第8章 有色金屬2

第九章有色金屬材料有色金屬：除黑色金屬（鋼、鐵）以外的所有金屬材料§1鋁及鋁合金具有銀白色金屬光澤，密度2.72g/cm3，熔點(diǎn)660.4℃，具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀和銅。純鋁在空氣中易氧化，表面形成一層能阻止內(nèi)層金屬繼續(xù)被氧化的致密的氧化膜，因此具有良好的抗大氣腐蝕性能。純鋁具有面心立方結(jié)構(gòu)，具有極好的塑性和較低的強(qiáng)度（軋成箔片）鑄、壓力加工、焊和切削加工性能具佳。工業(yè)純鋁中含有少量鐵、硅等雜質(zhì)元素，雜質(zhì)含量增加，其導(dǎo)電性、抗蝕性及塑性都降低。鋁合金的分類鋁合金的熱處理（退火、淬火、時(shí)效）退火再結(jié)晶退火：T兩以上保溫一段時(shí)間用以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。低溫退火：消除內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)增加塑性。均勻化退火：消除鑄錠或鑄件的成分偏析及內(nèi)應(yīng)力，提高塑性。2、鋁合金的淬火將鋁合金加熱到固溶線以上保溫快冷，使第二相來(lái)不及析出，得到過(guò)飽合、單一的固溶體。淬火后鋁合金強(qiáng)度、硬度不高，具有很好的塑性。3、鋁合金的時(shí)效熱處理將淬火后鋁合金在室溫或加熱到某一溫度時(shí)，其強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增高，但塑性、韌性則降低，這個(gè)過(guò)程稱為~~時(shí)效。在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱為自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。時(shí)效過(guò)程中使鋁合金的強(qiáng)度、硬度增高的現(xiàn)象稱為時(shí)效強(qiáng)化或時(shí)效硬化。其強(qiáng)化效果是依靠時(shí)效過(guò)程中所產(chǎn)生的時(shí)效硬化現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。時(shí)效的實(shí)質(zhì)，是第二相從過(guò)飽和、不穩(wěn)定的單一α固溶體中析出和長(zhǎng)大，由于第二相與母相（α相）的共格程度不同，使母相產(chǎn)生晶格畸變而強(qiáng)化。由圖可見：經(jīng)4~5天時(shí)效后，其抗拉強(qiáng)度有了顯著提高時(shí)效溫度越高，強(qiáng)化效果越低。形變鋁合金防銹鋁（Al-Mg、Al-Mn）——LF，抗腐蝕性和塑性好，做油箱、油管、鉚釘?shù)?。不可熱處理?qiáng)化。硬鋁（Al-Cu-Mg）——LY，機(jī)械性能好，抗腐蝕性差;做螺旋槳葉片等。超硬鋁（Al-Cu-Mg-Zn）——LC，強(qiáng)度最高，抗腐蝕性差，做飛機(jī)大梁、起落架等。鍛鋁（Al-Mg-Si-Cu）——LD，機(jī)械性能和鍛造性能好，做鍛件、模鍛件等。1．防銹鋁合金主要系列：Al-Mn系、Al-Mg系防銹鋁合金中主要合金元素是Mn和Mg，Mn的主要作用是提高鋁合金的抗蝕能力，并起到固溶強(qiáng)化作用。Mg也可起到強(qiáng)化作用，并使合金的比重降低。防銹鋁合金鍛造退火后是單相固溶體，抗腐蝕能力高，塑性好。這類鋁合金不能進(jìn)行時(shí)效硬化，屬于不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，但可冷變形加工，利用加工硬化，提高合金的強(qiáng)度。

2．硬鋁合金硬鋁合金為Al-Cu-Mg系合金，還含有少量的Mn。各種硬鋁合金都可以進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，屬于可以熱處理強(qiáng)化的鋁合金，亦可進(jìn)行變形強(qiáng)化。合金中的Cu、Mg是為了形成強(qiáng)化相。Mn主要是提高合金的抗蝕性，并有一定的固溶強(qiáng)化作用，但Mn的析出傾向小，不參與時(shí)效過(guò)程。少量的Ti或B可細(xì)化晶粒和提高合金強(qiáng)度。

3．超硬鋁合金超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量的Cr和Mn。Zn、Cu、Mg與Al可以形成固溶體和多種復(fù)雜的第二相，例如MgZn2，Al2CuMg，AlMgZnCu等。所以經(jīng)過(guò)固溶處理和人工時(shí)效后，可獲得很高的強(qiáng)度和硬度。它是強(qiáng)度最高的一種鋁合金。但這種合金的抗蝕性較差，高溫下軟化快?？梢杂冒X法提高抗蝕性。超硬鋁合金多用來(lái)制造受力大的重要構(gòu)件，如飛機(jī)大梁、起落架等。4．鍛鋁合金鍛鋁合金為Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。合金中的元素種類多但用量少，具有良好的熱塑性，良好的鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機(jī)械性能。這類合金主要用于承受重載荷的鍛件和模鍛件。鍛鋁合金通常都要進(jìn)行固溶處理和人工時(shí)效。鑄造鋁合金鑄造鋁合金按照主要合金元素的不同，可分為四類：Al-Si鑄造鋁合金，如ZL101、ZL105等；Al-Cu鑄造鋁合金，如ZL201、ZL203等；Al-Mg鑄造鋁合金，如ZL301、ZL302等；Al-Zn鑄造鋁合金，如ZL401、ZL402等。

1．Al-Si鑄造鋁合金

Al-Si鑄造鋁合金通常稱為硅鋁明，硅鋁明包括簡(jiǎn)單硅鋁明（Al-Si二元合金）和復(fù)雜硅鋁明（Al-Si-Mg-Cu等多元合金）。含11～13%Si的簡(jiǎn)單硅鋁明（ZL102）鑄造后幾乎全部是共晶組織。因此，這種合金流動(dòng)性好，鑄件產(chǎn)生的熱裂傾向小，適用于鑄造復(fù)雜形狀的零件。它的耐腐蝕性能高，有較低的膨脹系數(shù)，可焊性良好。該合金的不足之處是鑄造時(shí)吸氣性高，結(jié)晶時(shí)能產(chǎn)生大量分散縮孔，使鑄件的致密度下降。由于Al-Si合金組織中的共晶硅呈粗大的針狀，使合金的機(jī)械性能降低，所以必須采用變質(zhì)處理。

2．Al-Cu鑄造鋁合金Al-Cu合金的強(qiáng)度較高，耐熱性好，但鑄造性能不好，有熱裂和疏松傾向，耐蝕性較差。ZL201的室溫強(qiáng)度高，塑性比較好，可制作在300℃以下工作的零件，常用于鑄造內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、活塞等零件。ZL202塑性較低，多用于高溫下不受沖擊的零件。ZL203經(jīng)淬火時(shí)效后，強(qiáng)度較高，可作結(jié)構(gòu)材料鑄造受中等載荷和形狀較簡(jiǎn)單的零件。3．AL-Mg鑄造鋁合金Al-Mg合金（ZL301、ZL302）強(qiáng)度高，比重?。s為2.55），有良好的耐蝕性，但鑄造性能不好，耐熱性低。Al-Mg合金可進(jìn)行時(shí)效處理，通常采用自然時(shí)效。多用于制造承受沖擊載荷，在腐蝕性介質(zhì)中工作的，外形不太復(fù)雜的零件，如艦船配件、動(dòng)力機(jī)械零件等。4．Al-Zn鑄造鋁合金Al-Zn合金（ZL401、ZL402）價(jià)格便宜，鑄造性能優(yōu)良，經(jīng)變質(zhì)處理和時(shí)效處理后強(qiáng)度較高，但抗蝕性差，熱裂傾向大。常用于制造汽車、拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件及形狀復(fù)雜的儀器零件?！?銅及其合金有優(yōu)異的物理化學(xué)性能。純銅導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性極佳，許多銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性也很好；銅及銅合金對(duì)大氣和水的抗腐蝕能力也很高；銅是抗磁性物質(zhì)。有良好的加工性能。銅及某些銅合金塑性很好，容易冷、熱成型；鑄造銅合金有很好的鑄造性能。有某些特殊的機(jī)械性能。例如優(yōu)良的減摩性和耐磨性（如青銅及部分黃銅）；高的彈性極限及疲勞極限（鈹青銅等）。色澤美觀。

一.純銅純銅是玫瑰紅色金屬，表面形成氧化銅膜后，外觀呈紫紅色，故常稱為紫銅。密度為8.96g/cm3，熔點(diǎn)為1083.4℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其導(dǎo)電性僅次于銀。主要用于制作電工導(dǎo)體,純銅在大氣、淡水中具有良好的耐蝕性，但在海水中較差。純銅具有面心立方結(jié)構(gòu)，故塑性好。根據(jù)雜質(zhì)的含量，工業(yè)純銅可分為四種：T1、T2、T3、T4。“T”為銅的漢語(yǔ)拼音字頭，編號(hào)越大，純度越低。二、黃銅——Cu-Zn系合金Cu-Zn合金相圖α相是鋅溶于銅中的固溶體，具有面心立方晶格，塑性好，β′相是以電子化合物CuZn為基的有序固溶體，具有體心立方晶格，性能硬而脆。

單相黃銅：wZn<39%，組織為α，塑性很好，可進(jìn)行冷、熱壓力加工，適于制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件。常用H68、H70、H80，主要用作彈殼和精密儀器；兩相黃銅：wZn39~45%，雙相黃銅的牌號(hào)有H62、H59等，退火狀態(tài)組織為α＋β＇。由于室溫β＇相很脆，冷變形性能差，而高溫β相塑性好，因此它們可以進(jìn)行熱加工變形。通常雙相黃銅熱軋成棒材、板材，再經(jīng)機(jī)加工制造各種零件。普通黃銅：Cu-Zn二元合金，代號(hào)：H+Cu%如：H68表示含CU68%的銅鋅合金。特殊黃銅為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、鐵、硅、錳、鎳等元素，形成各種特殊黃銅。

特殊黃銅的編號(hào)方法是：“H＋主加元素符號(hào)＋銅含量＋主加元素含量”。例如：HPb60-1表示平均成分為60%Cu，1%Pb，余為Zn的鉛黃銅特殊黃銅可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類，其中鑄造黃銅在編號(hào)前加“Z”。例：ZCuZn31Al2表示平均成分為31%Zn，2%Al，余為Cu的鋁黃銅。

P179頁(yè)常用黃銅的牌號(hào)、成分、性能和特點(diǎn)及應(yīng)用。錫黃銅：錫可顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，也可使黃銅的強(qiáng)度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛應(yīng)用于制造海船零件。鉛黃銅：鉛能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。鉛對(duì)黃銅的強(qiáng)度影響不大，略為降低塑性。壓力加工鉛黃銅主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如鐘表零件），鑄造鉛黃銅可以制作軸瓦和襯套。鋁黃銅：鋁能提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，但使塑性降低。鋁能使黃銅表面形成保護(hù)性的氧化膜，因而改善黃銅在大氣中的抗蝕性。鉛黃銅可制作海船零件及其它機(jī)器的耐蝕零件。硅黃銅：硅能顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進(jìn)行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件。錳黃銅：錳能提高黃銅的強(qiáng)度，不降低塑性，也能提高在海水中及過(guò)熱蒸汽中的抗蝕性。錳黃銅常用于制造海船零件及軸承等耐磨部件。鐵黃銅：黃銅中加入鐵，同時(shí)加入少量的錳，可起到提高黃銅再結(jié)晶溫度和細(xì)化晶粒的作用，使機(jī)械性能提高，同時(shí)使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優(yōu)良的抗蝕性，因而鐵黃銅可以用于制造受摩擦及受海水腐蝕的零件鎳黃銅：鎳可提高黃銅的再結(jié)晶溫度和細(xì)化其晶粒，提高機(jī)械性能和抗蝕性，降低應(yīng)力腐蝕開裂傾向。鎳黃銅的熱加工性能良好，在造船工業(yè)、電機(jī)制造工業(yè)中廣泛應(yīng)用。三、青銅青銅原指銅錫合金，但是，工業(yè)上習(xí)慣把銅基合金中不含錫而含有鋁、鎳、錳、硅、鈹、鉛等特殊元素組成的合金也叫青銅。所以青銅實(shí)際上包含錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。青銅也可分為壓力加工青銅（以青銅加工產(chǎn)品供應(yīng)）和鑄造青銅兩類。青銅的編號(hào)規(guī)則是：“Q＋主加元素符號(hào)＋主加元素含量＋其它元素含量。如QSn4-3表示成分為4%Sn、3%Zn、其余為銅的錫青銅。鑄造青銅的編號(hào)前加“Z”。

1.錫青銅錫青銅的性能受錫含量的顯著影響：WSn<8%的錫青銅塑性好，適于壓力加工；WSn>10%的錫青銅塑性較低，適于作鑄造合金。錫青銅的鑄造流動(dòng)性差，易形成分散縮孔，鑄件致密度低，但合金體積收縮率小，適于鑄造外形及尺寸要求精確的鑄件。良好的耐蝕性、減磨性、抗磁性和低溫韌性，在大氣、海水、蒸氣、淡水及無(wú)機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在亞硫酸鈉、酸和氨水中的耐蝕性較差。2．鋁青銅以鋁為主要合金元素的銅合金稱為鋁青銅。鋁青銅的強(qiáng)度和抗蝕性比黃銅和錫青銅還高，它是錫青銅的代用品，常用來(lái)制造彈簧、船舶零件等。鋁青銅可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。鋁青銅有良好的鑄造性能。在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機(jī)酸中具有比黃銅和錫青銅更高的耐蝕性，耐磨損、沖擊時(shí)不發(fā)生火花等特性。缺點(diǎn):體積收縮率比錫青銅大，鑄件內(nèi)容易產(chǎn)生難熔的氧化鋁，難于釬焊，在過(guò)熱蒸汽中不穩(wěn)定。3．鈹青銅以鈹為合金化元素的銅合金稱為鈹青銅。它是極其珍貴的金屬材料，熱處理強(qiáng)化后的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)1250～1500MPa，HB可達(dá)350～400，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何銅合金，可與高強(qiáng)度合金鋼媲美。鈹青銅的含鈹量在1.7%～2.5%之間，鈹溶于銅中形成α固溶體，固溶度隨溫度變化很大，故可以固溶時(shí)效強(qiáng)化。鈹青銅具有很高的彈性極限、疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗蝕性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性極好，并且耐熱、無(wú)磁性，受沖擊時(shí)不發(fā)生火花。因此鈹青銅常用來(lái)制造各種重要彈性元件，耐磨零件（鐘表齒輪，高溫、高壓、高速下的軸承）及防爆工具等。§3軸承合金滑動(dòng)軸承合金是指用于制造滑動(dòng)軸承軸瓦及內(nèi)襯的材料。

滑動(dòng)軸承在工作時(shí)，承受軸傳給它的一定壓力，并和軸頸之間存在摩檫，因而產(chǎn)生磨損。由于軸的高速旋轉(zhuǎn)，工作溫度升高，故對(duì)用作軸承的合金，首先要求它在工作溫度下具有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，良好的耐磨性和一定的塑性及韌性，其次還要求它具有良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性和較小的膨脹系數(shù)。組織特點(diǎn)軟基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)，或者在硬基體上分布著軟質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軟基體受磨損而凹陷，硬質(zhì)點(diǎn)就凸出于基體上，減小軸與軸瓦間的摩檫系數(shù)，同時(shí)使外來(lái)硬物能嵌入基體中，使軸頸不被擦傷。軟基體能承受沖擊和振動(dòng)，并使軸與軸瓦很好地磨合。常用的軸承合金按主要化學(xué)成分可分為錫基、鉛基、鋁基和銅基等，前兩種稱為巴氏合金，編號(hào)方法為：“ZCh＋基本元素符號(hào)＋主加元素符號(hào)＋主加元素含量＋輔加元素含量”，其中“Z”、“Ch”分別是“鑄”造軸“承”的漢語(yǔ)拼音字首。例如，ZChSnSb11Cu6表示含11.0%Sb銻、6%Cu的錫基軸承合金。1．錫基軸承合金（錫基巴氏合金）錫基軸承合金是一種軟基體硬質(zhì)點(diǎn)類型的軸承合