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第八章 有色金属及其合金. non - ferrous metal and alloy. 本章教学目的:. 1 、掌握铝合金、铜合金的强化机理及组 织、性能特点. 2 、熟悉铝合金、铜合金的表示方法. 3 、了解滑动轴承合金的组织、性能特点. 本章重点: 1 、铝合金的强化机理及组织、性能 2 、铜合金的强化机理及组织、性能. 本章难点:铝合金、铜合金的强化机理. 参考文献:. 1 、崔忠圻等, 金属学与热处理原理 , 哈尔滨工业大学 出版社, 1998 2 、 王 忠, 机械工程材料 ,清华大学出版 社, 2005.

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slide1

第八章有色金属及其合金

non-ferrousmetalandalloy

本章教学目的:

1、掌握铝合金、铜合金的强化机理及组

织、性能特点

2、熟悉铝合金、铜合金的表示方法

3、了解滑动轴承合金的组织、性能特点

slide2

本章重点:1、铝合金的强化机理及组织、性能本章重点:1、铝合金的强化机理及组织、性能

2、铜合金的强化机理及组织、性能

本章难点:铝合金、铜合金的强化机理

参考文献:

1、崔忠圻等,金属学与热处理原理, 哈尔滨工业大学

出版社,1998

2、王 忠,机械工程材料 ,清华大学出版 社,2005

slide3

有色金属:除钢铁以外的所有金属统称为有 色金属。

有色金属及其合金与钢铁相比,具有许

多特性:

☆Al,Mg,Ti及其合金密度小

☆Au,Cu,Ag及其合金导电性好

☆Ni,Mo,Nb,Co及其合金耐高温

☆Cr,Ni,Ti及合金具有优良的耐蚀性

slide4

▲ 有色金属及其合金的应用越来越多,在国

民经济中占越来越重要地位。

飞机制造业:轻金属占总重量的95%,

钢铁及其它材料占5%。

slide6

▲镁合金在“3C”产品的应用近年来急剧增

长(年递增20%)。

C:COMPUTER

C:COMMUNICATION

C:CONSUMER ELECTRONICS PRODUCTS

slide8

第一节铝及其合金

一、工业纯铝

1、铝的性质

①具有面心立方晶格,无同素异构转变。

②密度2.72,约为铁的三分之一,铝合金

密度一般为2.5~2.88之间。

slide9

③具有良好的导电、导热性,仅次于银、铜、金。③具有良好的导电、导热性,仅次于银、铜、金。

④在大气中具有优良的抗腐蚀性(与氧亲和力大,

能形成一层致密的氧化膜)。

⑤具有高塑性、较低的强度:L04 99.996% δ=45%;σb=50MN/m2

slide10

2、纯铝的牌号

L04 L03 L02

4#高纯铝 3#高纯铝 2#高纯铝

99.996% 99.99% 99.96%

L0 L00 L1

1#工业高纯铝 2#工业高纯铝 1#工业纯铝

99.90% 99.85% 99.7%

slide11

L2 … … L7

2#工业纯铝 7#工业纯铝 99.5% 98%

二、铝合金的成分、组织和性能特点

1、成分特点

slide12

纯铝的机械性能不高,为了提高铝的机

械性能,在铝中加入Cu、Zn、Mg、Si、Mn、

RE等元素制成铝合金。

铝合金仍保持纯铝密度小,抗蚀好等特

点,但机械性能比纯铝高的多。

slide13

2、组织特点

合金元素在铝中的溶解度一般都是有

限的,因此铝合金组织中除了形成铝基固

溶体(α)外,还有第二相(金属间化合

物)出现。

CuAl2θ相;Mg2Siβ相;Al2CuMgS相。

slide14

二元铝合金状态图的基本型式为

有限固溶体型。

3、性能特点

与钢铁相比,铝合金具有较高的比强

度、比刚度,较低的密度。

slide15

机械性能对比

低碳钢 低合金钢 高合金钢 铸铁 铝合金

相对密度 1.0 1.0 1.0 0.92 0.35

相对比 1.0 1.6 2.5 0.60 1.8

强度极限

相对比 1.0 1.7 4.2 0.70 2.9~4.3

屈服极限

相对比 1.0 1.0 1.0 0.51 8.5

刚度

slide17

三、铝合金的分类

根据合金元素的含量和加工工艺性能

特点,把铝合金分为:

加工变形铝合金

铸造铝合金

slide18

A

3

4

C

B

D

Al

1

2

1—变形铝合金

2—铸造铝合金

3—不能热处理强化的铝合金

4—能热处理强化的铝合金

slide19

1、铸造铝合金

一般而言,具有共晶成分的合金具有优

良的铸造性能。铸造铝合金为了保证足够的

机械性能,并不完全都是共晶成分,只是合

金元素含量较高,在8~25%。

slide20

2、变形铝合金

这类铝合金要经冷、热加工成各种型材,

因此要求具有良好的冷热加工工艺性能,组

织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形

铝合金中合金元素的含量比较低,一般不超

过B点成分。合金元素总量<5%。

slide21

※ 变形铝合金按其成分和性能特点,又可

分为不能热处理强化的铝合金和可热处

理强化的铝合金。

※ 不能热处理强化的铝合金,合金含量少

于状态图中D点的成分,其中包括一些

热处理强化效果不明显的合金。这类合

金具有良好的抗蚀性,故称防锈铝合金。

slide22

※ 可热处理强化的铝合金,合金元素含量

位于B、D之间,可通过热处理显著提

高机械性能。

包括硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。

slide23

四、铝合金的强化机理

1、固溶强化

合金元素加入纯铝中,形成铝基固溶体,

起固溶强化作用,使其强度提高。铝的合金

化一般都形成有限固溶体,且都具有较大的

极限溶解度。

slide24

2、时效强化

铝合金的热处理强化,主要是由于合金元

素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减

小,故铝合金经加热到一定温度淬火后,可以

得到过饱和的铝基固溶体,这种过饱和的铝基

固溶体放置在室温或加热到某一温度时,其强

度、硬度随时间的延长而提高,塑性、韧性则

降低,这一过程称为时效(时效强化)。

slide25

淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段。

3、过剩相强化

当铝中加入的合金元素超过其极限溶解

度时,淬火加热时便有一部分不能溶入固溶

体的第二相出现,成为过剩相。

slide26

这类过剩相多为硬而脆的金属间化合物,起

阻碍滑移和位错运动的作用,使铝合金强度、硬

度提高,但塑、韧性下降,过剩相过多时,合金

变脆,强度急剧下降。对于铸造铝合金,过剩相强化是主要手段。

slide27

4、细化晶粒强化

在铝合金中添加微量合金元素细化组织

是提高机械性能的另一种重要手段。细化组

织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。

铸造铝合金常加入微量变质剂,进行变

质处理。

常用变质剂:2/3 NaF +1/3 NaCl

slide28

变形铝合金中添加微量的钛、锆、铍及

稀土元素,它们能形成难溶化合物,在合金

结晶时作为非自发晶核,起细化晶粒作用,

以提高强度及塑性。

slide29

五、铝合金时效强化的机理(以Al-Cu合金为例)五、铝合金时效强化的机理(以Al-Cu合金为例)

铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的

过程,包括四个阶段:

第一阶段:形成溶质原子Cu的富集区(Cu原子

在固溶体{100}晶面上偏聚)- Gp[I]

区,随着Gp[I]区的形成,将引起固

溶体α严重畸变,使位错运动受到阻

碍。

slide30

第二阶段:

随着时间的延续,溶质原子继续向Gp[I]区

扩散富集,并有序化而形成Gp[I I]区。

Gp[II]的化学成分接近于CuAl2,具有正方

晶格(以θ”表示),随着Gp[II]区形成,

将引起固溶体更严重的畸变,使位错运动

受到更大阻碍。

slide31

第三阶段: 溶质原子Cu继续富集,第二阶段形成的θ”相逐渐达到CuAl2的成分,并部分地 与母相α固溶体的晶格脱离,形成一种 过渡相θ’,随着θ’的形成,固溶体的 晶格畸变程度减轻,合金趋于软化。

slide32

第四阶段:

稳定的θ相- CuAl2形成,并与母相α固溶体

完全脱离联系,使α固溶体的晶格畸变大为

减轻,时效产生的强化效果显著减弱,合金

软化,这种现象称为“过时效”。

slide33

一般自然时效只出现第一、第二阶段,

后两阶段由于原子扩散能力不足不出现。温

度较高的人工时效,则主要是第三、第四阶

段,因为温度较高,原子扩散能力很大,第

一、二阶段来不及出现即进入后二阶段。

slide34

六、铝合金的表示方法

1、铸造铝合金

ZL * ** 表示合金顺序号

表示合金系列 1-Si 2-Cu 3-Mg 4-Zn

铸造铝合金

slide35

如: ZL102 表示第2号铝硅铸造合金ZL405 表示第5号铝锌铸造合金

2、变形铝合金的牌号

防锈铝 LF+顺序号 “LF5”

硬铝LY+顺序号 “LY12”

超硬铝LC+顺序号 “LC4”

锻铝 LD+顺序号 “LD5”

slide36

七、常用铸造铝合金

1、 Al-Si系铸造铝合金(硅铝明)

a、简单硅铝明

含11~13% Si,铸造后几乎全部得到

共晶组织,因而流动性很好,铸造发生热

裂的倾向小,但铸件致密度不高。可采用

压铸,增加致密度。

slide37

b、特殊硅铝明

为了增加铝合金强度,向合金加入能

形成强化相 CuAl2(θ相),Mg2Si(β相),

Al2CuMg(S相)的合金元素 Cu、Mg。

slide38

2、Al-Cu系铸造铝合金

合金中含有少量共晶组织,故铸造性

能不好,抗蚀性及强度也低于硅铝明,应

用较少。

如:ZL203 ZL201

slide39

3、Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302

优点:耐蚀性好,强度高,密度小(2.55比纯铝还轻)。

缺点:铸造性能差。

slide40

4、Al-Zn系铸造铝合金 ZL401优点:铸造性能好,强度高(铸造冷却时 自行淬火),经时效后就有较高的 强度,价格低。

缺点:抗蚀性差,热裂倾向大。

slide41

八、常用变形铝合金

1、防锈铝合金包括铝镁系、铝锰系、工业纯铝,这

类合金不能进行热处理强化,机械性能比

较低,为了提高其强度,可采用冷加工方

法使其强化(加工硬化)。

slide42

a、 铝镁系防锈铝 LF2、LF3、LF5、LF6

主合金元素是Mg,此外还加入少量Mn、

Ti,随着 Mg 含量的增多,合金的强度、塑性

也相应提高。当Mg含量超过5%时,合金的抗

应力腐蚀性能降低。当Mg含量超过7%时,塑

性降低。

加入少量的Mn,不仅能改善合金的抗腐

蚀性,还能提高合金的强度,少量的钛、钒

起细化组织的作用。

slide43

组织:单相固溶体

b、 铝锰系LF21 Mn 是该合金的主要元素,1.0~1.6%含量

具有较高的强度、塑性、抗蚀性;合金中加入

少量的钛,0.4%Fe细化组织。

slide44

2、硬铝合金

LY1、LY2、LY3、4、6、8、10、11、12、…

Al-Cu-Mg系,它有强烈的时效强化作

用,经时效处理后具有很高的硬度、强度,

同时具有优良的加工工艺性能。含Cu、Mg

量低的硬铝合金,强度低而塑性高,Cu、

Mg量高则强度高、塑性低。

slide45

硬铝合金淬火+人工时效,有晶间腐蚀倾 向,故多采用淬火+自然时效。

3、超硬铝合金LC3、LC4、LC5、LC6、LC9

Al-Zn-Mn-Cu系:

强度达500~700MN/m2,主合金元素是Zn、

Mn、 Cu,同时加入少量的Mg、Cr、Ti。

slide46

热处理特点:淬火+人工时效 因为自然时效时间太长50~60天,且自然

时效有较大的应力腐蚀倾向。

slide47

4、锻铝合金 LD2、LD5、LD6、LD10

Al-Mn-Si-Cu系合金具有优良的锻造工艺性能。

热处理特点:自然时效很难达到最大的强化

效果,必须采用人工时效。

slide48

第二节 铜及合金

一、铜的性质

1、具有面心晶格,无同素异构转变。

2、密度8.94,熔点1083℃,无磁性。

3、导电、导热性好,仅次于银。

slide49

金属导电性排序:Ag、Cu、Au、Mg、Zn、Ni、Cd、Co、Fe、金属导电性排序:Ag、Cu、Au、Mg、Zn、Ni、Cd、Co、Fe、

Pt、Sn、Pb

4、具有较高的化学稳定性

在大气、淡水中均有优良的抗蚀性;在温

水中抗蚀性较差。在大多非氧性介质中(HF、

HCl)抗蚀性较好,而在氧化性介质中(HNO3、

H2SO4)易 被腐蚀。

slide50

5、优良的成型加工性、可焊性、塑性,强度较低。HB=3.5, σb=200~240 MN/m2

δ=50%,σs=60~70MN/m2

6、冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度,

但塑性、导电率降低,经退火后可消除加工

硬化现象。

slide51

二、杂质对铜性能的影响

工业纯铜常见杂质:氧、硫、铅、铋、

砷、磷等。这些杂质的存在,均使铜的导

电率降低。

1、热脆现象

产生原因:铅、铋杂质存在。

slide52

机理:

铅、铋与铜能形成熔点很低的共晶体

(Cu+Bi,270℃),(Cu+Pb,326℃),

且沿晶界分布,热加工时(820~860℃),

晶界熔化→热脆。因此应严格控制Pb 、Bi含

量。Pb(0.005%~0.03%), Bi (0.002%~0.003%)

slide53

2、冷脆现象

产生原因:硫、氧杂质存在

硫、氧与铜形成共晶体,Cu+Cu2S,(1067℃)

Cu+Cu2O,(1065℃),且沿晶界分布,熔点

较高,不会引起热脆。但Cu2S、Cu2O属于脆性

化合物,冷加工时易产生脆性开裂。因此应严

格控制S、O含量。

(S≤0.0015%;O:0.0015%~0.05%)

slide54

3、铜的氢病

含有氧的纯铜在含有氢气或一氧化碳等还

原性气氛中加热时,氢气及一氧化碳气体会渗

入Cu中,与氧发生反应,形成不溶于 Cu 的水

蒸汽和二氧化碳:2H+O2→2H2O; 2CO+O2→2CO2

在局部产生很大的应力,造成微裂纹,使Cu在

随后的加工或使用过程中发生断裂,这种现象

称为铜的氢病。

slide55

故含氧铜应在氧化性气氛中进行退火、热加工。故含氧铜应在氧化性气氛中进行退火、热加工。

slide56

三、工业纯铜的表示方法

T+顺序号TU+顺序号TU+P

工业纯铜无氧铜脱氧铜脱氧剂P

T1~T4 TU1、TU2 TUP 磷脱氧铜TUMn锰脱氧铜

slide57

四、铜的合金化

纯铜的强度不高(σb=200-240 、σs=60-70

δ=50%),虽然冷加工硬化可以适当提高强

度,但是Cu的塑性、导电率下降,因此常加

入合金元素提高铜的强度。

slide58

1、固溶强化

加入Zn、Sn、Al、Ni等合金元素,形

成铜的固溶体——固溶强化,使铜的强度

升高。

2、时效强化

Be、Si、Zn等在Cu中的溶解度随温度

的降低而降低,使合金具有时效强化的功能。

slide59

3、过剩相强化合金元素的加入量超过铜的最大溶解度 时,便产生过剩相,使合金强度提高。但过 剩相数量太多时,合金脆化,强度下降。

4、细化晶粒强化Cu中加入少量Fe、Ni等合金元素,能细 化晶粒,提高机械强度。

slide60

五、黄 铜

1、黄铜的成分与组织

① 成分:黄铜是Cu-Zn合金

简单黄铜(普通黄铜) Zn<50%复杂黄铜(特殊黄铜) Cu-Zn+其它合金元素

slide62

② 组织: 工业黄铜(Zn<50%), 室温组织是α相、β相。

α相:Zn溶入Cu形成的有限固溶体(具有

面心立方晶格),塑性好,具有优

良的成型加工性。

slide63

β相:以电子化合物CuZn为基的固溶体,电子

浓度3/2(β相),具有体心立方晶格,

高温下的β相中的Zn、Cu原子分布没有

规律,处于无序状态,具有良好的塑性,

可进行热加工变形。

缓冷至456~468℃时,β相发生有序化转

变β →β’, 塑性显著降低,含有β’的

黄铜不适于冷加工变形。

再加热到有序温度以上β’→β,塑性恢复。

slide64

工业黄铜按组织分 a:单相黄铜α, Cu=100~62.4% b:两相黄铜α+β,Cu= 56~62.4%

2、Zn含量对黄铜性能的影响

① 随着Zn含量增加,黄铜的导电性、导热性

降低。

slide65

②随着Zn含量增加,当组织为单α相时,黄

铜的强度、塑性都增大;Zn含量30~32%,

塑性δ达到最大;继续增加Zn含量,由于

β’出现,塑性下降,而强度σb继续提高,

至45~46% Zn;合金进入单相β’区,σb

急剧降低。

slide66

③ 随着Zn含量增加,黄铜“自裂”倾向增大。

“自裂”:Zn>20%的黄铜,经冷变形后,在

潮湿的大气或海水中,尤其有氨存在时,

会发生自动破裂(应力腐蚀破裂)。

slide67

★防止自裂的措施:

a、低温去应力退火 260~300℃,1~2小时b、往黄铜中加入Sn、Si、Al、Ni等元素c、表面镀 Sn或Zn

slide68

④黄铜的铸造性能良好

Zn<10%或Zn>38%时,由于结晶温度间隙

较小,流动性好。

slide69

3、黄铜的表示方法

H 80 HPb 59 —1普通黄铜含Cu80% Cu 59% Pb 1% 表示含Pb1%特殊黄铜

ZHAl 67-2.5:表示含Al 2.5%,Cu67%的铸造黄铜。HSn 70-1: 表示含Sn 1%、Cu70%的特殊黄铜 (海洋黄铜,防脱锌)

slide70

六、青 铜

青铜使人类历史上应用最早的一种合金,

我国公元前2000多年的夏、商时期就开始使

用青铜铸造钟、鼎、武器、镜等。

经对出土汉镜进行分析,成分如下:Cu:65~70% Sn:24~26%Pb:1~9%Zn: 0~5%金相组织几乎完全是Cu31Sn8(δ相),颜

色呈青灰色—故称青铜。

slide71

青铜最早是指Cu-Sn合金,后来把Cu-Al、

Cu-Si、Cu-Be、Cu-Mn、Cu-Pb合金都称为青

铜。为了区别,分别称为铝青铜、硅青铜、…

铅青铜等。

slide74

1、锡青铜

a、组织

Cu-Sn 合金相图非常复杂,由几个包晶

转变和共析转变组成,转变产物有:α、β、

γ、δ、ε等相。

slide75

α相:Sn在Cu中的置换固溶体,具有面心立方

晶格,塑性良好,适于冷热变形加工。

β相:以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体,电

子浓度3/2,体心立方晶格。586℃以上

稳定存在,塑性良好,适于热加工;

586℃发生共析反应,形成α+ γ相, 塑性急剧降低。

slide76

γ相:以电子化合物为基的固溶体,晶格结构

尚未确定,只能在520℃以上稳定存在,

520℃发生共析反应,分解为α+δ相。

δ相:以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体,电

子浓度21/13,具有复杂立方晶格,硬而

脆。δ相很稳定,在350℃发生共析转变,

形成α+ε相。但转变速度极其缓慢,一

般很难进行。只有经70~80%的变形,数

千小时退火,才能完成转变,故称δ相是

青铜的基本室温组织。

slide77

ε相:以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体,密排

六方晶格,既硬又脆,在青铜中无使用价

值。

b、Sn 含量对青铜性能的影响

Sn 含量较低时(<5-6% ),Sn ↑→σb↑,δ ↑

Sn>7%时,由于组织中出现δ相,塑性急剧降低。

Sn>20%时,不仅塑性降低,强度也急剧下降,δ↑

slide78

故工业上锡青铜 Sn 含量在3~14%范围:压力加工锡青铜:6~7% Sn 铸造锡青铜: 10~14% Sn

slide79

c、 锡青铜的铸造性Sn:3~14%范围内,青铜的结晶温度间隔

很大,流动性差,易产生偏析,铸造性能

差。但铸造收缩率很小,是有色合金中收

缩率最小的合金,可用来生产形状复杂、

气密性要求不高的铸件。

slide80

d、其它合金元素(磷、锌、铅等)P —脱氧,0.02~0.035%,改善铸造性能,

提高强度

Zn —节约部分锡,缩小合金结晶温度间隔,

改善铸造性能,提高铸件气密性。

Pb —提高耐磨性。

slide81

e、 青铜的其它性能

良好的抗蚀性(除酸外),优于纯铜

和黄铜;无磁性,冲击不产生火花,无冷

脆现象,耐磨性高(δ相)。

slide82

2、铝青铜

a、组织

常用铝青铜Al<12%,组织为α、β、γ2

α相:Al在Cu中的固溶体,面心立方晶格, 塑性好。

slide83

β相:以电子化合物Cu3Al为基的固溶体,电子浓 度3/2,体心立方晶格,565℃以上稳定存 在,565℃发生共析反应,形成α+γ2相, 但必须充分缓冷,快冷(>5~6/min)β→α+γ2 被抑制,而发生类似钢的马氏 体转变,形成密排六方晶格的介稳态β’相,β’适量且分布均匀时,强度高,数量太多, 则合金变脆。

slide84

γ2相:以电子化合物Cu9Al4为基的固溶体,复杂 立方晶格,硬而脆。

b、Al含量对铝青铜性能的影响

Al↑→强度、塑性提高,Al>4~5%时,塑性

降低。

Al>7~8%,塑性急剧降低,Al>10~11%,强

度降低。

故压力加工铝青铜:Al 5~7%

铸造铝青铜: Al7~12%

slide85

c、其它元素

Fe—细化晶粒;Mn—提高强度、耐蚀

性,不降低塑性;Ni—提高耐蚀性、耐磨性、

热强度。

3、青铜的表示方法Q+主加元素符号+主加元素含量

slide86

第三节滑动轴承合金

★滑动轴承具有承压面积大,承载能力

强,工作平稳,无噪音,装拆方便等

优点,大轴承一般采用滑动轴承。

★ 滑动轴承的结构由轴承体(轴承座) 和轴瓦构成;轴瓦与轴直接接触。为 了提高轴瓦的耐磨性,一般在轴瓦内 侧浇铸一层耐磨合金-轴承合金。

slide87

一、对滑动轴承合金的要求1、工作温度下有足够的承压能力、冲击韧性、一、对滑动轴承合金的要求1、工作温度下有足够的承压能力、冲击韧性、

疲劳强度。2、摩擦系数小,导热性好,熔点高。3、热膨胀系数小,以免与轴咬死(抱轴)。4、与轴颈有良好的耐磨性,能根据轴的变形

而产生相应变形。5、不能产生加工硬化现象。6、良好的抗蚀性、抗震性。7、良好的加工性。

slide88

二、组织特点

软的基体上均匀分布硬相质点(磨合性好)硬的基体上均匀分布软相质点(磨合性差)

三、常用滑动轴承合金

1、铅、锡基轴承合金(巴氏合金,巴比特合金)

a、锡基轴承合金

slide89

Sn-Sb-Cu,属于软基体上均匀分布硬质点型。

优点:热膨胀系数小,摩擦系数低,导热性、

耐蚀性、韧性良好。

缺点:疲劳强度低,工作温度<150℃(耐热性差)

主要用于汽车、汽轮机、往复式压缩机

等高速轴承。

slide90

b、铅基轴承合金Pb-Sb,属于软基体上均匀分布硬质点型。b、铅基轴承合金Pb-Sb,属于软基体上均匀分布硬质点型。

性能比锡基差,但价格低,主要用于低速、

低负荷滑动轴承。

slide91

2、铝基轴承合金

Al - Sb – Mg,Al – Sn软基体+硬质点硬基体+软质点

优点:价格低,导热性好,耐蚀性好,疲劳 强度高。

缺点:线膨胀系数大,易于轴颈咬合(抱轴)

slide92

四、轴瓦结构

将滑动轴承合金离心浇铸或轧制在钢轴瓦

内侧,双金属复合材料既提高轴瓦强度,又保

证滑动轴承的性能。