第九章有色金屬

第九章有色金屬有色金屬的產量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性，如特殊的電、磁、熱性能，耐蝕性能及高的比強度(強度與密度之比)等，已成為現代工業(yè)中不可缺少的金屬材料.材料占汽車凈重比AlFe塑料其它橡膠磁材料玻璃聚碳酸酯Ti碳纖維各種材料在先進汽車中占的重量百分比Al37%Fe24%塑料13%其它11%鑄造有色金屬及其合金牌號表示方法統(tǒng)一如下:①鑄造有色純金屬的牌號為Z+該金屬元素符號+純度百分含量數字(或用一短橫加順序號)。如ZAl99.5和ZTi-1。

變形有色金屬及其合金的牌號表示方法還不統(tǒng)一鋁錠②鑄造有色合金的牌號為Z+基體元素符號+主要合金元素符號及其名義百分含量數字+其他合金元素符號及其百分含量數字。如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等?；旌舷⊥猎胤栍肦E表示。優(yōu)質合金在牌號后標注字母“A”。有色金屬種類很多，本章僅對機械、儀表等工業(yè)中廣泛使用的鋁、銅、鈦及軸承合金等作簡要介紹。第一節(jié)鋁及其合金一、鋁及鋁合金性能特點純鋁具有銀白色金屬光澤，密度?。?.72g/cm3），熔點低（660.4℃），導電、導熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形。具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。鋁合金制造的機翼第一節(jié)鋁及其合金鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。鋁合金型材鋁鑄件第一節(jié)鋁及其合金可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類.鋁合金分類示意圖二、鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。第一節(jié)鋁及其合金1、變形鋁合金

①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金

Mn和Mg主要作用是提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度防銹鋁合金：LF+序號硬鋁合金：LY+序號超硬鋁合金：LC+序號鍛鋁合金：LD+序號第一節(jié)鋁及其合金汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘等需要彎曲、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比純鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。第一節(jié)鋁及其合金②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M行時效強化，也可進行變形強化。強度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘等.

飛機翼梁(腹板為硬鋁合金)第一節(jié)鋁及其合金③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強化效果超過硬鋁合金.熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。常用合金有LC4、LC9等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結構件,如飛機大梁、起落架等.飛機主起落架第一節(jié)鋁及其合金④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學性能高，用于形狀復雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機壓氣機葉輪、導風輪等。壓氣機葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金常用牌號有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機葉片、超音速飛機蒙皮等。第一節(jié)鋁及其合金2、鑄造鋁合金①

Al-Si系鑄造鋁合金又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明.577℃12.7%Al-Si系：代號為ZL1+兩位數字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數字順序號第一節(jié)鋁及其合金在普通鑄造條件下，ZL102組織幾乎全部為共晶體，由粗針狀的硅晶體和固溶體組成，強度和塑性都較差。生產上通常用鈉鹽變質劑進行變質處理，得到細小均勻的共晶體加固溶體組織，以提高性能。未變質處理經變質處理ZL102的鑄態(tài)組織第一節(jié)鋁及其合金Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。

活塞(裙部為鋁硅合金)用于制造飛機、儀表、電動機殼體、汽缸體、風機葉片、發(fā)動機活塞等。第一節(jié)鋁及其合金②Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強度低于Al-Si系合金。汽缸頭常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強零件，如內燃機汽缸頭、汽車活塞等。第一節(jié)鋁及其合金這類合金的耐蝕性好，強度高，密度?。坏T造性能差,耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風機密封件等(ZL102、301)③Al-Mg系鑄造鋁合金第一節(jié)鋁及其合金④Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強度較高，可自然時效強化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機活塞(ZL401)常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機、儀器零件。第一節(jié)鋁及其合金三、鋁合金的熱處理時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強化相的熱處理。可熱處理強化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時效。固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。加熱固溶淬火過飽和時效析出第一節(jié)鋁及其合金在室溫下進行的時效稱自然時效；在加熱條件下進行的時效稱人工時效。時效強化效果與加熱溫度和保溫時間有關。溫度一定時，隨時效時間延長，時效曲線上出現峰值，超過峰值時間，析出相聚集長大，強度下降，為過時效。隨時效溫度提高，峰值強度下降，出現峰值的時間提前。含4%Cu鋁合金的時效曲線

時效時間/d第一節(jié)鋁及其合金單級時效—在淬火后只進行一次時效處理。自然、人工都行分級時效—在不同溫度下進行兩次或多次時效處理。通過預時效和最終時效可以提高合金組織的均勻性，獲得較好的綜合性能?；貧w處理：經自然時效后在200～250℃短時間加熱，快冷，使HB、σb恢復到新淬火狀態(tài)的水平。第二節(jié)銅及銅合金一、銅及銅合金性能特點純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。純銅具有優(yōu)良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。塑性好。

熱軋銅合金第二節(jié)銅及銅合金銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強度，又保持了純銅特性.銅管銅與黃銅帶銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。第二節(jié)銅及銅合金二、黃銅（H）以Zn為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學成分可分為普通黃銅和特殊黃銅；按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。黃銅鑄件黃銅棒第二節(jié)銅及銅合金1、普通黃銅Cu與Zn的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號為：H(黃)+表示銅平均百分含量的數字，如H68。工業(yè)上用的黃銅（Zn含量＜46%）有和+’兩種組織，分別稱單相黃銅和兩相黃銅。第二節(jié)銅及銅合金普通黃銅的顯微組織

單相黃銅兩相黃銅第二節(jié)銅及銅合金單相黃銅塑性好，常用牌號有H80、H70、H68，適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。兩相黃銅熱塑性好，強度高，常用牌號有H59、H62，適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導管、散熱器等。汽車機油泵襯套第二節(jié)銅及銅合金2、特殊黃銅在普通黃銅的基礎上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黃銅。加工特殊黃銅的牌號為：H+主加元素符號(Zn除外)+銅平均百分含量-主加元素平均百分含量，如HPb59-1.特殊黃銅強度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。

黃銅制品第二節(jié)銅及銅合金常用牌號有HPb63-3、HAl60-1、HSn62-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。第二節(jié)銅及銅合金三、青銅（Q）除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。加工青銅的牌號為：Q+主加元素符號及其平均百分含量-其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青銅有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。青銅制品第二節(jié)銅及銅合金1、錫青銅是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%。錫青銅鑄造流動性差，鑄件密度低，易滲漏，但體積收縮率在有色金屬中最小。錫青銅耐蝕性良好，在大氣、海水及無機鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。錫青銅錠Cu-Sn相圖第二節(jié)銅及銅合金常用牌號有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蝕承載件,如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)第二節(jié)銅及銅合金2、鋁青銅以鋁為主加元素的銅合金，鋁含量為5~11%。大型水力發(fā)電設備中的抗磨環(huán)強度、硬度、耐磨性、耐熱性及耐蝕性高于黃銅和錫青銅，鑄造性能好，但焊接性能差。常用牌號有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。主要用于制造船舶、飛機及儀器中的高強、耐磨、耐蝕件，如齒輪、軸承、蝸輪、軸套、螺旋槳等。第二節(jié)銅及銅合金3、鈹青銅以鈹為主加元素的銅合金，鈹含量為1.7~2.5%。具有高的強度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導電性、導熱性、冷熱加工及鑄造性能，但價格較貴.鈹青銅制品常用牌號有QBe2、QBe1.7、QBe2.5等。用于重要的彈性件、耐磨件，如精密彈簧、膜片，高速、高壓軸承及防爆工具、航海羅盤等重要機件.第二節(jié)銅及銅合金普通白銅是Cu-Ni二元合金，具有較高的耐蝕性和抗腐蝕疲勞性能及優(yōu)良的冷熱加工性能。普通白銅牌號：B+鎳的平均百分含量，如B5。常用牌號有B5、B19等。用于在蒸汽和海水環(huán)境下工作的精密機械,儀表零件及冷凝器,蒸餾器,熱交換器等.白銅件四、白銅（B）以鎳為主要合金元素的銅合金稱白銅。分普通白銅和特殊白銅。第二節(jié)銅及銅合金特殊白銅是在普通白銅基礎上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分別稱鋅白銅、錳白銅、鋁白銅等。其耐蝕性、強度和塑性高，成本低。常用牌號如BMn40-1.5(康銅)、BMn43-0.5(考銅)。用于制造精密機械、儀表零件及醫(yī)療器械等。康銅熱偶白銅型材第三節(jié)鈦及鈦合金一、工業(yè)純鈦純鈦密度小，熔點高。882.5℃發(fā)生同素異構轉變-Ti?-Ti，由體心立方-Ti轉變?yōu)槊芘帕?Ti.純鈦比強度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。美F-22戰(zhàn)機約36%重量的零件用鈦合金制造第三節(jié)鈦及鈦合金純鈦主要用于350℃以下工作、強度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應器，海水凈化裝置及艦船零部件。

鈦管換熱器鈦制蒸餾塔第三節(jié)鈦及鈦合金二、鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強度、比強度和再結晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為型鈦合金、型鈦合金和+型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵第三節(jié)鈦及鈦合金1、型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。不能熱處理強化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相固溶體.強度低于另兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導輪鈦合金氫泵殼體第三節(jié)鈦及鈦合金常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織第三節(jié)鈦及鈦合金2、型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經淬火加時效處理后，組織為相基體上分布著細小的相粒子。這類合金強度高，但冶煉工藝復雜，難于焊接,應用受到限制。鈦合金管鈦合金管應用第三節(jié)鈦及鈦合金型鈦合金有TB1、TB2兩個牌號。主要用于350℃以下工作的結構件和緊固件,如飛機壓氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵第三節(jié)鈦及鈦合金3、+型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等。可進行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器第三節(jié)鈦及鈦合金+型鈦合金共有九個牌號，其中以TC4應用最廣、用量最大，其經過淬火加時效處理后，組織為++時效析出的針狀。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）第三節(jié)鈦及鈦合金+型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發(fā)動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等.飛機壓氣機葉片第三節(jié)鈦及鈦合金2、淬火和時效和+型鈦合金高溫淬火，可能被過冷保留下來，過冷也可能發(fā)生馬氏體相變，轉變?yōu)椤漶R氏體（密排六方）。過冷、′相時效時發(fā)生過冷→+穩(wěn)定和′→+穩(wěn)定相變，從相中析出相使合金強化。去應力→450～650℃再結晶→750～800℃三、鈦合金熱處理1、退火第三節(jié)鈦及鈦合金四、鈦合金的性能壓力加工性：可采用鍛造、軋制、擠壓、沖壓等，但壓力加工性不如低合金鋼超塑性：具有一定成分比例的合金在一定條件下表現出極高塑性的現象焊接性能：要在惰性氣體保護或真空中進行鑄造性能：難熔、化學活度高，鑄造須在惰性氣體或真空中進行切削加工性：導熱性差、易粘刀第四節(jié)軸承合金制造滑動軸承的軸瓦及其內襯的耐磨合金稱為軸承合金。滑動軸承是許多機器設備中對旋轉軸起支撐作用的重要部件，由軸承體和軸瓦兩部分組成。與滾動軸承相比滑動軸承具有承載面積大，工作平穩(wěn)，無噪音及拆裝方便等優(yōu)點。第四節(jié)軸承合金一、組織性能要求當軸高速旋轉時，軸瓦與軸頸發(fā)生強烈摩擦，承受軸頸施加的交變載荷和沖擊力。對軸承合金的性能要求：⑴足夠的強韌性，以承受軸頸施加的交變沖擊載荷.⑵較小的熱膨脹系數，良好的導熱性和耐蝕性，以防止軸與軸瓦之間咬合。⑶較小的摩擦系數，良好的耐磨性和磨合性，以減少軸頸磨損，保證軸與軸瓦良好的跑合。第四節(jié)軸承合金為滿足上述性能要求，軸承合金的組織應是軟的基體上分布著硬的質點或硬的基體上分布著軟的質點.當軸旋轉時，軟的基體（或質點）被磨損而凹陷，減少了軸頸與軸瓦的接觸面積，有利于儲存潤滑油和軸與軸瓦間的磨合，而硬的質點(基體)則支撐著軸頸，起承載和耐磨作用.軟基體(或質點)還能起嵌藏外來硬雜質顆粒的作用,以避免擦傷軸頸。第四節(jié)軸承合金1、錫基軸承合金是以錫為主并加入少量銻、銅等元素組成的合金，熔點較低，是軟基體硬質點組織類型的軸承合金。二、常用軸承合金工業(yè)上常用的是錫基、鉛基軸承合金，又稱巴氏合金典型牌號為ZSnSb11Cu6。(其組織為基體+白亮塊狀SnSb+星狀Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的顯微組織

第四節(jié)軸承合金錫基軸承合金具有較高的耐磨性、導熱性、耐蝕性和嵌藏性，摩擦系數和熱膨脹系數小，但疲勞強度較低，工作溫度不超過150℃，價格高。巴氏合金軸瓦廣泛用于重型動力機械，如氣輪機、渦輪機和內燃機等大型機器的高速軸瓦。第四節(jié)軸承合金2、鉛基軸承合金是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素的合金，也是軟基體硬質點型軸承合金。典型牌號為ZPbSb16Sn16Cu2ZPbSb16Sn16Cu2合金的顯微組織[(+)共晶基體+方塊狀SnSb+針狀Cu3Sn]

第四節(jié)軸承合金鉛基軸承合金的強度、硬度、耐蝕性和導熱性都不如錫基軸承合金，但其成本低，高溫強度好，有自潤滑性。常用于低速、低載條件下工作的設備,如汽車、拖拉機曲軸的軸承等。內燃機軸瓦第四節(jié)軸承合金錫基和鉛基軸承合金強度比較低，為提高其承載能力和使用壽命，生產上常采用離心澆注法，將它們鑲鑄在低碳鋼軸瓦上，形成一層薄而均勻的內襯，成為雙金屬軸承。表面保護層減磨層鎳柵層軸承合金襯背第五節(jié)鎂及鎂合金一、純鎂Mg具有密排六方結構（致密度與面心立方相同），T熔=651℃，比重1.74g/cm3較小，比熱和熱膨脹系數↑彈性模量↓Mg室溫δ↓，易脆斷，而150～225℃，塑性δ↑，可熱變形加工。抗蝕性↓，力學性能↓，不能直接用作結構材料第五節(jié)鎂及鎂合金二、鎂合金純Mg性能↓須強化，即合金化利用固溶強化提高鎂