机械工程材料及成形工艺（第三版）非铁金属与粉末冶金材料课件

,铝、铜、钛及其合金，滑动轴承合金，粉末冶金材料,无锡职业技术学院,2014年08月5日,非铁金属及粉末冶金材料,本章主要内容,第一节 铝及铝合金 第二节 铜及铜合金 参考内容：钛及其合金 第三节 滑动轴承合金 第四节 粉末冶金材料,除钢铁材料以外的其他金属和合金统称为非铁金属（也称有色金属）。非铁金属的种类很多，各自具有特殊物理、化学、力学性能，在机械制造、化工、电子、航空等领域具有特殊的地位。本章主要介绍如下材料：,第一节 铝及其合金,一、工业纯铝,工业纯铝特性： 物理性能：密度小、无磁性、导电及导热性能好、无打击火花 化学性能：抗大气腐蚀性好 力学性能：塑性高、强度低 工艺性能：易塑性变形，加工性良好 工业纯铝牌号 铝锭：Al99.7;Al99.6;Al99.5;Al99.0;Al98.0 纯度依次降低 变形铝：1070，1060，1050（ L1，L2，L3 ） 四位数字表示规则，如：1070表示纯度99.70%的纯铝,变形铝及其合金表示规则四位数字体图解,返回,四位数字体系,二、铝合金分类与热处理,铝合金分类 按照铝合金的化学成分与工艺性能分类如下： 分类依据为铝合金相图,铝合金分类依据 铝合金相图,变形铝合金 合金元素含量低，加热时均能形成单相 固溶体。此类铝合金的塑性好，适合于压力加工 铸造铝合金 合金元素含量较高，有共晶体结晶，铸造性能好，适宜于铸造，但塑性、韧性差,不能热处理强化,能热处理强化,铝合金热处理,固溶处理+时效处理 固溶处理： 加热获得单相固溶体后，在水中快冷，获得单相过饱和固溶体组织。固溶处理后的铝合金强度、硬度并不高，而塑性韧性较好 时效处理： 固溶处理后的铝合金，在室温或加热时，过饱和固溶体中会析出第二相（CuAl），弥散分布于固溶体基体上，起强化作用，使强度硬度上升、而塑性韧性下降 自然进效：固溶处理后的铝合金在室温保持 人工时效：固溶处理后的铝合金加热至室温以上保持,小资料: 1906年德国 Duralumin首次发现 1910年德国A Welmer 发明并获专利 1916年用于制造飞机 1938年 Guinier Preston 建立学说,铝合金的自然时效曲线,含4%Cu的铝合金自然时效中，强度随时效时间的变化,此时塑性仍好利用孕育期进行冷变形加工,铝合金的人工时效曲线,含4%Cu的铝合金的人工时效中，强度随时效时间的变化,过时效：时效温度过高，其强度降低，出现软化现象,三、变形铝合金,变形铝合金种类及代号 防锈铝合金（代号LF） 硬铝合金（代号LY） 超硬铝合金（代号LC） 锻铝合金（代号LD） 变形铝合金牌号表示方法 用四位字符表示 四位字符表示规则 例如：2A11表示主要合金元素为铜的11号Al-Cu原始铝合金,变形铝合金牌号及标记方法,第一位：数字如表所示 第二位：数字（或字符）表示原始纯铝或铝合金的改型情况 第三、四位：表示同一组中的铝合金序号；纯铝则表示铝的纯度，小数点后面的两位数字,例如：表示纯度为的变形工业纯铝； 表示主要合金元素为铜的号原始变形铝合金。,变形铝及其合金表示规则四位字符体系图解,四位字符体系,防锈铝合金,成分： Al Mn 系：例如:LF21 Al Mg 系：例如:LF2、LF6 性能： 抗蚀性比纯铝好 通过加镁或锰固溶强化提高铝合金的强度。但不能时效强化 应用：,用于高耐腐蚀性的薄板容器（如焊接油箱）、防锈蒙皮、客车装饰条、窗框、灯具等 用于制造受力小、轻质、耐腐蚀的结构件，如油管、铆钉,铝合金门窗（6063）,硬铝合金、超硬铝合金,成分 硬铝： Al Cu Mg ，常用LY1、LY11、LY12 超硬铝：Al Cu Mg Zn ，常用LC4、LC9 性能： 固溶强化，并通过时效强化显著提高强度 耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性 硬铝和超硬铝应用： 中等强度的轻质结构零件。如飞机铆钉、 大梁、桁条、隔框、 蒙皮、螺旋桨叶片等,飞机主起落架,锻铝合金,成分： Al Mg Si Cu 。常用LD5、LD6、LD10 性能： 固溶+时效处理后力学性能与硬铝合金相当 经软化退火后热塑性和耐腐蚀良好，适合于锻造 应用： 形状复杂的中等负荷零件， 如压缩机叶片，飞机桨叶片,压气机叶片,常用变形铝合金牌号、性能及应用,（续表）,四、铸造铝合金（分类与牌号表示）,分类、代号： 铸造AlSi合金，代号ZL1，如ZL102 铸造AlCu合金，代号ZL2，如ZL201 铸造AlMg合金，代号ZL3，如ZL303 铸造AlZn合金，代号ZL4，如ZL401 牌号表示： 首位表示铸造第二位Al是基本元素铝主要添加合金元素符号及百分含量+其他合金元素及百分含量 例：ZAlMg10 表示铸造铝镁合金，镁的质量分数为10%,铸造铝硅合金（俗称硅铝明 ）,特性 铸造性能优良，强度较高，耐腐蚀性和导热性良好 变质处理 变质剂：氟化钠和氯化钠的复合盐 变质账目理目的：使共晶体中的硅呈细密分布，细化组织，提高强度，变质后强度可提高30%40% 常用牌号、应用 （ZL102 ）制造质量轻、形状复杂、耐蚀、一般强度要求的结构件，如汽车发动机活塞、气缸头及油泵壳体,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102未变质,ZL102变质后,其他铸造铝合金应用举例,鼓风机用密封件及其他航空结构件(ZL301),大型空压机活塞(ZL401),汽缸头（ ZL201 ）,常用铸造铝合金牌号、性能及应用,续表,第二节 铜及其合金,一、工业纯铜,特性 物理性能：密度8.9g.cm-3，熔点为1083；导电性、导热性良好；抗磁性 化学性能：化学性能稳定，在大气、淡水中具有良好的耐腐蚀性能 力学性能：强度、硬度并不高，塑性、韧性良好。低温性能好 工艺性能：焊接性良好，适宜于进行各种冷热加工 表示方法 未加工产品（铜锭或电解铜）：Cu-1、Cu-2 加工产品：T1、T2、T3，纯度依次降低,纯铜的应用,应用于电气工业，制造电线、电缆、电刷、铜管及通信器材，深冷冻的主要材料,纯铜的显微组织,电脑纯铜散热片,纯铜电缆,二、铜合金,黄铜：主加元素为Zn，分普通黄铜与特殊黄铜,白铜：主加元素为Ni,青铜：除黄铜和白铜外的所有铜合金,按化学成分,按制造方法,加工铜合金：采用塑性变形成形，分别用“H,Q” 等符号表示黄铜和青铜,铸造铜合金：采用铸造成形，用“ZCu+合金 元素符号及含量表示,1、黄铜（分普通黄铜与特殊黄铜）,普通黄铜 Cu-Zn二元合金，性能与含锌量有关 牌号表示：用“H+铜的百分含量”表示 例如：,黄铜的含锌量与组织性能之关系,单相黄铜 塑性好,双相黄铜 强度高,相过多 脆性大 无实用价值,常用普通黄铜牌号及应用,黄铜阀 黄铜装饰件 黄铜冲压件,H80、H92：艺术装饰品、纪念章、镀层、散热器等 H68：冷冲压管、套类，如弹壳、冷凝器管、散热器管等 H62：工业上应用较多，散热器、油管、阀门、螺钉、弹簧等,普通黄铜牌号、性能应用表,特殊黄铜,在铜中主要加入锌，还加入铅、锡、铝、锰、硅等其他合金元素的铜合金 特殊黄铜的性能：优良的切削加工性、耐腐蚀性、铸造性能等 表示方法：用“除锌以外的主加合金元素”表示 例 常用特殊黄铜： 锰黄铜 - 如，HSn62 1 铅黄铜 - 如，HPb59 1 ,特殊黄铜牌号、性能及应用表,2、青铜（分普通青铜、特殊青铜）,普通青铜 (锡青铜 ) 特殊青铜 (铝青铜、铍青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜等) 青铜的表示方法：用“Q主加合金元素表示” 例,普通青铜（锡青铜）,锡青铜的特性 比黄铜的强度、硬度和耐磨性好 力学性能与锡含量有关 锡青铜的应用 主要用于耐磨、耐蚀及弹性元件 如滑动轴承、弹簧、蜗轮、丝杠螺母等,锡青铜中锡对组织和力学性能的影响,单相青铜塑性好，适合于压力加工,双相青铜塑性差，适合于铸造,含锡量过高，一般大于14%时，无实用价值,特殊青铜 ( 无锡青铜，其他青铜 ),铝青铜 : QAl7 特性：比锡青铜强度、硬度高，耐热耐蚀，还能进行热处理 价格也比较低，可作为锡青铜的代用品 应用：制作高强度的耐磨、耐蚀件和弹性元件 铍青铜 : QBe2 特性：具有很好的综合性能（弹性、疲劳、耐磨、耐蚀）； 还具有良好的导电、导热、抗磁性； 撞击时不产生火花等特性 应用：主要用来制造重要用途的弹性元件、耐磨元件等。 如精密仪器弹簧，钟表齿轮、电接触器、航海罗盘,常用青铜牌号、性能及应用表,续表,参考内容：钛及其合金,一、工业纯钛,纯钛的特性 同素异构体：密排六方-Ti（882）。 物理性能：银白色、高熔点（1700）、轻金属（密度4.51g.cm-3） 化学性能：在淡水、海水、气体、碱溶液、有机酸和化合物有极好的抗蚀性；但被氢氟酸、磷酸、溶融碱侵蚀。 力学性能：高温和低温下工业纯钛力学性能均优异 钛的牌号（GB/T3620.1-1994） TA0、TA1、TA2、TA3 纯度依次下降,工业纯钛在不同温度下的力学性能,纯钛的应用 耐腐蚀件：化工、滨海发电、舰船、电镀热交换器 生物材料：与骨组织牢固结合 生活用品：如高尔夫球杆、网球拍，在珠宝行业,二、钛合金,钛合金分类 钛合金 牌号用TA表示 据退火组织分 钛合金 牌号用TB表示 钛合金 牌号用TC表示 变形钛合金 铸造钛合金 各类钛合金特性 钛合金：焊接性好、组织稳定、抗蚀性高。强度比其它两类钛合金低，变形抗力大、热加工性能差 钛合金：强度和冲击韧性高，压力加工性能和焊接性能良好。组织和性能不太稳定 钛合金：热压力加工性能好，耐热性比较好，但组织不够稳定,据加工方法分,钛合金的室温下的力学性能,钛合金的应用,钛合金应用示例1,应用示例2,钛-钢复合板反釜,全钛换热器,钛-钢复合板氧化塔,第三节 滑动轴承合金,滑动轴承的结构与特点,滑动轴承的结构：轴瓦、轴承内衬 滑动轴承特点：与滚动轴承相比，承压面积大、工作平稳、无噪声、维修方便,各类轴瓦,一、滑动轴承应具备的组织与性能,性能 （1）足够的抗压强度和抗疲劳性能 （2）良好的减摩性（摩擦系数要小） （3）良好的储备润滑油的功能、良好的磨合性 （4）良好的导热性和耐蚀性 （5）良好的工艺性能 常用滑动轴承材料： 金属（锡基与铅基轴承合金、铜基合合、铝基合金） 非金属（塑料等） 粉末冶金材料（含油轴承等）,铅基轴承合金组织 ( Sn ,Cu3Sb ,Pb-Sb 共晶体 ),锡基与铅基轴承合金显微组织（软硬兼备）,锡基轴承合金组织 ( SnSb+Cu Sb+基体),（1）软基体和均匀分布的硬质点 （2）硬基体上分布着软质点,锡基与铅基轴承合金（巴氏合金）,牌号表示方法：例： 特点及应用： 锡基轴承合金性能好、价格昂贵，用作重要轴承。如发动机、汽轮机等高速轴承 铅基轴承合金价格便宜、性能稍差。常用作中低载荷的中速轴承。如汽车、拖拉机的曲轴和连杆轴承及电动机轴承,铜基与铝基轴承合金,铜基轴承合金（主要有锡青铜和铅青铜） ZCuSn10Pb1（101锡青铜） 高的强度，适用于中速及受力较大的轴承，如电动机、泵、金属切削机床轴承 ZCuPb30（30铅青铜） 较高的疲劳强度、 导热性能，摩擦系数低，适于高速高压轴承。如航空发动机、高速柴油机轴承等 铝基轴承合金 （常用牌号 ZAlSn6Cu1Ni1） 密度小、导热性好、疲劳强度高、耐腐蚀性好，价格低，广泛应用于高速重载的汽车、拖拉机、柴油机轴承,轴承合金应用示例1,汽轮发电机轴承（马氏合金）,轴承合金应用示例2,各类青铜轴承,轴承合金应用示例3,内燃机轴瓦（铝基轴承合金）,各种滑动轴承比较,各种轴承合金性能、轴承合金与轴匹配的硬度对应关系,第四节 粉末治金材料,一、粉末冶金工艺简介,粉末冶金工艺步骤： 制粉配料、压制成型坯块烧结后处理。 粉末冶金特点 （1）可生产普通熔炼方法无法生产的特殊性能材料，如多孔材料、复合材料等； （2）可避免成分偏析、保证合金组织均匀，性能稳定；可生产高熔点金属（如钨和钼）和不互熔的合金（如钨-银合金）； （3）可大量减少产品的后续机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。这一点对贵重金属尤其重要； （4）粉末冶金零件的缺点是塑性和韧性较差。,粉末冶金材料种类（按用途分为7类）,粉末冶金减摩材料 在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。 粉末冶金多孔材料 有3060体积孔隙度 ，孔径1100微米。用于过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置 粉末冶金结构材料 能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。,粉末冶金摩擦材料 其摩擦系数高，能很快吸收动能，制动、传动速度快。主要用于制造离合器和制动器。 粉末冶金工模具材料 包括硬质合金、粉末冶金高速钢等 粉末冶金电磁材料 包括电工材料和磁性材料，用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。 粉末冶金高温材料 包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等,粉末冶金材料示例1,平面邮承（减磨材料）,含油邮承（减磨材料）,粉末冶金材料示例2,慢走丝火花机滤芯,柴油机尾气过滤的柱形多孔金属,粉末冶金材料示例3,粉末冶金结构零件,粉末冶金材料示例4,粉末冶金摩擦片 （摩擦材料