第八章有色金属及其合金

有色金属及其选用 8 1钛及钛合金8 2铝及铝合金8 3铜及铜合金8 4镍和镍合金8 5轴承合金 引言 工业生产中 通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属 如钢与铸铁 把非铁金属及其合金称为有色金属 如铝 铜 镍 锌 钛等金属及合金称为有色金属 有色金属及合金与钢铁材料相比 具有许多特殊性能 是现代工业生活中不可缺少的金属材料 本章重点介绍铝及铝合金 铜及铜合金 钛及钛合金及轴承合金 有色金属及其合金与钢铁相比 具有许多特性 Al Mg Ti及其合金密度小 Au Cu Ag及其合金导电性好 Ni Mo Nb Co及其合金耐高温 Cr Ni Ti及合金具有优良的耐蚀性 有色金属及其合金的应用越来越多 在国民经济中占越来越重要地位 飞机制造业 轻金属占总重量的95 钢铁及其它材料占5 汽车制造业中铝合金 镁合金的使用量越来越多 镁合金在 3C 产品的应用近年来急剧增长 年递增20 C COMPUTERC COMMUNICATIONC CONSUMERELECTRONICSPRODUCTS 钛及其合金在航天 航空 化工等领域应用越来越多 21世纪金属 钛 钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料 它具有很多优良的性能 如熔点高 密度小 可塑性好 易于加工 机械性能好等 尤其是抗腐蚀性能非常好 即使把它们放在海水中数年 取出后仍光亮如新 其抗腐蚀性能远优于不锈钢 因此被广泛用于火箭 导弹 航天飞机船舶 化工和通讯设备等 钛金属腕表 钛合金与人体有很好的 相容性 因此可用来制造人造骨 钛合金眼镜 具有记忆功能的眼镜框架 钛合金外壳的电脑 8 1钛及钛合金一 概述钛及钛合金具有重量轻 比强度高 耐高温 耐腐蚀以及良好低温韧性等优点 同时资源丰富 所以有着广泛应用前景 但目前钛及钛合金的加工条件复杂 成本较昂贵 在很大程度上限制了它们的应用 钛的化学活性极高 高温下能同许多元素发生强烈反应而受污染 故不能用常规方法熔铸 只能用真空电弧炉熔铸 钛的焊接和部分热处理皆应在真空或惰性气体中进行 钛及钛合金的性能特点 1 密度小 熔点高 固态下有同素异构转变 纯钛是纯白色轻金属 密度为4 507g cm3 介于Al和Fe之间 熔点1668 高于铁 在882 5 发生同素异构转变 882 5 以上为 Ti 体心立方晶格 882 5 以下为 Ti 密排六方晶格 钛合金的密度也较小 也有同素异构转变 钛及钛合金的性能特点 2 加工性能好 比强度高 低温韧性好 纯钛强度低 塑性好 易于压力加工成型 钛合金的强度很高 b最高可达1400Mpa 与某些高强度合金钢相近 还具有良好的低温机械性能 3 抗腐蚀性能好钛及钛合金在大气 海水 含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜 具有优良的抗蚀性 钛及钛合金具有许多优点 首先是其比强度高于其它合金 其次是具有较高的抗蚀性 特别是在海水和含氨介质中 抗蚀性尤其突出 另外 钛及钛合金的耐热性也比铝合金和镁合金高 目前实际应用的热强钛合金工作温度可达400 500 从20世纪50年代开始 在较短的时间内 钛工业获得了迅速发展 尤其在航空航天工业中 应用范围及数量日益增长 并正在迅速取代某些铝合金 镁合金及钢等制造各种构件 此外 钛及钛合金在机械工程 生物医学 海洋工程 化工 冶金 建材及一般民用工业中的应用也有逐年增长之势 钛在地壳中的储量仅次于铝 铁 镁而居第四位 在我国 钛的资源十分丰富 虽然开展钛及钛合金的研究与应用工作起步较晚 但已取得了可观的进步 预计到2010年 供国内工业生产用的海绵钛产量可居世界前列 我国在航空工业中应用钛合金始于20世纪60年代初期 目前钛及钛合金已广泛应用或准备应用于制造飞机上的隔热罩 整流罩 导风罩 蒙皮 框类 支臂构件及发动机中的压气机盘 叶片及机匣等 钛的化学性十分活泼 熔点高 冶炼制取工艺复杂且价格昂贵 这使得钛及钛合金的发展与应用受到了一定限制 随着科学技术的不断进步 这些问题正在不断被解决 钛及钛合金由于其所具有的优异特性 必将发展成为能够得到普遍应用的重要结构材料 钛在地壳中的储量仅次于铝 铁 镁而居第四位 在我国 钛的资源十分丰富 虽然开展钛及钛合金的研究与应用工作起步较晚 但已取得了可观的进步 预计到2010年 供国内工业生产用的海绵钛产量可居世界前列 我国在航空工业中应用钛合金始于20世纪60年代初期 目前钛及钛合金已广泛应用或准备应用于制造飞机上的隔热罩 整流罩 导风罩 蒙皮 框类 支臂构件及发动机中的压气机盘 叶片及机匣等 钛的化学性十分活泼 熔点高 冶炼制取工艺复杂且价格昂贵 这使得钛及钛合金的发展与应用受到了一定限制 随着科学技术的不断进步 这些问题正在不断被解决 钛及钛合金由于其所具有的优异特性 必将发展成为能够得到普遍应用的重要结构材料 一 纯钛1 纯钛的特性钛的原子序数为22 主要物理性能见表 钛的主要特点是熔点高 导热性差 与铁 镍相比 密度较低 线胀系数较小 弹性模量也较低 固态钛在882 5 具有 同素异构转变 在882 5 以下为 钛 具有密排六方晶格 自882 5 直到熔点温度为 钛 具有体心立方晶格 钛的化学活性极高 高温下能同许多元素发生强烈反应而受污染 故不能用常规方法熔铸 只能用真空电弧炉熔铸 纯钛在较多的介质中有很强的耐蚀性 在中性及氧化性介质中的耐蚀性很强 钛在海水中的抗蚀性优于不锈钢及铜合金 在碱溶液及大多数有机酸中也很耐蚀 纯钛一般只发生均匀腐蚀 不发生局部和晶界腐蚀现象 其抗腐蚀疲劳性能也较好 钛极易吸氢而产生氢脆 但可利用这一特点 制成以钛为主要成分的储氢材料 钛在550 以下空气中能形成致密的氧化膜 并具有较高的稳定性 但温度高于550 后 空气中的氧能迅速穿过氧化膜向内扩散使基体氧化 这是目前钛及钛合金不能在更高温度下使用的主要原因之一 钛的导热性差 摩擦因数大 切削加工时易粘刀 刀具温升快 因而切削加工性能较差 应使用特定刀具切削 钛的耐磨性能也较差 钛具有较高的表面缺口敏感性 2 杂质对纯钛的影响高纯钛的塑性很好 强度不高 其等轴a组织的 b 216 255MPa 0 2 118 167MPa 50 60 70 80 k 2 45MJ m2 当纯钛中存在杂质元素时 随其纯度下降 强度显著升高 塑性却大大降低 钛中的杂质 尤其是间隙式杂质 不但使塑性及韧性降低 而且对疲劳性能 蠕变抗力 热稳定性及缺口敏感性等也有很大危害 按在晶格中存在形式区分 杂质元素与钛可形成间隙式或置换式两种固溶体 杂质含量较多时 也会形成脆性化合物 形成间隙固溶体的杂质主要有氧 氮 氢及碳等 这些杂质可造成严重的晶格畸变 强烈阻碍位错运动 提高硬度 另外 氢的扩散能力较强 应变时效现象比较明显 而且容易以TiH化合物形式析出 引起氢脆 严重损害钛的韧性 因此 间隙式杂质对钛的塑性危害很大 3 工业纯钛简介高纯钛仅在科学研究中应用 工业中应用的纯钛均含一定量的杂质 称为工业纯钛 杂质对钛的力学性能影响很大 有时可将钛中的杂质近似地看作合金的强化元素 工业纯钛实际上是钛与杂质元素形成的合金 纯钛的牌号为TAD TA1 TA2及TA3 TAD为高纯钛 其余三种为工业纯钛 牌号不同 杂质含量亦不同 除杂质元素造成的固溶强化外 工业纯钛还可采用冷变形强化 当冷变形度为30 40 时 其如可达800MPa以上 d仍能保持在10 15 这已超过超硬铝合金的性能水平 工业纯钛只进行退火热处理 需要保持冷变形强化效果时 采用去应力退火 需要恢复塑性时可采用再结晶退火 工业纯钛具有较高的强度 良好的塑性及焊接性 可制成板 棒 管 线 带材等半成品 用于制造结构件及在350 以下工作的飞机蒙皮 隔热板等 二 钛合金根据使用状态的组织 钛合金可分为三类 钛合金 钛合金 a 钛合金 牌号分别以TA TB TC加上编号来表示 纯钛加入合金元素形成钛合金 根据合金元素对钛同素异构转变的影响 可将其分为三类 第一类是a相稳定元素 这类元素能使钛的同素异构转变温度升高 扩大a相区 形成稳定的a固溶体 如铝 碳 氮 氧等 其中作为合金元素使用的主要是铝 第二类是 相稳定元素 能使钛的同素异构转变温度降低 扩大 相区 形成稳定的 固溶体 如铁 钴 镍 钼 铬 锰 钒 铌 钽等 第三类是中性元素 对同素异构转变温度无显著影响 如锡 锆 铪等 几乎所有钛合金中都含有铝 因为铝能提高钛合金的强度 比强度和再结晶温度 钛合金的牌号 成分和性能见下表 1 a钛合金钛中加入铝 硼等a稳定化元素获得a钛合金 a钛合金的室温强度低于 钛合金和 a 钛合金 但高温 500 600 强度比它们的高 并且组织稳定 抗氧化性和抗蠕变性好 焊接性能也很好 缺点是强度低 压力加工性能差 a钛合金不能淬火强化 主要依靠固溶强化 热处理只进行退火 变形后的消除应力退火或消除加工硬化的再结晶退火 2 钛合金钛中加入钼 铬 钒等 稳定化元素获得到 钛合金 钛合金有较高的强度 优良的冲压性能 可通过淬火和时效进行强化 在时效状态下 合金的组织为 相和弥散分布的细小a相粒子 钛合金的典型牌号为TBl 一般在350 以下使用 其合金化特点主要是加入了较多的 稳定元素 通过水冷或空冷得到几乎全部的等轴亚稳 相组织 稳定 合金则得到全部稳定 相 亚稳 相通过时效处理 可分解为弥散分布的a 稳定 或其它第二相 使合金强度有大幅度提高 在所有类型的钛合金中 这类合金的室温强度最高 3 a 钛合金钛中通常加入 稳定化元素 大多数还加入a稳定化元素而获 a 钛合金 塑性很好 容易锻造 压延和冲压 并可通过淬火和时效进行强化 热处理后强度可提高50 100 TC4是典型的 a 钛合金 经淬火及时效处理后 显微组织为块状a 针状a 其中针状a是时效过程中从 相中析出的 适于制造在400 以下长期工作的零件 a 钛合金可通过淬火加时效热处理来提高强度和硬度 三 钛及钛合金的热处理为获得所需要的性能 除合金化外 还要对钛合金进行适当的热处理 常用的热处理方式有退火和淬火加时效 1 退火退火是为了消除应力 提高塑性和稳定组织 退火方式有去应力退火 再结晶退火 双重退火 等温退火和真空除氢退火等 1 去应力退火目的是消除零件在冷变形 铸造和焊接后产生的内应力 退火温度一般为450 650 保温时间依工件厚度和内应力大小而定 2 再结晶退火目的是消除加工硬化 稳定组织和提高塑性 纯钛的再结晶退火温度为540 700 钛合金为650 800 保温后空冷 3 真空退火目的是降低钛合金中的氢的质量分数 钛合金很容易吸氢而产生氢脆 需通过真空退火消除 退火温度一般为600 900 保温1 6h 2 淬火加时效目的是提高钛合金的强度和硬度 又称强化热处理 含有单一a相稳定元素和中性元素的钛合金加热到 相区淬火后 得不到介稳定相 因此 这类合金不能热处理强化 只在退火后使用 含 相稳定元素较少的a型钛合金和a 型钛合金 加热到 相区淬火时 发生无扩散型的马氏体转变 a a 是合金元素在a Ti中的过饱和固溶体 具有密排六方晶格 硬度比平衡a相略高 塑性好 这种转变与钢中的马氏体转变类似 称为钛合金的马氏体相变 a 是亚稳相 在时效加热时 将分解成细小的a 8两相混合物 使合金强化 含 相稳定元素较多的 型钛合金和 a 型钛合金 在淬火时 相转变为介稳定的 相 经时效加热发生分解 使合金的强度和硬度提高 常用钛合金一般都采用两相区加热淬火 淬火温度为760 950 淬火温度过高 将因 相晶粒粗化而导致合金变脆 a 型钛合金的时效温度一般为500 600 时间为4 12h 可热处理强化的 型钛合金的时效温度为450 550 时间为8 24h 时效温度过低 合金塑性下降 时效温度过高 强化效果不显著 钛合金的化学性质活泼 导热性差 通过同素异构转变难于细化晶粒 在 相区加热时 晶粒粗化倾向大 因此 在热处理加热过程中 钛合金容易氧化 吸氢和产生过热 晶粒长大后无法通过热处理消除 在制定和实施钛合金热处理工艺时 应对这些特点予以充分的重视 四 钛合金的新进展国内外研究钛合金材料的新进展主要体现在以下几方面 高温钛合金一般钛合金使用温度最高为500 为了使钛合金能在更高的温度下使用 研制了许多新型钛合金 高强高韧 型钛合金 型钛合金具有良好的冷热加工性能 容易锻造 可以轧制 焊接 可以通过固溶一时效处理获得较高的力学性能 阻燃钛合金常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向 这在很大程度上限制了它的应用 医用钛合金钛无毒 质轻 强度高 并且具有优良的生物相容性 可作为人体的植入物 8 2铝及其合金 一 工业纯铝 1 铝的性质 具有面心立方晶格 无同素异构转变 密度2 72 约为铁的三分之一 铝合金密度一般为2 5 2 88之间 具有良好的导电 导热性 仅次于银 铜 金 在大气中具有优良的抗腐蚀性 与氧亲和力大 能形成一层致密的氧化膜 具有高塑性 较低的强度 L0499 996 45 b 50MN m2 2 纯铝的牌号 L04L03L024 高纯铝3 高纯铝2 高纯铝99 996 99 99 99 96 L0L00L11 工业高纯铝2 工业高纯铝1 工业纯铝99 90 99 85 99 7 L2 L72 工业纯铝7 工业纯铝99 5 98 二 铝合金的成分 组织和性能特点 1 成分特点 纯铝的机械性能不高 为了提高铝的机械性能 在铝中加入Cu Zn Mg Si Mn RE等元素制成铝合金 铝合金仍保持纯铝密度小 抗蚀好等特点 但机械性能比纯铝高的多 2 组织特点 合金元素在铝中的溶解度一般都是有限的 因此铝合金组织中除了形成铝基固溶体 外 还有第二相 金属间化合物 出现 CuAl2 相 Mg2Si 相 Al2CuMgS相 二元铝合金状态图的基本型式为有限固溶体型 3 性能特点 与钢铁相比 铝合金具有较高的比强度 比刚度 较低的密度 机械性能对比低碳钢低合金钢高合金钢铸铁铝合金相对密度1 01 01 00 920 35相对比1 01 62 50 601 8强度极限相对比1 01 74 20 702 9 4 3屈服极限相对比1 01 01 00 518 5刚度 三 铝合金的分类根据合金元素的含量和加工工艺性能特点 把铝合金分为 加工变形铝合金铸造铝合金 铝合金的分类 形变铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化铝合金 能热处理强化铝合金 2 1 3 4 Al D A B C 1 变形铝合金2 铸造铝合金3 不能热处理强化的铝合金4 能热处理强化的铝合金 1 变形铝合金 这类铝合金要经冷 热加工成各种型材 因此要求具有良好的冷热加工工艺性能 组织中不允许有过多的脆性第二相 所以变形铝合金中合金元素的含量比较低 一般不超过B点成分 合金元素总量 5 变形铝合金按其成分和性能特点 又可分为不能热处理强化的铝合金和可热处理强化的铝合金 不能热处理强化的铝合金 合金含量少于状态图中D点的成分 其中包括一些热处理强化效果不明显的合金 这类合金具有良好的抗蚀性 故称防锈铝合金 可热处理强化的铝合金 合金元素含量位于B D之间 可通过热处理显著提高机械性能 包括硬铝合金 超硬铝合金及锻铝合金 2 铸造铝合金 一般而言 具有共晶成分的合金具有优良的铸造性能 铸造铝合金为了保证足够的机械性能 并不完全都是共晶成分 只是合金元素含量较高 在8 25 四 铝合金的强化机理 2 固溶强化 合金元素加入纯铝中 形成铝基固溶体 起固溶强化作用 使其强度提高 铝的合金化一般都形成有限固溶体 且都具有较大的极限溶解度 1 冷变形 加工硬化 3 固溶 时效强化 铝合金的热处理强化 主要是由于合金元素在铝中有较大固溶度且随温度降低而急剧减小 故铝合金经加热到一定温度淬火后 可以得到过饱和的铝基固溶体 这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时 其强度 硬度随时间的延长而提高 塑性 韧性则降低 这一过程称为时效 时效强化 淬火加时效处理是铝合金强化的重要手段 4 过剩相强化 当铝中加入的合金元素超过其极限溶解度时 固溶处理加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现 成为过剩相 这类过剩相多为硬而脆的金属间化合物 起阻碍滑移和位错运动的作用 使铝合金强度 硬度提高 但塑 韧性下降 过剩相过多时 合金变脆 强度急剧下降 对于铸造铝合金 过剩相强化是主要手段 5 细化晶粒强化 在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高机械性能的另一种重要手段 细化组织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织 铸造铝合金常加入微量变质剂 进行变质处理 常用变质剂 2 3NaF 1 3NaCl 变形铝合金中添加微量的钛 锆 铍及稀土元素 它们能形成难溶化合物 在合金结晶时作为非自发晶核 起细化晶粒作用 以提高强度及塑性 合金发生时效的条件 合金能在高温形成均匀的固溶体 固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低 五 铝合金时效强化的机理 以Al Cu合金为例 铝合金时效过程是过饱和固溶体分解的过程 包括四个阶段 第一阶段 形成溶质原子Cu的富集区 Cu原子在固溶体 100 晶面上偏聚 Gp I 区 随着Gp I 区的形成 将引起固溶体 严重畸变 使位错运动受到阻碍 第二阶段 随着时间的延续 溶质原子继续向Gp I 区扩散富集 并有序化而形成Gp II 区 Gp II 的化学成分接近于CuAl2 具有正方晶格 以 表示 随着Gp II 区形成 将引起固溶体更严重的畸变 使位错运动受到更大阻碍 第三阶段 溶质原子Cu继续富集 第二阶段形成的 相逐渐达到CuAl2的成分 并部分地与母相 固溶体的晶格脱离 形成一种过渡相 随着 的形成 固溶体的晶格畸变程度减轻 合金趋于软化 第四阶段 稳定的 相 CuAl2形成 并与母相 固溶体完全脱离联系 使 固溶体的晶格畸变大为减轻 时效产生的强化效果显著减弱 合金软化 这种现象称为 过时效 一般自然时效只出现第一 第二阶段 后两阶段由于原子扩散能力不足不出现 温度较高的人工时效 则主要是第三 第四阶段 因为温度较高 原子扩散能力很大 第一 二阶段来不及出现即进入后二阶段 含4 Cu的铝合金自然时效曲线 含4 Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线 时效规律 时效温度越高 强度峰值越低 强化效果越小 时效温度越高 时效速度越快 强度峰值出现所需时间越短 低温使固溶处理获得的过饱和固溶体保持相对的稳定性 抑制时效的进行 六 铝合金的表示方法 1 铸造铝合金 ZL 表示合金顺序号表示合金系列1 Si2 Cu3 Mg4 Zn铸造铝合金 如 ZL102表示第2号铝硅铸造合金ZL405表示第5号铝锌铸造合金 2 变形铝合金的牌号 防锈铝LF 顺序号 LF5 硬铝LY 顺序号 LY12 超硬铝LC 顺序号 LC4 锻铝LD 顺序号 LD5 七 常用变形铝合金 1 防锈铝合金包括铝镁系 铝锰系 工业纯铝 这类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 可采用冷加工方法使其强化 加工硬化 a 铝镁系防锈铝LF2 LF3 LF5 LF6 主合金元素是Mg 此外还加入少量Mn Ti 随着Mg含量的增多 合金的强度 塑性也相应提高 当Mg含量超过5 时 合金的抗应力腐蚀性能降低 当Mg含量超过7 时 塑性降低 加入少量的Mn 不仅能改善合金的抗腐蚀性 还能提高合金的强度 少量的钛 钒起细化组织的作用 组织 单相固溶体 b 铝锰系LF21Mn是该合金的主要元素 1 0 1 6 含量具有较高的强度 塑性 抗蚀性 合金中加入少量的钛 0 4 Fe细化组织 防锈铝合金主要是Al Mn系和Al Mg系合金 锰和镁的主要作用是提高抗蚀能力和塑性 并起固溶强化作用 防锈铝合金锻造退火后为单相固溶体组织 抗蚀性好 塑性高 易于变形加工 焊接性能好 但切削性能差 这类合金不能进行热处理强化 常利用加工硬化来提高其强度 常用的Al Mn系合金为3A21 LF21 其抗蚀性和强度高于纯铝 用于制造油罐 油箱 管道 铆钉等需要弯曲 冲压加工的零件 常用的Al Mg系合金如5A05 LF5 其密度比纯铝小 强度比Al Mn合金高 在航空工业中得到广泛应用 如制造管道 容器 铆钉及承受中等载荷的零件 2 硬铝合金 LY1 LY2 LY3 4 6 8 10 11 12 Al Cu Mg系 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 同时具有优良的加工工艺性能 含Cu Mg量低的硬铝合金 强度低而塑性高 Cu Mg量高则强度高 塑性低 硬铝合金的抗蚀性比防锈铝差的多 硬铝合金淬火 人工时效 有晶间腐蚀倾向 故多采用淬火 自然时效 硬铝合金主要是A1一Cu Mg系合金 并含有少量锰 这类合金可进行时效强化 也可进行形变强化 合金中铜和镁的作用是形成强化相CuAl2 相 和CuMgAl2 S相 产生时效硬化 锰的作用是提高抗蚀性 并起一定的固溶强化作用 少量的钛或硼可细化晶粒 提高强度 硬铝合金的抗蚀性比防锈铝差得多 并存在着晶间腐蚀的倾向 由晶界附近贫铜 使电极电位下降引起 为改善抗蚀性能 硬铝板材在压延过程中 两面常用纯铝包覆 纯铝电极电位低于基体 故起阳极保护作用 但包覆纯铝的硬铝合金经热处理后强度下降 低强硬铝 又称铆钉硬铝 如2A01 LYl 2A10 LYl0 等 这类硬铝的合金元素的质量分数较低 Mg和Cu的质量分数的比值小 S相质量分数小 因而强度较低 塑性较高 主要用于制作铆钉 中强硬铝 又称标准硬铝 如2Al1 LY11 等 这类硬铝的合金元素的质量分数较高 Mg和Cu的质量分数的比值较大 提高了S相的质量分数 因而合金的强度较高 塑性较好 可用于制造航空螺旋桨叶片和中等强度的紧固件等 高强硬铝 如2A12 LY12 等 这类硬铝的合金元素的质量分数高 Mg和Cu的质量分数的比值大 因而是硬铝中强度最高的合金 且具有良好的耐热性 主要用于制造飞机的蒙皮 壁板 隔框 翼肋 长桁等 3 超硬铝合金LC3 LC4 LC5 LC6 LC9是时效后强度最高的一种铝合金 Al Zn Mn Cu系 强度达500 700MN m2 主合金元素是Zn Mn Cu 同时加入少量的Mg Cr Ti 热处理特点 淬火 人工时效因为自然时效时间太长50 60天 且自然时效有较大的应力腐蚀倾向 超硬铝合金为Al Zn Mg Cu系合金 并含有少量铬和锰 其强化相除 相和S相外 还有MgZn2 相 和A12Mg3Zn3 T相 等 时效强化效果超过硬铝合金 是时效后强度最高的一种铝合金 超硬铝合金的热态塑性和焊接性能好 固溶加热温度范围宽 350 500 但抗蚀性差 可通过包覆纯铝解决 常用合金有7A04 LC4 7A09 LC9 等 主要用于工作温度较低 受力较大的结构件 如飞机的大梁 起落架等 Al Mg Si Cu系合金具有优良的锻造工艺性能 热处理特点 自然时效很难达到最大的强化效果 必须采用人工时效 4 锻铝合金LD2 LD5 LD6 LD10 锻铝合金有两类 一类是A1 Mg Si Cu系合金 常在人工时效状态下使用 镁和硅的作用是形成强化相Mg2Si 铜的作用是抑制停放效应 停放效应是指合金固溶处理后在室温停留 使随后人工时效的强化效果下降的现象 少量的锰和铬可提高抗蚀性 细化晶粒 常用牌号有6A02 LD2 2A50 LD5 2850 LD6 和2A14 LDl0 等 这类合金可锻性好 力学性能高 主要用于制造形状复杂的锻件和模锻件 如喷气发动机的压气机叶轮 导风轮及飞机上的接头 框架 支杆等 另一类是Al Cu Mg Fe Ni系耐热锻铝合金 铁和镍同时加入可形成不含铜且热稳定性好的强化相Al9FeNi 提高合金的耐热性 常用牌号有2A70 LD7 2A80 LD8 和2A90 LD9 等 这类合金耐热性较好 主要用于制造150 225 下工作的零件 如压气机叶片 超音速飞机的蒙皮等 八 常用铸造铝合金 1 Al Si系铸造铝合金 硅铝明 a 简单硅铝明含11 13 Si 铸造后几乎全部得到共晶组织 因而流动性很好 铸造发生热裂的倾向小 但铸件致密度不高 可采用压铸 增加致密度 b 特殊硅铝明为了增加铝合金强度 向合金加入能形成强化相CuAl2 相 Mg2Si 相 Al2CuMg S相 的合金元素Cu Mg 2 Al Cu系铸造铝合金合金中含有少量共晶组织 故铸造性能不好 抗蚀性及强度也低于硅铝明 应用较少 如 ZL203ZL201 3 Al Mg系铸造铝合金ZL301ZL302优点 耐蚀性好 强度高 密度小 2 55比纯铝还轻 缺点 铸造性能差 4 Al Zn系铸造铝合金ZL401优点 铸造性能好 强度高 铸造冷却时自行淬火 经时效后就有较高的强度 价格低 缺点 抗蚀性差 热裂倾向大 8 3铜及合金 一 铜的性质 1 具有面心晶格 无同素异构转变 2 密度8 94 熔点1083 无磁性 3 导电 导热性好 仅次于银 金属导电性排序 Ag Cu Au Mg Zn Ni Cd Co Fe Pt Sn Pb 4 具有较高的化学稳定性在大气 淡水中均有优良的抗蚀性 在温水中抗蚀性较差 在大多非氧性介质中 HF HCl 抗蚀性较好 而在氧化性介质中 HNO3 H2SO4 易被腐蚀 5 优良的成型加工性 可焊性 塑性 强度较低 HB 3 5 b 200 240MN m2 50 s 60 70MN m2 6 冷变形加工可显著提高纯铜的强度和硬度 但塑性 导电率降低 经退火后可消除加工硬化现象 7 某些特殊机械性能优良的减摩性和耐磨性 高的弹性极限和疲劳极限 二 杂质对铜性能的影响 工业纯铜常见杂质 氧 硫 铅 铋 砷 磷等 这些杂质的存在 均使铜的导电率降低 1 热脆现象 产生原因 铅 铋杂质存在 铅 铋与铜能形成熔点很低的共晶体 Cu Bi 270 Cu Pb 326 且沿晶界分布 热加工时 820 860 晶界熔化 热脆 因此应严格控制Pb Bi含量 Pb 0 005 0 03 Bi 0 002 0 003 机理 2 冷脆现象 产生原因 硫 氧杂质存在 硫 氧与铜形成共晶体 Cu Cu2S 1067 Cu Cu2O 1065 且沿晶界分布 熔点较高 不会引起热脆 但Cu2S Cu2O属于脆性化合物 冷加工时易产生脆性开裂 因此应严格控制S O含量 S 0 0015 O 0 0015 0 05 3 铜的氢病 含有氧的纯铜在含有氢气或一氧化碳等还原性气氛中加热时 氢气及一氧化碳气体会渗入Cu中 与氧发生反应 形成不溶于Cu的水蒸汽和二氧化碳 2H O2 2H2O 2CO O2 2CO2 在局部产生很大的应力 造成微裂纹 使Cu在随后的加工或使用过程中发生断裂 这种现象称为铜的氢病 故含氧铜应在氧化性气氛中进行退火 热加工 三 工业纯铜的表示方法T 顺序号TU 顺序号TU P工业纯铜无氧铜脱氧铜脱氧剂PT1 T4TU1 TU2TUP磷脱氧铜TUMn锰脱氧铜 纯铜 纯铜退火状态 强度低 塑性好 b 250 270Mpa 35 45 经强烈冷加工变形后 强度升高 而塑性急剧降低 b 400 500Mpa 1 3 不能用作受力的结构材料 工业纯铜主要用导电 导热 兼有抗腐蚀性的器材 如电线 电缆 电器开关等 无氧铜主要作真空器件 四 铜的合金化 纯铜的强度不高 b 200 240 s 60 70 50 虽然冷加工硬化可以适当提高强度 但是Cu的塑性 导电率下降 因此常加入合金元素提高铜的强度 铜合金按其化学成分可分为黄铜 青铜 白铜三大类 1 固溶强化加入Zn Sn Al Ni等合金元素 形成铜的固溶体 固溶强化 使铜的强度升高 2 时效强化Be Si Zn等在Cu中的溶解度随温度的降低而降低 使合金具有时效强化的功能 3 过剩相强化合金元素的加入量超过铜的最大溶解度时 便产生过剩相 使合金强度提高 但过剩相数量太多时 合金脆化 强度下降 4 细化晶粒强化Cu中加入少量Fe Ni等合金元素 能细化晶粒 提高机械强度 五 黄铜 黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金 具有良好的机械性能 易加工成型 对大气 海水有相当好的抗蚀能力 是应用最广的重要有色金属材料 按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类 按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类 1 普通黄铜 普通黄铜 就是Cu Zn二元合金 当Zn含量 35 时组织为单相 Zn含量 35 而 47 时组织为 两相 工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47 单相黄铜 室温组织为单相 的黄铜又称单相黄铜 强度较低 塑性特别好 适于压力加工 常用代号有H80 H70 H68 其中H70 H68强度较高 大量用作枪弹壳和炮弹筒 故有 弹壳黄铜 之称 双相黄铜 黄铜又称双相黄铜 强度高 塑性差 常用H59 H62用作水管 油管 散热器等 Cu Zn二元合金 a相是以铜为基的固溶体 面心立方晶格 塑性好 当锌量增加时 强度 塑性均提高 在Zn30 附近有一伸长率的峰值 继续增大锌量 伸长率开始下降 当锌量达32 39 时 组织开始出现 相 相是以电子化合物CuZn为基的固溶体 体心立方晶格 在456 468 间发生有序化转变 高温无序的 相塑性好 可以承受压力加工 室温下的有序 相塑性差 不能承受压力加工 但强 度 硬度高 因此室温下的强度继续增加 直至Zn45 附近出现峰值 Zn量超过45 后 进人 相区 强度 伸长率均剧烈下降 已不适于作为结构材料 铸造黄铜基本上都是a 两相组织 可根据不同需要选择不同的a 比例 确定最佳含锌量 需要高塑性时取大比值 需要高强度时取小比值 黄铜的力学性能与含锌量的关系图 普通黄铜的组织特征图 单相黄铜H68 双相黄铜H59 常用的黄铜应用 金奖黄铜 H90 弹壳黄铜 H70 H68 日用黄铜 H62 H59 冷凝器管 2 特殊黄铜 在普通黄铜的基础上加入Al Fe Si Mn Pb Sn Ni等元素 形成特殊黄铜 它们比普通黄铜具有更高的强度 硬度 抗腐蚀性能 3 黄铜的腐蚀 1 脱锌腐蚀铸造黄铜的主要缺点是脱锌腐蚀 在海水或带有电解质的腐蚀介质中工作时 电极电位较低的富锌相 与富铜的a相之间产生相间电流 相成为微电池的阳极而被腐蚀脱锌 最后 相只剩下铜的骨架 成为构件断裂的根源 使用时必须采取措施 防止脱锌腐蚀 2 黄铜的 季裂 虽然黄铜具有优良抗蚀性 但当零件以冷压力加工 挤压 冲压 弯曲等 成形时 由于其中有残余内应力存在 在氨 湿气 海水作用下 极易出现应力腐蚀开裂现象 称为黄铜的 季裂 为了防止这种现象 冷压力加工后的黄铜零件 如弹壳等 必须进行消除内应力的退火 250 300 保温1h以上 4 黄铜的铸造性能良好Zn38 时 由于结晶温度间隙较小 流动性好 5 黄铜的表示方法H80HPb59 1普通黄铜含Cu80 Cu59 Pb1 表示含Pb1 特殊黄铜ZHAl67 2 5 表示含Al2 5 Cu67 的铸造黄铜 HSn70 1 表示含Sn1 Cu70 的特殊黄铜 海洋黄铜 防脱锌 六 青铜 青铜是人类历史上应用最早的一种合金 我国公元前2000多年的夏 商时期就开始使用青铜铸造钟 鼎 武器 镜等 经对出土汉镜进行分析 成分如下 Cu 65 70 Sn 24 26 Pb 1 9 Zn 0 5 金相组织几乎完全是Cu31Sn8 相 颜色呈青灰色 故称青铜 青铜最早是指Cu Sn合金 后来把Cu Al Cu Si Cu Be Cu Mn Cu Pb合金都称为青铜 为了区别 分别称为铝青铜 硅青铜 铅青铜等 1 锡青铜 a 组织Cu Sn合金相图非常复杂 由几个包晶转变和共析转变组成 转变产物有 等相 相 Sn在Cu中的置换固溶体 具有面心立方晶格 塑性良好 适于冷热变形加工 相 以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体 电子浓度3 2 体心立方晶格 586 以上稳定存在 塑性良好 适于热加工 586 发生共析反应 形成 相 塑性急剧降低 相 以电子化合物为基的固溶体 晶格结构尚未确定 只能在520 以上稳定存在 520 发生共析反应 分解为 相 相 以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体 电子浓度21 13 具有复杂立方晶格 硬而脆 相很稳定 在350 发生共析转变 形成 相 但转变速度极其缓慢 一般很难进行 只有经70 80 的变形 数千小时退火 才能完成转变 故称 相是青铜的基本室温组织 相 以电子化合物Cu3Sn为基的固溶体 密排六方晶格 既硬又脆 在青铜中无使用价值 b Sn含量对青铜性能的影响 Sn含量较低时 7 时 由于组织中出现 相 塑性急剧降低 Sn 20 时 不仅塑性降低 强度也急剧下降 Cu Sn两元合金相图 锡对锡青铜力学性能的影响如图所示 锡含量较少时 锡含量的增加使强度和塑性增大 约含Sn 7 后合金中出现硬脆的 相 塑性急剧下降 但强度继续增高 当约含Sn为20 后 大量的 相使强度显著下降 合金变得很硬而脆 无使用价值 工业中使用的锡青铜 大多含Sn为3 14 之间 含Sn10 的锡青铜适于铸造 锡原子在铜中的扩散比较困难 生产条件下的铜锡合金的组织 与平衡状态的相差很远 在一般铸造状态下 只有约含Sn 6 的锡青铜能获得 单相组织 约含Sn 6 组织中出现 共析体 故工业上锡青铜Sn含量在3 14 范围 压力加工锡青铜 6 7 Sn铸造锡青铜 10 14 Sn 锡青铜在大气 海水 淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好 但在盐酸 硫酸及氨水中的抗蚀性较差 此外 为了改善锡青铜的性能 还加入Zn Pb P等元素 Zn的加入提高铸造性能 Pb可提高耐磨性和切削加工性 P可提高弹性极限等 主要用作耐蚀耐磨 防磁的零件 如仪器上的弹簧簧片 轴承 齿轮等 c 锡青铜的铸造性Sn 3 14 范围内 青铜的结晶温度间隔很大 流动性差 易产生偏析 铸造性能差 但铸造收缩率很小 是有色合金中收缩率最小的合金 可用来生产形状复杂 气密性要求不高的铸件 d 其它合金元素 磷 锌 铅等 P 脱氧 0 02 0 035 改善铸造性能 提高强度Zn 节约部分锡 缩小合金结晶温度间隔 改善铸造性能 提高铸件气密性 Pb 提高耐磨性 e 青铜的其它性能良好的抗蚀性 除酸外 优于纯铜和黄铜 无磁性 冲击不产生火