第八章非鐵金屬及粉末冶金材料

1、第一節(jié)第一節(jié) 鋁及鋁合金鋁及鋁合金 第二節(jié)第二節(jié) 銅及銅合金銅及銅合金第三節(jié)第三節(jié) 滑動軸承合金滑動軸承合金第四節(jié)第四節(jié) 粉末冶金材料粉末冶金材料黑色金屬主要指鋼和鑄鐵，而把其余金屬如鋁、鎂、銅、錫、鉛、鋅等及其合金統(tǒng)稱為非鐵金屬 。一、工業(yè)純鋁工業(yè)上使用的純鋁，其純度為99.7%99.8%，其熔點為660，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，他具有以下的性能特點：1）密度小，相對密度僅為2.7g/cm3，大約為鐵的1/3。2）導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，僅次于銀、銅、金。3）抗大氣腐蝕性能好。但鋁不能耐酸、堿、鹽的腐蝕。4）強度低（b=80100MPa），但塑性好（40%，80%），5）無磁性、無火花，而

2、且反射性能好。純鋁的主要用途是：代替貴重的銅合金制作導(dǎo)線，配制各種鋁合金以及制作要求質(zhì)輕、導(dǎo)熱或耐大氣腐蝕但強度要求不高的容器和器具。 根據(jù)鋁合金的成分和工藝性能，可劃分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。1、變形鋁合金變形鋁合金是指成分為D點以左的合金，當(dāng)加熱到FD線以上時可以得到單相固溶體，這類合金塑性較好，適宜進行壓力加工。 鋁合金相圖的一般類型 變形鋁合金又可以分為兩類： （1）不能用熱處理強化的鋁合金 成分在F點左邊的鋁合金。其常用的強化方法是冷加工變形，如冷軋、壓延等工藝。（2）能用熱處理強化的鋁合金 鋁合金的成分在F點與D點之間?？蛇M行熱處理強化。2、鑄造鋁合金成分在D點右邊的鋁合金

3、，由于有共晶組織存在，熔點低、流動性好，故適宜鑄造，制造形狀復(fù)雜的零件，故稱為鑄造鋁合金。三、鋁合金的熱處理 能用熱處理強化的鋁合金當(dāng)加熱到相區(qū)，保溫后在水中冷卻，其強度、硬度并沒有明顯升高，而塑性卻得到改善，這種熱處理稱為固溶處理。固溶處理后，鋁合金的強度和硬度隨時間而發(fā)生顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效強化。 變形鋁合金常由冶金廠加工成各種規(guī)格的型材（板、帶、線、管等）產(chǎn)品供應(yīng)市場。 1、防銹鋁合金 成分：防銹鋁主要指Al-Mn系，Al-Mg 系合金。熱處理：這類鋁合金不能用熱處理強化，只能通過冷變形方法強化。性能：這類鋁合金，其耐蝕性好，故稱防銹鋁。并具有適中的強度、優(yōu)良的塑性和良好的焊接性。應(yīng)

4、用：常用來制造高耐蝕性薄板容器（如油箱）、防銹蒙皮及受力小、質(zhì)量輕、耐蝕的制品與結(jié)構(gòu)件（如管道、窗框、燈具等），常用牌號有5A05。2、硬鋁合金成分：硬鋁主要指Al-Cu-Mg系合金。熱處理：這類鋁合金能用熱處理強化。性能：比強度與高強度鋼（一般b=1000MPa1200MPa的鋼）相似。應(yīng)用：硬鋁由于耐蝕性比純鋁差，更不耐海水腐蝕；所以硬鋁材表面常包有一層純鋁，以增加其耐蝕性。常見牌號：如2A01硬鋁，大量用于制造鉚釘。3、超硬鋁合金成分：是Al-Cu-Mg-Zn系合金。熱處理：這類鋁合金用熱處理強化。性能：在鋁合金中，超硬鋁時效強化效果最好，強度最高，b可達600MPa，其比強度已相當(dāng)于超

5、高強度鋼（一般指b1400MPa的鋼）。應(yīng)用及牌號：目前應(yīng)用最廣的超硬鋁合金是7A04，常用于飛機上受力大的結(jié)構(gòu)零件，如起落架、大梁等。 防銹鋁 LF，不可熱處理強化，做油箱、油管、 鉚釘。硬鋁 LY，做螺旋槳葉片、支柱。超硬鋁 LC，做飛機大梁、起落架。鍛鋁 LD，做鍛件、模鍛件。性能：其力學(xué)性能不如變形鋁合金，但鑄造性能好，可進行各種成形鑄造，生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件。種類：主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等四大類，其中以Al-Si系應(yīng)用最廣泛。牌號： 鋁硅鑄造合金俗稱硅鋁明，是一種應(yīng)用廣泛的共晶型鑄造鋁合金。4、鍛鋁合金成分：他是Al-Cu-Mg-Si系，Al-Cu

6、-Mg-Ni-Fe系合金。性能：其力學(xué)性能與硬鋁相似，但熱塑性及耐蝕性較高，適合鍛造成形。應(yīng)用：由于其熱塑性好，所以鍛鋁主要作航空及儀表工業(yè)中各種形狀復(fù)雜，要求比強度較高的鍛件或模鍛件，如各種葉輪、框架、支桿等，常用牌號2A50。五、鑄造鋁合金“鑄”“鋁”二字的漢語拼音字首字母 合金類別（1為Al-Si系、2為Al-Cu系、Al-Mg系、4為Al-Zn系） 順序號 ZL + 數(shù)字1 + 數(shù)字2ZL102是應(yīng)用最早的典型的硅鋁明，Si=11%13%，一般鑄造所得組織幾乎全部是粗大的共晶體（+Si）。變質(zhì)處理：在澆注前往液態(tài)合金中加入占合金質(zhì)量2%-3%的變質(zhì)劑，則可使粗大的針狀共晶硅變?yōu)榧毦罟?/p>

7、，并且使Al- Si相圖共晶點右移，得到細小的組織，力學(xué)性能顯著提高。 Al-si 二元合金的鑄態(tài)組織 變質(zhì)處理變質(zhì)處理后后，100未變質(zhì)，未變質(zhì)，500變質(zhì)劑對Al-si相圖影響 應(yīng)用：鑄造鋁合金一般用來制造質(zhì)量輕、耐蝕、形狀復(fù)雜及有一定力學(xué)性能的鑄件，如發(fā)動機氣缸體、手提電動或風(fēng)動工具（手電鉆、風(fēng)鎬）以及儀表外殼。一、工業(yè)純銅純銅表面具有玫瑰紅色，表面形成CuO膜層后呈紫色，又稱紫銅。銅具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，其熔點為1083，密度為8.96g/cm3其主要特征有：1）有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀。2）塑性高（=4050%。3）有較高的耐蝕性（抗大氣及海水腐蝕）。4）

8、無磁性。純銅管純銅管用途：制作各種導(dǎo)電材料、導(dǎo)熱材料及配制各種銅合金的材料。分類及牌號：工業(yè)純銅分未加工產(chǎn)品（銅錠）和壓力加工產(chǎn)品（銅材）兩種。工業(yè)純銅未加工產(chǎn)品牌號有Cu-1、Cu-2兩種，已加工產(chǎn)品牌號有T1、T2、T3、T4四種牌號。二、黃銅黃銅是以鋅為主要合金元素的銅鋅合金。1、普通黃銅黃銅的力學(xué)性能與Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。 黃銅力學(xué)性能隨Zn變化的關(guān)系 當(dāng)Zn39%時，（實際生產(chǎn)時大多為Zn32%，Zn能完全溶解于Cu內(nèi)形成單相固溶體，稱為單相黃銅。單相黃銅塑性很好，適宜冷、熱壓力加工；若Zn39%，組織中出現(xiàn)以化合物CuZn為基的固溶體，即黃銅中由+雙相組織（雙相黃銅）。少量的對強度

9、影響不大，因此強度仍然升高；若Zn45%以后銅合金組織全部為相，此時的合金已無使用價值。(a) 單相黃銅單相黃銅 相相 Cu-Zn合金的顯微組織合金的顯微組織(b) 雙相黃銅雙相黃銅+相相牌號：如:H70表示Cu=70%，其余為Zn的黃銅。H70是典型的單相黃銅，H68是典型的雙相黃銅。2、特殊黃銅為了改善黃銅的力學(xué)性能，耐蝕性能或某些工藝性能，可以在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入其他合金元素所組成多元合金稱為特殊黃銅。牌號：在“H”之后標(biāo)以主加元素的化學(xué)符號，并在其后標(biāo)以銅及合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例：HPb59-1表示Pb=1%，余量為Zn的鉛黃銅。 “黃”字漢語拼音字首合金中銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)H+ 數(shù)字

10、數(shù)字常用黃銅的常用牌代號、成分、力學(xué)性能及用途三、青銅青銅原先是指人類最早應(yīng)用的一種Cu-Sn合金。但現(xiàn)代工業(yè)上，是指黃銅、白銅（Cu-Ni合金）以外的其他元素作為主要合金元素的銅合金均稱為青銅。牌號: Q+主加元素符號及質(zhì)量分?jǐn)?shù)+其他元素符號及質(zhì)量分?jǐn)?shù)鑄造青銅則在牌號前面加“Z”。如 QSn4-3，含4%Sn 、3%Zn，其余為 Cu 。 1、錫青銅是由Cu與Sn為主加元素組成的銅合金。工業(yè)上使用的錫青銅為Sn=3%-14%。性能：鑄造時流動性較差，成分偏析傾向較大，并易產(chǎn)生分散縮孔等缺陷，但不會形成集中縮孔，故適用于鑄造外形尺寸要求較嚴(yán)格的鑄件。錫青銅的耐蝕性高于純銅和黃銅，特別是在大氣、

11、海水等環(huán)境中，但在酸類及氨水中其耐蝕性較差。此外，錫青銅還具有良好的減磨性，抗磁性及低溫韌性。應(yīng)用：制造機床中滑動軸承、蝸輪、齒輪等。2、鋁青銅鋁青銅是由Cu與Al為主加元素組成的銅合金。性能：其強度、耐磨性、耐蝕性及耐熱性比黃銅、錫青銅都好，且價格低，還可熱處理（淬火、回火）強化。應(yīng)用：鑄造鋁青銅常用來制造強度及耐磨性較高的摩擦零件，如齒輪、軸套、蝸輪等。3、鈹青銅鈹青銅是由Cu與Be為主加元素組成的銅合金。性能：強度高，疲勞抗力高、且耐熱、耐蝕、耐磨等性能均優(yōu)于其他銅合金。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性優(yōu)良，且有抗磁，受沖擊無火花等一系列優(yōu)點。應(yīng)用：主要用于制造各種精密儀器、儀表中的重要彈簧和其他彈性元件

12、，如鐘表手輪、電焊機電極、防爆工具、航海羅盤等。 常用青銅的代號、成分、力學(xué)性能及用途 一、對滑動軸承性能的要求 用來制造制造滑動軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的合金稱為軸承合金 。軸承合金應(yīng)具備下列性能：1）具有足夠的抗壓強度與疲勞強度；2）有足夠的塑性和韌性；3）摩擦系數(shù)小，并能保留著潤滑油；4）良好的導(dǎo)熱性，耐蝕性和低的膨脹系數(shù)。二、軸承合金的組織特征1、在軟基體上均勻分布著硬質(zhì)點工作原理：當(dāng)軸工作時，軸承合金的軟基體很快被磨凹下去，使硬質(zhì)點因耐磨而凸出。凸出來的硬質(zhì)點起到支承軸的作用，而凹下去的基體處能儲存潤滑油，從而形成近乎理想的摩擦條件，減少了軸的磨損。軸承合金組織示意圖2、在硬基體上均勻分有

13、著軟質(zhì)點如常用的鉛青銅ZCuPb30，因Pb不溶于Cu，其室溫組織是鉛的顆粒分布在銅的基體上，鉛顆粒為軟質(zhì)點，銅是硬基體。這類軸承合金的磨合性能較差，但承載能力較強。鉛青銅常作為鑄造軸承合金廣泛用于制作航空發(fā)動機和 高速柴油機的軸承。錫基軸承合金的組織，100三、常用軸承合金 1、錫基軸承合金（錫基巴氏合金）是以Sn為基礎(chǔ)，加入Sb、Cu等元素組成的合金。這類軸承合金的磨合性能較差，但承載能力較強。例如：ZSnSb11Cu6表示Sb=11%，Cu=6%的錫基軸承合金。2、鉛基軸承合金（鉛基巴氏合金）鉛基軸承合金也是在軟基體上分布著硬質(zhì)點的組織。軟基體:（+）共晶體，硬質(zhì)點是方塊狀初生相和針狀C

14、u2Sb化合物。性能：硬度、強度、韌性比錫基軸承合金低，摩擦系數(shù)大，但耐壓強度較高，鑄造性能好。應(yīng)用：例如汽車、拖拉機的曲軸軸承，電動機軸承等。3、銅基軸承合金常用牌號：ZCuPb30的組織是由硬基體上分布的軟質(zhì)點Pb組成。性能：疲勞強度高、承載能力強、耐磨性優(yōu)良以及導(dǎo)熱性高，摩擦系數(shù)小，能在較高溫度下工作。4、鋁基軸承合金特點：密度小，導(dǎo)熱性好，疲勞強度高和耐蝕性好，并且原料豐富，價格低，其缺點是膨脹系數(shù)大，運轉(zhuǎn)時易與軸頸咬合，常用牌號：ZAlSn6Cu1Ni1軸瓦應(yīng)用：可以制造承受高載荷，高速度的重要軸承，如航空發(fā)動機，高速柴油機等的軸承。將金屬粉末或金屬與非金屬粉末（或纖維）混合，經(jīng)壓制

15、成型后燒結(jié)等過程制成零件材料的工藝方法稱為粉末冶金。一、粉末冶金工藝簡介工藝過程：制粉、篩分與混合、壓制成形、燒結(jié)及后處理等。二、粉末冶金材料的應(yīng)用1燒結(jié)減摩材料（1）多孔軸承：成分：機械行業(yè)廣泛使用的多孔軸承有鐵基的（98%鐵粉+2%石墨粉）和銅基的（99%錫青銅粉+1%石墨粉）兩種 特性：多孔軸承具有較高減摩性。應(yīng)用：一般用作中速、輕載荷的軸承，特別適宜不經(jīng)常加油的軸承。（2）金屬塑料減摩材料獲得： 用燒結(jié)好的多孔銅合金作骨架，在真空下浸漬聚四氟乙烯乳液，使聚四氟乙烯浸入其孔隙中，就能獲得金屬與塑料成為一體的金屬塑料減摩材料。特性：聚四氟乙烯具有一定的減摩性、耐蝕性及較寬的工作范圍（26+

16、250）。銅合金作骨架具有較高的強度和較好的導(dǎo)熱性。金屬塑料減摩材料適用于以下工作條件：1） 不能用油潤滑或不便加油的高速、高載荷的工作條件，如紡織機械，食品機械、印刷機械中的減摩零件。2） 灰塵多、有易燃或腐蝕介質(zhì)的工作條件，如化工機械、農(nóng)藥機械、工程機械中的減摩零件。3） 低溫和高溫的工作條件，如制造氧氣壓縮機上的導(dǎo)向環(huán)，過去曾用聚四氟乙烯制造，由于強度低、壽命僅為48h，而采用金屬塑料減摩材料后，使壽命已達到5000h。2燒結(jié)鐵基結(jié)構(gòu)材料燒結(jié)鐵基結(jié)構(gòu)零件的材料，即所謂燒結(jié)鋼。應(yīng)用：用碳鋼粉末燒結(jié)的合金，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的，可制造承受載荷小的零件、滲碳件及焊接件；其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的，淬火后可制造要求一定強度或耐磨性的零件。用合金鋼粉末燒制的合金，淬火后b 可達500800MPa,硬度為4045HRC，可制造承受載荷較大的燒結(jié)結(jié)構(gòu)件，如油泵齒輪、汽車差速齒輪等。3 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是以一種或幾種難熔碳化物（如WC、TiC等）粉末為主要成分，并加入金屬Co作為粘結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金法制成的材料。（1） 硬質(zhì)合金的性能特點1）硬度高、熱硬性高。在高溫下強度可達1000-1200Hv（相當(dāng)于6981HRC），熱硬性可達900-1000。2）抗壓強度高，可達6000MPa；900時抗彎強度可達