《金属学与热处理》第九章 有色金属及硬质合金

第九章有色金属及硬质合金9.1铝及铝合金9.2铜及铜合金9.3钛及钛合金9.4滑动轴承合金9.5硬质合金9.1铝及铝合金

铝及铝合金是有色金属中应用最广的一类金属材料，其产量仅次于钢铁材料，广泛用于电气、车辆、化工、航空等部门。铝及铝合金的组别表示方法见表9-1。

根据新国家标准《变形铝及铝合金牌号表示方法》中的规定，我国变形铝及铝合金采用国际四位数字体系牌号和四位字符体系牌号两种命名方法。按化学成分已在国际牌号注册组织注册命名的铝及铝合金，直接采用四位数字体系牌号;国际牌号注册组织未命名的，则按四位字符体系牌号命名。两种牌号命名方法的区别仅在第二位。牌号中第一位数字表示铝及铝合金的组别，见表9-1;牌号中第二位数字(国际四位数字体系)或字母(四位数字体系，除字母C,I,L,N,Q,P,Z)外表示原始纯铝或铝合金的改型情况，数字0或字母A表示原始纯铝和原始合金，如果是1~9或B~Y中的一个，则表示为改型情况;最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金，纯铝则表示铝的最低百分含量中小数点后面的两位。下一页返回9.1铝及铝合金

在新旧牌号命名标准的过渡时期，国内原GB3190-1982中使用的牌号仍可继续使用。

一、铝纯铝是银白色的金属，是自然界储量最丰富的金属元素。铝及其合金具有如下优良的性能。

.密度为2.72x103kg/m³，仅为铁的1/3，是一种轻型金属;.导电性好，仅次于银、铜;.具有较好的杭大气腐蚀能力(纯铭表面总形成致密的氧化膜);.具有较好的加工工艺性能，它的塑性好，可以冷、热变形加工，但不能通过热处理强化，冷变形是其提高强度的唯一方法。铝中常见的杂质是铁和硅，杂质越多，铝的导电性、耐蚀性及塑性越低。工业纯铝按杂质的含量分为一号铝、二号铝……

上一页下一页返回9.1铝及铝合金纯铝主要用于配制各种铝合金，代替铜制作电线或电缆，以及制作要求质轻、导热、耐大气腐蚀而强度不高的器具。

表9-2是工业纯铝的牌号、化学成分和用途。二、铝合金纯铝的强度很低(σb=80~100MPa)，但加入适量的硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，形成铝合金，再经过冷变形和热处理后，强度可以明显提高(σb=500~600MPa)。

1.铝合金的分类铝合金按其成分和工艺特点不同可分为:变形铝合金和铸造铝合金。铝合金一般均具有图9-1所示的相图。从相图中可以看出，若铝合金中溶质B含量低于最大溶解度点D，则在加热时形成单相σ固溶体，这类合金的塑性好，适于压力加工。变形铝合金中溶质B含量在F点以左的合金，冷却时其组织不随温度变化，故不能用热处理强化，称为热处理不能强化的铝合金;而溶质B含量在F一D点之间的铝合金，其σ固溶体中溶质的含量将随温度而变化，这类合金可以通过热处理强化其性能，故称为热处理能强化的铝合金。上一页下一页返回9.1铝及铝合金含量位于D点右边的铝合金，由于结晶时有共晶组织存在，这类合金的凝固温度低，塑性差，但充型时流动性好，适于铸造，故称为铸造铝合金。铸造铝合金用于铸造成型零件的毛坯。

2.铝合金的热处理在图9-1所示的相图中，将B溶质含量在D一F之间的铝合金加热到σ相区，经保温后迅速水冷(这种淬火称固溶处理)，在室温下得到过饱和的σ固溶体。这种组织是不稳定的，在室温下放置或低温加热时，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向，而使强度和硬度明显提高，这种现象称为时效。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。例如，含铜4%并有少量的镁、锰元素的铝合金，经固溶处理后获得过饱和的a固溶体，经时效后，其强度从处理前的180-200MPa提高到400MPa。图9-2为其自然时效曲线。

由图可知，自然时效在最初一段时间(2h)内，铝合金的强度变化不大，这段时间称为孕育期。在这段时间内，合金的塑性较好，可进行冷加工(如铆接、弯形等)，随时间的延长，铝合金才逐渐强化。上一页下一页返回9.1铝及铝合金

3.常用的铝合金

(1)变形铝合金按其主要性能特点可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金4类。现将新旧铝合金的牌号、力学性能及用途列于表9-3。

防锈铝合金属于不能热处理强化的铝合金，常采用冷变形方法强化。主要合金元素有锰、镁。锰的作用是固溶强化和提高耐蚀性，镁的作用是固溶强化和降低合金密度。这类铝合金具有适中的强度、优良的塑性和良好的焊接性，并具有很好的抗蚀性，常用于制造油罐、各式容器等。其他3类变形铝合金都属于能热处理强化的铝合金。其中硬铝合金属于Al-Cu-Mg系列，超硬铝合金属于Al-Cu-Mg-Zn系列。铝中加入铜、镁、锌是为了得到热处理强化所必需的溶质组元和第二相。经固溶、时效后，这些合金的强度较高，其中超硬铝合金的强化效果最突出，但耐腐蚀性比纯铝差。锻铝合金属于Al-Mg-Si-Cu系列，合金元素含量少，具有良好的热塑性，适用于热压力加工制造零件，一般在锻造后再热处理，有较好的力学性能，但有晶间腐蚀倾向。上一页下一页返回9.1铝及铝合金

(2)铸造铝合金铸造铝合金的种类很多，常用的有铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系合金。铝硅合金是最常用的铸造铝合金，俗称硅铝明。常用的铝硅合金含硅量为4.5%~13%。

图9-3是铝硅合金相图。当硅含量为11.6%时，在577℃发生共晶反应生成共晶体(α+β)。这种合金有着优良的铸造性能，是目前工业上常用的铸造铝合金之一，广泛用来制造形状复杂的零件。在铝硅合金的共晶组织中，硅呈粗大片状，所以合金的抗拉强度很低，伸长率也不高。为了改善铝硅合金的力学性能，可对合金进行变质处理。通过变质处理，硅晶体成为极细小的粒状，均匀分布在铝基体上，从而提高了合金的力学性能。上一页下一页返回9.1铝及铝合金

为了进一步提高铝硅合金的强度，还可加入铜、镁等元素，通过淬火、时效的方法提高强度。铸造铝合金的代号用“铸铝”两字的汉语拼音字母的字头“ZL"及后面3位数字表示。第一位数字表示铝合金的类别(1为铝硅合金，2为铝铜合金，3为铝镁合金，4为铝锌合金);后两位数字表示合金的顺序号。常用铸造铝合金的牌号、代号、力学性能和用途如表9-4所示。上一页返回9.2铜及铜合金

铜元素在地球中的储量较少，但铜及其合金却是人类历史上使用最早的金属。

一、纯铜纯铜呈玫瑰红色，表面氧化后呈紫色，故又称为紫铜。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，强度不高(σb=200~250Mpa)，硬度较低(40~50HBS)，但塑性非常好(δ=45%~50%)，适于冷、热压力加工。纯铜的密度为8.96x103kg/m³，熔点为1083℃，其导电性和导热性仅次于金和银，是最常用的导电、导热材料。纯铜的化学稳定性很好，在大气及海水中有良好的抗蚀性能。铜中常含有0.05%~0.30%的杂质(主要是铅、铋、氧、硫和磷等)，它们对钢的力学性能和工艺性能有很大的影响，尤其是铅和秘的危害最大。由于铜的强度不高，很少用于制造机械零件，一般用冷加工方法制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金等。铜加工产品按化学成分不同可分为纯铜和无氧铜两类，表9-5为铜加工产品的牌号、化学成分和用途。下一页返回9.2铜及铜合金二、铜合金工业上广泛采用的是铜合金。常用的铜合金可分为黄铜、白铜和青铜3类。

1.黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金。按照化学成分的不同黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜。

(1)普通黄铜普通黄铜又分为单相黄铜和双相黄铜两类:当锌含量小于39%时，锌全部熔于铜中形成α固溶体，即单相黄铜;当锌含量大于等于39%时除了有α固溶体外，组织中还出现以化合物CuZn为基体的β固溶体，即α+β的双相黄铜。锌合量对黄铜力学性能的影响如图9-4所示。锌含量在32%以下时，随锌含量的增加，黄铜的强度和塑性不断提高，当锌含量达到30%一32%时，黄铜的塑性最好。当锌含量超过39%以后，由于出现了β相，强度继续升高，但塑性迅速下降。当锌含量大于45%以后，强度也开始急剧下降，在生产中已无实用价值。单相黄铜塑性很好，适于冷、热变形加工。双相黄铜强度高，热状态下塑性良好，故适于热变形加工。上一页下一页返回9.2铜及铜合金普通黄铜的牌号用“H'，加上数字表示。其中“H”表示普通黄铜的“黄”字汉语拼音字母的字头，数字表示平均含铜量的百分数。

(2)特殊黄铜在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的合金，称为特殊黄铜。特殊黄铜常加入的合金元素有锡、硅、锰、铅和铝等，分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜和铝黄铜等。铅使黄铜的力学性能恶化，但却能改善其切削工艺性能。硅能提高黄铜的强度和硬度，与铅一起还能提高黄铜的耐磨性。锡提高了黄铜的强度和在海水中的抗蚀性，加人合金元素锡的特殊黄铜又称海军黄铜。特殊黄铜的代号由“H+主加元素的元素符号(锌除外)+铜含量的百分数+主加元素含量的百分数”组成。例如HPb59-1表示铜含量为59%，铅含量为1%的铅黄铜。铸造黄铜具有良好的铸造性能，其熔点较低，结晶温度范围较小，金属的流动性好，铸造的偏析倾向小，组织致密。铸造黄铜的代号表示方法由“ZCu+主加元素的元素符号+主加元素的含量+其他加入元素的元素符号及含量”组成。例如ZCuZn38,ZCuZn40Mn2等。上一页下一页返回9.2铜及铜合金

常用黄铜的牌号、力学性能和用途如表9-6所示。

2.白铜白铜是以镍为主加元素的铜合金。普通白铜是铜镍二元合金;特殊白铜是在铜镍合金中加入其他元素，如锌白铜、锰白铜、铁白铜等。

3.青铜除了黄铜和白铜(铜和镍的合金)外，其他所有的铜基合金都称为青铜。按主加元素种类的不同，青铜可分为锡青铜、铝青铜、钗青铜和硅青铜等。青铜的代号由“Q+主加元素的元素符号及含量+其他加入元素的含量”组成，其中“Q”表示青铜的“青”字汉语拼音字母的字头。例如QSn4-3表示含锡4%，含锌3%，其余为铜的锡青铜。QA17表示含铝7%，其余为铜的铝青铜。铸造青铜的牌号表示方法和铸造黄铜的牌号表示方法相同。

(1)锡青铜锡能溶于铜形成α固溶体，但比锌在铜中的溶解度小得多(小于14%)。由于锡青铜在生产条件下不易得到平衡状态，因此，在铸造状态下，含锡量超过6%时就可能出现(a+δ)共析体(δ是一个硬而脆的相)。上一页下一页返回9.2铜及铜合金

锡对铸态青铜力学性能的影响如图9-5所示。由图可见，铝含量较小时，随着锡含量的增加，青铜的强度和塑性增加，当锡含量超过5%~6%时，因合金中出现δ相而塑性急剧下降，强度仍然高。当含锡量大于10%时，塑性已显著降低。当含锡量大于20%后，大量的δ相使强度显著降低，合金变得硬而脆，已无使用价值。故工业用的锡青铜，其含锡量一般在3%~14%。

锡青铜具有良好的减磨性、抗磁性和低温韧性，在大气及海水中的耐蚀性好，故广泛用于制造耐蚀零件。在锡青铜中加入磷、锌、铅等元素，可以改善锡青铜的耐磨性、铸造性及切削加工性，使其性能更佳。锡青铜在铸造时，因体积收缩小，易形成分散细小的缩孔，可铸造形状复杂的铸件，但铸件的致密性差，在高压下易渗漏，故不适合制造密封性要求高的铸件。通常含锡量小于8%的锡青铜，具有较好的塑性和适当的强度，适于压力加工，可用于制造仪表上要求耐腐蚀及耐磨的零件、弹性零件、抗磁零件、机器中的轴承和轴套等。含锡量大于10%的锡青铜，由于塑性较差，只适用于铸造形状复杂但致密性要求不高的铸件，如机床中的滑动轴承、涡轮、齿轮、水管附件等。上一页下一页返回9.2铜及铜合金

(2)铝青铜通常铝青铜的含铝量为5%-12%。铝青铜价格便宜，色泽美观，具有比黄铜和锡青铜具有更好的耐蚀性、耐磨性和耐热性，并具有更好的力学性能，还可以进行淬火和回火以进一步强化其性能，常用来铸造承受重载、耐蚀和耐磨的零件。

(3)铍青铜常用铍青铜的含铍量为1.7%-2.5%。铍在铜中的溶解度随温度的增加而增加，因此，铍青铜经淬火后加以人工时效可获得很高的强度、硬度、抗蚀性和抗疲劳性，还具有良好的导电性和导热性，是一种综合性能很好的结构材料。铍青铜主要用于制造精密仪器、仪表中各种重要用途的弹性元件、耐腐蚀及耐磨零件、航海罗盘零件、防暴工具等。由于铍青铜价格昂贵，工艺复杂，所以其在使用上受到限制。

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(4)硅青铜硅青铜具有很高的力学性能和耐蚀性能，并具有良好的铸造性能和冷、热变形加工性能，常用来制造耐蚀和耐磨零件。铸造锡青铜结晶温度间隔大，流动性较差，不易形成集中性缩孔，容易形成分散性的微缩孔，是有色金属中铸造收缩率最小的合金，适于铸造对外形及尺寸要求较高的铸件及形状复杂、壁厚较大的零件。常用的铸造锡青铜有:ZCuSn10Zn1,ZCuPb30等。常用青铜的牌号、力学性能和用途如表9-7所示。上一页返回9.3钛及钛合金

钛及钛合金是20世纪50年代出现的一种新型结构材料。钛在地壳中的储量极为丰富，仅次于铝、铁、镁，居第四位。它的主要特点是密度小而强度高，其强度比目前任何其他金属材料都高，并且高温和低温性能都很好，耐腐蚀性与铬镍不锈钢相当。广泛应用于航天、化工、造船和国防工业生产中，并逐渐应用于日常工业制品上，是重要的新型材料。

一、钛纯钛是银白色的金属，密度小(4.58x103kg/m³)，熔点高(1677℃)，热膨胀系数小。钛塑性好，强度低，容易加工成型，可制成细丝、薄片;在550℃以下有很好的抗腐蚀性，不易氧化，在海水和水蒸气中的抗腐蚀能力比铝合金、不锈钢和镍合金还高。钛具有同素异构现象，在882℃以下为密排六方晶格，称为α一钛(α一Ti);在882℃以上为体心立方晶格，称为β一钛(β一Ti)。工业纯钛的牌号有TA1,TA2,TA3这3种，顺序号越大，杂质含量越高，强度、硬度越高，塑性、韧性越差。工业纯钛的牌号、力学性能和用途如表9-8所示。下一页返回9.3钛及钛合金

二、钛合金为了提高钛的强度和耐热性能，常加人铝、锡、铜、铬、钼、钒等合金元素形成钛合金。常用的钛合金有以下3类。

1.α一钛合金它的主要合金元素有铝和锡。由于此类合金的α一钛向β一钛转变温度较高，因而在室温或较高温度时，均为单相α固溶体组织，不能热处理强化。常温下，它的硬度低于其他钛合金，但高温(500℃~600℃)条件下其强度最高，α一钛合金组织稳定，焊接性良好。

2.β一钛合金铜、铬、钼、钒和铁等都是β相的稳定元素，在正火或淬火时容易将高温刀相保留到室温组织，得到较稳定的β相组织。这类合金具有良好的塑性，在540℃以下具有较高的强度，但其生产工艺复杂，合金密度大，故在生产中用途不广。

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3.(a+β)一钛合金这类合金除含有铬、钼、钒等β相稳定元素外，还含有锡、铝等α相稳定元素。在冷却到一定温度时，发生β→α相转变，室温下为(α+β)两相组织。

(α+β)一钛合金的强度、耐热性和塑性都比较好，并可以热处理强化，应用范围较广。应用最广的是钛铝钒合金，它具有较高的强度和良好的塑性。在400℃时，组织稳定，强度较高，抗海水腐蚀能力强。钛合金的牌号用“T+合金类别代号+顺序号”表示，T是“钛”字汉语拼音的字首，合金类别代号分别用A,B,C来表示α型、β型、(α+β)型钛合金。例如，TA5表示5号α型钛合金;TC10表示10号(α+β)型钛合金。常用钛合金的牌号、力学性能和用途如表9-9所示。上一页返回9.4滑动轴承合金

滑动轴承合金是用于制造滑动轴承中轴瓦及内衬的合金材料。滑动轴承承载面积大，运转平稳、无噪声，制造、维修及更换方便，所以是机床、汽车和拖拉机等机械中的重要零件之一。

一、轴承合金的组织特征为满足上述要求，轴承合金的理想组织应软硬兼备。目前，轴承合金由两种类型的组织。

1.在软基体上分布着硬质点软基体组织的塑性高，能与轴颈较好磨合，并承受轴承的冲击。软基体被磨损形成凹面，硬质点相对凸起支承着轴颈。软基体的凹陷面可储存润滑油，使轴颈和轴瓦之间形成油膜，以减小摩擦，从而减小轴颈与轴瓦的磨损，如图9-6所示。属于这类组织的轴承合金有锡基轴承合金和铅基轴承合金。

2.在硬基体上均匀分布着软质点下一页返回9.4滑动轴承合金

在硬基体(其硬度低于轴颈硬度)上均匀分布软质点的组织，能承受较高的载荷及转速，但磨合性较差，属于这类组织的轴承合金有铜基、铝基轴承合金以及铸铁等。

二、常用轴承合金常用的轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金和铝基轴承合金3类。

1.锡基轴承合金(锡基巴氏合金)

锡基轴承合金是以锡为基，加入锑、铜等元素组成的合金。锑能溶于锡而形成α固溶体，又能生成化合物(SnSb)。铜与锡也能生成化合物(Cu6Sn5)。图9-7为锡基轴承合金的显微组织，图中暗色部分为α固溶体，作为软基体。白色方块为化合物SnSb、白色针状或星状的为化合物Cu6Sn5，作为硬质点。这种轴承合金具有适中的硬度、小的摩擦系数、较好的塑性及韧性、优良的导热性和耐蚀性等优点。常用于重要的轴承，如发动机、汽轮机、压缩机中的高速轴承。由于锡是较贵的金属，因此妨碍了它的广泛应用。

上一页下一页返回9.4滑动轴承合金这类合金的代号表示方法为:"Z(“铸”字汉语拼音字母的字头)+基体元素和主加元素的元掌符号+主加元素与辅加元素的含量”。如ZSnSbll-6为锡基轴承合金，主加元素锑的含量为11%，辅加元素铜的含量为6%，其余为锡。

2.铅基轴承合金(铅基巴氏合金)

铅基轴承合金通常是以铅、锑为基，加入锡、铜等元素组成的轴承合金。它的组织中软基体为共晶组织(α

+β)，硬质点是白色方块状的化合物SnSb及白色针状的化合物Cu2Sn。铅基轴承合金的强度、硬度、韧性均低于锡基轴承合金，且摩擦因数较大，故只用于中等负荷的轴承，如汽车、拖拉机中的曲轴轴承及电动机轴承等。由于其价格便宜，在可能的情况下，应尽量用其代替锡基轴承合金。铅基轴承合金的牌号表示方法与锡基轴承合金相同。例如ZPbSb16-16-2，其中铅为基体元素，锑为主加元素，其含量为16%，辅加元素锡的含量为16%，铜的含量为2%，其余为铅。常用锡基轴承合金和铅基轴承合金的牌号、力学性能和用途如表9-10所示。上一页下一页返回9.4滑动轴承合金

3.铝基轴承合金目前采用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和高锡铝基轴承合金。这类合金并不直接浇铸成型，而是采用铝基轴承合金带与低碳钢带(08钢)一起轧成双金属带料，然后制成轴承。铝锑镁轴承合金以铝为基，加入锑3.5%~4.5%和镁0.3%~0.7%。在其组织中，软基体为共晶组织(Al+SbAl)，硬质点为金属化合物SbAl。由于镁的加入可使针状的SbAl改变为片状，从而改善合金的塑性和韧性，提高屈服点。目前这种合金已大量应用在低速柴油机等的轴承上。高锡铝基轴承合金以铝为基，加入约20%锡和1%铜。它的组织实际上是在硬基体上分布着软质点。在合金中加入铜，以使其溶入铝中进一步强化基体，使轴承合金具有高的抗疲劳强度，良好的耐热、耐磨和抗蚀性。这种合金已在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。上一页下一页返回9.4滑动轴承合金

4.铜基轴承合金常用的铜基轴承合金是铅青铜，如ZCuPb30，其显微组织由硬基体(铜)和软质点(铅颗粒)组成。铅青铜具有高的疲劳强度和承载能力，由高的导热性和低的摩擦系数，可在250℃下工作。铅青铜适宜制造高速、重载荷下工作的轴承，如航空发动机、高速柴油机及其他高速机器中的主要轴承等。另外，锡青铜也是常用的铜基轴承合金，如ZCuSn10P1。可用于制造中等速度及受较大固定载荷作用的轴承，如电动机、水泵、金属切削机床中的轴承。

5.珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁也是常用的滑动轴承制作材料，它的显微组织是由硬基体(珠光体)和软质点(石墨)组成，石墨还可以起润滑作用。铸铁轴承可以承受较大的压力，价格便宜，但摩擦系数较大，导热性较低，故只适于制造低速的不重要的轴承。上一页返回9.5硬质合金

随着现代工业的飞速发展，切削速度不断提高，不少刀具在加工机械材料时刃部工作温度已超过700℃，一般高速钢的热硬性已不能满足其使用要求。因此，须开发和使用更为优良的新型工具材料—硬质合金。

一、硬质合金生产简介硬质合金是将一种或多种难熔金属碳化物和金属赫结剂，用粉末冶金方法制成的金属材料。即将难熔的高硬度的WC(碳化钨),TiC碳化钛),TaC碳化钽)和钴、镍等金属(赫结剂)粉末经均匀混合、压模压制成型，再在高温下烧结制成。

二、硬质合金的性能特点

.硬度高、热硬性高、耐磨性好。硬质合金在室温下的硬度可达86~93HRA，在900-1000℃温度下仍然有较高的硬度，故硬质合金刀具在使用时，其切削速度比高速钢高4~10倍，刀具寿命可提高5-8倍;下一页返回9.5硬质合金

.杭压强度比高速钢高，但杭弯强度只有高速钢的1/2一1/3,韧性差(为淬火钢的30%-50%);.耐腐蚀性、杭氧化性好，热膨胀系数低，导热性差，切削加工困难。在机械制造行业中，硬质合金主要用于制造刀具、冷作模具、量具及耐磨零件等。

三、常用的硬质台金按成分与性能特点不同，常用的硬质合金有以下3类。

1.钨钻类硬质合金它的主要成分为碳化钨及钴。其代号用“硬”“钴”两字的汉语拼音字母字头“YG”加数字表示，数字表示含钻量的百分数。例如YG8，表示钨钴类硬质合金，含钴量为8%。

2.钨钴钛类硬质合金上一页下一页返回9.5硬质合金

它的主要成分为碳化钨、碳化钛及钴。其代号用“硬”“钛”两字的汉语拼音字母字头“YT”加数字表示，数字表示碳化钛的百分数。例如YT5，表示钨钻钛类硬质合金，含碳化钛量为5%。