第13章有色金屬及合金

第八章有色金屬及合金鋁及鋁合金鈦及鈦合金銅及銅合金軸承合金引言

非鐵金屬材料是指鋼鐵材料以外的各種金屬材料，又稱為有色金屬，而把鋼鐵材料稱為黑色金屬材料。這些金屬及其合金具有許多特殊的性能，例如比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性或?qū)嵝院?、耐腐蝕性及耐熱性高等。因?yàn)樗麄冇兄撹F材料無(wú)法替代的性能，所以在機(jī)電、儀表、特別是航海、航空、航天等工業(yè)中具有重要的作用。生產(chǎn)中常用的有鋁、銅、鈦、鎂、鋅等金屬及其合金，以下僅介紹幾種工程材料中最常用的非鐵金屬的性能特點(diǎn)及使用狀況。第一節(jié)鋁及鋁合金1.1鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)①比重小、比強(qiáng)度高鋁的密度(比重)為2.7g/cm3，僅為鋼的三分之一，鋁合金經(jīng)處理后，單位質(zhì)量材料能承受的載荷遠(yuǎn)大于高強(qiáng)度鋼。②優(yōu)良的物理、化學(xué)性能鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性僅次于Ag、Cu、Au，但單位重量的導(dǎo)電能力卻是銅的200％。鋁表面可生成致密的氧化膜，可以有效的抵抗大氣腐蝕，但不耐酸、堿、鹽液腐蝕。鋁為非鐵磁性材料。③良好的加工性能強(qiáng)度不高(σb＝80－100MPa)，塑性很好(δ＝35－40％ψ＝80％),熔點(diǎn)低(Tm=660℃)。冷變形、切削、鑄造、焊接都比較容易。高純鋁：L01、L02、L03、L04純度為99.93%到99.996％，編號(hào)越大純度越高。主要用來(lái)制作鋁箔、電容器、科研材料。1.1純鋁的牌號(hào)和用途

工業(yè)純鋁：L1、L2、L3、L4、L5，純度從99%－98％，編號(hào)越大純度越低。主要用來(lái)制作電線、電纜、器皿等。純鋁的強(qiáng)度較低，一般不用來(lái)制作機(jī)械構(gòu)件。

按GB/T8063－1994對(duì)鑄造純鋁規(guī)定為ZAl99.5，數(shù)字表示鋁含量的百分?jǐn)?shù)。按GB/T16474－1996對(duì)變形純鋁規(guī)定為1A93，數(shù)字表示鋁含量的百分?jǐn)?shù)99.93％中小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字。

純鋁固態(tài)無(wú)同素異晶轉(zhuǎn)變，無(wú)法象鋼那樣進(jìn)行相變熱處理來(lái)強(qiáng)化，用冷加工強(qiáng)化，斷裂強(qiáng)度σb可以達(dá)到150－250MPa，但塑性的犧牲較大。在鋁中加入Cu、Mg、Mn、Si等元素，可以采用熱處理方法――時(shí)效來(lái)強(qiáng)化。

鋁和大部分金屬元素的相圖如圖所示?，F(xiàn)以4％Cu－Al合金為例，說(shuō)明時(shí)效強(qiáng)化的基本過(guò)程。將合金加熱到550℃，Cu全部溶解到Al中，快速冷卻(淬火)得到過(guò)飽和固溶體，這時(shí)合金的強(qiáng)度σb可以達(dá)到約250MPa。1.2鋁及鋁合金的強(qiáng)化1．鋁合金相圖

將過(guò)飽和固溶體在室溫下放置4－5天后，在固溶體中有細(xì)小的Al－Cu化合物析出，它們比鋁有高的硬度，可以阻礙鋁的塑性變形，強(qiáng)度σb可以上升到約400－420MPa。這種隨時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為“時(shí)效硬化”。放置在室溫下，材料自己發(fā)生時(shí)效的過(guò)程稱為“自然時(shí)效”。在Cu－Al合金中，超過(guò)5天之后，材料強(qiáng)度進(jìn)一步變化就不很明顯了。

如果過(guò)飽和固溶體進(jìn)行加熱，即提高發(fā)生時(shí)效的溫度，可以加快這一過(guò)程，在130℃大約經(jīng)過(guò)10小時(shí),就能達(dá)到最高的硬度。這種人為加熱來(lái)加快的時(shí)效過(guò)程稱為“人工時(shí)效”。加熱溫度過(guò)高，析出的化合物成大塊，數(shù)量減少，強(qiáng)化效果下降，所以這種鋁合金不宜用于較高的溫度。1.2鋁及鋁合金的強(qiáng)化2.鋁合金的強(qiáng)化原理

時(shí)效溫度越高，達(dá)到最高硬度所用時(shí)間越短，能達(dá)到的最高硬度值也越低，常用人工時(shí)效工藝為130℃約10小時(shí)，在達(dá)到最高硬度的前沿。1.2鋁及鋁合金的強(qiáng)化2.鋁合金的強(qiáng)化原理回歸處理

將經(jīng)過(guò)自然時(shí)效的鋁合金在200～250℃短時(shí)間(幾秒至幾分鐘)加熱然后迅速水冷，可使合金的性能又回到接近新淬火狀態(tài)的水平，即可重新變軟。這種現(xiàn)象稱為回歸。經(jīng)回歸處理的合金在室溫下放置一段時(shí)間，硬度和強(qiáng)度又重新上升，類似自然時(shí)效的狀態(tài)，但回歸次數(shù)一般不超過(guò)3—4次。在飛機(jī)制造業(yè)巾，常采用回歸處理使鋁合金軟化，以便從容自如地進(jìn)行鉚接和修復(fù)工作。人工時(shí)效后的鋁合金沒(méi)有回歸現(xiàn)象。1.2鋁及鋁合金的強(qiáng)化2.鋁合金的強(qiáng)化原理1.3

形變鋁合金

由冶金廠進(jìn)行處理并加工成各種型材，包括鋁板、鋁帶、鋁棒、線材、管材、角鋁和各種異型材等，通常使用廠家不必在進(jìn)行材質(zhì)處理。由于在合金中加入的合金元素不同，性能特點(diǎn)也各不相同。常見(jiàn)的形變鋁合金有：防銹鋁牌號(hào)LFxx

主要在于進(jìn)一步提高對(duì)大氣的腐蝕，常用來(lái)制造航空油箱、油管、以及器皿、日用品、門(mén)窗裝飾品等。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度3A21LF21Al-Mn190MPa5A02LF2Al-Mg230MPa5A06LF6Al-Mg320MPa硬鋁牌號(hào)LYxx通常為Al-Cu-Mg合金。主要在于進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和硬度，用來(lái)制造飛機(jī)的大梁和蒙皮等，也用來(lái)制造機(jī)械構(gòu)件。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度2A01LF1Al-Cu-Mg2A11LF11420MPa2A12LF12475MPa超硬鋁牌號(hào)LCxx通常為Al-Cu-Mg-Si合金。主要在于有高其強(qiáng)度和硬度，這時(shí)的σb可達(dá)到680MPa，高于優(yōu)質(zhì)碳速結(jié)構(gòu)鋼，主要用來(lái)制造飛機(jī)上受力大的零件。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度7A04LC4Al-Cu-Mg-Zn600MPa7A09LC9660MPa1.3

形變鋁合金

鍛鋁牌號(hào)LDxx通常為Al-Cu-Mg-Si合金。它的強(qiáng)度σb＝400－500MPa，塑性較好，可以鍛造成型，用來(lái)制造一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件。GB/T16475-1996GB3190-82抗拉強(qiáng)度2A50LD5Al-Cu-Mg-Si420MPa2B50LD6340MPa2A14LD14480MPa1.3

形變鋁合金

1.4

鑄造鋁合金牌號(hào)：ZLxxx表示，ZL為鑄鋁，后為三位數(shù)字，第一個(gè)數(shù)字表示合金類型，即主合金元素(1－Si2－Cu3－Mg4－Zn等)，后兩位的順序號(hào)表示其它合金元素，對(duì)應(yīng)不同的化學(xué)成分，但在這里沒(méi)有鋼那樣明顯。各自的成分和性能特點(diǎn)查相關(guān)手冊(cè)。

主要用途：鑄造鋁合金用于制造形狀復(fù)雜的零件，例如儀表、內(nèi)燃機(jī)活塞、飛機(jī)等殼體零件。主要利用質(zhì)輕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

處理特點(diǎn)：鑄造中采用鈉鹽變質(zhì)處理來(lái)細(xì)化晶粒。事后進(jìn)行均勻化、時(shí)效強(qiáng)化等處理。常用鑄造鋁合金成分應(yīng)用列表第二節(jié)鈦及鈦合金

性能特點(diǎn)密度小(4.5g/cm3)、熔點(diǎn)高(1668℃)，強(qiáng)度相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼，所以比強(qiáng)度高，是好的熱強(qiáng)合金材料。

熱膨脹系數(shù)小，加熱時(shí)熱應(yīng)力小。

導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)大，切削加工困難。對(duì)大氣、高溫氣體、氧化性海水具有極高的耐腐蝕性，對(duì)硝酸、鉻酸、堿液、有機(jī)酸也具有良好的耐蝕性，但不耐氫氟酸腐蝕。

2.1純鈦

高純Ti的強(qiáng)度并不高，僅250－290MPa，隨著雜質(zhì)含量的增加，鈦的強(qiáng)度增加，而塑性下降。含有少量雜質(zhì)的工業(yè)純鈦的抗拉強(qiáng)度達(dá)550－700MPa，經(jīng)過(guò)冷塑性變形可明顯提高其強(qiáng)度。40％的冷變形可以使工業(yè)純鈦的抗拉強(qiáng)度從588MPa提高到784MPa，再結(jié)晶退火溫度一般為600－700℃。工業(yè)純鈦可以用來(lái)制作飛機(jī)的蒙皮和隔熱板等。

純Ti在固態(tài)下具有同素異晶轉(zhuǎn)變，在882.5℃以下時(shí)為α-Ti，具有密排六方晶格；在882.5℃以上至熔點(diǎn)為β-Ti，具有體心立方晶格。合金元素的加入一方面對(duì)Ti可以達(dá)到固溶強(qiáng)化的效果，同時(shí)也是提高鈦合金抗蠕變的能力；另一方面，不同元素對(duì)同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響趨勢(shì)不同，縮小β區(qū)的為α穩(wěn)定元素，降低轉(zhuǎn)變溫度的為β穩(wěn)定元素，當(dāng)其數(shù)量增加時(shí)在室溫下分別可以單一的α相、單一的β相、或兩相共存。β相的強(qiáng)度高于α相，而α相的塑性較高，但使用溫度有一定的限制，高溫下會(huì)發(fā)生從α相向β相的相變。2.1純鈦

1．α鈦合金

Al是穩(wěn)定α鈦合金的主要元素，一般含量在4－6%左右。可以加入Sn、Cu、Zr來(lái)進(jìn)一步提高固溶強(qiáng)化的效果。工業(yè)用α鈦合金牌號(hào)為T(mén)A4－TA8，其數(shù)值高的表示強(qiáng)度升高，強(qiáng)度可達(dá)1000MPa，使用溫度相應(yīng)可提高，塑性遞減。如TA8的成分為T(mén)i－4.5~5.5%Al-2.0~3.0%Sn-2.5~3.5%Cu-1.0~1.5%Zr，利用高的比強(qiáng)度，制作大半徑的飛機(jī)蒙皮；500℃以下長(zhǎng)期工作的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片、外殼、排其管道、框架等；利用好的塑性特點(diǎn)用來(lái)制作超低溫容器2.2鈦的合金化2．β鈦合金

在含有少量鋁(2.5－3.55%Al)的鈦合金中，加入較多數(shù)量的Cr、Mo、V來(lái)穩(wěn)定β相，在水冷或空氣冷卻條件下，β相全部保留到室溫。此外當(dāng)加入量超過(guò)固溶量時(shí)，彌散析出相也有強(qiáng)化作用。β鈦合金是一種高強(qiáng)度鈦合金，σb可達(dá)1372－1470MPa，這時(shí)還有7－10％的延伸率(優(yōu)于60Si2Mn淬火460℃回火的性能)?，F(xiàn)用的β鈦合金有TB1(Ti-3Al-8Mo-11Cr)，σb＞1000MPa，δ＞17%；TB2(Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V)，σb＞1400MPa，δ＞10%。它們多以板材和棒材供應(yīng)，主要用來(lái)制作飛機(jī)列國(guó)零件、螺栓、鉚釘?shù)染o固件。但這種合金的密度大、彈性模量低、熱穩(wěn)定性差，工作溫度一般不超過(guò)200℃。2.2鈦的合金化3．α＋β鈦合金

同時(shí)加入了α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，兩個(gè)相都得到強(qiáng)化。材料具有良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度較高，塑性良好。焊接性能不及α鈦合金，然而兩相混合的鈦合金的生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，可以用熱處理來(lái)調(diào)整兩相的比例來(lái)改變性能。牌號(hào)有TC1－TC10，σb600－1050MPa，數(shù)字高的強(qiáng)度高，塑性相差不大，δ＞＝9%。。2.2鈦的合金化2.3鈦合金的熱處理

鈦合金從高溫到低溫有bcc向hcp的相變，不同的元素在α和β鈦中的溶解度也不相同，與鋼類似可以進(jìn)行不同的熱處理。退火：緩慢冷卻得到平衡的單或兩相組織。淬火：快速冷卻，一方面從β向α相變以切變方式形成馬氏體，另一方面可溶入β相而在α相中溶解度較小的合金元素可以形成過(guò)飽和固溶體。淬火還可能使α相量少時(shí)的析出過(guò)程被抑制，增加了β相的含量。時(shí)效：淬火后長(zhǎng)時(shí)間的加熱保溫，一種是被抑制的α相在β相中彌散析出而強(qiáng)化β相；另一種是α相馬氏體的過(guò)飽和元素形成相的析出。這兩種彌散析出都提高材料的強(qiáng)度。

鈦合金的合金化和熱處理都有很多問(wèn)題在研究中，鈦合金無(wú)疑是一種優(yōu)秀的金屬材料，但目前因儲(chǔ)存量和生產(chǎn)成本決定只應(yīng)用在高、新結(jié)構(gòu)中。

第二節(jié)銅及銅合金

純銅的比重8.9g/cm3，熔點(diǎn)1083℃，為面心立方晶格，無(wú)同素異晶轉(zhuǎn)變。銅是人類用得最早的金屬材料。1．銅及其合金的性能特點(diǎn)優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；

對(duì)大氣、水有良好的耐腐蝕性；良好的加工性能，可以冷、熱變形成型，可以鑄造成型，便于切削加工；強(qiáng)度不高(σb=200－250MPa)，硬度低(HB=40－50)，塑性很好(δ＝45－50％)；但構(gòu)成的一些合金有好的減摩性、耐磨性，有些有高的彈性極限和疲勞極限；外表色澤美觀。成分：以銅的含量為主體，其他為雜質(zhì)，其中常見(jiàn)元素有Pb、Bi、O、S、P、等，它們降低了材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,特別是高溫或低溫下明顯降低了材料的塑性。牌號(hào)：T1－T4其同的含量為99.95－99.5％。純銅有玫瑰紅色，表面形成氧化膜后呈紫色，故一般稱為紫銅。T1 99.95%T2 99.90%T3 99.70%T4 99.5%用途：用于電工導(dǎo)體材料，制作電線、電纜、電氣開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電墊圈、螺桿等。T3、T4為一般用銅材，制作油管、油嘴等。

用于真空電氣元件的純銅，還需要經(jīng)過(guò)還原氣氛保護(hù)熔煉得到的無(wú)氧銅，以及用P或Mn進(jìn)行脫氧銅。3.1純銅Zn對(duì)黃銅性能的影響：

①Zn加入到銅中，能明顯的改善其力學(xué)性能，并且隨Zn含量的增加，強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高，這在金屬材料中是難得的。當(dāng)Zn含量增加到30－32％時(shí)，延伸率δ達(dá)到最大值(10％)；當(dāng)Zn含量增加到45％時(shí)，強(qiáng)度σb達(dá)到最大值(約650MPa)，所以工業(yè)用黃銅中Zn的含量一般在45％以下。②具有良好的鑄造性能，特別是Zn含量＜10％和＞38％時(shí)，鑄造的縮孔集中，鑄件的致密都高。③具有良好的耐腐蝕行，特別是在大氣、海水中。

銅對(duì)Zn在很大的范圍內(nèi)可以溶解，同時(shí)Zn入到同中形成的合金稱為黃銅，這時(shí)材料呈顏色淡黃色，故稱為黃銅。3.2黃銅3.2黃銅1．單相黃銅

組織為單一的α相牌號(hào)有H96、H90、H85、H80、H75、H70、H68。其中的數(shù)字為Cu的含量，其余為Zn。用來(lái)制作散熱器的管道、葉片，獎(jiǎng)?wù)潞脱b飾品，深沖壓類彈巧等。

3.2黃銅2．雙相黃銅組織為α＋β兩相

其中β是以電子化合物CuZn為基的固溶體，具有體心立方晶格，高溫下有好的塑性，溫度低于456℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚧D(zhuǎn)變成β’，塑性明顯下降。兩相黃銅的牌號(hào)有H62、H59，其強(qiáng)度高于單相黃銅，但塑性低于單相黃銅，使用狀態(tài)為生產(chǎn)廠的鑄件或冶金廠高溫軋制的邦、板等型材。常用來(lái)制造鉚釘、螺帽、墊圈等電氣零件。3.2黃銅3．特殊黃銅在Cu－Zn黃銅的基礎(chǔ)上加入Sn、Pb、AL、Si、Mn等元素，改變相應(yīng)的性能。牌號(hào)：為H元素符號(hào)xx－x，元素符號(hào)為Zn以外的主元素，第一部分?jǐn)?shù)字為含銅量，第二部分?jǐn)?shù)字為Zn外的主元素量，余量為Zn。例如：HPb64-2表示含銅量為64%，含鉛2%，其余為鋅的黃銅。用途：品種繁多，例如鉛黃銅HPb64-2可用來(lái)制作鐘表或汽車用一般零件；鋁黃銅HAl77-2可用來(lái)制作齒輪、渦輪、襯套、螺旋槳的耐腐蝕零件等等。

3.2黃銅1．錫青銅

除黃銅(Cu－Zn)、白銅(Cu－Ni)外其余的銅合金的總稱。牌號(hào)為Q元素符號(hào)xx－x，其中Q表示青銅，元素符號(hào)為主元素，第一部分?jǐn)?shù)字為主合金元素的含量，第二部分?jǐn)?shù)字為其它合金元素的含量。對(duì)鑄造青銅在前面加字母Z。

人類最早使用的金屬材料，古代的劍、鏡、鼎都是用錫青銅鑄造成。在Cu－Zn合金中，高溫下的β是以電子化合物Cu5Sn為基的固溶體，具有體心立方晶格，有好的塑性；低溫是形成γ相，再轉(zhuǎn)為δ相，δ相是以電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體，系復(fù)雜立方晶格，硬而脆。3.3

青銅1．錫青銅

錫青銅表面易形成Cu2O及CuCO3*Cu(OH)2構(gòu)成的致密薄膜，對(duì)大氣、海水、堿性溶液有由于黃銅的耐腐蝕能力，強(qiáng)度、硬度也比黃銅高，但易被氨水和酸性介質(zhì)浸蝕。含錫量較高的錫青銅在鑄造時(shí)樹(shù)枝結(jié)晶非常嚴(yán)重，流動(dòng)性小，形成大量的分散縮孔，對(duì)型腔的填充性好，但鑄件的致密度差，容器在高壓下會(huì)滲漏。如QSn10-1(10%Sn-1%Pb)主要用來(lái)制作減磨零件，軸承、軸套、渦輪、絲桿螺母等。含錫量較低的青銅有好的塑性，可以進(jìn)行壓力加工，得到較高強(qiáng)度、硬度，例如QSn4-3(4%Sn-3%Zn-Cu)，σb=550MPa、硬度到160HB，用來(lái)制作彈性元件，化工管道配件和耐蝕耐磨零件，以及一些抗磁零件。3.3

青銅2．鋁青銅

含鋁10％左右的合金具有強(qiáng)度高（400－500MPa），結(jié)晶溫度范圍小，鑄件致密，具有高的耐大氣、海水、碳酸腐蝕能力，同時(shí)具有耐磨損、耐寒冷、沖擊時(shí)無(wú)火花等特點(diǎn)。例如QAl9－4(9%Al-4%Fe-Cu)用來(lái)制作齒輪、渦輪、襯套、螺旋槳的耐腐蝕零件等。3.鈹青銅

QBe2(2%Be-0.4%Ni-Cu),含鈹青銅熱處理后，可以獲得很高的力學(xué)性能,(σb＝1200－1400MPa，δ＝2－4％，HB330－400)，鈹青銅不僅強(qiáng)度、硬度、彈性、耐磨性高，而且抗蝕性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐寒性也非常好，并且無(wú)磁性、沖擊無(wú)火花。鈹青銅主要用于制作重要彈簧，彈性元件、鐘表、儀器零件和防爆工具等等，可惜的是價(jià)格太貴而妨礙了在工業(yè)中的大量硬應(yīng)用。3.3

青銅

白銅是Cu－Ni系合金，以及Cu-Ni-Zn、Cu-Ni-Mn系合金的通稱。

這類銅合金具不僅有較好的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性，可以進(jìn)行冷、熱變形加工，而且耐腐蝕性很好。主要用來(lái)制造蒸氣和海水環(huán)境中工作的精密儀器、儀表零件、化工機(jī)械零件及醫(yī)療器械等。含錳量較高的白銅可用來(lái)制作熱電偶絲及變阻器，另一典型用途就是鑲牙和制作獎(jiǎng)牌。3.4白銅第四節(jié)軸承合金4.1軸承合金的性能要求制造周圍與內(nèi)襯的合金稱為鑄造軸承合金。其性能特點(diǎn)是：（1）有較小的磨床系數(shù)，并能保持潤(rùn)滑劑以減輕軸的磨損；（2）有較高的抗壓請(qǐng)讀和疲勞強(qiáng)度，以承受工作中巨大的負(fù)荷；（3）有足夠的塑性和韌性，抵抗沖擊和振動(dòng)；（4）有高的耐磨性，但又不能損傷軸頸；（5）有良好的耐蝕性和導(dǎo)熱性，防止發(fā)生咬合及抗?jié)櫥瑒┑母g。軸承合金的組織通常是在軟基體上分布著摩擦系數(shù)小的硬質(zhì)點(diǎn)（如圖所示），軟基體的磨損凹陷可存放潤(rùn)滑劑，并能調(diào)整硬質(zhì)點(diǎn)分布達(dá)到理想接觸；由微突出的硬質(zhì)點(diǎn)支撐軸的壓力，并保持較小的接觸面積，達(dá)到最優(yōu)效果。4.1軸承合金的性能