第九章 非铁合金与粉末冶金材料.doc

淮安信息职业技术学院 教 案 首 页 一、章节：第九章 非铁合金与粉末冶金材料 第一节 铝及铝合金 第二节 铜及铜合金 第四节 轴承合金 第五节 粉末冶金材料 二、教学目的： 使学生了解铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金和粉末冶金材料的性能组织及运用。 三、教学方法：讲授法。 四、教学重点： 铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金和粉末冶金材料的性能组织及运用。 五、教学难点：铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金和粉末冶金材料的性能组织及运用。 六、使用教具： 挂图与模型。 七、课后作业：习题集：P162 1、3、5、7。 八、课后小结： 第九章 非铁合金与粉末冶金材料除钢铁材料以外的其他金属统称为非铁合金(俗称有色金属)。与钢铁材料相比，非铁合金具有某些特殊的性能，因而成为现代工业不可缺少的材料。非铁合金种类繁多，应用较广的是铝、铜、钛及其合金以及滑动轴承合金等。 第一节 铝及铝合金 一、工业纯铝 工业中使用的纯铝是银白色的轻金属，具有面心立方晶格，无同素异晶转变，其熔点为660，密度为27 8cms。纯铝的电导性、热导性好，仅次于银和铜，室温下，纯铝的电导率约为铜的 64。纯铝与氧的亲和力很大，在空气中其表面能生成一层致密的A1203薄膜，隔绝空气故在大气中有良好的耐蚀性。 工业纯铝的旧牌号有L1、L2、13、等(对应的新牌号为1070、1060、1050、)，“L”是“铝的汉语拼音字首，其后数字表示序号，序号越大，纯度越低，工业纯铝主要用于制作电线、电缆、器直及配制合金等。工业高度纯铝的旧牌号以LGl、LG2LG5(对应的新牌号为1A85、1A90、1A99)表示，“LG是“铝高”的汉语拼音字首，LG后面数字越大，纯度越高。 二、铝合金 纯铝的强度低，不宜用来制作承受载荷的结构零件。向铝中加入适量的硅、铜、镁、锰等合主元素，可制成较高强度的铝合金，若再经冷变形强化或热处理，可进一步提高强度。铝合金的强度(强度与密度之比)高，耐蚀性和切削加工性好，在国民经济特别是在航天航空工业中得到广泛应用。 1铝合金的分类二元铝合金一般按共晶相图结晶。2.铝合金的热处理3形变铝合金（1）不能热处理强化的铝合金：这类合金主要是指Al-Mn 系、AL-Mn系合金，其特点是有很好的耐蚀性，故常称为防锈铝合金。（2）能热处理强化的铝合金：1）硬铝合金 这类铝合金是Al-Cu-Mg系合金，加入铜和镁的目的是便之形成强化相。如LY1、LY11、LY12等。2）超硬铝合金 这类铝合金是Al-Cu-Mg-Zn系合金。超硬铝合金时效硬化效果最好，强度、硬度高于硬铝。如LC4、LC6等。3）锻铝合金 这类合金大多数是Al-Cu-Mg-Si系合金。如飞机的大梁、起落架、桁架等。如LD5、LD10等。4铸造铝合金 铸造铝合金有良好的铸性能，可浇注成各种形状复杂的铸件。铸造铝合金的代号用ZL(“铸铝”汉语拼音字首)及三位数字表示。第一位数字表示主要合金类别：“1”表示铝-硅系，“2”表示铝-铜系，“3”表示铝-镁系，“4”表示铝-锌系；第二、三位数字表示顺序号，如ZL102、ZL401等。铸造铝合金的牌号由Z和基体元素化学符号、主要元素化学符号以及表示合金元素平均含量的百分数组成。优质合金在牌号后面标注A，压铸合金在牌号前面冠以字母“YZ”。(1)铝硅合金 (2)铝铜合金 （3）铝镁合金（4）铝锌合金第二节 铜及铜合金 一、工业纯铜 工业纯铜又称紫铜，密度为89 8cm3，熔点为1 083，具有面心立方晶格，无同素异晶转变。纯铜电导性、热导性优良，耐蚀性和塑性很好(J：40506)，但强度较低，硬度很低(3040HBS)，不能热处理强化，只能通过冷变形强化，但塑性降低；工业纯铜的纯度为9995一995，主要杂质有铅、铋、氧、硫、磷等，杂质含越多，其电导性越差，并易产生热脆和冷脆。 工业纯铜的代号用T(“铜”的汉语拼音字首)及顺序号(数字)表示，共有三个代号：T1、T2、T3，其后数字越大，纯度越低。 纯铜广泛用于制造电线、电缆、电刷、铜管及配制合金，不宜制造受力的结构件。 二、铜合金钢合金是以铜为主要元素，加入少量其他元素形成的合金。铜合金比工业纯铜的强度高；具有许多优良的物理化学性能，常用作工程结构材料。铜合金按化学成分不同分为黄铜、青铜和白铜；按生产方法不同分为压力加工铜合金和铸造铜合金。常用的铜合金是黄铜和青铜。1黄铜黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，按其化学成分不同分为普通黄铜和特殊黄铜；按生产方法不同分为压力 加工黄铜和铸造黄铜。(1)普通黄铜 普通黄铜是铜和锌组成的二元合金。加入锌可提高合金的强度、硬度和塑性，还可改善铸造性能。黄铜的组织和力学性能与含锌量的关系如图。 （2）特殊黄铜 在普通黄铜中加入硅、锡、铝、锰、铁等合金元素形成的合金称为特殊黄铜。2青铜除黄铜和白铜以外的其它铜合金称为青铜。其中含锡元素的称为锡青铜，不含锡元素的称为无锡青铜。青铜的牌号依次由Q(“青”的汉语拼音字首)、主加元素符号及其平均含量的百分数、其他元素平均含量百分数组成。例如，Sn43表示平均Wsn=4、Zn=3，其余为铜含量的锡青铜。若是铸造用青铜，其牌号依次由Z(“铸”字汉语拼音字首)、铜及合金元素符号、合金元素平均含量百分数组成。例如，ZCuSnl0Zn2表示平均wh：10、ZUZn2，其余为铜含量的铸造锡青铜。(1)锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金称为锡青铜。锡在铜中可形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据锡的含量不同，锡青铜的组织和性能也不同。 锡青铜的耐磨性好，对大气、淡水、海水等的抗蚀性比纯铜和黄铜高，无磁性、无冷脆现象，但对酸类和氨水的抗蚀性差。压力加工锡青铜适于制造仪表上要求耐磨、耐蚀的零件，以及弹性零件、抗磁零件等。(2)特殊青铜(无锡青铜)1)铝青铜 以铝为主要添加元素的铜合金称为铝青铜。一般WAl=8511。它具有高的耐蚀性，较高的耐热性、硬度、耐磨性、韧性和强度，铸造铝青铜由于结晶温度范围窄，流动性好，偏析和分散缩孔小，故能获得致密的铸件，但收缩率大。当WAI=5一7时，塑性好，适于冷变形加工；当铝含量为10左右时，强度最高，一般为铸造铝青铜。2)铍青铜 以铍为主要添加元素的铜合金称为铍青铜。一般含铍量为1725。铍青铜经固溶热处理和时效后具有高的强度、硬度和弹性极限。另外，还具有良好的耐蚀性、电导性、热导性和工艺性，无磁性、耐寒，受冲击不产生火花等优点。可进行冷、热加工和铸造成形。主要用于制造仪器、仪表中的重要弹性元件和耐蚀、耐磨零件，如钟表齿轮、航海罗盘、电焊机电极、防爆工具等。但铍青铜成本高，应用受限。第四节 轴承合金一、滑动轴承的工作条件及对轴承合金的性能要求(1)较高的抗压强度和疲劳强度，以承受轴颈所施加的较大单位压力。(2)高的耐磨性，良好的磨合性和较小的摩擦系数，并能储存润滑油。(3)足够的塑性和韧性，以保证与轴配合良好，并耐冲击和振动。(4)良好的耐蚀性和热导性，较小的膨胀系数，防止咬合。(5)良好的工艺性，容易制造，价格低廉。二、轴承台金的组织特征为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软硬兼备。常用轴承合金的组织有两类。1软基体上分布着硬质点2硬基体上分布着软质点三、常用轴承合金轴承合金的牌号依次由Z(“铸”字汉语拼音字首)、基体合金元素符号、主要合金元素符号和各主要合金元素平均(名义)含量的百分数组成，如ZSnSbllCu6为平均wSb=11、WCu=6的锡基轴承合金。1锡基轴承合金(锡基巴氏合金)锡基轴承合金是以锡为基础，加入少量锑和铜组成的合金。 这类合金的膨胀系数和摩擦系数小，塑性、热导性、耐蚀性和工艺性良好，但疲劳强度较差，成本高，工作温度150。适于制造拖拉机、汽轮机、汽车等高速轴瓦。2铅基轴承合金（铅基巴氏合金）3铜基轴承合金4铝基轴承合金第五节 粉末冶金材料一、硬质合金硬质合金是以一种或几种难熔碳化物(如碳化钨、碳化钛等)的粉末为主要成分，加入起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。1硬质合金的分类、成分和牌号常用硬质合金按成分和性能特点分为：钨钴类、钨钛钴类、钨钛钽(铌)类：(1)钨钴类硬质合金 其主要化学成分是碳化钨(WC)及钴。牌号用YG(“硬钴”二字汉语拼音字首)和数字表示，其数字表示钴平均含量的百分数。例如，YG6表示平均WCo=6，余量为碳化钨的钨钴类硬质合金。(2)钨钛钴类硬质合金 其主要化学成分是碳化钨、碳化钛(TiC)及钴。牌号用YT(“硬钛”二字汉语拼音字首)和数字表示，其数字表示碳化钛平均含量的百分数。例如，YTl5表示平均含量15，余量为碳化钨和钴的钨钛钴类硬质合金。(3)钨钛钽(铌)类硬质合金 这类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金。它是由碳化钨、碳化钛、碳化钽(或碳化铌)和钴组成。牌号用YW(“硬万”二字汉语拼音字首)和顺序号表示。例如，YWl表示万能硬质合金。2硬质合金的性能(1)硬度高，常温下硬度可达8693HRA(相当于6981HRC)；热硬性高(可达9001 000)；耐磨性好。其切削速度比高速工具钢高47倍，刀具寿命高5肋倍。可切削50HRC左右的硬质材料。(2)抗压强度高(可达6 000MPa)，但抗弯强度较低(约为高速工具钢的1312)，韧性差(约为淬火钢的30一50)。(3)耐蚀性(抗大气、酸、碱等)和抗氧化性良好。 、(4)线膨胀系数小，但导热性差。硬质合金材料不能用一般的切削方法加工，只能采用电加工(如电火花、线切割、电解磨削等)或用砂轮磨削。因此，一般是将硬质合金制品钎焊、粘结或机械夹固在刀体或模具体上使用。3切削加工用硬质合金的分类和分组代号根据GB207587规定，切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象范围不同,分为P、M、K三个类别。同时又根据被加工材质及适应的加工条件不同，将各类硬质合金按用途进行分组，其代号由在主要类别代号后面加一组数字组成，如P01、M10、K20每一类别中，数字越大，韧性越好，耐磨性越低。4硬质合金的应用(1)刀具材料 硬质合金主要用于制造高速切削或加工高硬度材料的切削刀具，如车刀、铰刀等。硬质合金中碳化物含量越多，含钴量越少，则合金硬度、热硬性、耐磨性越高，但强度、韧性越低。当含钴量相同时，YT类合金的硬度、耐磨性、热硬性高于YG类合金，但其强度和韧性之YG类合金低。因此，YG类合金适宜加工脆性材料，YT类合金适宜加工塑性材料。同类合主中,含钴量高的适于粗加工，含钴量低的适于精加工。(2)模具材料 硬质合金主要用于制造冷作模具，如冷拉模、冷冲模、冷挤模和冷镦模等。其中钨钴类适用于拉深模，YG6、YG8适用于小拉深模，YGl5适用于大拉深模和冲压模具。(3)量具和耐唐零件 各种专用量具的易磨损面镶以硬质合金，可提高使用寿命，并使测量更加精确。例如，千分尺的测量头，车床顶尖等。还可制作受冲击和振动小的耐磨件。例如，精轧辊、无心磨床的导板等。钢结硬质合金是一种新型的工模具材料，其性能介于高速工具钢和硬质合金之间。它是以一种或几种碳化物(如TiC、WC)为硬化相，以碳钢或合金钢(如高速工具钢、铬钼钢等)粉末为粘结剂，经配料、压制、烧结而制成的粉末冶金材料。钢结硬质合金经退火后，可进行切削加工，经淬火、回火后，有相当于硬质合金的高硬度和耐磨性，一定的耐热、耐蚀和抗氧化性，也可焊接和锻造。适于制造形状复杂的刀具(如麻花钻头、铣刀等)、模具和耐磨件。二、粉末冶金减摩材料粉末冶金减摩材料具有多孔性，主要用来制造滑动轴承。这种材料压制成轴承后，放在润滑油中，因毛细现象可吸附润滑油(一般含油率为1230)，故称含油轴承。轴承在工作时，由于发热、膨胀，使孔隙容积变小；轴旋转时带动轴承间隙中的空气层，降低了摩擦表面的静压力，在粉末孔隙内外形成压力差，使润滑油被抽到工作表面。停止工作时，润滑油又渗入孔隙中，故含油轴承可自动润滑。根据基体主加组元不同，粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料。粉末冶金减摩材料为牌号由粉末冶金滑动轴承的“粉”、“轴”两字汉语拼音字首“FZ”，加上基体主加组元序号(铁基为1，铜基为2)、辅加组元序号和含油密度组成。例如FZl360，表示辅加组元为碳、铜，含油密度为5.76.2gcm3的铁基粉末滑动轴承用减摩材料。三、粉末冶金结构材料粉末冶金结构材料根据基体金属不同，分为铁基和铜基材料。铁基材料根据化合碳量的不同。分为烧结铁、烧结低碳钢、烧结中碳钢和烧结高碳钢。如果铁基材料中含有合金组元铜和钼，希为烧结铜钢和烧结铜钼钢。粉末冶金铁基结构材料的牌号由“粉”、“铁”、“构”三字的汉语拼音字首“FTG”，加化合碳含量的万分数、主加合金元素的符号及其含量的百分数、辅加合金元素的符号及其含量的百分数和抗拉强度组成。 四、粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同，分为铁基材料和铜基材料。根据工作条件不同。分为干式和湿式材料，湿式材料宜在油中工作。粉末冶金摩擦材料的牌号由“粉摩”两字的汉语拼音字首“FM”，加上基体金属骨架组元序号(铜基为1，铁基为2)、顺序号和工作条件汉语拼音字首“S”或“G”组成。如FMl01S，表示顺序号为01的铜基、湿式粉末冶金摩擦材料；FM203G，表示顺序号为03的铁基、干式粉末冶金摩擦材料。粉末冶金摩擦材料由基本组元(铁基、铜基)和辅助组元(润滑组元和摩擦组元)组成。摩擦材料的承载能力、热稳定性、耐磨性和耐热性由基本组元的成分、结构和性能来保证；辅助组元可进