§9有色金属和粉末冶金.ppt

张建军主编 西南大学工程技术学院 工程材料 非铁金属 或称有色金属 是指含铁金属 或称黑色金属 之外的其他金属材料 如铝及其合金 铜及其合金 钛及其合金等 9有色金属材料 具有银白色金属光泽 相对密度小 2 72 熔点低 660 4 沸点高 2477 导电 导热性优良 呈面心立方晶格 无同素异构转变 纯铝强度 硬度低 塑性很高 化学性质活泼 表面易生成致密的氧化膜 具有良好抗蚀性 具有优良的工艺性能 易于铸造 易于铸造 易于切削 9 1铝及铝合金 9 1 1纯铝1 工业纯铝的主要特性 2 工业纯铝的牌号 旧牌号 按纯度由高 底 L1 L2 L3 对应新牌号 为1070 1060 1050 3 用途主要制作导线 电器元件 散热片等 根据成分和工艺性能铝合金可分为 变形铝合金 一般通过压力加工制成半成品或模锻件 铸造铝合金 一般用于铸成复杂的铸件 9 1 2铝合金 1 铝合金的分类 铝中加入Si Cu Mg Zn Mn等元素制成合金 1 D点以左的合金加热后能形成单相固溶体 其塑性好 适合压力加工 故称为形变铝合金 成分在F点以左的合金为单相固溶体 为不能热处理强化的铝合金 成分位于F和D之间的合金会析出第二相 故为能热处理强化的铝合金 相图分析 2 成分在D点以右的合金有共晶体 适合铸造 称铸造铝合金 应注意 相图中的D点仅是合金的最大饱和溶解度理论分界线 固溶强化通过加入合金元素形成固溶体使合金强度提高的现象 称为固溶强化 铜 镁 锰 硅 锌等元素具有较大的固溶强化效果 是铝合金的主加元素 将含铜量在0 5 5 7 之间的铝铜合金加热到固溶线以上后快冷 所得的组织为 过饱和固溶体 2 铝合金的热处理1 铝合金的强化种类不同 其强化原理 途径也不同 因合金溶质元子均匀分布 固溶体晶格畸变小 铝合金的固溶强化效果并不明显 过饱和固溶体随时间增长会沉淀析出强化相 此过程若在室温进行 叫自然时效 图9 3 若加热在某一温度进行 叫人工时效 图9 4 将经固溶处理 或淬火 后得到过饱和固溶体的铝合金放置在室温或加热到一定的温度 其强度 硬度随时间延长而提高 塑 韧性则降低 这一过程称为时效 亦称时效强化 时效强化 常用的热处理方法 退火 对铝合金铸锭进行均匀化退火 提高塑性 对冷变形加工的制品退火 消除内应力 消除加工硬化 时效强化处理 前面已讲 回归处理 可使自然时效的铝合金重新软化 一般不超过3 4次 经人工时效的铝合金没有回归现象 细化组织强化 变质处理是细化铸造合金组织的常用方法 变质处理 在熔融的铝合金中加入一种或数种经过选择的元素或化合物 通过细化合金组织从而达到提高合金质量和性能的操作方法 2 铝合金的热处理 9 1 3铝合金的分类 牌号及用途 根据成分和工艺性能铝合金可分为 变形铝合金 一般通过压力加工制成半成品或模锻件 铸造铝合金 一般用于铸成复杂的铸件 4 锻铝合金主要为Al Mg Si系 特点是强度高 热态下有良好的塑性 用于形状复杂强度要求较高的零件如活塞 航空发动机零件等 牌号如2A70 LD7 1 变形铝合金 表9 1变形铝合金分为以下四种 GB T3190 96 1 防锈铝合金 F点以左 用于制造耐蚀容器 油箱 防锈蒙皮 窗框等 主要为Al Mg系和Al Mn系 牌号如5A02 LF2 3A21 LF21 等 2 硬铝合金为F点以右的合金 可热处理强化 主要为Al Cu Mg系 牌号如2A12 LY12 根据合金元素的多少硬铝分为 低合金 铆钉 硬铝如2B11 LY8 其强度低塑性好 用于铆钉 标准硬铝 中强度硬铝 如2A11 LY11 用于中等强度的零件 高强度硬铝如2A12 LY12 合金含量较多 强度硬度高塑性较低 加工性能差 用于航空模锻件和重要销 轴等 硬铝的耐蚀性差 通常 阳极化 包覆一层纯铝 称为包铝 3 超硬铝合金属Al Zn Mg Cu系 合金中的强化相作用强 抗拉强度高 用于航空工业如飞机大梁 起落架 牌号7A09 LC9 铝硅合金 硅铝明 代号 ZL102 简单硅铝明Al Si系 强度较低 铸造性能好 常采用变质处理 用于形状复杂受力较小的零件 ZL101 ZL103 ZL104 ZL111 特殊硅铝明Al Si Mg系 强度较高 用作形状复杂强度低的气缸体 电动机壳体等 2 铸造铝合金1 铸造铝合金的分类 铸造铝合金可分以下四种 表9 3 代号说明 ZL 表示铸铝 其后第一位数字表示合金类别 1 为铝 硅系 2 为铝 铜系 3 为铝 镁系 4 为铝 锌系 第二 三位数字为合金顺序号 化学成分 力学性能和热处理工艺规范详见GB T1173 95 GB T15115 94 新标准 铝锌合金 铸造性好 经变质处理和时效强化后强度较高 但耐蚀性差 热裂倾向较大 其价格最便宜 用于汽车 拖拉机的发动机零件和形状复杂的仪器零件 也可用于制造日用品 常用代号 ZL401 ZL402等 铝铜合金 耐热性好 铸造承受中等载荷和形状简单的零件 常用代号 ZL201 ZL202 ZL203等 铝镁合金 耐蚀性好 力学性能 耐蚀性 切削加工性能好 铸造 耐热性差 用于受冲击 和腐蚀介质中工作零件 舰船零件 氨用泵体 常用代号 ZL301 ZL302等 铝硅基铸造合金应用较广 但未经变质处理时 力学性能差 其铸态组织如图所示 如图为用钠盐变质处理后的显微组织 经变质处理后的铝硅合金 力学性能明显提高 2 铸造铝合金的变质处理 外观呈紫红色 故又称紫铜 相对密度为8 9 熔点为1083 导电性和导热性优良 具有面心立方晶格 无同素异构转变 只能以冷作硬化的方式进行强化 塑性极好 并有良好的低温韧性 可以进行冷 热压力加工 杂质元素对性能有一定影响 有Pb Bi易形成低熔点共晶体 造成热脆 S O易形成脆性大的化合物Cu2S Cu2O 造成冷脆 9 2铜及铜合金 2 工业纯铜牌号 成分 用途表9 4 按纯度高 低有T1 T2 T3 T4工业纯铜一般不作结构材料 主要用于制造电线 电缆 电器元件 导热器件等 见下页 1 工业纯铜的性质 9 2 1工业纯铜 主要用于导电 导热及兼有耐蚀性的器材 作为配制铜合金的原料 因为铜合金具有比纯铜好的强度及耐蚀性 常用的铜合金主要是黄铜和青铜 纯铜用途 9 2 2铜合金的分类 牌号及用途 铜合金分类及主要用途 Cu Ni合金 白铜 用于精密机械 电器仪表等 Cu Zn合金 普通黄铜 再加入其他合金元素可制成特殊黄铜 除上述白 黄铜外的铜合金统称为青铜 如Cu Sn Cu Al Cu Pb合金 铜合金中黄铜 青铜的应用广泛 材料类型 经压力加工成形的 线 板 棒 管等 铸造成形的各种产品 1 组织 是指铜与锌的二元合金 2 性能特点 随锌的增加强度 硬度增加 塑韧性下降 具有良好力学性能 易加工成形 另外它还具有价格低廉 色泽美丽等优点 应用广泛 经冷塑性变形后易发生应力腐蚀 开裂 4 种类 表9 5 单相黄铜 Zn 32 Cu Zn 单相组织 如H70又称三七黄铜 其强度高 塑性好 用作弹壳 故称弹壳黄铜 双相黄铜 有较高的强度和耐蚀性 用作散热器 油管等 32 Zn 45 Cu Zn 是铜锌为基的铜锌电子化合物 塑性低 室温性脆 如H59 H62等 一 黄铜1 普通黄铜 3 牌号 H 铜的平均质量分数表示普通黄铜 铸造普通黄铜则在前面冠以 Z 如ZH62 表示含铜为62 的铸造普通黄铜 在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜 或称为复杂黄铜 成分 常加合金元素有Sn Pb Al Si等 相应地可称为锡黄铜 铅黄铜 铝黄铜 硅黄铜等 牌号 用 H 主加元素符号 除锌以外 铜含量 主加元素含量 表示 如 HMn58 2 2 特殊黄铜 主要特殊性能 每种性能差别较大 加Si Pb的黄铜抗磨性突出 加Al Mn Si的黄铜强度较高 加Al Mn Sn的黄铜耐腐蚀性好 加Pb制得易切黄铜 加0 7 1 1 Sn制得锡黄铜 耐海水腐蚀 称海军黄铜 还可作汽油接触零件 常用特殊黄铜 青铜是指除白 黄铜以外的铜合金 包括锡青铜 铝青铜 铅青铜 硅青铜 铍青铜等 1 锡青铜是以Sn为主加元素的合金 性能 与Sn量有关 Sn 5 6 Cu Sn 固溶体 Sn增加 强度增加 有好的塑性 Sn 6 Cu Sn 硬脆相 Sn增加 强度增加 塑性大大下降 Sn 20 Cu Sn 大量 硬脆相 强度下降 变脆 通常Sn量在3 14 Sn 8 的材料适合压力加工 Sn 8 的材料适合铸造 锡青铜的铸造收缩率小 致密性差 在氨水 盐酸 硫酸中耐腐蚀差 但在大气 海水和无机盐类溶液中有极高的耐蚀性 用于铸造形状复杂 壁厚差较大的零件 牌号 如QSn4 3 表示含锡量4 含锌量3 余为含铜量的锡青铜 二 青铜 2 铝青铜以Al为主加元素的青铜合金 性能 铝青铜的性能较好 Al 5 塑性好 强度低 Al达到12 后 塑性变差 且难加工 Al常在5 10 Al在5 7 时 塑性最好 适合冷变形加工 Al在10 时 强度最高 可热处理 适合铸造 铝青铜易获得致密的铸件 耐蚀性比黄铜和锡青铜高 应用广泛 常用来制造耐磨 耐蚀零件 牌号 如QAl5 表示含铝量5 余为含铜量的铝青铜 3 铍青铜含Be量1 7 2 5 的青铜合金 性能 对Be的溶解度随温度变化而变化 可进行固溶处理 时效后强度达1200MP 超过40Cr 铍青铜可通过热处理和加工硬化提高其力学性能和弹性 其强度 硬度较高 具有导电性 耐腐蚀性好 抗磨性 不起火花性 耐热性比其他铜合金好的优点 是制造弹性元件 电接触器等的优秀材料 牌号 如QBe2 表示含铍量2 余为铜的铍青铜 1 钛的性能 钛为银白色 熔点为1680 相对密度为4 54 比铝大但比钢轻43 具有很好的强度 约为铝的6倍 具有很高的塑性 便于冷热加工 其耐蚀性比不锈钢优良 2 钛及合金在航空 化工 导弹航天及舰艇等方面的应用较为广泛 9 3钛及钛合金 9 3 1纯钛 根据钛合金热处理的组织为三类 1 类钛合金 组织为 固溶体和 固溶体加微量金属间化合物 主要特点是 具有良好的热稳定性和热强度以及优良的焊接性能 典型的牌号有TA7 表示含铝量7 余为钛 主要用于制造火箭 导弹的燃料储箱等 9 3 2钛合金 主要特点是 具有良好的变形加工性能 可热处理强化 典型的牌号是TB1 其成份为3 Al 13 V 11 Cr 余为钛 主要用于重载荷的旋转体 如航空发动机的压缩机叶片 轴等 3 类钛合金 退火状态的组织为 主要特点是 综合机械性能好 抗拉强度高 热加工性能好 但焊接性能差 典型的牌号是TC4 其成份为6 Al 4 V 余为钛 主要用于制造在400 长期工作的发动机零部件 2 类钛合金 退火和淬火状态的组织为单相 固溶体 9 3镁及镁合金 9 3 1纯镁 p191 9 3 2镁合金 p191 192 1 滑动轴承的结构滑动轴承是支承轴颈和其他转动和摆动的支承件 一般由轴承体和轴瓦构成 9 5滑动轴承合金一 滑动轴承工作条件及对性能 组织的要求 2 轴承工作条件及要求 轴和轴承不可避免地会产生相互磨擦和磨损 常出现所谓边界润滑状态或半干磨擦甚至干磨擦状态 轴承合金应具有足够的抗压强度和疲劳强度 良好的减磨性 磨合性 镶嵌性 3 对轴承组织的要求 轴承材料的基体应采用对钢 铁互溶性小的元素 金相组织软基体下有均匀的硬质点或硬基体下分布有均匀的软质点 轴承中应含有适量的低熔点元素 4 性能要求P193 1 锡基轴承合金 锡基巴氏合金 软基体下有均匀的硬质点 牌号有ZChSnSb11 6 ZChSnSb4 4等 特点是磨擦系数小 顺应性和嵌藏性好 但抗疲劳强度差 用于制造汽车 拖拉机 汽轮机高速轴轴瓦 2 铅基轴承合金 铅基巴氏合金 软基体下有均匀的硬质点 常用牌号有ZChPbSn 16 16 1 8等 优点是成本低 高温强度好 有自润滑性 适于润滑较差的场合 用于制造低速低负荷轴承如汽车 拖拉机曲轴轴承 二 常用轴承合金简介 表9 11 铸造轴承合金 牌号表示法GB1174 92 铸造有色金属及其合金 牌号表示法GB T8063 94 3 铜基轴承合金有铅青铜 锡青铜 铝青铜等 用于制造高速重载轴承如飞机发动机 高速柴油机轴承 4 铝基轴承合金 是一种新型的减磨材料 其特点是比重小 导热性好 强度高 缺点是线膨胀系数大 运转时易与轴颈咬合 常用的铝基合金有 铝 锑 镁轴承合金成分一般为 3 5 4 5 Sb 0 3 0 7 Mg 余为铝 可制成双金属板轴承 用于承受中等载荷的机器上 高锡铝基轴承合金硬基体下分布有均匀的软质点成分是以铝为基 加入20 Sn和1 Cu 用于制造高速 重载的发动机轴承 5 多层轴承合金是一种复合减磨材料 一般由二层或三层减磨材料制成 7 粉未冶金减磨材料 6 非金属材料轴承一般由酚醛夹布胶木 塑料 橡胶等非金属材料制成 主要用于与清水接触的滑动轴承 粉末冶金制品 包括铁石墨和铜石墨多孔含油轴承和金属塑料减磨材料 多孔含油轴承具有寿命高 成本低和自动润滑的优点 粉未冶金材料种类 粉未冶金工具材料 硬质合金 含油轴承合金 铁基粉未冶金结构材料 粉未冶金摩擦材料 粉未冶金材料 粉未冶金材料生产过程时间 22分 一 硬质合金p209 硬质合金是将高熔点 高硬度的金属碳化物粉末与粘合剂 Co Ni 铬钼钢 高速钢等 混合 经加压成型和烧结制成的一类粉末冶金材料 1 性能特点高的硬度 相当HRC69 81 高的热 红 硬性 1000 硬度保持HRC50左右 允许切削温度800 1000 切削速度比高速钢高4 10倍 刀具寿命长5 10倍 抗压强度高 抗拉强度和韧性比高速钢低 耐蚀性良好 线膨胀系数小 2 分类根据成分和性能不同分为四类 钨钴 YG 类 钨钴钛 YT 类 万用 YW 钢结硬质合金 3 牌号及用途 3 牌号及用途 1 钨钴 YG 类硬质合金主要成分 WC Co牌号 YG 钴含量的百分数 颗粒粗细 如YG8 C或X 强度韧性较高 用于加工脆性材料如铸铁 淬火钢 2 钨钴钛 YT 类硬质合金主要成分 WC TiC Co牌号 YT