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1、第六章 有色金属及其合金我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。6.1 铝及其合金铝及铝合金有下列特性：比重小、比强度高 纯铝的比重只有，故其合金的比重（约2.52.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。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。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力
2、，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。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经热处理，可达到很高的强度。铸造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有广泛的用途。6.1.1 纯铝 纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996时)为660.24，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有、等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。高纯铝 纯度为99.9399.99，牌号有、等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。工业高纯铝 纯度为98.8
3、599.9，牌号有、等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。工业纯铝 纯度为98.099.0，牌号有、等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90120,2432,不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率（退火）为3240 ，断面收缩率（退火）为7090。能通过各种压力加工制成型材。6.1.2 铝合金铝中加入合金元素(、等)后，就形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅
4、度地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。 图6.1 铝合金分类示意图6.1.2.1 铝合金的分类根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于和之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于点以右的合金，组织
5、里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。6.1.2.2 铝合金的热处理特点铝合金是通过时效处理来改变性能的。下面以合金二元相图为例来说明（如图6.2）。 将成分位于之间的合金加热到相区，经保温得到单相固溶体，然后迅速水冷，在室温就得到了过饱和的固溶体，它的强度和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu合金相图、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。在
6、室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。例如，含4的合金(如图6.2)加热到550保温一段时间淬火并在水中快冷时，相（）来不及析出，得到的是过饱和的固溶体，强度仅为250，在室温下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，45天以后，强度可升至 400。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。自然时效后的铝合金，在230250短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归
7、。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。6.1.2.3 变形铝合金根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如、分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。表6.1变形铝合金主要牌号及用途类别牌号用 途类别牌号用 途防锈铝合金LF5中载零件、铆钉、焊接油箱、油管等超硬铝合金LC4主要受力构件及高载荷零件，如飞机大梁，加强框、起落架LF11同上LC6同上LF21管道、容
8、器、铆钉及轻载零件及制品硬铝合金LY1中等强度、工作温度不超过100的铆钉锻铝合金LD5形状复杂和中等强度的锻件及模锻件LY11中等强度构件和零件、如骨架、螺旋桨叶片铆钉LD7高温工作的复杂锻件和结构件、内燃机活塞LY12高强度的构件及150以下工作的零件，如骨架、梁、铆钉LD10高载荷锻件和模锻件防锈铝合金 主加合金元素是和，锻造退火后得到单相固溶体组织，塑性、耐蚀性良好。的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有、等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接
9、加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。硬铝合金 主要合金元素是和，并加入少量的构成多元合金系。和在时效过程中可形成强化相（相）和（相），相可以提高合金的耐热性。主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有、等。低强度硬铝和的含量较低，而且比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有、等。标准硬铝和的含量较高，比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有等。高强度硬铝和的含量高，比值较低，强
10、度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有等。硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如的为 505510，的为 495503。加热温度稍低，固溶体中和等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。超硬铝合金 是系合金。时效过程除了析出相和相外，还能析出强化作用更大的（相）相和（相）。经时效处理后，可得到铝合金中的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。常用的超硬铝有
11、、等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。锻铝合金 有系普通锻铝合金及系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。普通锻铝合金包括、等，主要强化相为。的抗蚀性接近防锈铝，的强度与硬铝相近。普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。耐热锻铝合金包括、等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相为，适于制作工作在150225的叶片、叶轮等。6.1.2.4 铸造铝合金根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为系、系、系、系四大类，详见表6.2。表6.2常用铸造铝合金牌号及用途类别牌号代号用 途铝硅合金ZAlSi7MgZL101形状复
12、杂的零件，如飞机、仪器零件等ZAlSi12ZL102仪表、抽水机壳体等外型复杂件ZAlSi9MgZL104形状复杂工作温度为200以下的零件，如电动机壳体、汽缸体等ZAlSi5Cu1MgZL105形状复杂工作温度为250以下的零件，如风冷发动机气缸头、机匣、油泵壳体等ZL107强度和硬度较高的零件ZAlSi12Cu1Mg1Ni1ZL109较高温度下工作的零件，如活塞等ZL110活塞及高温下工作的零件铝铜合金ZalCu5MnZL201砂型铸造工作温度为175300的零件，如内燃机气缸头、活塞等ZalCu10ZL202高温下工作不受冲击的零件ZL203中等载荷、形状比较简单的零件铝镁合金ZAlMg
13、10ZL301大气或海水中工作的零件，承受冲击载荷、外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等ZL302ZAlMg5Si1ZL303铝锌合金ZalZn11Si7ZL401结构形状复杂的汽车、飞机、仪器仪表零件，也可制造日用品ZalZn6MgZL402铸造铝合金代号以汉语拼音字母字首（表示“铸铝”）+三位数字表示，第一位数字1、2、3、4分别代表、系，后两位数字是合金的顺序号。如代表顺序号为 2的 系铸造合金。系铸造铝合金 系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（二元合金）和特殊硅铝明（系、系等）。二元合金相图见图6.3。硅含量为1013的简单硅铝明（）铸造
14、后几乎可全部得到共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二元共晶组织由固溶体+粗大的针状硅晶体组成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变共晶组织的形态，在浇注前向820850的合金液中投人质量为合金液23的变质剂（一般为钠盐混合物：），十余分钟后浇注，可使组织明显细化，得到树枝状的初生固溶体+细小均匀的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。 图6.3 Al-Si二元合金相图经变质处理后的不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。为了提高强度，拓
15、宽硅铝明的用途，在二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成（相）、（相）、（相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有、等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。系铸造铝合金 合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的铸造合金有、等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。系铸造铝合金 合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的合金有、等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体等。系铸造铝合金
