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1、 第五章工程非铁合金 有色金属 及粉末冶金材料 通常 人们将铁 铬 锰及其合金称为黑色金属 除此以外的所有其它金属统称为非铁合金 也称为有色金属 它们的种类很多 包括 1 轻金属 比重小于3 5的金属称为轻金属 如铝 镁 铍 锂等 2 重金属 比重大于3 5的金属称为重金属 如铜 锌 铅 镍等 3 贵金属 如金 银和铂等金属 4 稀有金属 如钨 钒 钼 铌 钛和锆等金属 5 放射性金属 如镭 铀和钍等金属 非铁合金具有许多钢铁材料所没有的特殊的物理 化学和力学性能 因而成为现代工业尤其是许多高科技产业中不可缺少的材料 工业上广泛使用的有铝 铜 钛 镁 锌 合金以及轴承合金 5 1铝及铝合金 铝
2、及铝合金是目前工业中重要性仅次于钢铁的金属材料 应用范围也日益增大 一 工业纯铝铝具有面心立方晶格 无同素异构转变 铝的比重为2 72 g cm3 约为铁的三分之一 铝的熔点与其纯度有关 当纯度为99 996 时 熔点为660 24 铝具有优良的导电 导热性 其导电性仅次于银和铜 居第三位 铝在大气中具有优良的抗蚀性 铝在室温中即能与空气中的氧化合 表面生成一层薄而致密并与基体金属牢固结合的氧化膜 阻止氧向金属内部扩散而起保护作用 但在碱和盐的水溶液中铝的氧化膜会很快被破坏 故铝在碱和盐的溶液中抗蚀性不好 此外 铝的氧化膜在热的稀硝酸中也极易被溶解 铝资源丰富 成本相对较低 工业纯铝的压力加工
3、产品代号用 铝 字汉语拼音第一个字母 L 加顺序号表示 数字越大纯度越低 如L1 L2 L6 工业高纯铝的牌号以LG1 LG2 LG5表示其数字越大 纯度越高 纯铝随杂质含量增加 性能有所下降 纯铝主要用于电线 电缆 电器及制作某些要求质轻 导热或防锈但强度要求低的器具 一 铝合金的热处理纯铝的强度低 不宜作为受力的结构材料使用 在铝中加入合金元素配制成铝合金 可改变其组织结构与性能 经常加入的合金元素有铜 锌 镁 硅 锰以及稀土元素等 铝合金基本保持了纯铝的性能优点 而且显著增加了强度 大多数铝合金还可以通过热处理进一步提高强度 其中有些抗拉强度可达480 680MPa 相当于低合金结构钢的
4、强度水平 从而具有很高的比强度 即强度与密度之比 三 铝合金的分类 牌号及应用 铝合金依据工艺特点不同 可分为变形铝合金和铸造铝合金两类 1 变形铝合金变形铝合金与铸造合金不同之处在于 变形铝合金是铸锭经过冷 热压力加工后形成的各种型材 根据主要性能特点和用途 变形铝合合金又可分为防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金和锻铝合金 见表5 1P127 1 防锈铝合金防锈铝合金包括铝 镁系合金以及工业纯铝 这类铝合金的主要性能特点是具有优良的抗腐蚀性能 因而得名防锈铝合金 简称为防锈铝 此外 还具有良好的塑性与焊接性 适宜压力加工和焊接 这类铝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 可用
5、冷加工方法使其强化 但由于防锈铝的切削加工工艺性能差 故适用制作焊接管道 容器 铆钉以及其它冷变形零件 2 硬铝合金铝 铜 镁系合金是应用较早 用途很广的铝合金 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 故铝 铜 镁系合金总称为硬铝合金 此外 这类合金还具有优良的加工工艺性能 可以加工成板 棒 管 线 型材及锻件等半成品 广泛应用在国民经济和国防建设中 硬铝合金的主要合金元素是铜 镁 此外还含有锰和一些杂质元素铁 硅 镍 锌等 不同牌号的硬铝合金具有不同的化学成分 其性能特点亦不同 含铜 镁量低的硬铝强度较低而塑性高 含铜 镁量较高的硬铝则强度高而塑性较低 3 超硬铝合金铝 锌
6、 铜系合金是目前室温强度最高的一类铝合金 其强度达500 700MPa 超过高强度的硬铝LY12合金 400 430MPa 故称为超硬铝合金 超硬铝合金中 主要合金元素是锌 镁 铜 有时还加入少量铬 锰 钛等元素 在超硬铝中加入锰和铬可以提高合金在淬火状态下的强度和人工时效强化效果 同时改善合金的抗应力腐蚀性能 这类合金有较好的热塑性 适宜压延 挤压和锻造 焊接性能也较好 4 锻铝合金包括铝 镁 硅 铜系和铝 铜 镁 镍 铁系两类合金 具有优良的锻造工艺性能 主要用作制作外形复杂的锻件 故称为锻铝合金 锻铝合金是在铝 镁 硅系合金的基础上发展起来的 2 铸造铝合金铸造铝合金除要求具备一定的使用
7、性能外 还要求具有优良的铸造工艺性能 成分处于共晶的合金具有最佳铸造性能 但由于此时合金组织中出现大量硬脆的化合物 使合金的脆性急剧增大 因此 实际使用的铸造合金并非都是共晶合金 它与变形铝合金相比较只是合金元素含量高一些 约为8 25 铸造铝合金的牌号用 铸铝 二字的汉语拼音第一个大写字母 ZL 加三位数字表示 第一位数表示合金系别 1为铝硅系合金 2为铝铜系合金 3为铝镁系合金 4为铝锌系合金 第二 三位数字表示合金的顺序号 如ZL111表示11号铝硅系铸造铝合金 1 铝 硅铸造合金铝 硅铸造合金具有极好的流动性 小的铸造收缩率 小的线膨胀系数和优良的焊接性 抗蚀性以及足够的机械性能 但合
8、金的致密度较小 适宜制造致密度要求不太高的 形状复杂的铸件 2 铝 铜铸造合金铝 铜铸造合金的最大特点是耐热性高 是所有铸造铝合金中最高的一类合金 其高温强度随铜含量的增加而提高 而合金的铸缩率和形成裂纹的趋向则减小 但由于铜含量增加 使合金的脆性增加 故铸造铝铜合金的铜含量一般不超过14 3 铝 镁铸造合金铝 镁铸造合金是比重最小 2 55 耐蚀性最好 强度最高 抗拉强度可达350MPa 的铸造铝合金 但由于结晶温度范围宽 故流动性差 形成疏松趋向大 其铸造性能不如铝 硅合金好 4 铝 锌铸造合金锌在铝中的溶解度很大 极限溶解度为32 铝中加入10 以上的锌能显著提高合金的强度 故铝锌铸造合
9、金具有较高的强度 是最便宜的一种铸造铝合金 其主要缺点是抗蚀性差 5 2铜及铜合金 铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料 并且至今仍在工业中有着重要应用 一 工业纯铜 1 纯铜的外观呈紫色 常称紫铜 相对密度为8 96 熔点为1083 C 纯铜的导电 导热性能极好 无磁性 有高的化学稳定性 且具有优良的耐蚀性和塑性 韧性 但硬度很低 不能热处理强化 工业纯铜常用于制造导线 电缆 传热体及耐蚀器材 电器元件等 一般不用于制造结构零件 铜的储量小 价格较贵 工业纯铜有T1 T2 T3三个牌号 T 为铜的汉语拼音字首 其后的数字越大 纯度越低 纯铜中的杂质主要有铅 铋 氧 硫 和磷等 它们对纯铜
10、的性能影响极大 不仅可以使其导电性能降低 而且还会使其在冷 热加工中发生冷脆和热脆现象 因此 必须控制纯铜中的杂质含量 二 铜合金的分类 牌号及应用利用冷变形强化可使铜的强度 b由约230MPa提高到400 500MPa 但塑性急剧下降 因此要在增加强度的同时保持较高的塑性 必须使铜合金化 常用的合金元素有锌 锡 铝 锰 镍等 它们加入铜中可起到固溶强化和第二相强化等作用 铜合金获得较高的力学性能的同时 仍基本保持了纯铜的各项优点 常用的铜合金有黄铜和青铜两大类 另外还有白铜 铜镍合金 根据生产方法的不同 铜合金又分压力铜合金和铸造铜合金 1 黄铜 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金 其外观色泽
11、呈金黄色 黄铜可分为普通黄铜 铜锌二元合金为普通黄铜 压力加工普通黄铜的代号为 H 后跟表示铜含量的百分数 例如H58表示Wcu 68 其余为锌的普通黄铜 特殊黄铜 在普通黄铜的基础上加入其他元素的铜合金称为特殊黄铜 其代号由 H 主加合金元素符号 铜平均含量百分数 合金元素含量百分数组成 例如HMn58 2表示Wcu 58 WMn 2 其余为锌的锰黄铜 2 青铜 除了以锌为主加元素之外的其余铜合金统称为青铜 其外观色泽呈棕绿色 青铜可分为普通青铜 以锡为主加元素的铜基合金 又称为锡青铜 和特殊青铜 不含锡的青铜合金 又称为无锡青铜 1 锡青铜 是以锡为主加元素的铜合金 锡青铜最主要的特点是耐
12、蚀 耐磨和弹性好 锡青铜在大气 海水和蒸气等环境中的耐蚀性优于铜和黄铜 铸造锡青铜流动性差 缩松倾向大 组织不致密 因此凝固时体积收缩率很小 适合于浇注外形尺寸要求严格的铸件 锡青铜多用于制造轴承 轴套 弹性元件以及耐蚀 抗磁零件等 2 铝青铜 铝青铜是以铝为主加元素的铜合金 铝青铜的耐蚀性和耐磨性优良 力学性能高于黄铜和锡青铜 3 铍青铜 铍青铜是以铍为主加元素的铜合金 铍青铜不仅强度大 弹性好 而且耐蚀 耐磨 导电 导热性优良 还具有无磁性 受冲击时无火花等优点 但价格较贵 主要用于制造精密仪器或仪表的弹性元件 耐磨零件以及塑料模具等 5 3其他非铁合金简介 一 钛及钛合金纯钛的相对密度为
13、4 54 约为钢的3 5 熔点1668 C 固态下具有同素异晶转变 在882 5 C以下为密排六方晶格的 Ti 882 5 C以上为体心立方晶格的 Ti 钛有很好塑性 强度不高 b 230 260MPa 钛在硫酸 硝酸 盐酸和碱溶液中有优良的耐蚀性 且抗大气和海水腐蚀的能力超过不锈钢和铜合金 钛中的杂质O2 N2 H2对钛的性能影响很大 钛的资源丰富 但冶炼工艺复杂 所以成本较高 钛的合金化可以使其强度大大提高 钛合金的抗拉强度 b可达1500MPa 其比强度是常用金属材料中最高的 钛合金是很好耐热材料 可在500 600 C下工作 又有很好的低温韧性 是唯一能在低温 253 C 下使用的工程
14、金属材料 钛合金的主要缺点是硬度低 耐磨性不好和切削加工性能较差等 可用于制作400 C以下工作或低温下工作的零件 如航空发动机零件 化工用泵 低温高压容器等 二 镁及镁合金镁的相对密度为1 74 约为铝的2 3 溶点615 C 固态下无同素异晶转变 镁合金化主要也是依靠合金元素的固溶化和时效过程中的沉淀强化来提高合金的强度 在镁中加入的合金元素有铝 锌 锆 稀土和锰等 镁合金的强度可达到300MPa左右 镁合金的性能特点是比强和比刚度高 减震性好 抗冲击能力较强 切削加工性和抛光性能优良 易于铸造和热加工 镁合金是目前为止常用的工程材料中密度最小的 因此多用于航天工焐 此外在电子 仪器仪表等
15、行业中也获得应用 5 4轴承合金 轴承合金是用来制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金 当轴承支承着轴旋转进行工作时 轴瓦与轴发生强烈的摩擦 同时承受轴颈传递的交变载荷 根据滑动轴承的工作条件和应具备的性能 对轴承合金的要求 1 有足够的强度和硬度 以承受较高的周期性载荷 2 塑性和韧性好 以保证轴承与轴的配合良好 并耐冲击和振动 3 与轴之间有良好的磨合能力及较小的摩擦系数 并能保留润滑油 减少磨损 4 有良好的导热性和抗蚀性 5 有良好的工艺性 容易制造且价格低廉 一 软基体硬质点的轴承合金这类合金应用最广的是锡基和锡基轴承合金 其代号为 Z 基体元素和主加元素符号 主加元素含量 辅加元素符号及
16、含量 牌号中的Z为铸字的汉语拼音定首 1 锡基轴承合金 是Sn Sb Cu系合金 锡基轴承合金膨胀系数和摩擦小 导热性和耐蚀性好 适于制造使用温度小于150 C的重要轴承合金 2 铅基轴承合金 是Pb Sb Sn Cu系合金 铅基轴承合金的性能低于锡基轴承合金 但价格便宜 中低载荷下工作的轴瓦应用较多 二 硬基体软质点的轴承合金 铜基轴承合金 属于这类的轴承合金有铅青铜 如ZCuPb30 锡青铜 如ZcuSnlOPbl 1 铅青铜 具有高的疲劳强度和承载能力 优良的耐磨性 导热性和低的摩擦系数 能在较高温度 300 C 320 C 下正常工作 可以制造在高速重载下工作的滑动轴承 2 锡青铜 能承受较大的载荷 广泛用于中等速度及受较大的固定载荷的轴承 如电动机 泵 金属切削机床的轴承 5 5粉末冶金材料 是直接用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料 经压制成形后烧结 以获得金属零件和金属材料 其制作工艺方法称为粉末冶金法 它既是一种不溶炼的特殊冶金工艺 又是一种精密的少切削或无切削的零件成形加工技术 一 粉末冶金减摩材料这是一类金属和固体润滑剂 如石灰墨 硫化物等 烧结而成的有较高孔
