第八章有色金属及其合金

第八章有色金属及其合金 • 第一节铝及其合金 • 第二节铜及其合金 • 第三节钛及其合金 • 第四节镁及其合金 • 第五节轴承合金 • 第六节新型及特种用途材料

第一节铝及其合金 8.1.1 概述 • 1.铝及其合金的性能特点 • 密度小，比强度高（强度与密度之比）， 2.78g/cm3 • 加工性能良好，（丝、线、箔、片、棒、管） • 具有优良的物理、化学性能。 • 具有良好的导电、导热性和抗大气腐蚀性。应用：电气工程、航空及宇航工业，一般机械及轻工业都有广泛的应用。

8.1.1 概述 2.纯铝工业纯铝 ——纯度为99.7%~98%。面心立方晶格，无同素异构转变，其熔点为660℃，密度小，导电性好，抗腐蚀好。牌号：L1（1070）～ L5（1200）。力学性能 :　工业纯铝的强度和硬度都很低，难以作为工程结构材料使用。 σb = 80~100 MPaδ= 30~50 %，做包覆材料、器皿、导线、铝箔、装饰件等。

8.1.1 概述 3.铝合金分类：变形铝合金——通过压力加工制成铝型材。铸造铝合金——Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等系列。

8.1.2铝合金的强化 1. 时效强化：时效强化是强化有色金属的重要方法之一。 • 固溶处理：将合金加热到单相区，迅速水冷，得到过饱和固溶体。 • 时效处理：经过固溶处理的铝合金，在室温下或低温加热，由不稳定的过饱和固溶体向稳定的非过饱和状态转变的倾向，合金的强度、硬度升高，塑性下降的现象。

含4%Cu的铝合金自然时效曲线

8.1.3变形铝合金 1. Al-Mn、Al-Mg（防锈铝合金LF21、 LF5）3A21 、 5A05 属于不能热处理强化铝合金，常采用冷变形方法提高其强度。强度适中，优良的塑性和焊接性，耐腐蚀性较好，切削加工性差。做油箱、油管、铆钉、飞机蒙皮、焊接容器。

飞机翼梁(腹板为硬铝合金) 8.1.3变形铝合金 2. Al-Cu-Mg（硬铝合金LY） 2A11、2A12 可热处理强化，采用自然或人工时效，时效析出CuAl2、 CuMgAl2，时效后强度都很高，做螺旋桨叶片、支柱、飞机翼梁、翼肋，目前最重要的飞机结构材料。

8.1.3变形铝合金及其热处理 3.Al-Mg-Zn-Cu（超硬铝合金LC）：7A04 经固溶处理及人工时效析出 CuAl2、CuMgAl2、MgZn2、 Al2Mg3Zn3时效后强度硬度很高，是强度最高的一类铝合金。应用：受力大的重要构件，做飞机大梁、起落架。飞机主起落架

8.1.3变形铝合金及其热处理 4、Al-Mg-Si-Cu、Al-Cu-Mg-Ni-Fe（锻造铝合金LD） 6A02、2A50、2A14 具有良好的热塑性，耐蚀性，通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。适用于压力加工做形状复杂、承受重载荷的锻件和模锻件。

亚共晶体(α+ β) α 粗大针状共晶体（α +Si）初晶α 8.1.4铝合金的强化 2. 细晶强化方法1 改善冷却条件，提高冷却速度，增加过冷度。方法2 变质处理在Al-Si合金中加入Na（盐）或Ti、B

活塞(裙部为铝硅合金) 8.1.4 铸造铝合金及其热处理 1. Al-Si系合金（硅铝明） ZAlSi12（ZL102） ZAlSi5Cu1Mg（ZL105）铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小）。变质处理 —— 显著提高力学性能。仪表、水泵壳体承受低载荷的零件工业上使用最广泛的铸造铝合金。

汽缸头、活塞 8.1.4铸造铝合金及其热处理 2. Al-Cu系合金 ZAlCu5Mn（ZL201）、 ZAlCu4（ZL203）铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。有被其他铝合金取代的趋势。

鼓风机用密封件 (ZL301) 8.1.4 铸造铝合金及其热处理 3.Al-Mg系合金：ZAlMg10（ZL301）是铸造铝合金中密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金。耐热性、铸造性差，可进行时效处理。应用：常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头，如：舰船配件，氨用泵体。

大型空压机活塞(ZL401) 8.1.4 铸造铝合金及其热处理 4.Al-Zn系合金：ZAlZn11Si7（ZL401）特点：最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，铸造性好，主要缺点：是耐蚀性较差。应用：ZL401主要用于工作温度不超过200℃、拖拉机发动机零件及形状复杂的仪器元件、受力不大的零件。性能、用途和热处理见表8.2（自学）

铸造铝合金的应用 压铸品管材门窗

纯铜管 8.2 铜及其合金 8.2.1 概述 1.工业纯铜主要特点：导电、导热性好，强度低、塑性好。牌号：T1－T4 主要用途：电工元件

2. 铜的合金化 8.2.1 概述（1）固溶强化 Zn、Al、Sn、Ni等。（2）时效强化 Be、Ti、Zr、Cr等。（3）过剩相（第二相）强化加入的合金元素超过其溶解度后便会出现过剩相，如CuZn、Cu31Sn8、 Cu9Al4等。

（1）黄铜 法兰阀闸阀 8.2.1 概述 3.铜合金的分类及编号以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。分为简单黄铜与复杂黄铜简单黄铜或普通黄铜：只含Zn的黄铜。牌号H80（含铜80%）金色黄铜之称，用于做装饰品， H70强度高，塑性好，深冲压的方法制作弹壳，散热片，垫片等。

冷凝器管 牌号H80（含铜80%）金色黄铜之称，用于做装饰品， H70强度高，塑性好，深冲压的方法制作弹壳，散热片，垫片等。

当Wzn＜32%为单相黄铜，塑性好，适用于冷热压力加工；H68。当Wzn＜32%为单相黄铜，塑性好，适用于冷热压力加工；H68。当Wzn＞32%为双相黄铜，组织中出现硬而脆的化合物，强度增加，塑性降低，适用于热压力加工；H62。当Wzn＞45%，组织全部为硬而脆的化合物，强度降低，合金基本无实用价值。

+’ ′  500 70 110 b 60 100 400  b(Mpa) 90 (%) 50 300 80 40 HB 70 200 30 60 20 100 50 10 HB 0 40 0 10 20 30 40 50 8.2.2 黄铜锌对黄铜性能的影响黄铜的力学性能与含锌量的关系

β' α H70单相黄铜退火 α H62双相黄铜退火 α白+β'黑

含铜量WCu = 59% 含锌量WZn = 38% 主加元素含铝量WAl = 3% 8.2.1 概述复杂黄铜或特殊黄铜：除Zn外，还含有其它合金元素 Al、Pb、Si、Cr、Ni、Sn、 Mn 等元素的黄铜。以改善切削加工性，耐磨性、耐蚀性、铸造性等。 H Al 59 - 3 牌号: 铸造黄铜如ZCuZn38 用途见表8-8

其它合金元 素含量为1% 主加元素锡其含量为WSn = 10% 青铜铸造 8.2.1 概述（2）青铜青铜——原指Cu-Sn合金，现在指Cu中加Al、Si、Pb、Be、Mn等为主加元素的铜基合金。 Z Q Sn10 – 1

8.2.2 概述 • 锡青铜：古代遗留的钟、鼎、剑等，其耐蚀性很好，特别在大气、海洋中，耐磨性也很好，常用作轴瓦、轴套等耐磨零件。 • 铝青铜：价格低，耐磨、耐蚀、耐热性及强度都比锡青铜高，当WAl＜5~7%，塑性高，适于冷变形加工，当WAl=10%，用于铸造。是锡青铜重要的代用品。 • 铍青铜：较高的耐蚀性，常用作钟表、仪表中的零件。按照生产方式不同，青铜分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

α （α+γ2）共析（α+δ）共析 α ZQSn10 铸态 α +（α+δ）共析 QAl10 铸态 α(白色)+(α+γ2)共析(黑色) WSn含量＞6%时，组织中出现（α+δ）共析体，不能进行塑性变形。 WSn含量＜5%时，适用于冷加工。 7%＞ WSn含量＞ 5% 时，适用于热加工。 WSn含量＞10%时，适用于铸造。

司母戊鼎是商后期(约公元前14世纪至公元前11世纪)铸品,原器1939年3月出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟,重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止出土的最大最重的青铜器。司母戊鼎初为乡人私自挖掘,出土后因过大过重不易搬迁,私掘者又将其重新掩埋。司母戊鼎在1946年6月重新出土。司母戊鼎是商后期(约公元前14世纪至公元前11世纪)铸品,原器1939年3月出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟,重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止出土的最大最重的青铜器。司母戊鼎初为乡人私自挖掘,出土后因过大过重不易搬迁,私掘者又将其重新掩埋。司母戊鼎在1946年6月重新出土。经测定,司母戊鼎含铜84.77%、锡11.64%、铅27.9%。

白铜： 白铜：以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。性能：在固态下，白铜与镍无限固溶，因此工业上白铜的组织为单相α固溶体。它有较好的强度和优良的塑性，能进行冷热变形，冷变形能提高强度和硬度，它的抗蚀性很好，电阻率很高。应用：制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰含量较高的白铜，可制作热电偶丝。常用的白铜有：B30、B19、BZn15-20、BMn40-1.5

8.3 钛及其合金 8.3.1 钛及其合金性能特点 • 纯钛是灰白色的轻金属，密度较小（4.5g/cm3），比强度（抗拉强度／密度）高。熔点1668℃ • 极高的抗腐蚀性能、耐热性。 • 价格昂贵。同素异构转变 —— 882℃时，密排六方α-Ti ←→β-Ti（体心立方）。纯钛的牌号：TA0、 TA1、 TA2、 TA3。

8.3.2 钛合金的分类 根据钛合金在退火状态下的相组成分为 α型钛合金、β型钛合金和（α+β）型钛合金，牌号分别用TA、TB、TC并加上编号来表示，这是目前国内使用较普遍的钛合金分类方法。 • 按性能特点和用途分为结构钛合金、耐热钛合金、低温钛合金、耐蚀钛合金以及功能钛合金等。

8.3.3 常用钛合金 1. 工业纯钛 99.0~99.5%Ti 牌号 —— 工业纯钛 TA1～TA3 主要用于飞机蒙皮、构件和耐蚀的化学装置，海水淡化装置等。 2. 型钛合金主加元素：Al、Sn、Zr，牌号：TA6（Ti-5Al）、 TA7（ Ti-5Al-2.5Sn）室温为单相相（密排六方结构）。不能通过热处理提高强度。室温强度低。通常用作耐热材料和耐蚀材料，如导弹燃料罐。

8.3.3 常用钛合金 3. （+）型钛合金:强度高、塑性好、耐热性好、耐蚀性好，是钛合金中应用最广的合金。 相——体心立方结构，塑性比好。牌号： TC4（Ti-6Al-4V）、 TC2（Ti-3Al-1.5Mn）可热处理强化，退火状态下有良好的塑性。淬火和时效后强度可提高到1190MPa，较好的低温韧性，和耐蚀性，常用制造400℃以下工作的零件，但焊接性能较差。常用来制造航空发动机压气机盘和叶片以及火箭液氢燃料箱部件等。

8.3.3 常用钛合金 4. 型钛合金合金元素：W、V、Cr 牌号：TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）有较高的强度和优良的冲压性能，可通过淬火和时效进一步强化，耐热性差，抗氧化性低。 β合金通常作高强度高韧性材料使用。用于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载荷零件

钛飞船

8.5 轴承合金 用来制造轴瓦及其内衬的合金称为轴承合金。

内燃机轴瓦 8.5.1 概述 • 良好的耐磨性。 →有色金属+硬质点 • 足够的抗压强度和疲劳强度。 • 良好的跑合性。→软基体 • 耐蚀性、导热性，较小的膨胀系数。 • 良好的工艺性能。

铸 WCu为6％基体元素主加元素 WSb为11％ 11.5.2 锡基轴承合金锡基轴承合金是在锡锑合金基础上添加一定数量的铜，又称为锡基巴氏合金。牌号：ZSnSb11－6 主加元素及其含量组织：软基体（α）＋硬质点（′）＋Cu3Sn

性能及应用 这种合金摩擦系数小，塑性和导热性好，是优良的减摩材料，常用作重要的轴承，如汽轮机、发动机、压气机等巨型机器的高速轴承。它的主要缺点是疲劳强度较低，且锡较稀缺，故这种轴承合金价格最贵。

8.4.5铅基轴承合金(铅基巴氏合金) 它是铅-锑为基的合金。加入锡能形成SnSb硬质点，并能大量溶于铅中而强化基体，故可提高铅基合金的强度和耐磨性。加铜可形成Cu₂Sb硬质点，并防止比密度偏析。性能及应用：铅基轴承合金的强度、塑性、韧性及导热性、耐蚀性均较锡基合金低，且摩擦系数较大；但价格较便宜。因此，铅基轴承合金常用来制造承受中、低载荷的中速轴承，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆轴承及电动机轴承。

无论是锡基还是铅基轴承合金，它们的强度都比较低(σb=60-90 MPa)，不能承受大的压力，故须将其镶铸在钢的轴瓦(一般为08号钢冲压成型)，形成一层薄而均匀的内衬，才能发挥作用。这种工艺称为“挂衬”，挂衬后就形成所谓双金属轴承。

8.5.4 铜基轴承合金 Cu基轴承合金—— 做大载荷、高速轴承。 Pb青铜：ZCuPb30，Cu硬基体＋Pb软质点。铅青铜适宜制造高速、高压下工作的轴承，如航空发动机、高速柴油机及其他高速机器的主轴承。铅青铜的强度较低(σb=60MPa)，因此也需要在轴瓦上挂衬，制成双金属轴承。 Sn青铜：ZCuSn10P1，α软基体＋(δ＋Cu3P)硬质点。这种合金能承受较大的载荷，广泛用于中等速度及承受较大的固定载荷的轴承，例如电动机、泵、金属切削机床轴承。锡青铜可直接制成轴瓦，但与其配合的轴颈应具有较高的硬度(300-400HBS)。

性能及应用 这种合金能承受较大的载荷，广泛用于中等速度及承受较大的固定载荷的轴承，例如电动机、泵、金属切削机床轴承。锡青铜可直接制成轴瓦，但与其配合的轴颈应具有较高的硬度(300-400HBS)。

8.5 粉末冶金与硬质合金 1、粉末的特点与工艺； 2、粉末冶金材料性能及应用； 3、硬质合金的分类； 4、掌握硬质合金刀具牌号的选用。任务目标训练项目常用硬质合金刀具牌号及用途粉末冶金的概念，粉末冶金的生产工艺，粉末冶金的应用，硬质合金，硬质合金的种类与用途，硬质合金刀具，硬质合金刀具的牌号及用途。知识点讲解

8.5.1粉末冶金 将金属或非金属粉末混合后压制成形，并在低于金属熔点的温度下进行烧结，利用粉末间原子扩散来使其结合的过程被称做粉末冶金工艺。　　粉末冶金制品被称做粉末冶金材料。一、粉末冶金的特点（1）生产具有特殊性能的材料和制品　　硬质合金、摩擦材料、多孔材料、难熔金属材料、金属陶瓷、电接触材料、磁性材料及其制品。　　（2）少（无）切屑精密加工

二、粉末冶金生产工艺过程 　　（1）粉末制备　　（2）粉末配料　　（3）压制成型　　（4）烧结　　（5）烧结后处理粉末冶金的生产过程：粉末的制取→粉末的混合→坯料的压制或成形→烧结→后处理。

8.5.2硬质合金 硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钻粉末，用粉末冶金法制得的材料。一、硬质合金的性能特点硬度高热硬性好耐磨性好脆性大硬质合金刀块

二、硬质合金的分类、化学成分、性能与应用 1．常用硬质合金的分类与牌号　　（1）钨钻类硬质合金　　其牌号是由“YG”（“硬、钻”两字汉语拼音字首）和平均含钻量的百分数组成，例如，YG8 　　（2）钨钛钻类硬质合金　　其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成，例如，YT15 　　（3）钨钛钽（铌）类硬质合金　　其牌号由“YW”（“硬”、“万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如 YW1。

第八章 有色金属及其合金