第五章　有色金屬及其合金

有色金屬及其合金

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。

有色金屬的產(chǎn)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(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)等，已成為現(xiàn)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(jìn)汽車中占的重量百分比鑄造有色金屬及其合金牌號(hào)表示方法統(tǒng)一如下:①鑄造有色純金屬的牌號(hào)為Z+該金屬元素符號(hào)+純度百分含量數(shù)字(或用一短橫加順序號(hào))。如ZAl99.5和ZTi-1。

變形有色金屬及其合金的牌號(hào)表示方法還不統(tǒng)一。鋁錠②鑄造有色合金的牌號(hào)為Z+基體元素符號(hào)+主要合金元素符號(hào)及其名義百分含量數(shù)字+其他合金元素符號(hào)及其百分含量數(shù)字。如ZAlSi7Cu4、ZCuZn31Al2、ZSnSb11Cu6等?；旌舷⊥猎胤?hào)用RE表示。優(yōu)質(zhì)合金在牌號(hào)后標(biāo)注字母“A”。有色金屬種類很多，本章僅對(duì)機(jī)械、儀表等工業(yè)中廣泛使用的鋁、銅、鈦及軸承合金作簡(jiǎn)要介紹。本章主要內(nèi)容

鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及其合金滑動(dòng)軸承合金粉末冶金材料鋁及其合金一、鋁及鋁合金性能特點(diǎn)

純鋁具有銀白色金屬光澤，密度小(2.72)，熔點(diǎn)低(660.4℃),導(dǎo)電、導(dǎo)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(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。全世界鋁的用量百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量鋁合金既具有高強(qiáng)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(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)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。三、鋁合金的熱處理

并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時(shí)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(qiáng)化相的熱處理。

可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時(shí)效。固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫加熱固溶淬火過飽和時(shí)效析出在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱自然時(shí)效；在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱人工時(shí)效。時(shí)效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。

溫度一定時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，時(shí)效曲線上出現(xiàn)峰值，超過峰值時(shí)間，析出相聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)度下降，為過時(shí)效。隨時(shí)效溫度提高，峰值強(qiáng)度下降，出現(xiàn)峰值的時(shí)間提前。含4%Cu鋁合金的時(shí)效曲線

時(shí)效時(shí)間/d時(shí)效時(shí)間屈服強(qiáng)度時(shí)效峰過時(shí)效亞時(shí)效鋁合金的熱處理四、鋁合金的牌號(hào)、性能及用途

1、變形鋁合金⑴變形鋁及鋁合金牌號(hào)表示方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國(guó)際四位數(shù)字體系牌號(hào)或采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號(hào)。GB3190-82中的舊牌號(hào)仍可繼續(xù)使用，表示方法為:

防銹鋁合金：LF+序號(hào)

硬鋁合金：LY+序號(hào)

超硬鋁合金：LC+序號(hào)

鍛鋁合金：LD+序號(hào)鋁合金波紋管鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬⑵常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是衛(wèi)星天線（LF2）

提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高其強(qiáng)度。汽化器(熱交換管為L(zhǎng)F21)常用的Al-Mn系合金有

LF21（3A21），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、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(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)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?shù)?

飛機(jī)翼梁(腹板為硬鋁合金)③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時(shí)效強(qiáng)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(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機(jī)大梁、起落架等.飛機(jī)主起落架④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等.壓氣機(jī)葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金

常用牌號(hào)有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)

(所用材料大部分是鋁合金)高比強(qiáng)鋁合金機(jī)翼2、鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號(hào)為ZL1+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Cu系：代號(hào)為ZL2+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Mg系：代號(hào)為ZL3+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Zn系：代號(hào)為ZL4+兩位數(shù)字順序號(hào)⑴Al-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(jiǎn)單硅鋁明.577℃12.7%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(qiáng)度和塑性都較差。生產(chǎn)上通常用鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，得到細(xì)小均勻的共晶體加一次

固溶體組織，以提高性能。未變質(zhì)處理

經(jīng)變質(zhì)處理

ZL102的鑄態(tài)組織加入其他合金元素的鋁硅鑄造合金稱復(fù)雜(或特殊)硅鋁明。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(jī)、儀表、電動(dòng)機(jī)殼體、汽缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等。⑵Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。汽缸頭常用代號(hào)有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。⑶Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度??；但鑄造性能差,耐熱性低。常用代號(hào)為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等.主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風(fēng)機(jī)密封件等(ZL102、301)⑷Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時(shí)效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)常用代號(hào)為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)、儀器零件。銅及其合金一、銅及銅合金性能特點(diǎn)純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。

純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。塑性好。

熱軋銅合金銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強(qiáng)度，又保持了純銅特性.銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。銅管銅與黃銅帶二、黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學(xué)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1、普通黃銅銅與鋅的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號(hào)為：H(黃)+表示銅平均百分含量的數(shù)字，如H68。從銅鋅合金相圖可以看出黃銅有

和

+

’兩種組織,分別稱單相黃銅和兩相黃銅。

普通黃銅的顯微組織

單相黃銅

兩相黃銅

單相黃銅塑性好。常用牌號(hào)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(qiáng)度高.常用牌號(hào)有H59、H62。適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導(dǎo)管、散熱器等。冷凝器管汽車機(jī)油泵襯套2、特殊黃銅在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、

Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黃銅。

加工特殊黃銅的牌號(hào)為：H(黃)+主加元素符號(hào)(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(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。黃銅制品黃銅棒常用牌號(hào)有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、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。三、青銅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(hào)為：Q+主加元素符號(hào)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(dòng)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(jī)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相圖常用牌號(hào)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)2、鋁青銅以鋁為主加元素的銅合金，鋁含量為5~11%。強(qiáng)度、硬度、耐大型水力發(fā)電設(shè)備中的抗磨環(huán)

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(hào)有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。主要用于制造船舶、飛機(jī)及儀器中的高強(qiáng)、耐磨、耐蝕件，如齒輪、軸承、蝸輪、軸套、螺旋槳等。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(qiáng)度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、冷熱加工及鑄造性能，但價(jià)格較貴.鈹青銅制品常用牌號(hào)有QBe2、QBe1.7、QBe1.9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(jī)件.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(hào)：B+鎳的平均百分含量，如B5。常用牌號(hào)有B5、B19等。用于在蒸汽和海水環(huán)境下工作的精密機(jī)械,儀表零件及冷凝器,蒸餾器,熱交換器等.

白銅件四、白銅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。特殊白銅是在普通白銅基礎(chǔ)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(qiáng)度和塑性高，成本低。常用牌號(hào)如BMn40-1.5(康銅)、BMn43-0.5(考銅)。用于制造精密機(jī)械、儀表零件及醫(yī)療器械等。康銅熱偶白銅型材鈦及其合金一、工業(yè)純鈦

純鈦密度小，熔點(diǎn)高。882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

-Ti?

-Ti,由體心立方

-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕?/p>

-Ti.純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造純鈦主要用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔二、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(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)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(hào)分別用TA、TB、TC加順序號(hào)表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵1、

型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相

固溶體.

強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體常用牌號(hào)有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)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2、

型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為

相基體上分布著細(xì)小的

相粒子。這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接,應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個(gè)牌號(hào)。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵3、

+

型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等。可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器

+

型鈦合金共有九個(gè)牌號(hào)，其中以TC4應(yīng)用最廣、用量最大，其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，組織為

+

+時(shí)效析出的針狀

。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）

+

型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等.

生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片滑動(dòng)軸承合金制造滑動(dòng)軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金?；瑒?dòng)軸承是許多機(jī)器設(shè)備中對(duì)旋轉(zhuǎn)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(dòng)軸承相比滑動(dòng)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(diǎn)。

一、組織性能要求當(dāng)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦與軸頸發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，承受軸頸施加的交變載荷和沖擊力。對(duì)軸承合金的性能要求：

⑴足夠的強(qiáng)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(shù)，良好的導(dǎo)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(shù)，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。為滿足上述性能要求，軸承合金的組織應(yīng)是軟的基體上分布著硬的質(zhì)點(diǎn)或硬的基體上分布著軟的質(zhì)點(diǎn).當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟的基體（或質(zhì)點(diǎn)）被磨損而凹陷，減少了軸頸與軸瓦的接觸面積，有利于儲(chǔ)存潤(rùn)滑油

和軸與軸瓦間的磨合，而硬的質(zhì)點(diǎn)(基體)則支撐著軸頸，起承載和耐磨作用.軟基體(或質(zhì)點(diǎn))還能起嵌藏外來硬雜質(zhì)顆粒的作用,以避免擦傷軸頸。

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(diǎn)較低，是軟基體硬質(zhì)點(diǎn)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(hào)為ZSnSb11Cu6。(其組織為基體+白亮塊狀SnSb+星狀Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的顯微組織

錫基軸承合金具有較高的耐磨性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和嵌藏性，摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，但疲勞強(qiáng)度較低，工作溫度不超過150℃，價(jià)格高。巴氏合金軸瓦廣泛用于重型動(dòng)力機(jī)械，如氣輪機(jī)、渦輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等大型機(jī)器的高速軸瓦。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(zhì)點(diǎn)型軸承合金。典型牌號(hào)為ZPbSb16Sn16Cu2。ZPbSb16Sn16Cu2合金的顯微組織[(+)共晶基體+方塊狀SnSb+針狀Cu3Sn]

鉛基軸承合金的強(qiáng)度、硬度、耐蝕性和導(dǎo)熱性都不如錫基軸承合金，但其成本低，高溫強(qiáng)度好，有自潤(rùn)滑性。常用于低速、低載條件下工作的設(shè)備,如汽車、拖拉機(jī)曲軸的軸承等。內(nèi)燃機(jī)軸瓦錫基和鉛基軸承合金強(qiáng)度比較低，為提高其承載能力和使用壽命，生產(chǎn)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(nèi)襯，成為雙金屬軸承。表面保護(hù)層

減磨層

鎳柵層

軸承合金

襯背

粉末治金材料粉末冶金工藝粉末冶金工藝步驟：制粉、配料、壓制成型、坯塊燒結(jié)和后處理。粉末冶金特點(diǎn)

（1）可生產(chǎn)普通熔煉方法無法生產(chǎn)的特殊性能材料，如多孔材料、復(fù)合材料等；

（2）可避免成分偏析、保證合金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能；

可生產(chǎn)高熔點(diǎn)金屬（如鎢和鉬）和不互熔的合金（如鎢-銀合金）；

（3）可大量減少產(chǎn)品的后續(xù)機(jī)加工量，節(jié)約金屬材料，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。這一點(diǎn)對(duì)貴重金屬尤其重要；

（4）粉末冶金零件的缺點(diǎn)是塑性和韌性較差。

粉末冶金材料種按用途分為7類

粉末冶金減摩材料。在材料孔隙中浸潤(rùn)滑油或在材料成分中加減摩劑