金属冶炼与成型加工第十三章[教学内容]

1、第二节 钛及钛合金 第十三章 有色金属及合金 第三节 铜及铜合金 第四节 轴承合金 第一节 铝及铝合金 1优学课堂 第一节 铝及铝合金 纯铝导电性和导热性良好，仅次于银和铜。室温 导电率约为纯铜导电率的65%，按单位质量的导电能力 计算，其导电能力是铜的二倍。因此，大量用Al代替 Cu制作导线。 铝由于在其表面能形成致密的Al2O3保护膜，因而 在空气或其他介质中具有良好的耐蚀性。纯度越高， 铝的耐蚀性越好。 铝具有面心立方结构，塑性高、强度低，因此纯 铝和许多铝合金可以进行各种冷、热加工，能轧制成 很薄的铝箔和冷拔成极细的丝，焊接性能亦良好。经 冷变形或热处理可以显著提高纯铝及其合金的强度。

2、 一、铝及铝合金的性能特点及分类编号 2优学课堂 铝及铝合金的性能特点及分类编号 根据国家标准GB/T164741996规定，变形铝及 铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号。未命名 为国际四位数字体系牌号的变形铝及铝合金，应采 用四位字符牌号命名。两种编号方法的第一位为阿 拉伯数字，表示铝及铝合金的组别。 3优学课堂 （一）形变强化 纯铝及不可热处理强化的铝合金，如Al-Mg、Al- Si和Al-Mn等合金，通常只能以退火或冷作硬化状态使 用。冷作硬化可使简单形状的工件强度提高，塑性下 降。经冷作硬化的铝合金，需进行再结晶退火，以达 到消除加工硬化和获得细小晶粒的目的。 二、铝合金的强化 4优

3、学课堂 铝合金的强化 可热处理强化的铝合金中，如Al-Cu、Al-Cu-Mg、 Al-Mg-Si等铝合金，Cu、Mg、Si等元素与Al能形成 CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg等金属化合物（强化相）。 这些强化相在铝中有较大溶解度，且随温度下降而 显著减小。因此，过饱和固溶体由于强化相在脱溶 过程中的某些中间状态具有特殊晶体结构，而使铝 合金得到强化。铝合金加热到单相区保温后，快速 冷却得到过饱和固溶体的热处理工艺叫固溶处理。 过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温， 随着时间延长，其强度和硬度升高，塑性和韧性下 降的现象叫做沉淀强化或时效硬化。 （二）沉淀强化 5优学课堂 铝合金的强

4、化 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固 溶强化作用，可使其强度提高。Al-Cu、Al-Mg、Al- Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固 溶体，并且均有较大的溶解度，因此具有较大的固 溶强化效果。 对于不可热处理强化或强化效果不大的铸造铝 合金和变形铝合金，可以通过加入微量合金元素细 化晶粒，提高铝合金的力学性能。 （三）固溶强化和细晶强化 6优学课堂 （一）不可热处理强化的变形铝合金 这类铝合金主要包括Al-Mn系和Al-Mg系合金。因 其主要性能特点是具有优良的耐蚀性，故称为防锈铝 合金。此外这类合金还具有良好的塑性和焊接性，适 宜制造需深冲、焊接和在腐蚀介质中工

5、作的零、部件。 三、变形铝合金 7优学课堂 变形铝合金 工业上得到广泛应用的可热处理强化变形铝合金 不是二元合金，而是成分更复杂的三元系和四元系合 金。主要有Al-Cu-Mg系、Al-Cu-Mn系合金（硬铝）； Al-Zn-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu系合金（超硬铝）；Al-Mg- Si系、Al-Mg-Si-Cu系合金（锻铝）。这些合金主要通 过时效硬化提高强度。 （二）可热处理强化的变形铝合金 8优学课堂 铸造铝合金除要求必要的力学性能和耐蚀性外， 还应具有良好的铸造性能，为此铸造铝合金比变形 铝合金含有较多的合金元素，可形成较多低熔点共 晶体以提高流动性，改善合金的铸造性能。 四、铸造铝

6、合金 9优学课堂 第二节 钛及钛合金 Ti的性质与其纯度有关，纯度越高，硬度和强 度越低。用Mg还原TiCl4制成的工业纯钛叫做海绵 钛（镁热法钛），其纯度可达99.5%；用TiI4分解 生产的钛（碘化法钛）属于高纯度钛，其纯度高达 99.9%。 Ti在固态下具有同素异晶转变。在882.5以 下为-Ti，具有密排六方晶格，在882.5以上直 至熔点为-Ti，具有体心立方晶格。 一、纯 钛 10优学课堂 钛有-Ti（密排六方）和-Ti（体心立方）两 种晶体结构。钛合金化的主要目的就是利用合金元素 对-Ti或-Ti的稳定作用，改变和相的组成， 从而控制钛合金的性能。 工业钛合金的主要合金元素有Al

7、、Sn、Zr、V、 Mo、Mn、Fe、Cr、Cu及Si等。 二、钛的合金化 11优学课堂 （一）钛合金 钛合金的主要合金元素是稳定元素Al，主 要起固溶强化作用，在500以下能显著提高合金的 耐热性。但Al含量wAl6%后会出现有序相Ti3Al而变 脆，因此，钛合金中的Al含量wAl很少超过6%。钛 合金有时也加入少量稳定元素，因此钛合金又 分为完全由单相组成的合金和稳定元素含量w 小于2%的类合金。钛合金不能通过热处理强化， 通常在退火或热轧状态下使用。 三、工业用钛合金 12优学课堂 工业用钛合金 （+）钛合金是同时加入稳定元素和稳 定元素，使和相都得到强化。加入w=4%6%的 稳定元素的

8、目的是得到足够数量的相，以改善 合金高温变形能力，并获得时效强化的能力。因此， （+）钛合金的性能特点是常温强度、耐热强度 及加工塑性比较好，并可进行热处理强化。但这类 合金组织不够稳定，焊接性能不及钛合金。 （二）（+）钛合金 13优学课堂 工业用钛合金 钛合金中含有大量稳定元素，在水冷或空 冷条件下可将相全部保留到室温。相系体心立 方结构，故合金具有优良的冷成形性，经时效处理， 从相中析出弥散相，合金强度显著提高，同时 具有高的断裂韧度。钛合金的另一特点是相淬 透性好，大型工件能够完全淬透。 （三）钛合金 14优学课堂 仅含单一稳定元素或中性元素的钛合金不能 热处理强化。 含稳定元素的钛合

9、金自高温快速冷却（淬火） 时，随着合金成分和热处理条件不同，相可以得到 马氏体（或）、或过冷等不同的亚稳定 相，从而改变合金的力学性能。这类钛合金可以进行 热处理强化。 四、钛合金的热处理 15优学课堂 第三节 铜及铜合金 纯铜又称紫铜，密度8.9103kg/m3，熔点 1083。纯铜有良好的导电性和导热性，在大气、 淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。纯铜具有面心 立方结构，无同素异构转变，塑性高而强度低， 伸长率=50%，强度b=240MPa。冷变形可使退 火纯铜的强度提高一倍以上，但却使塑性明显降 低，还使铜的导电性略微降低，因此纯铜可在加 工硬化状态下用作导线。 一、纯 铜 16优学课堂 以

10、锌作为主要合 金元素的铜合金称为 黄铜。简单的Cu-Zn合 金称为普通黄铜。图 13-14是Cu-Zn合金相 图。 二、黄 铜 图13-14 Cu-Zn合金相图 17优学课堂 （一）锡青铜 以锡为主加元素的铜 合金称为锡青铜。Cu-Sn合 金相图如图13-19所示。 三、青 铜 图13-19 Cu-Sn合金相图 18优学课堂 青 铜 以铝为主加元 素的铜合金称为铝 青铜。图13-21是 Cu-Al二元相图。 （二）铝青铜 图13-21 Cu-Al合金相图 19优学课堂 青 铜 铍青铜是wBe为1.7%2.5%的铜合金。铜内添加 少量的铍即能使合金性能发生很大变化。铍青铜热 处理后，可以获得很高

11、的强度和硬度，b=1250 1500MPa，硬度为350400HBW，远远超过其他所有 铜合金，甚至可以和高强度钢相媲美。与此同时， 铍青铜的弹性极限、疲劳极限、耐磨性、耐蚀性也 都很优异。此外，还具有良好的导电性、导热性和 耐蚀性以及无磁性、受冲击时不产生火花等一系列 优点。 （三）铍青铜 20优学课堂 第四节 轴 承 合 金 滑动轴承是汽车、拖拉机及机床等机械制造工业 中用以支撑轴进行工作的零件，是由轴承体和轴瓦组 成的。制造轴瓦及其内衬的耐磨合金叫做轴承合金。 轴在轴瓦中高速旋转时，必然发生强烈摩擦，同时轴 瓦还要承受轴颈传给它的周期性负荷。因此必然造成 轴和轴承的磨损。轴通常造价昂贵，

12、经常更换是不经 济的。选择满足一定性能要求的轴承合金可以确保轴 的最小磨损。 一、轴承合金的性能要求 21优学课堂 锡基轴承合金是以 锡为主加入少量锑、铜 等元素组成的合金。最 常用的锡基轴承合金是 ZSnSb11Cu6。 二、锡基轴承合金 图13-23 ZSnSb11Cu6合金显微组织 22优学课堂 铅基轴承合金是以 铅为主加入少量锑、锡、 铜等元素组成的合金， 可作锡基轴承合金的代 用品。其中以Pb-Sb系合 金应用最广。 Pb-Sb二元合金相图 （图13-24）具有共晶型 转变。 三、铅基轴承合金 图13-24 Pb-Sb合金相图 23优学课堂 铝基轴承合金是20世纪60年代发展起来的一

13、种 新型减摩材料。我国也已逐渐用它代替锡基、铅基 和铜基轴承合金，因而大量节约了工业用铜。铝基 轴承合金资源丰富，价格低廉，疲劳强度高，导热 性能好，其耐蚀性也不亚于锡锑巴氏合金。因此铝 基轴承合金广泛用于高速度、高载荷下工作的汽车、 拖拉机的柴油机轴承。 四、铝基轴承合金 24优学课堂 铝基轴承合金 （一）Al-Sb轴承合金 其成分中wSb=3.5%5、 wMg=0.3%0.7，余为Al。 由图13-26可见，wSb=4的 Al-Sb合金的组织为金属化 合物（AlSb）硬质点加软 基体（Al）。加入镁可形 成锑镁化合物硬质点并能使 针状的AlSb变为片状，改善 合金的塑性、韧性和强度。 图13-26 Al-Sb合金相图 25优学课堂 铝基轴承合金 （二）Al-Sn轴承合金 高锡铝基轴承合金具有更高的承载能力和疲劳强 度。它和低碳钢一起轧制成双金属轴瓦，可在压力为 28MPa、滑动线速度为13ms的条件下工作，其抗