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)合金元素Cu、Mn、Mg、Ni等元素，發(fā)展成能時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，稱為特殊硅鋁明，具有良好的鑄造性和較高的抗蝕性及足夠的強(qiáng)度，如ZL108、ZL109是我國目前常用的鑄造鋁活塞的材料。 2.鑄造鋁 銅合金 ( ZL201ZL203 ) : 有較高的強(qiáng)度、塑性及耐熱性,但鑄 造性能和耐蝕性較差。 鋁銅合金鑄造組織 ( 化染 ) 210汽缸頭汽缸頭3.鑄造鋁 鎂合金

13、( ZL301、ZL302 ) : 有較高的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性,但鑄 造性能和耐熱性較差。 鋁鎂合金鑄造組織 (化染) 150鼓風(fēng)機(jī)用密封件鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)(ZL102)及航空架件及航空架件(ZL301)(ZL301)4.鑄造鋁 鋅合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的鑄造性,經(jīng)變質(zhì)處理和時(shí)效處理后,強(qiáng)度高,但耐蝕性差。大型空壓機(jī)活塞大型空壓機(jī)活塞(ZL401)(ZL401)二、銅及銅合金二、銅及銅合金o1.1.銅及銅合金的性能特點(diǎn)銅及銅合金的性能特點(diǎn)o2.2.銅及銅合金的分類及用途銅及銅合金的分類及用途1.1.銅及銅合金的性能特點(diǎn)銅及銅合金的性能特點(diǎn)o優(yōu)異的物理、化

14、學(xué)性能 o導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗蝕、抗磁能力高 o良好的加工性能 o塑性好；鑄造性好o某些特殊機(jī)械性能 o優(yōu)良的減摩性和耐磨性，高的彈性極限和疲勞極限 2.2.銅及銅合金的分類及用途銅及銅合金的分類及用途o純銅o銅合金n黃銅n青銅n白銅2.2.銅及銅合金的分類及牌號(hào)銅及銅合金的分類及牌號(hào)o純銅純銅( (紫銅紫銅) ) T1、T2、T3、T4o銅合金銅合金 n黃銅黃銅o普通黃銅普通黃銅 H H 表示含銅表示含銅62%,62%,其余為其余為ZnZn的黃銅的黃銅 o特殊黃銅特殊黃銅 HPb59-1HPb59-1表示表示59%Cu59%Cu、1%Pb1%Pb。余量為。余量為ZnZn的鉛黃的鉛黃銅銅 n青銅青

15、銅o錫青銅錫青銅 QSn6.5-0.4,QSn6.5-0.4,表示表示6.5Sn6.5Sn及及0.4%P0.4%P的錫的錫- -磷青銅磷青銅 o特殊青銅特殊青銅n白銅白銅 BMn3-12,BMn3-12,是含是含3%Ni3%Ni及及12%Mn12%Mn的錳白銅的錳白銅純銅 我國工業(yè)有三個(gè)牌號(hào)：即一號(hào)銅（99.95%Cu）、二號(hào)銅（99.90%Cu），三號(hào)銅（99.7%Cu），其代號(hào)分另為T1、T2、T3。 此外，純銅除工業(yè)純銅外，還有一類叫無氧銅，其含氧量極低，不大于0.003%，其代號(hào)有Tu1，Tu2，“u”是“無”漢語拼音字首。 純銅退火狀態(tài)，強(qiáng)度低，塑性好（b=250270Mpa，=35

16、45%），經(jīng)冷加工變形后強(qiáng)度升高，而塑性急劇降低（b=400500Mpa，=13%）。不能用作受力的結(jié)構(gòu)材料，工業(yè)純銅主要用導(dǎo)電、導(dǎo)熱，兼有抗腐蝕性的器材，如電線、電纜、電器開關(guān)等，無氧銅主要作音響器材、真空電子器件。 銅合金o純銅強(qiáng)度低，雖然冷加工變形可提高其強(qiáng)度，但塑性顯著降低，不能制作受力的結(jié)構(gòu)件。為了滿足制作結(jié)構(gòu)件的要求，在銅中加入合金元素，通過固溶強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化及過剩相強(qiáng)化等途徑提高合金的強(qiáng)度，獲得高強(qiáng)度的銅合金。o常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。o銅合金按其化學(xué)成分可分為黃銅、青銅、白銅三大類。 黃銅 黃銅是以Zn為主要合金元素的銅合金

17、，具有良好的機(jī)械性能，易加工成型，對大氣、海水有相當(dāng)好的抗蝕能力，是應(yīng)用最廣的重要有色金屬材料。 黃銅按其所含合金元素的種類可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類；按生產(chǎn)方式可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類。普通黃銅o普通黃銅，就是Cu-Zn二元合金，當(dāng)Zn含量36%，時(shí)單相，Zn含量36%而47%時(shí)組織+兩相工業(yè)上所用的黃銅Zn含量一般不超過47%。o單相黃銅：室溫組織為單相的黃銅又稱單相黃銅，強(qiáng)度較低、塑性特別好，適于壓力加工，常用代號(hào)有H80、H70、H68，其中H70、H68強(qiáng)度較高，大量用作槍彈殼和炮彈筒，故有“彈殼黃銅”之稱。o雙相黃銅：+黃銅又稱雙相黃銅，強(qiáng)度高，塑性差、常用H59、H62

18、用作水管、油管、散熱器等。普通黃銅的組織特征圖單相黃銅 H68雙相黃銅H59 黃銅的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系圖黃銅的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系圖50030405060700400300200100010205040302010506070809010011040HB + b b(Mpa) (%)HB常用的黃銅應(yīng)用常用的黃銅應(yīng)用v金獎(jiǎng)黃銅金獎(jiǎng)黃銅 - H90v彈殼黃銅彈殼黃銅 - H70 ( H68 )v日用黃銅日用黃銅 - H62 ( H59 )法蘭閥法蘭閥閘閥閘閥冷凝器管冷凝器管特殊黃銅o在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黃銅，它們比普通黃銅具有更高的強(qiáng)

19、度、硬度、抗腐蝕性能黃銅的“季裂”o雖然黃銅具有優(yōu)良抗蝕性，但當(dāng)零件以冷壓力加工（擠壓、沖壓、彎曲等）成形時(shí)，由于其中有殘余內(nèi)應(yīng)力存在，在氨、濕氣、海水作用下，極易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象稱為。為了防止這種現(xiàn)象，冷壓力加工后的黃銅零件（如彈殼等）必須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火（250300保溫1h以上）青銅 o青銅是以Sn、Al、Si、Be、Ti等為主要合金元素的銅合金按照生產(chǎn)方式：加工青銅和鑄造青銅兩類。o錫青銅：是以錫為主要合金元素的銅合金，是人類歷史上應(yīng)用最早的銅合金。是Cu-Sn二元合金，錫青銅在大氣、海水、淡水及蒸汽中比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸及氨水中的抗蝕性較差。o此外，為了改善錫青銅的

20、性能，還加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高鑄造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高彈性極限等。o主要用作耐蝕耐磨、防磁的零件，如儀器上的彈簧簧片、軸承、齒輪等。 白銅o白銅是以Ni為主要合金元素的合金。Ni和Cu在固態(tài)下能完全互溶，所以各類銅鎳合金均為單相固溶體，具有很好的冷熱加工性能，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能用固溶強(qiáng)化和加工硬化來提高強(qiáng)度。o白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵材料。 白銅的用途的用途o各類銅鎳合金均為單相固溶體，具有很好的冷熱加工性能，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能用固溶強(qiáng)化和加工硬化來提高強(qiáng)度。o白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)

21、良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵材料。三、軸承合金三、軸承合金 o1.1.軸承合金的性能要求軸承合金的性能要求 o2.2.軸承合金的分類及用途軸承合金的分類及用途 o3.ChSnSb11-6 合金1.1.軸承合金的性能要求軸承合金的性能要求o在工作溫度下有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，以承受軸所施加載荷。o有足夠的塑性和韌性，以保證與軸配合良好并承受沖擊和振動(dòng)。o磨擦系數(shù)小，并能保持住潤滑油，以減少對軸頸的摩損。o具有小的膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性，以防止軸瓦與軸頸強(qiáng)烈磨擦升溫而發(fā)生咬合，并抵抗?jié)櫥偷那治g。o具有良好的磨合能力，以使載荷均勻分布。o容易制造，價(jià)格低

22、廉。軸承合金的組織特征軸承合金的組織特征 軸承材料通常要滿足上述性能的要求都不能是純金屬或單相合金，必須配以軟硬不同的多相合金。 通常是軟基體上均勻分布一定數(shù)量和大小的硬質(zhì)點(diǎn)，或者硬基體上分布一定數(shù)量和大小的軟質(zhì)點(diǎn)。 硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)組織特征圖硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)組織特征圖潤滑油空間潤滑油空間軸軸軟質(zhì)點(diǎn)軟質(zhì)點(diǎn)硬基體硬基體軸瓦軸瓦2.2.軸承合金的分類及用途軸承合金的分類及用途 o常用的軸承合金按其化學(xué)成分可以分為錫基、鉛基、鋁基、銅基和鐵基等數(shù)種，前兩種錫基、鉛基稱為巴氏合金。o錫基軸承合金 o鉛基軸承合金 軸承合金的牌號(hào)o軸承合金一般在鑄態(tài)下使用，其號(hào)為ZCh + 基本元素符號(hào) + 主加元素符號(hào) + 主加元素平均含量+輔加元素元素含量。“鑄”、“承”o如ZChPbSn5-9。表示含5%Sn、9%Sb的鉛基軸承合金。 錫基軸承合金 錫基軸承合金是Sn為主并加入少量Sb、Cu等元素的合金，是一種軟基體