機(jī)械工程材料 第6章 非鐵金屬材料

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第6章非鐵金屬材料

本章目錄6.1鋁及鋁合金

6.1.1工業(yè)純鋁鋁合金及其應(yīng)用

6.2銅及銅合金

工業(yè)純銅

銅合金及其應(yīng)用

6.3鈦及鈦合金

工業(yè)純鈦

鈦合金及其應(yīng)用

6.4滑動軸承合金6.4.1滑動軸承合金的工作條件及性能要求6.4.2滑動軸承合金的組織特征常用的滑動軸承合金6.5粉末冶金材料6.5.1粉末冶金材料的生產(chǎn)6.5.2常用的粉末冶金材料2

6.1鋁及鋁合金

6.1.1工業(yè)純鋁1.純鋁的主要特性?鋁的熔點(diǎn)為660.4℃,密度低,鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好;鋁的化學(xué)活潑性極高;鋁的無磁性;在淡水、食物中也具有很好的耐蝕性.?純鋁的強(qiáng)度低，σb僅為70Mpa，可進(jìn)行冷熱壓力加工,可通過冷加工強(qiáng)化或參加合金元素及其熱處理強(qiáng)化.?純鋁中的主要雜質(zhì)是Fe和Si，其次尚有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等.32.純鋁的牌號及應(yīng)用?工業(yè)純鋁純度為98.0%~99.0%,字母“L〞表示，數(shù)字越大，純度越低,如：L1、L2、L3…….。用途：L1、L2、L3：用于高導(dǎo)電體、電纜、導(dǎo)電機(jī)件和防腐機(jī)械。L4、L5、L6：用于器皿、管材、棒材、型材和鉚釘?shù)?。L7：用于日用品。?工業(yè)高純鋁純度為99.90％～≥99.99％的鋁。用途：用作電解電容器用的陽極箔、電容器引線、集成電路導(dǎo)線、真空蒸發(fā)材料、超導(dǎo)體的穩(wěn)定導(dǎo)體、磁盤合金和高斷裂韌性鋁合金的基體金屬。

6.1.1工業(yè)純鋁

4一、鋁合金的分類6.1.2鋁合金及其應(yīng)用圖1-2晶格參數(shù)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5二、鋁合金的強(qiáng)化途徑

加熱固溶淬火過飽和時效析出

時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。

6二、鋁合金的強(qiáng)化途徑

在室溫下進(jìn)行的時效稱自然時效；在加熱條件下進(jìn)行的時效稱人工時效。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，超過峰值時間，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。含4%Cu鋁合金的時效曲線

時效時間/d7二、鋁合金的強(qiáng)化途徑

時效時間屈服強(qiáng)度時效峰過時效亞時效鋁合金的熱處理8三、常用鋁合金牌號、性能及用途

1、變形鋁合金⑴變形鋁及鋁合金牌號表示方法根據(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。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9鋁合金波紋管LD31鋁合金型材10⑵常用熱處理不強(qiáng)化變形鋁合金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）常用熱處理不強(qiáng)化變形鋁合金11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。汽化器(熱交換管為LF21)常用熱處理不強(qiáng)化變形鋁合金12熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M(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)?飛機(jī)翼梁(腹板為硬鋁合金)13熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金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14④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)動機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等.熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金壓氣機(jī)葉片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。152、鑄造鋁合金

包括：Al-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)字順序號鑄造鋁合金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，稱為簡單硅鋁明.

577℃12.7%16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Al-Si系鑄造鋁合金17參加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?；钊?裙部為鋁硅合金)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。Al-Si系鑄造鋁合金18⑵Al-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。常用代號有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。汽缸頭Al-Cu系鑄造鋁合金19Al-Mg系鑄造鋁合金⑶Al-Mg系鑄造鋁合金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。鼓風(fēng)機(jī)密封件等(ZL102、301)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。20Al-Zn系鑄造鋁合金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。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)216.2.1銅及銅合金6.2.1工業(yè)純銅一、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。二、工業(yè)純銅的牌號及應(yīng)用工業(yè)純銅：用“T〞作為銅的漢語拼音字頭，數(shù)字表示順序號。數(shù)字越大，純度越低。無氧銅：用“T〞和“W〞加上序號表示，如TW1、TW2。在TW后加脫氧劑化學(xué)元素符號表示，如TWP、TWMn。22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236.2.2銅合金及其應(yīng)用二、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241、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25普通黃銅的顯微組織

單相黃銅

兩相黃銅

普通黃銅26普通黃銅單相黃銅塑性好。常用牌號有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272、特殊黃銅在普通黃銅的根底上參加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為：H(黃)+主加元素符號(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。黃銅制品黃銅棒特殊黃銅28常用牌號有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。

特殊黃銅29青銅三、青銅除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。加工青銅的牌號為：Q+主加元素符號及其平均百分含量+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30錫青銅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31常用牌號有QSn4-3、、ZCuSn10Pb1等。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)主要用于耐蝕承載件,如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。

32鋁青銅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。33鈹青銅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，但價格較貴.常用牌號有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.鈹青銅制品34白銅四、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。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：B+鎳的平均百分含量，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.

白銅件35特殊白銅是在普通白銅根底上添加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，本錢低。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?？点~熱偶白銅型材366.3鈦及鈦合金一、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37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、反響器，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38二、鈦合金純鈦參加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.鈦合金泵39鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體40-Ti合金組織鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵41鈦合金管鈦合金管應(yīng)用42

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌號。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433、+型鈦合金參加的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等?？蛇M(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44α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）45生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片466.4軸承合金6.4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?；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，由軸承體和軸瓦兩局部組成。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)。47一、組織性能要求當(dāng)軸高速旋轉(zhuǎn)時，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。48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，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)那么支撐著軸頸，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,以防止擦傷軸頸。49二、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。1、錫基軸承合金是以錫為主并參加少量銻、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。典型牌號為ZSnSb11Cu6。(其組織為基體+白亮塊狀SnSb+星狀Cu3Sn)ZSnSb11Cu6合金的顯微組織

50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℃，價格高。巴氏合金軸瓦廣泛用于重型動力機(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。

512、鉛基軸承合金是以鉛為主參加少量銻、錫、銅等元素的合金，也是軟基體硬質(zhì)點(diǎn)型軸承合金。典型牌號為ZPbSb16Sn16Cu2。ZPbSb16Sn16Cu2合金的顯微組織[(+)共晶基體+方塊狀SnSb+針狀Cu3Sn]

52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，但其本錢低，高溫強(qiáng)度好，有自潤滑性。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53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

546.5粉末冶金材料原料粉末成形燒結(jié)55粉末冶金零件56、粉末成形與燒結(jié)〔1〕成形過程57〔2〕燒結(jié)：粉末或壓坯在低于主要組分熔點(diǎn)的溫度下熔點(diǎn))的熱處理,目的在于通過顆粒間的冶金結(jié)合提高其強(qiáng)度。燒結(jié)過程58〔3)粉末冶金致密化工藝1.常規(guī)壓制-燒結(jié)工藝

2.常見的全密實(shí)工藝(1)粉末鍛造〔P/F〕〔2〕金屬注射成形〔MIM〕〔3〕熱等靜壓〔HIP〕〔4〕熱壓596.5.2常用的粉末冶金材料1.硬質(zhì)合金〔1〕WC-Co硬質(zhì)合金：主要用于加工鑄件、非鐵金屬和非金屬材料?！?〕WC-TiC-Co硬質(zhì)合金：適合加工塑性材料如鋼材。602.粉末冶金軸承燒結(jié)金屬軸承是指以金屬和金屬或非金屬復(fù)合材料使用粉末冶金法制造的滑動軸承，以及鋼背-燒結(jié)合金雙金屬軸承。(1)青銅：青銅耐蝕性極好，延展性足以容許打樁及抗振動負(fù)載。典型應(yīng)用有：分馬力電機(jī)、辦公機(jī)械、農(nóng)具、計算機(jī)及機(jī)床?！?〕Fe與Fe-C：可用作中等荷載的軸承材料。61(3)鐵-銅將銅混合于鐵中以改進(jìn)強(qiáng)度與硬度。鐵-銅合金往往用于需要兼有結(jié)構(gòu)與軸承特性的應(yīng)用。(4)鐵-銅-碳碳的添加量為0.3%~0.9%時，可大大強(qiáng)化鐵-銅合金。這種合金具有高的耐磨性與高的抗壓強(qiáng)度。(5)鐵-青銅在青銅中參加40%~60%鐵可減低原材料費(fèi)用。為了自潤滑，軸承一般含有0.5%~1.3%石墨。在輕-中等荷載和中等-高速應(yīng)用中，諸如分馬力電機(jī)和器械中，可用它們作為青銅的經(jīng)濟(jì)替代品。(6)鐵-石墨將石墨與鐵粉相混合，燒結(jié)到低的化合碳含量，從而使大局部石墨可用作潤滑劑。為改進(jìn)自潤滑性，可將軸承含浸以油。這種軸承還具有優(yōu)異的阻尼特性且運(yùn)轉(zhuǎn)平靜。62