第8章 非鐵金屬（或有色金屬）及其合金

非鐵金屬（或有色金屬）及其合金18.1認(rèn)識非鐵金屬(或稱有色金屬)在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把其它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)中不可或缺的金屬材料。38.2鋁及鋁合金呈銀白色金屬光澤；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良；抗大氣腐蝕性好；塑性好。1、鋁和純鋁的簡介58.2.1概述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。鋁合金既保持純鋁密度小的優(yōu)點(diǎn)，又具有高強(qiáng)度，強(qiáng)度與低合金高強(qiáng)度鋼相近，比強(qiáng)度高（強(qiáng)度與密度之比），可作為承受較大載荷的結(jié)構(gòu)材料。62、鋁合金的簡介1、純鋁的性能78.2.2純鋁的性能、牌號及用途具有面心立方結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。密度?。?.72g/cm2），僅為Fe或Cu的1/3。加工性能良好，可以冷成形，切削性能也好。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，但不耐酸、堿、鹽的腐蝕。強(qiáng)度、硬度低，不宜直接用作結(jié)構(gòu)材料。2、純鋁的牌號8鋁錠牌號：Al+數(shù)字表示高純鋁：沿用有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS／T275-2008，共有Al-5N、Al＋5N5兩個牌號。3、純鋁的用途9主要用作配制鋁基合金；還可用于制作電線、鋁箱、屏蔽殼體、反射器、包覆材料及化工容器等。108.2.3鋁合金

鋁合金是以純鋁為基礎(chǔ)，加入一種或幾種其它元素（如Cu、Mn、Si、Mg、Zn等）構(gòu)成的合金。鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖?？蓪X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。111、鋁合金的分類成分低于D的合金，加熱時能形成單相固溶體組織，塑性較好，適于變形加工，所以稱為變形鋁合金。成分高于D的合金，由于冷卻時有共晶反應(yīng)發(fā)生，流動性較好，適于鑄造生產(chǎn)，所以稱為鑄造鋁合金。121）低溫退火消除內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)增加塑性，通常在180~300℃保溫后空冷。2）再結(jié)晶退火（再結(jié)晶溫度以上保溫一段時間后空冷）用于消除變形工件的加工硬化，提高塑性，以便繼續(xù)進(jìn)行成形加工。132、鋁合金的熱處理-退火可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時效。固溶處理是指將鋁合金加熱到固溶線以上保溫后快冷，使第二相來不及析出，得到過飽和、不穩(wěn)定的單一

固溶體。淬火后鋁合金的強(qiáng)度和硬度不高，具有很好的塑性。142、鋁合金的熱處理-固溶與時效處理將淬火后的鋁合金，在室溫或低溫加熱下保溫一段時間，隨時間延長其強(qiáng)度、硬度顯著升高而塑性降低的現(xiàn)象，稱為時效。室溫下進(jìn)行的時效稱為自然時效；低溫加熱下進(jìn)行的時效稱為人工時效。15時效的實(shí)質(zhì)，是第二相從過飽和、不穩(wěn)定的單一

固溶體中析出和長大。由于第二相與母相（

相）的共格程度不同，使母相產(chǎn)生晶格畸變而強(qiáng)化。16時效強(qiáng)化效果與加熱溫度和保溫時間有關(guān)。溫度一定時，隨時效時間延長，時效曲線上出現(xiàn)峰值。超過峰值以后，析出相聚集長大，強(qiáng)度下降，為過時效。隨時效溫度提高，峰值強(qiáng)度下降，出現(xiàn)峰值的時間提前。17含4%Cu鋁合金的時效曲線18根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國際四位數(shù)字體系牌號或采用國標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號。3、常用的變形鋁合金1）變形鋁合金的編號GB3190-82中的舊牌號仍可繼續(xù)使用，表示方法為：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+序號主要是Al-Mn和Al-Mg系鋁合金，Mn和Mg主要作用是提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。防銹鋁合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高其強(qiáng)度。主要用于制造要求具有較高耐蝕性的油箱、導(dǎo)油管、生活用器皿、窗框、鉚釘、防銹蒙皮、中載荷零件和焊接件等。①防銹鋁合金2）各類變形鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可進(jìn)行時效強(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)取＂谟蹭X合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強(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。③超硬鋁合金鋁合金制造的機(jī)翼Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學(xué)性能高，用于制造形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等。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(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。④鍛鋁合金24Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號254、鑄造鋁合金1）鑄造鋁合金的編號及特點(diǎn)①Al-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。262）各類鑄造鋁合金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。用于制造飛機(jī)、儀表、電動機(jī)殼體、汽缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)活塞等。27活塞（裙部為鋁硅合金）28強(qiáng)度較高，加入鎳、錳可提高其耐熱性和熱強(qiáng)性，但鑄造性能和耐蝕性稍差些。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。②Al-Cu系鑄造鋁合金29汽缸頭30這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)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(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。③Al-Mg系鑄造鋁合金31這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。常用代號為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。④Al-Zn系鑄造鋁合金328.3銅及銅合金①優(yōu)異的物理化學(xué)性能：導(dǎo)電導(dǎo)熱性僅次于銀；抗大氣、海水腐蝕（黃銅）。②良好的加工性：易冷成形，并且鑄造銅合金有良好鑄造性能。③某些特有性能：優(yōu)良減摩性和耐磨性（青銅和部分黃銅，滑動軸承或蝸輪等），高的彈性極限

e和疲勞極限

?1（鈹青銅，彈性元件）。④色澤美觀。銅和銅合金的特點(diǎn)：348.3.1概述純銅呈紫紅色，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。密度為8.92g/cm3，熔點(diǎn)為1083.4℃。工業(yè)純銅分未加工產(chǎn)品(銅錠、電解銅)和加工產(chǎn)品(銅材)兩種。未加工產(chǎn)品代號有Cu-1．Cu-2兩種。加工產(chǎn)品代號有T1，T2，T3三種。代號中數(shù)字越大，表示雜質(zhì)含量越多，則其導(dǎo)電性越差。351、銅、純銅、工業(yè)純銅銅合金常加元素為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。362、銅合金378.3.2銅合金的分類及牌號表示方法按化學(xué)成分：分為黃銅、青銅及白銅(銅鎳合金)三大類。機(jī)器制造業(yè)中，應(yīng)用較廣的是黃銅和青銅。按生產(chǎn)方法：銅合金可分為壓力加工產(chǎn)品和鑄造產(chǎn)品兩類。1、銅合金分類以Zn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。普通黃銅：由銅和鋅組成的銅合金；特殊黃銅：在普通黃銅中再加入其他元素所形成的銅合金。38青銅是以除鋅和鎳以外的其他元素作為主要合金元素的銅合金。根據(jù)所加主要合金元素Sn、Al、Be、Si、Pb等，青銅分為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。青銅39402、銅合金牌號表示法1）加工黃銅合金普通加工黃銅的牌號為：H+Cu平均百分含量特殊加工黃銅代號為：H+主加元素的化學(xué)符號(除鋅以外)+銅及各合金元素的平均百分含量如H68表示含銅68%的銅鋅合金。加工青銅的牌號為：Q+主加元素符號及其平均質(zhì)量百分?jǐn)?shù)+其他元素平均質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如QSn4-3表示含4%Sn、3%Zn的錫青銅。412）加工青銅合金8.3.3加工黃銅（黃銅）1、普通黃銅普通黃銅色澤美觀，具有良好的耐蝕性，加工性能較好。普通黃銅力學(xué)性能與化學(xué)成分之間的關(guān)系如圖所示。黃銅有

和

+

兩種組織，分別稱單相黃銅和兩相黃銅。普通黃銅的組織和力學(xué)性能普通黃銅的顯微組織

單相黃銅兩相黃銅43單相黃銅（wZn

<39%）：強(qiáng)度低、塑性好，常用牌號有H68、H70、H80，適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。兩相黃銅（wZn

=39~45%）：熱塑性好，強(qiáng)度高，常用牌號有H59、H62等，適于制造受力件，如墊圈、彈簧、水管、油管、散熱器等。冷凝器管汽車機(jī)油泵襯套44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，稱為鋁黃銅、硅黃銅、鉛黃銅等。常用于制作軸、軸套、齒輪、螺栓、螺釘、螺母、分流器、導(dǎo)電排、水管零件、耐磨零件、耐腐蝕零件。2、特殊黃銅45常用牌號：HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4。46以Ni為主要合金元素的銅合金稱白銅。在固態(tài)下，Cu與Ni無限固溶，組織為單相

固溶體。分普通白銅和特殊白銅。478.3.4加工白銅普通白銅是Cu-Ni二元合金，具有較高的耐蝕性和抗疲勞腐蝕性能及優(yōu)良的冷熱加工性能。普通白銅牌號：B+Ni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(jī)械，儀表零件及冷凝器，蒸餾器，熱交換器等。481、普通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。492、特殊白銅青銅原指銅錫合金，但工業(yè)上除黃銅和白銅外的其他銅合金都統(tǒng)稱為青銅。根據(jù)所加主要合金元素Sn、Al、Be、Si、Pb等，青銅分為錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。508.3.5青銅1、錫青銅錫青銅是以Sn為主加元素的銅合金，Sn含量一般為3~14%。51wSn

<5%：塑性好，適于進(jìn)行冷變形加工。wSn

=5~7%：熱塑性好，適于進(jìn)行熱加工。wSn

=10~14%：塑性較低，適于作鑄造合金。

錫青銅的性能受錫含量的影響顯著52錫青銅耐蝕性良好，錫青銅在大氣、海水和無機(jī)鹽類溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在氨水、鹽酸和硫酸中的耐蝕性較差。主要用于耐蝕承載件，如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等53錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥（錫青銅閥體、閥蓋）常用牌號：QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb154以Al為主加元素的銅合金，Al含量為5~11%。2、鋁青銅性能：強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性及耐蝕性都高于黃銅和錫青銅，鑄造性能好，但焊接性能差，是無錫青銅中應(yīng)用最廣的一種。鋁青銅在結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用極廣，主要用于制造船舶、飛機(jī)及儀器中在復(fù)雜條件下工作要求高強(qiáng)度、高耐磨性、高耐蝕性的零件和彈性零件，如齒輪、軸承、摩擦片、蝸輪、軸套、彈簧、螺旋槳等。55鈹青銅以Be為主加元素的銅合金，Be含量為1.7~2.5%。鈹青銅具有高的強(qiáng)度、硬度、疲勞強(qiáng)度和彈性極限，彈性穩(wěn)定，彈性滯后小，耐磨性及耐蝕性高，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，冷熱加工及鑄造性能好，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜。3、鈹青銅568.4鈦及鈦合金美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造58純鈦密度小（4.507g/cm3）熔點(diǎn)高（1688℃）具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，≤882.5℃為密排六方結(jié)構(gòu)的

相，≥882.5℃為體心立方結(jié)構(gòu)的

相。耐蝕性很高。598.4.1加工鈦(純鈦)的性能、牌號及用途1、加工鈦的性能牌號：TA+順序號表示，如TA2表示2號工業(yè)純鈦。工業(yè)純鈦的牌號有TAl、TA2、TA3、TA4四個牌號，順序號越大，雜質(zhì)含量越多。用途：主要用于制造飛機(jī)骨架、蒙皮、發(fā)動機(jī)部件等；在化工部門主要用于制造熱交換器、泵體、攪拌器、蒸餾塔、葉輪、閥門等；在海水凈化裝置及艦船方面制造相關(guān)的耐腐蝕零部件。602、加工鈦的牌號和用途鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔61純鈦加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等合金元素形成鈦合金。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。628.4.2鈦合金

型鈦合金用途：一般用于制造使用溫度不超過500℃的零件，如飛機(jī)蒙皮、骨架零件，航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片和管道，導(dǎo)彈的燃料缸，超音速飛機(jī)的渦輪機(jī)匣，火箭和飛船的高壓低溫容器等。牌號：TA5、TA6、TA7、TA9、TAl0等63用途：用于制造使用溫度在350℃以下的結(jié)構(gòu)零件和緊固件，如壓氣機(jī)葉片、軸、輪盤及航空航天結(jié)構(gòu)件等。牌號：TB2、TB3、TB4等

型鈦合金64葉片65

+

型鈦合金用途：用于制造使用溫度在500℃以下和低溫下工作的結(jié)構(gòu)零件，如各種容器、泵、低溫部件、艦艇耐壓殼體、坦克履帶、飛機(jī)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件和葉片，火箭發(fā)動機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件等。牌號：TCl、TC2、TC3、TC4、TC6、TC7、TC9、TC10、TC11、TC12等。66

+

鈦合金組織

+

鈦合金組織（電鏡）678.5滑動軸承合金制造滑動軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金。按主要化學(xué)成分可分為錫基、鉛基、鋁基、銅基、鐵基等軸承合金?；瑒虞S承是許多機(jī)器設(shè)備中對旋轉(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(diǎn)。69軸承支撐著軸，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，軸瓦和軸發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，并承受軸頸傳給的周期性載荷。701）足夠的強(qiáng)度和硬度，以承受軸頸較大的壓力。2）足夠的塑性和韌性，高的疲勞強(qiáng)度，以承受軸頸的周期性載荷，抵抗沖擊和振動。3）良好的磨合能力，與軸能較快地配合。4）高的耐磨性，與軸的摩擦系數(shù)小，并能保留潤滑油，減輕磨損。5）良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性、較小的膨脹系數(shù)，防止摩擦升溫發(fā)生咬合。性能要求：71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)。軟基體+硬質(zhì)點(diǎn)：硬質(zhì)點(diǎn)起支撐作用。硬基體+軟質(zhì)點(diǎn)：承載能力大、磨合能力差。72滑動軸承合金的理想組織示意圖8.5.1滑動軸承合金的理想組織當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，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，有利于儲存潤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。軸承合金的組織是硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)時，也可達(dá)到同樣目的。73常用滑動軸承合金有：錫基、鉛基、銅基、鋁基滑動軸承合金。748.5.2常用滑動軸承合金錫基軸承合金是以Sn為主，并加入少量Sb、Cu等元素組成的合金。特點(diǎn)：具有適中的硬度、低的摩擦系數(shù)、較好