第六章 電廠金屬材料

第六章有色金屬及其合金

3/10/20241一、工業(yè)純鋁鋁是地球上儲(chǔ)量最豐富的金屬，比鐵的儲(chǔ)量約多兩倍，比其他有色金屬的總儲(chǔ)量還多鋁的產(chǎn)量?jī)H次于鐵占第二位，應(yīng)用也十分廣泛。鋁的密度小，鋁合金的密度也小，一般在2.5~2.88之間廣泛地用來(lái)制造各種要求減輕重量的機(jī)械零件和設(shè)備。鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，在電力、械工業(yè)中常用于制作導(dǎo)線電纜和電容器，以及導(dǎo)熱或散熱用的機(jī)械零件和設(shè)備鋁在空氣中優(yōu)良好的抗?jié)嵝?，以為鋁的表面易生成一層穩(wěn)定而致密AL2O3薄膜，阻止進(jìn)一步的氧化。但是鋁不耐堿、鹽溶液及熱的稀硫酸或稀硝酸腐蝕。鋁有很高的塑性，便于通過(guò)各種冷、熱壓力加工制成型材、線材、板材和鋁箔。工業(yè)純鋁中最常見(jiàn)的雜質(zhì)是鐵和硅。鋁中所含的雜質(zhì)數(shù)量愈多，其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗蝕性及塑性就愈低。我國(guó)純鋁的牌號(hào)用“鋁”字的漢語(yǔ)拼音字首“L”加上按雜質(zhì)限量編號(hào)得數(shù)字組成，有L1、L2、L3…….等。數(shù)字愈大，純度愈低。3/10/20242（一）鋁合金的分類

鋁合金按其成分、組織、性能及生產(chǎn)工藝的不同，可以分為兩大類，一類為形變鋁合金，一類為鑄造鋁合金。對(duì)鋁合金進(jìn)行分類的示意相圖見(jiàn)圖6-1所示。二、鋁合金工業(yè)純鋁中加入適量的銅、硅、錳、鎂、鋅等合金元素就成為鋁合金，鋁合金的強(qiáng)度顯著提高。鋁合金經(jīng)熱處理或冷加工硬化后，Rm可增高到500~600Mpa,而且鋁合金的密度小，比強(qiáng)度（σ/r）較高，廣泛地應(yīng)用于要求重量輕承載構(gòu)件。3/10/20243（二）形變鋁合金形變鋁合金中如其合金元素B的含量介于F~D%之間，在加熱或冷卻過(guò)程中，固液體的溶解度將有變化，因此就可采用淬火的方法進(jìn)行強(qiáng)化。這種成分范圍的鋁合金即為熱處理能強(qiáng)化的合金。而B(niǎo)元素含量如果小于F點(diǎn)含量的鋁合金，在固態(tài)時(shí)始終是單一的固溶體，采用淬火的方法已不能進(jìn)行強(qiáng)化。這種成分的鋁合金即為熱處理不能強(qiáng)化的合金。在工程上形變鋁合金通常分為防銹鋁合金及硬鋁、超硬鋁。1．

防銹鋁合金防銹鋁合金屬于熱處理不能強(qiáng)化的合金，只能靠冷變形加工硬化來(lái)提高強(qiáng)度。這類合金主要是Al-Mg或Al-Mn合金。防銹鋁合金耐蝕性高，塑性、韌性及焊接性能好，具有比純鋁高的強(qiáng)度。在火電廠中常用于熱交換器、管子、容器、殼體及鉚釘?shù)?。防銹鋁合金的牌號(hào)用拼音字母“LF”再加數(shù)字序號(hào)表示，如LF4、LF21等，數(shù)字愈大，表示含錳或鎂愈多。3/10/202442

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硬鋁及超硬鋁

硬鋁屬于Al-Cu-Mn的合金；超硬鋁屬于Al-Mg-Zn-Cu的合金。這兩類鋁合金均可通過(guò)淬火和時(shí)效來(lái)提高其強(qiáng)度和硬度。所謂時(shí)效，是指將淬火后的鋁合金在室溫下停放5~7d（自然時(shí)效）或在100~150的溫度下停放幾小時(shí)（人工時(shí)效），使過(guò)飽和的固溶體析出一些新相，因而使鋁合金的強(qiáng)度和硬度提高。

硬鋁及超硬鋁的牌號(hào)分別用“LY”及“LC”加上數(shù)字序號(hào)表示。硬鋁和超硬鋁是制造飛機(jī)的重要材料。在火電廠中，硬鋁主要用做鉚釘、沖壓件及發(fā)電機(jī)離心式風(fēng)扇葉片等。（三）鑄造鋁合金

鑄造鋁合金有Al-Si、Al-Mg及Al-Cu等合金，其中以Al-Si合金（常稱為硅鋁明）應(yīng)用最廣。鑄造鋁合金由于鑄造性能好，適于制造形狀復(fù)雜的零部件。

鑄造鋁合金的牌號(hào)用“ZL”加上數(shù)字序號(hào)來(lái)表示。

鑄造鋁合金所含的合金元素較形變鋁合金為高，鑄造鋁合金中有共晶體，熔點(diǎn)也較低，這樣可以增加液態(tài)金屬的流動(dòng)性，增高鑄件的致密度，減少收縮率，有利于改善鑄造性能。合金中的共晶體愈多，鑄造性能愈好；共晶成分的合金，鑄造性能最佳。3/10/20245第二節(jié)銅及其合金一、工業(yè)純銅純銅表面一般呈玫瑰紅色，氧化后呈紫色，故又稱紫銅。純銅的熔點(diǎn)為1083℃，比重為8.9，固態(tài)下具有面心立方晶格，無(wú)同素異晶轉(zhuǎn)變。純銅的塑性較高（A＝40～50％，Z≤70％），強(qiáng)度、硬度低（Rm＝200～240MPa，HBS約35）。經(jīng)冷變形加工后其強(qiáng)度、硬度有所提高，但塑性下降，故純銅不宜用作結(jié)構(gòu)材料，而主要用于電線、電纜、墊片、銅管以及配制銅合金等。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電率僅次于銀，居金屬元素的第二位。我國(guó)工業(yè)純銅按其純度的不同，分別用T1、T2、T3、T4四種編號(hào)表示，“T”是漢語(yǔ)拼音“銅”字的首字母，后面數(shù)字越大，純度越低。3/10/20246

二、黃銅

黃銅是以銅鋅為主的合金，按照化學(xué)成份可分為普通黃銅和特殊黃銅兩種。普通黃銅是銅和鋅的二元合金，鋅含量對(duì)合金性能影響較大。

當(dāng)鋅含量小于32%時(shí)，鋅可溶入銅中形成α固溶體，這種固溶體具有良好的塑性，適合冷熱壓力加工；當(dāng)含鋅量約在32%~38%范圍內(nèi)時(shí)，由于合金組織中開(kāi)始出現(xiàn)CuZn化合物相，所以隨著含鋅量的增加，其強(qiáng)度增加而塑性略有下降；當(dāng)含鋅量在39%~46%范圍內(nèi)時(shí)，其性能硬而脆，適合于鑄造；當(dāng)含鋅量大于46%時(shí)，強(qiáng)度和塑性都急劇下降；含鋅量大于46%的黃銅在工業(yè)中已沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。

3/10/20247(二)特殊黃銅在銅和鋅的基礎(chǔ)上，再加入少量的其它元素（如鋁、錳、錫、硅、鉛等）的銅合金，稱為特殊黃銅。加入鋁或錳，能進(jìn)一步提高銅合金的機(jī)械性能；加入鋁、錳、錫，能提高銅合金的耐腐蝕能力；加入硅和鉛，可以提高銅合金的耐磨性；加入少量的鉛，能改善銅合金的切削加工性能。特殊黃銅的牌號(hào)要標(biāo)明所加入的元素及其含量。例如HA167-2.5,表示含銅量為67%，含鋁量為2.5%，含鋅量為30.5%的鋁黃銅。牌號(hào)前如有“Z”，則表示是鑄造黃銅。常用黃銅的牌號(hào)、成分、機(jī)械性能及用途列于表6-2中。普通黃銅的編號(hào)用漢語(yǔ)拼音字母H（或ZH）加上數(shù)字來(lái)表示。H表示黃銅，ZH表示鑄造普通黃銅，數(shù)字表示含銅量的百分?jǐn)?shù)。例如H62，是指含銅量為62％，含鋅量為38％的普通黃銅。3/10/20248三、青銅銅合金中主要加入元素如果不是鋅而是錫鉛鋁等元素，則這種銅合金稱為青銅。習(xí)慣上把青銅分為錫青銅和無(wú)錫青銅兩大類。（一）錫青銅以錫為主要加入元素的銅合金稱為錫青銅。錫對(duì)錫青銅組織和性能的影響，如圖6-3所示。3/10/20249從圖6-3中可以看出，當(dāng)含錫量小于6%～7%時(shí)，其組織為單相α固溶體（錫在銅中的置換式固溶體），隨含錫量的增加，錫青銅的強(qiáng)度（Rm

）和塑性（A）逐漸提高。當(dāng)含錫量大于6%～7%以后，由于出現(xiàn)硬而脆的δ相（以化合物Cu31Sn8為基的固溶體），強(qiáng)度雖然仍在提高；但是，塑性急劇下降。當(dāng)含錫量超過(guò)20%時(shí)，由于δ相較多，強(qiáng)度也急劇下降。工業(yè)上應(yīng)用的錫青銅，其含錫量一般在3%~14%范圍內(nèi)；用于壓力加工的錫青銅，其含錫量不超過(guò)6%~7%；用于鑄造的錫青銅，含錫量一般為10%~14%。錫青銅有一定的機(jī)械性能，熔點(diǎn)較低，具有良好的鑄造性、減磨性和耐腐蝕性。因而廣泛用來(lái)制造蒸汽鍋爐、海船及其它機(jī)器設(shè)備的耐磨和耐腐蝕零部件，如低壓蒸汽管配件、泵體、葉輪、軸套、齒輪、蝸輪等。也常用錫青銅來(lái)鑄造人像等工藝美術(shù)品。

錫青銅的牌號(hào)用銅和錫化學(xué)元素的符號(hào)及數(shù)字表示，數(shù)字指含錫的百分?jǐn)?shù)。鑄造用的錫青銅，則在牌號(hào)前加Z字母。例如ZCuSn10，表示鑄造錫青銅，含錫量為10%，含銅量則為90%。如在銅錫的基礎(chǔ)加入一些其他的元素，可以提高錫銅某一方面的性能，則在牌號(hào)中也應(yīng)用數(shù)字表出所加元素的含量。3/10/202410（二）無(wú)錫青銅除鋅錫以外，其他元素與銅的合金稱無(wú)錫青銅。無(wú)錫青銅也叫做特殊青銅。按所加入的主要元素的不同，分別稱為鋁青銅、鈹青銅、錳青銅、鉛青銅等。1．鋁青銅鋁青銅中的含鋁量約為5％一l0％，這種青銅的價(jià)格低廉，強(qiáng)度、硬度和韌性均比黃銅和錫青銅高，井可通過(guò)淬火和回火進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化。鋁青銅的化學(xué)穩(wěn)定性比純銅、黃銅還要好。鋁青銅在鹽酸、磷酸、有機(jī)酸的稀溶液、乳酸、海水以及大氣中能耐腐蝕；但是，由于堿會(huì)破壞鋁青銅的保護(hù)膜(A12O3)，所以不能用鋁青銅制造在堿溶液中工作的零件。改善鋁青銅的性能，通常在Cu—Al合金的基礎(chǔ)上加入一些鐵或錳或鎳等元素，配制成鋁青銅。例如加入4％Fe，便可細(xì)化晶粒，提高鋁青銅的強(qiáng)度和硬度，進(jìn)一步提高了耐磨性能。鋁青銅主要用來(lái)制造耐磨抗蝕的零件，如重要的彈簧、泵、齒輪、蝸輪、軸套等。海邊的火電廠曾試用鋁青銅制造冷凝器管，已獲得成功。3/10/2024112．鈹青鋼

鈹青銅的含鈹量為2％，鈹青銅經(jīng)過(guò)淬火和人工時(shí)效后，其強(qiáng)度、硬度、彈性極限和疲勞強(qiáng)度都有很大提高。銨青銅的耐磨性、耐蝕性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，均比其它的銅合金為好。鈹青銅是優(yōu)良的導(dǎo)電彈性材料，可用于制造各種精密儀表和儀器的彈簧及彈性元件，制造電接觸器、電焊機(jī)電極、鐘表和羅盤(pán)中的零件。3．錳青銅錳青桐的含錳量為5％左右，錳能溶于銅中，可提高合金的機(jī)械性能和耐腐蝕性。加入錳還能改善鑄造性能，降低合金的脆性。含錳量為5％的錳青銅，能抵御堿溶液和高壓力CO和H2的混合氣體在170～350℃時(shí)的腐蝕。錳青銅還有較好的耐熱性，可用來(lái)制造在高溫下工作的零件。錳青銅是化工及造船工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的合金。4．鉛青銅鉛青銅的含鉛量為30％左右，是一種鑄造青銅。鉛青銅的顯微組織中有固溶體軟相和化合物硬相，也是一種理想的軸承材料，可用于制造告訴高負(fù)荷的大型軸瓦和襯套。3/10/202412一、工業(yè)純鈦純鈦是指鈦含量不低于99％的致密金屬。鈦的密度小，為4.507g/cm3，熔點(diǎn)高，為1668℃，熱膨脹系數(shù)很小，熱應(yīng)力較小。但導(dǎo)熱性和切削及磨削加工性能較差。鈦容易形成薄而致密的惰性氧化膜，在大氣、海水、氧化性介質(zhì)、不同濃度的酸（HF除外）以及堿溶液中具有良好的耐蝕性。純鈦具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，其晶體結(jié)構(gòu)在882.5℃時(shí)發(fā)生變化，882.5℃以上的為體心立方晶格，稱為β-Ti。882.5℃以下為密排六方晶格，稱為α-Ti。工業(yè)純鈦強(qiáng)度不高，Rm＝300MPa，塑性較好A＝40％。良好的耐蝕性和可焊性以及良好的冷、熱加工性能，可生產(chǎn)各種規(guī)格的板材、棒材、型材、帶材和箔材，可直接用于飛機(jī)、船舶、化工等行業(yè)，如熱交換器、制鹽廠的管道等。第三節(jié)鈦及其鈦合金3/10/202413二、鈦合金鈦合金的主要加入元素有鋁、鉻、錳、鐵、鉬、釩等，這些元素能與鈦形成置換固溶體，有些還能與鈦化合成為金屬化合物。加入的元素起固溶強(qiáng)化和彌散硬化的效果，從而顯著地提高鈦合金的強(qiáng)度。加入錫和鋯等元素，還能構(gòu)提高鈦合金的耐熱性能。鈦合金中加入的元素按其作用的不同，可以分成兩大類。一類是擴(kuò)大α-Ti區(qū)域元素；另一類是縮小α-Ti即擴(kuò)大β-Ti區(qū)域元素。所加的合金元素及其加入量的不同，鈦合金在室溫下的組織和性能也就有所不同。鈦合金按組織結(jié)構(gòu)的不同，分為α型鈦合金、β型鈦合金和α+β型鈦合金三大類。3/10/202414（一）α型鈦合金主要加入元素是擴(kuò)大α-Ti區(qū)域的鋁元素或錫、鋯等中性元素，得到單相α型鈦合金。這類鈦合金具有中等的強(qiáng)度，焊接性能好，比重小，不能用熱處理強(qiáng)化，可用冷變形引起加工硬度以提高強(qiáng)度。α型鈦合金牌號(hào)用拼音字母TA加序號(hào)表示，序號(hào)數(shù)字大表示所加入的合金元素含量多。（二）β型鈦合金主要加入元素是擴(kuò)大β-Ti區(qū)域的鉻、鉬、釩等元素，當(dāng)Cr>7%或Mo>11%或V>15%時(shí)，室溫下仍保持體心立方晶格，得到得到單相β型鈦合金。這類鈦合金的牌號(hào)是用TB加序號(hào)表示。（三）α+β型鈦合金α+β型鈦合金通常屬于多元合金，即有穩(wěn)定α-Ti的元素，又有穩(wěn)定β-Ti的元素，室溫下其組織為α+β。α+β型鈦合金適于鍛造、沖壓、軋制，并有較好的切削加工性能。這類鈦合金具有綜合的機(jī)械性能，通過(guò)淬火和時(shí)效可進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度，用化學(xué)熱處理（如氮化）可提高鈦合金表面的強(qiáng)度，提高抗疲勞和抗氧化的性能。α+β型鈦合金應(yīng)用的最為廣泛，其牌號(hào)用TC加序號(hào)來(lái)表示。

3/10/202415一、對(duì)軸承材料的要求制造滑動(dòng)軸承的軸瓦及內(nèi)襯的合金稱為軸承合金。軸承是支撐著軸進(jìn)行工作的重要零件。軸在軸承內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸與軸瓦之間必然有強(qiáng)烈的摩擦。軸是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械中很重要的部件，其制造過(guò)程復(fù)雜，價(jià)格較貴，而且更換困難。軸承材料應(yīng)能保證軸不被磨損或僅有極少的磨損。軸承材料必須具備下列特性：①低的摩擦系數(shù)，高的抗壓強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度；②硬度不能太高（最好比軸的硬度低，HB250左右），避免軸的，磨損；③能儲(chǔ)存潤(rùn)滑油；④有良好的導(dǎo)熱性與耐蝕性；⑤制造容易，價(jià)格低廉。第四節(jié)軸承合金3/10/202416軸承合金的組織一般是由軟的機(jī)體和夾嵌在基體內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成，如圖6-4所示。軸承在工作時(shí)，軟的基體會(huì)較快的被磨凹下去，夾嵌在基體內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)便承受著軸的壓力，起著支撐軸的作用。由于軸與軸承的接觸面積減少，軸承被磨凹下去的地方可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。有了潤(rùn)滑油，軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能形成油膜，使軸頸與軸承在運(yùn)行時(shí)不直接接觸，因而摩擦系數(shù)減小，減小了磨損；流動(dòng)的潤(rùn)滑油還可以及時(shí)帶走熱量和磨屑。軟基體還具有抗沖擊、抗震和與軸能較好地磨合等優(yōu)點(diǎn)。還有一種硬基體軟質(zhì)點(diǎn)（或片）組織結(jié)構(gòu)的軸承合金，其抗壓強(qiáng)度比軟基體硬質(zhì)點(diǎn)的高。3/10/202417二、常用的軸承合金工業(yè)上常用的軸承合金有以下幾種。圖中黑色基體部分為銻溶于錫中形成的α固溶體（軟基體），白色塊狀相為SnSb化合物（硬質(zhì)點(diǎn)），白色針狀和短桿狀相為銅和錫形成的化合物如Cu3Sn和Cu6Sn5。圖6－5錫基軸承合金的顯微組織（一）錫基軸承合金錫基軸承合金是以錫元素為主要元素，添加一定的銻和銅等元素后配制而成。錫基軸承合金具有良好的減磨性和韌性等，主要用于汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等高速重載軸承。錫基軸承合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和韌性等性能比錫基軸承合金低，