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1、3.4 有色金属及其合金 3.4.1 铝及铝合金 特点： (1) 密度小、比强度高 纯铝密度为 2.7g/cm3，为铁的1/3。铝合金密度小，强度与低合金高强钢强度相近，比强度比一般高强钢高得多。,(2) 有优良的物理、化学性能 铝的导电性好，仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64%。 铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，磁化率极低，接近于非铁磁性材料。,(3) 加工性能良好 铝及铝合金(退火状态)的塑性很好，可以冷成形。 切削性能也很好。 超高强铝合金成形后可通过热处理获得很高的强度。 铸铝合金的铸造性能极好。,由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都
2、有广泛的用途。,一、纯铝 1. 高纯铝 纯度 99.9399.99% ， 牌号 L01、L02、L03、L04，编号越大，纯度越高。 用于科学研究及制作电容器等。 2. 工业高纯铝 纯度 98.8599.9%，牌号 L0、L00 。 用于制作铝箔、包铝、冶炼铝合金的原料。 3. 工业纯铝 纯度 98.099.0% ，牌号 L1、L2、L3、L4、L5，编号越大，纯度越低。 用于制作电线、电缆、器皿及配制合金。,二、铝合金 铝合金有较高的强度，良好的加工性能。制造承受较大载荷的机器零件和构件。 铝合金分变形铝合金和铸造铝合金两类,铝合金分类示意图,（1）变形铝合金 成分低于D 的合金，加热时能形
3、成单相固溶体组织，塑性较好，适于变形加工，称为变形铝合金。,不可热处理强化的铝合金 成分低于F 的合金，不能进行热处理强化。 可热处理强化的铝合金 成分位于F -D 之间的合金，可进行固溶时效强化。,（2）铸造铝合金 成分高于D 的合金，由于冷却时有共晶反应发生，流动性较好，适于铸造生产，称为铸造铝合金。,1. 铝合金的时效 老师提示：重点内容,铝合金的固溶处理,(1) 固溶处理 将成分位于DF 之间的合金加热到相区, 保温获得单相固溶体，迅速水冷，在室温得到过饱和的固溶体, 这种处理方式称固溶处理。,(2) 时效 固溶处理的过饱和固溶体不稳定，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。室温或低温加
4、热时，强度和硬度会明显升高。称为时效或时效硬化。,自然时效 室温下进行。 人工时效 加热时进行。,含4%Cu的Al-Cu合金，加热到550 保温后, 在水中快冷, 相(CuAl2)来不及析出, 合金获得过饱和的固溶体组织, 强度为 b= 310 MPa 在室温放置, 随着时间强度逐渐提高, 经4天5天后 b可达420 MPa。,Al-Cu合金相图,举例：,(3) 合金发生时效的条件 合金在高温形成均匀的固溶体。 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。,(4) 时效规律：,时效温度高，强化效果小; 时效温度高，时效速度越快; 低温抑制时效的进行。,Al-Cu合金时效,(5) 回归 自然
5、时效后的铝合金，在230 250 短时间加热后, 快速水冷至室温，重新变软。 在室温下又能发生自然时效。称为回归。,老师提示: 时效后的铝合金回归处理,软化状态进行冷变形。可用铝合金铆钉随时进行飞机的铆接和修理等。,2. 变形铝合金 (1) 防锈铝合金 主要合金元素是锰和镁。锰提高抗蚀能力，并起固溶强化作用。镁固溶强化，同时降低密度。 锻造退火后是单相固溶体，抗蚀性能高，塑性好。 不能进行时效硬化，属于不可热处理强化的铝合金。 可冷变形，利用加工硬化提高强度。,3A21(LF21) Al-Mn合金 w(Mn)1.4% 抗蚀性和强度比纯铝高, 有良好的塑性和焊接性能, 但因太软而切削加工性能不良
6、。 用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品以及铆钉等。,5A05(LF5) Al-Mg合金 w(Mg)5% 密度比纯铝小, 强度比Al-Mn合金高, 具有高的抗蚀性和塑性, 焊接性能良好, 但切削加工性能差。 用于焊接容器、管道，以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。,(2) 硬铝合金 Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。 可进行时效强化，可热处理强化的铝合金，也可进行形变强化。 Cu、Mg可形成强化相 及s 相; Mn主要提高抗蚀性, 并起一定固溶强化作用; 少量Ti、B细化晶粒, 提高合金强度。,低合金硬铝 2A01(LY1) w(Cu)2.6%、
7、w(Mg)0.4% 。 Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。 采用固溶处理和自然时效提高强度和硬度，时效速度较慢。 主要用于制作铆钉，常称铆钉硬铝。,标准硬铝2A11(LY11) w(Cu)4.4%、w(Mg)0.6% 、w(Mn)0.6%。 合金元素含量中等，强度和塑性属中等水平。 退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。 主要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要零件。,高合金硬铝 2A12(LY12) w(Cu)4.4%、w(Mg)1.5% 、w(Mn)0.6%。 合金元素含量较多，强度和硬度较高，塑性及变形加工性能较差。 用于制作航空模锻件和重要的销、轴等零件
8、。,铝合金型材 飞机用座椅轨道及航空零件,铝合金散热器 铝合金汽车车身,铝合金应用举例：,(3) 超硬铝合金 超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金, 含有少量的铬和锰。 7A04(LC4)、7A09(LC9)等。锌、铜、镁与铝形成固溶体和多种复杂的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)。,(4) 锻铝合金 锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。 2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10) 合金元素种类多但用量少。 有良好的热塑性、铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。 用于承受重载荷的锻件和模锻件。 要进行固溶处理和
9、人工时效。,3. 铸造铝合金 (1) Al-Si 铸造铝合金(硅铝明),Al-Si合金相图, 简单硅铝明ZL102 w(Si)10%13% 铸造后几乎全部得到共晶体组织(+Si), 具有优良的铸造性能(熔点低、流动性好、收缩小)。,变质处理： 在一般情况下，ZL102的共晶体由粗针状硅晶体和 固溶体构成, 强度和塑性都较差。 浇铸前向合金液中加入占合金质量2%3%的变质剂(常用钠盐混合物: 2/3NaF+1/3NaCl)以细化合金组织, 显著提高合金的强度及塑性。 这种处理方法即是变质处理。,(a) 未变质处理 (b) 变质处理 (+Si) 初生 +(+Si)+Si,变质处理后的组织： 细小均
10、匀的共晶体(+Si)+ 初生+ Si。 获得亚共晶组织是由于加入钠盐后，铸造冷却较快时共晶点右移的缘故。,ZL102合金的铸态组织,ZL102的性能及应用： ZL102铸造性能很好，焊接性能也好，密度小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，但不能时效强化，强度较低。 经变质处理后, b最高不超过180 MPa。,应用：制造形状复杂但强度要求不高的铸件，例如仪表、水泵壳体以及一些承受低载荷的零件。, 特殊硅铝明 为了提高强度，加入能形成强化相CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg的Cu、Mg等元素，能进行时效硬化，也可进行变质处理,ZL101 w(Si)6.5%7.5%、 w(Mg)0.35% ZL10
11、4 w(Si)8.0%10.5%、w(Mg)0.24% w(Mn)0.35% 含有少量镁，能生成Mg2Si相。,ZL104的热处理工艺: 530 540 加热，保温5 h, 在热水中淬火，然后在170 180 时效6 h7 h。 强度b可达200 MPa230 MPa。 应用：制造低强度、形状复杂的铸件。如电动机壳体、气缸体及承受低载荷的零件等。, ZL107 w(Si)7%、w(Cu)4% ZL109 w(Si)12%、w(Cu)0.5%1.5% w(Mg)0.8%1.3% 含有少量铜、镁，能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg多种强化相。强度、硬度高。密度小, 抗蚀性好, 线膨胀系数
12、较小, 强度、硬度较高，耐磨性、耐热性以及铸造性能都比较好。 是常用的铸造铝活塞材料。,铝合金发动机缸体和缸盖,活塞,(2) Al-Cu铸造铝合金 Al-Cu合金的强度较高, 耐热性好，但铸造性能不好，有热裂和疏松倾向，耐蚀性较差。,ZL201 w(Cu)4.5%5.3%、 w(Mn)0.6%1.0% 、w(Ti)0.8%1.3% 室温强度、塑性比较好，可制作在300 以下工作的零件，常用于铸造内燃机气缸头、活塞等零件。 ZL203 w(Cu)4%5% 经淬火时效后，强度较高，可作结构材料，铸造承受中等载荷和形状较简单的零件。,(3) Al-Mg铸造铝合金 ZL301 w(Mg)9.5%11%
13、 ZL302 w(Si)0.8%1.3%、w(Mg)5% w(Mn)0.1%0.4% 强度高, 密度小(2.55g/cm3), 有良好的耐蚀性, 但铸造性能不好, 耐热性低。可进行自然时效。,应用：制造承受冲击载荷、在腐蚀性介质中工作的、外形不太复杂的零件，例如舰船配件、氨用泵体。,(4) Al-Zn铸造铝合金 ZL401 w(Si)6%8%、w(Mg)0.1%0.3、 w(Zn)9%13% ZL402 w(Mg)0.5%6.5 %、w(Cr)0.5% w(Zn)5%6.5%、w(Ti)0.2% 价格便宜, 铸造性能优良，变质处理和时效处理后强度较高。但抗蚀性差，热裂倾向大。 应用：制造汽车、
14、拖拉机发动机零件及形状复杂的仪器元件，日用品。,铸造铝合金发动机 进气排气管,铸造铝合金应用举例：,铸造铝合金 电动机壳体,3.4.2 铜及铜合金 铜及铜合金具有下列特殊性能： (1) 优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。 铜是抗磁性物质。 对大气和水的抗蚀能力很高。,(2) 良好的加工性能 塑性很好，容易冷、热成形； 铸造铜合金有很好的铸造性能。,(3) 具有某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性(青铜及部分黄铜)。 高的弹性极限和疲劳极限(如铍青铜等)。,(4) 色泽美观,一、纯铜(紫铜) 纯铜呈紫红色，常称紫铜. 工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、
15、T4。编号越大，纯度越低。 用于制作电导体及配制合金。 强度低, 不宜作结构材料。,纯铜管,二、铜合金 1.黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。分普通黄铜和复杂黄铜两类。,(1) 普通黄铜 铜锌二元合金 单相黄铜： 退火组织单相 双相黄铜： 退火组织+ ,Cu-Zn合金相图,单相黄铜：H80、H70、H68 塑性很好，制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。散热器、导电零件。 双相黄铜：H62、H59 可进行热变形，常热轧成棒材、板材。可铸造。制造冲压件、螺母等。,(a)单相黄铜 (b) 双相黄铜 铜锌合金的显微组织,黄铜制品,(2) 复杂黄铜,铅黄铜 HPb63-3 w(Cu)63%、 w(Pb)3%、余Zn 铅改善切削加工性能，提高耐磨性，对强度影响不大，略微降低塑性。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如钟表零件等)，铸造铅黄铜可制作轴瓦和衬套。,锡黄铜 HSn62-1 w(Cu)62%、 w(Sn)3%、余Zn) 锡显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，并使强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛用于制造海船零件。,铝黄铜 HAl60-1-1 w(Cu)60%、w(Al)1%、w(Fe)1%、余Zn 铝提高黄铜的强度和硬度，改善抗蚀性。制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。 加入镍、锰、铁后，得到高强度、高耐蚀性的复杂黄铜。 制
