模块九 非铁合金PPT课件

1、 课题一 铝合金 任务提出 飞机螺旋桨是飞机的重要部件，在发动机驱动下高速旋转，为飞机飞行提供动力，试根据飞机的工作特点和螺旋桨的性能要求，选择其制造材料和热处理方法。图91为飞机螺旋桨。 第1页/共33页图9-1 飞机螺旋桨 第2页/共33页 任务分析 在飞机制造中，由于飞机在空中飞行，不仅要求材料具有良好的力学性能，而且还要求其具有较高的比强度(强度与密度之比)。选用比强度高的材料，可以最大限度地减轻运行机械的自重，减小能源消耗，提高运行机械的运载能力。铝合金具有一定的强度和良好的塑性，其密度仅为钢材料的三分之一，比强度较高。因此，在飞机零件制造中得到了广泛应用。 第3页/共33页相关知识

2、 铝具有一系列比其他非铁金属、钢铁和塑料等更优良的特性，如密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3；优良的导电性、导热性；良好的耐蚀性；优良的塑性和加工性能等。但纯铝的力学性能不高，不适合作为承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素，制成铝合金。铝合金仍保持纯铝的密度小和耐蚀性好的特点，且力学性能比纯铝高得多。经热处理后铝合金的力学性能可以和钢铁材料相媲美。 第4页/共33页 一、铝合金分类 铝合金中常加入的元素为铜（Cu）、锌（Zn）、镁（Mg）、硅（Si）、锰（Mn）以及稀土（RE）元素等。这些合金元素在固态铝中的溶解度一般都是有限的。所以铝合金的组织

3、中除了形成铝基固溶体外，还有第二相出现。以铝为基的二元合金大都按共晶相图结晶，如图92所示。加入的合金元素不同，在铝基固溶体中的极限溶解度也不同，固溶度随温度变化以及合金共晶点的位置也各不相同。根据成分和加工工艺特点，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金。 第5页/共33页图92 铝合金分类示意图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 第6页/共33页二、铝合金的热处理 1铝合金的热处理特点 热处理可强化的铝合金加热到相区，保温后在水中快冷，得到过饱和的固溶体，这种热处理工艺称为铝合金的淬火（或固溶处理）。 淬火后的铝合金，其强度、硬度并没有明显升高，而塑性

4、却显著改善。如果在室温下停留相当长的时间，它的强度、硬度才显著提高，同时塑性下降。淬火后，铝合金的力学性能随时间而发生显著变化的现象称为时效或时效强化。室温下进行的时效称为自然时效，加热条件下进行时效称为人工时效。 第7页/共33页 2时效原理 铝合金时效过程中性能的变化，是由于在固溶处理及时效后其组织结构发生变化引起的。 以Cu含量为4%的铝合金为例来简要说明，固溶处理后的铝合金形成过饱和的单相固溶体，晶格歪扭不严重，故其强度、硬度升高不多，但过饱和固溶体是不稳定的，有逐渐向稳定状态转变的趋势。在短时自然时效或低温人工时效后，固溶体中的铜原子通过扩散逐渐集中到固溶体的某些区域，形成大量富铜区

5、，引起晶格严重畸变，阻碍位错运动，使铝合金强度、硬度升高，时间越长，富集区越大，晶格畸变越严重，强度、硬度越高。第8页/共33页 三、变形铝合金 1变形铝及铝合金牌号表示方法 根据新制定的GB/T 164741996“变形铝及铝合金牌号表示方法”，未与国际四位数字体系牌号的变形铝合金接轨，采用四位字符牌号命名，并按要求注册化学成分。 四位字符体系牌号的第一、第三、第四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母(C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外)。牌号的第一位数字表示组别，见表91。除改型合金外，铝合金组别按主要合金元素来确定。 铝合金的牌号用28系列表示。牌号的最后两位数字没有特殊意义，仅用来

6、区别同一组中不同的铝合金。牌号第二位的字母表示原始合金的改型情况，A表示原始合金；BY表示原始合金的改型合金。如2A06表示主要合金元素为铜的6号原始铝合金。第9页/共33页 2常用变形铝合金 （1）非热处理强化的铝合金 非热处理强化的铝合金又称防锈铝合金，原先牌号为LF。防锈铝合金包括AlMn和AlMg两个合金系。防锈铝合金牌号用“3A”或“5A”加一组顺序号表示。常用的防锈铝合金有3A21（LF21）、5A02（LF2）、5A03（LF3）等。这类合金具有优良的抗腐蚀性能，并有良好的焊接性和塑性，适合于压力加工和焊接。这类合金不能热处理强化，一般只能用冷变形来强化。由于防锈铝的切削加工性能

7、差，故适合于制作焊接管道、容器、铆钉、各种生活用具以及其他冷变形零件。 （2）热处理强化铝合金 热处理强化铝合金是通过淬火、时效等工艺提高力学性能。经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔化焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能(主要是抗拉强度)严重下降。热处理强化铝合金包括硬铝（原先牌号为LY）、超硬铝（原先牌号为LC）、锻铝（原先牌号为LD）等。第10页/共33页 3.变形铝合金的热处理 （1）退火 为了消除冷变形产生的残余应力，铝合金可进行退火，其加热温度一般为200300。为了消除加工硬化，可进行中间退火（即再结晶退火），加热温度应在再结晶温度以上，一般用350415。

8、（2）淬火与时效 淬火与时效是铝合金的最后热处理。变形铝合金的淬火温度较低，一般在500左右，且淬火温度范围很窄，波动范围为515。形状简单、尺寸小的零件，用1030水冷，形状复杂的零件用6080的热水冷却。 一般硬铝用自然时效，时间为4天以上。超硬铝及锻铝一般用人工时效。 （3）回归处理 对自然时效后的铝合金，为了恢复其塑性，以利于继续加工或适应返修的需要，应进行回归处理，即重新加热到200270，短时保温，使强化相重新溶入固溶体，然后在水中急冷，可使铝合金恢复塑性。第11页/共33页 四、铸造铝合金 1铸造铝合金的牌号 铸造铝合金的牌号用“铸铝”二字的汉语拼音字首“ZL”加三位数字表示。第

9、一位数字是合金的系别，按GB/T 11731995表示，见表9-2。第二位和第三位数字是合金的顺序号。例如ZL102表示2号AlSi系铸造合金。 2.常用铸造铝合金 （1）铸造铝硅合金 铸造铝硅合金用途很广，含硅的共晶合金是铸造铝合金中流动性最好的。铸造铝硅合金具有密度小，小的铸造收缩率和优良的焊接性、耐蚀性以及足够的力学性能。但合金的致密度较小，适合制造致密度要求不太高的、形状复杂的铸件。共晶组织中硅晶体呈粗针状或片状，过共晶合金中还有少量初生硅，呈块状。这种共晶组织塑性较低，需要细化组织。第12页/共33页 3.铸造铝合金的热处理 （1）退火 不能通过热处理强化的铸造铝合金，只进行退火，目

10、的是消除铸造应力和机加过程中引起的加工硬化，提高塑性，退火温度一般为280300，保温24小时，经淬火时效的铸造铝合金，也可进行软化退火，一般加热到29010，保温35小时后出炉空冷。 （2）淬火 铝合金铸件一般由各零件制造厂自行配方，与变形铝合金相比，其化学成分控制精度相对差一些。杂质含量较多时，易出现低熔点共晶组织。铸件在铸造冷却过程中各部位冷却速度不一致，组织差异较大，合金的强度和塑性较低。第13页/共33页 淬火时，温度选择要比最大溶解度温度略低一些，以防止合金过热。保温时间要比变形铝合金长，一般为数小时至数十小时，以防粗大的过剩相不能完全溶解。 淬火冷却时水温应控制在60100之间，

11、防止冷却速度过快，导致零件变形或开裂。 （3）时效 自然时效12个月才能使合金的强度接近最大值，因此需要采用人工时效使合金强化，人工时效后均在空气中冷却。出于不同的应用目的，人工时效工艺也有区别。有完全人工时效，以获得最大的强化效果为目的；不完全人工时效，以获得较高的塑性，保持一定程度的强化效果为目的；稳定化时效，以获得良好的稳定组织和性能为目的。 第14页/共33页任务实施选择飞机螺旋桨制造材料 飞机螺旋桨受力较大，但工作温度不高，要求其有较马的强度、塑性和韧性。根据以上知识，可选用硬铝合金LYll (2All)或LV12 (2Al2)。硬铝合金需要进行时效处理，才能使其力学性能满足要求。

12、第15页/共33页综合训练 1纯铝的性能特点是什么？ 2画出铝合金分类示意图，说明哪些是变形铝合金、哪些是铸造铝合金？那些铝合金可热处理强化、哪些铝合金不可热处理强化？ 3防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金及铝-硅合金各属于哪类铝合金？举例说明其牌号、强化方法及用途。 第16页/共33页课题二铜合金 任务提出 图95为一枚子弹。在生产中，子弹的弹壳通常采用冷冲压工艺制造。试选择弹壳的材料。图95 子弹 第17页/共33页 任务分析 弹壳外形细长，常采用冷冲压工艺制造，属变形深度较大的冲压件，要求制造材料具有良好的冷塑性变形能力；由于弹药爆炸时对壳体产生强烈冲击作用，因此，又要求其具有一

13、定的强度和韧性；同时，为了保证其正常使用，还应具有良好的耐蚀性。 钢虽然强度较高，但塑性变形能力有限，无法满足深度变形加工要求；而铝合金虽然塑性较好，但强度往往较低，难以满足使用性能要求。 那么，什么材料不但具有非常好的冷变形能力，而且还有足够的强度和韧度，同时也有一定的耐蚀性? 第18页/共33页 相关知识 铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一。由于铜具有优良的性能及美丽的色泽而被广泛用于电缆、电器和电子设备的导电材料、各种热交换器的传热材料、建筑材料以及装饰品等。随着科学技术的发展，使用范围不断扩大。 纯铜尽管有很多可贵的性能，但它的强度低，导电导热性能、弹性和切削性能远远满足不了

14、工业发展的需要。因此，铜合金得到了广泛的使用。铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜和白铜三大类。 这里主要介绍黄铜和青铜。 第19页/共33页一、黄铜 1.普通黄铜 （1）普通黄铜的牌号 普通黄铜的牌号用“黄”字的汉语拼音字头“H”后面加铜含量表示。如H62表示含62%Cu、38%Zn的普通黄铜。 （2）普通黄铜的组织 铜锌二元合金相图见图96，相是锌在铜中的固溶体。锌在固态铜中的溶解度变化不同于一般合金，它随温度的降低而增大。在903时, Zn溶解度32.5%；在456，Zn最大溶解度为39.O%。 （3）普通黄铜的性能 Zn含量对黄铜的物理、力学与工艺性能有很大的影响。随着Zn含量的增加，黄铜

15、的导电、导热性及密度降低，而线膨胀系数提高。 第20页/共33页 2. 特殊黄铜 为了改善和提高黄铜的耐蚀性能、力学性能和切削加工性能等，在普通黄铜中加入少量的Si、Al、Pb、Sn、Mn、Fe和Ni等元素形成特殊黄铜。加入合金元素后，改变了黄铜的组织，从而改变了其性能。 （1） 特殊黄铜的牌号 特殊黄铜的牌号用“H”加主添元素的化学符号再加铜含量和添加元素的含量表示。如HMn582表示58%Cu、2%Mn的特殊黄铜。 （2）锡黄铜 锡黄铜是在普通黄铜中加入0.5%1.5%的Sn，它可提高合金的强度和硬度以及在海水中的耐蚀性。此外，能改善黄铜的切削加工性能。锡黄铜主要以管材、棒材、板材大量用于

16、舰艇制造工业，如冷凝管、船舶零件、船舰焊接件的焊条等，故有海军黄铜之称。但有应力腐蚀破裂倾向，可采用低温退火440470提高应力腐蚀抗力。常用的有HSn621等。 第21页/共33页 （3）硅黄铜 硅黄铜是普通黄铜中加1.5%4%的Si所形成的，硅黄铜能显著提高黄铜在大气及海水中的耐蚀性能以及应力腐蚀破裂能力，改善合金的铸造性能，并能与钢铁焊接。His803硅黄铜显微组织为十,它具有较高的力学性能和优良的耐蚀性能，适宜冷、热加工或压铸。且在超低温(-183)仍具有较高的强度和韧性。主要用于舰船制造和其他工业中的耐蚀零件和接触蒸汽的配件等。常用的有His803等。 （4）铅黄铜 铅黄铜分单相及双

17、相十，HPb743是单相铅黄铜, Pb呈细小质点分布在晶界；而HPb591是双相(十)铅黄铜。 （5）锰黄铜 锰黄铜是在黄铜中加入一定量的有细化晶粒的作用锰所形成的，并能在不降低塑性的条件下，提高合金的强度、硬度和在海水及热蒸汽中的耐蚀性能。因而，含1%4%的锰黄铜得到了广泛的应用。如HMn58-2用于制造海船零件及电讯器材。 第22页/共33页 3铸造黄铜 铸造用黄铜的牌号用“铸”字的汉语拼音字头“Z”再加铜的化学符号和主添元素的化学符号及含量表示。如ZCuZn38表示: Cu为基体元素, Zn为主要合金元素,“38”为锌的平均质量分数，即表示含38%Zn的铸造黄铜。 由于液相线与固相线间隔

18、小，因而黄铜有良好的铸造性能，即流动性高，偏析倾向小，适用于铸造复杂和精致的铸造制品。 常用铸造黄铜ZCuZn38、ZCuZn25Al6Fe3Mn3、ZCuZn40Mn3Fe1。ZCuZn38用于制造一般结构件及耐蚀零件；ZCuZn25Al6Fe3Mn3、ZCuZn40Mn3Fe1广泛用于造船等工业，如ZCuZn40Mn3Fe1锰黄铜可用于制造螺旋桨。第23页/共33页 4黄铜的热处理 由于铜无同素异构转变，且铜锌二元合金相图中铜的溶解度随温度降低而增大，故普通黄铜不能热处理强化。因此，黄铜的热处理主要采用再结晶退火和去应力退火。 （1）再结晶退火 再结晶退火可分为中间再结晶退火和最终再结晶退

19、火。中间再结晶退火其目的是消除冷变形强化恢复塑性，以利于下一道冷加工工序的进行。成品最终再结晶退火，是指成品最终一次退火，其目的是使产品的性能满足使用条件的要求，改善再结晶组织及均匀性。 （2）去应力退火 去应力退火通常是在制品加工完成后进行的。主要作用是去除铸件、焊接件及冷成型制品的内应力，以防止制品变形与开裂及提高弹性。 第24页/共33页二、青铜 1.青铜的牌号及表示方法 青铜是人类历史上最早应用的一种合金。青铜最早指的是铜锡合金。但近几十年来，在工业上应用了大量的含Al、Si、Be、Mn和Sn的铜基合金，这些也称青铜。为了加以区别，通常把铜锡合金称为锡青铜(普通青铜)，其他称为无锡青铜

20、(特殊青铜)。 青铜牌号的表示方法是:“青”字的汉语拼音字头“Q”加上第一个主加元素的化学符号及含量再加上其他合金元素的含量。如QSn43表示含4%Sn,3%Zn的锡青铜；QAl5表示含5%Al的铝青铜。铸造青铜的牌号为:“Z”表示铸造,“Cu”表示铜基体元素符号。如ZCuPb30表示铸造铅青铜, Pb的平均含量为30%。 第25页/共33页 2.锡青铜 锡青铜是以Sn为主加元素的铜合金，是历史上应用最早的一种合金。锡青铜有较高的强度、耐蚀性和良好的铸造性能。Sn是比较缺少和昂贵的金属，除特殊情况外，一般很少使用锡青铜。 （1）锡青铜的组织及性能 铜锡二元合金相图如图98所示。它是由几个包晶转

21、变和共晶转变所组成，其转变产物有、等相。 （2）常用锡青铜 按生产方法，锡青铜可分为压力加工锡青铜与铸造锡青铜两类。 压力加工锡青铜适宜制造仪表上要求耐蚀及耐磨的零件、弹性件、抗磁件及机械中的轴承、轴套等。常用的锡青铜有QSn43（Sn-Zn青铜）、QSn44.22.5（Sn-Zn-Pb青铜）、QSn6.50.1（杂质0.1%）、QSn70.2（杂质0.2%）等。 第26页/共33页 铸造锡青铜是由铸造车间熔炼浇注成铸件使用，其Sn的含量一般均较压力加工锡青铜高，使它具有良好的铸造性能，适宜铸造形状复杂但致密程度要求不高的铸件。 这类合金是良好的减摩材料，并有一定的耐磨性，适宜制造机床中滑动轴

22、承、蜗轮、齿轮等零件。又因耐蚀性好，故也可制造蒸汽管等。常用的铸造锡青铜有常用的铸造锡青铜有ZCuSn3Zn11Pb4、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuSn10P1、ZCuSn10Zn2等。 （3）锡青铜的热处理 锡青铜经铸造均匀化退火后，得到单相组织，故锡青铜通常不进行热处理强化。根据锡青铜的使用目的、加工方法，通常进行均匀化退火、再结晶退火和去应力退火。一般铸件通常加热到625725，保温16h均匀化退火；加工锡青铜在冷变形工序之间与黄铜一样，要进行中间再结晶退火，消除形变强化；用作弹性零件的锡青铜，只能进行去应力退火，退火温度为250300。 第27页/共33页 3.铝青铜 铝青铜是以A

23、l为主加元素的铜合金。铝青铜是特殊青铜的一种，是应用最广泛的一种铜合金，也是锡青铜的重要替代品。由于铝青铜的结晶温度范围窄，集中缩孔大，铸造性能和焊接性能比较差。但能获得致密的、偏析小的铸件，故其力学性能比锡青铜高。铝青铜的耐蚀性高于锡青铜和黄铜，并有较高的耐热性。 为进一步提高铝青铜的性能，常加入Fe、Mn、Ni等合金元素。Fe细化晶粒，提高其强度、硬度和韧性。Mn可因固溶强化提高强度。Ni可进一步提高耐蚀性。 铝青铜常用来制造强度、耐磨性要求较高的，且在大气、淡水、海水中具有一定耐蚀性能的弹性元件、耐磨零件等。如要求耐蚀的弹簧、齿轮、摩擦轮、蜗轮机构、轴承、轴套等。 常用的铝青铜有QAl7

24、、QAl94（AlFe青铜）、QAl1031.5（AlFeMn青铜）。 第28页/共33页 4铍青铜 以Be为主加元素的铜合金，称为铍青铜。Be的含量为1.62.5%。铍青铜中除了Be外，还加入少量的Ni、Ti、Mg等合金元素。铍青铜通过淬火和时效，可以具有很高的强度（b=12001500MPa）、硬度（350400HBS）和弹性极限。并且铍青铜的导热性、导电性、耐寒性也非常好，同时还有抗磁、受冲击时不产生火花等特殊性能。 铍青铜在工业上主要用来制造精密仪表、仪器中各种重要的弹性件、耐蚀、耐磨零件（如钟表中的齿轮）、航海罗盘中零件及防爆工具。一般铍青铜是以压力加工后淬火状态供应，工厂制成零件后，只需进行时效即可。但铍青铜价格较贵，工艺复杂，限制了它的使用。 常用的铍青铜牌号有：QBe2、QBe1.7、QBe1.9、QBe1.90.1等。 第29页/共33页 任务实施 选择弹壳材料 在选择弹壳制造材料时，应满足以下两个方面的要求： 一是变形加工的要求。弹壳的加工方法属于深度变形加工，因此，要求材料具有很好的塑性和冷变形加工能力。 二是使用