汽车应用材料 课件 第4章 汽车用有色金属及其合金

第4章

汽车用有色金属及其合金●汽车应用材料第4章

汽车用有色金属及其合金【知识点】熟悉常用有色金属的分类、性能、牌号及应用。【技能点】了解汽车常用有色金属的性能要求；熟悉汽车上使用的有色金属的识别；学会汽车常用零部件选用有色金属的方法和应用。第4章

汽车用有色金属及其合金汽车上常用的有色金属主要有铝、铜及其合金和滑动轴承合金。近年来钛、镁、锌及其合金和粉末冶金材料的应用也日趋广泛。在工业生产中，通常把铁及其合金称为黑色金属，把黑色金属以外的其他金属称为有色金属。有色金属具有特殊的电、磁、热性能和耐腐蚀性、高的比强度(强度／密度)，它是实现汽车轻量化的理想材料，因而在现代汽车工业中得到了广泛的应用。4.1.1纯铝4.1.1.1纯铝的特性及应用纯铝的主要用途是代替贵重的铜制作导线、电缆、电器元件等，还可制作质轻、导热、耐大气腐蚀的器具及包覆材料。在汽车上常用于制作垫片、内外装饰件和铭牌等。工业纯铝导电性好，仅次于银、铜和金，居第四位；其导热性是铁的三倍；由于铝的表面能生成一层致密的氧化铝薄膜，可以阻止铝进一步氧化，因此其抗大气腐蚀性能好，但对酸、碱、盐的耐蚀性较差。纯铝具有极好的塑性(A＝30%～50%，Z＝80%)，容易加工成各种丝、线、棒、箔、片等型材。但纯铝强度、硬度很低(Rm=70～100MPa，20HBS)，焊接性能较差，一般不适宜制作各种结构件。4.1.1纯铝4.1.1.2纯铝的牌号铝的含量不低于99.00%时为纯铝，其牌号用1×××表示。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量，牌号的第二位字母表示原始纯铝的改型，如果是字母为A，则表示原始纯铝，如果是B～Y的其他字母，则表示为原始纯铝的改型，如牌号1A60的铝板，表示其最低铝的百分含量应为99.60%的原始纯铝。4.1.2铝合金铝合金在汽车上的应用日趋广泛，不仅可用于制造活塞、汽缸体、汽缸盖、连杆和进气歧管等发动机零件，还可用于制造轮毂、离合器壳、转向器壳和变速器拔叉等底盘零件，甚至车身、车架等也开始采用铝合金制造。常见铝合金制造的汽车零件如图4-1所示。图4-1常见铝合金制造的汽车零件4.1.2铝合金4.1.2.1变形铝合金变形铝合金的塑性好，变形抗力小，适合通过压力加工成型，通常在冶金厂加工成各种规格的型材，用于各种汽车零件的制造。按其化学成分与主要性能特点，变形铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种，其中防锈铝是不能热处理强化的铝合金。变形铝合金4.1.2铝合金4.1.2铝合金4.1.2.2铸造铝合金1.Al-Si系铸造铝合金2.Al-Cu系铸造铝合金3.Al-Mg系铸造铝合金4.Al-Zn系铸造铝合金4.1.2铝合金4.1.3铝及铝合金在汽车上的应用铝具有比强度高、耐腐蚀性优良、适合多种成型方法、较易再生利用等优点，是汽车工业应用较多的金属材料，特别是能源、环境、安全等方面的原因使对汽车轻量化的要求越来越迫切，使用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径，而铝是应用得比较成熟的轻量化材料。近20年来，铝在汽车上的用量和在汽车材料构成中所占份额都有明显的增加。由铝合金制造的零件已经遍及汽车的发动机、底盘、车身等各个部分。汽车上应用的铝合金以铸造铝合金为主，主要用于活塞、汽缸盖、汽缸体等零件。与铸铁比，铝的导热性能约高三倍，因而适于制造需要散热的热交换器零件上。此外铸造铝合金还用于制造离合器壳体、变速箱壳体、后桥壳、转向器壳体、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件，发动机部件，以及保险杠、车轮、发动机框架、转向节液压泵体、制动钳、油缸及制动盘等非发动机结构件，且今后有进一步扩大应用的趋势。发动机部件用铝合金制造轻量化效果最为明显，一般可减重30%以上。4.2铜及铜合金铜是人类历史上应用最早的金属，也是至今应用最广的有色金属之一。铜及铜合金具有优良的导电性、导热性，较强的抗大气腐蚀性和一定的力学性能，优良的减摩性和耐磨性并具有良好的加工性能，被广泛地应用在电气、仪表、汽车、造船及机械制造工业中。据统计，一辆载货汽车需用20kg左右的铜。汽车上使用的铜主要是纯铜、黄铜和青铜。4.2.1纯铜4.2.1.1纯铜的特性及应用工业用纯铜的含铜量高于99.95%，呈玫瑰红色。当表面生成氧化铜后，呈紫色，故又称紫铜。纯铜密度为8

96g/cm3，熔点为1083℃，具有优良的导电性和导热性，很高的化学稳定性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。但强度不高(Rm＝230～250MPa)，硬度很低(40～50HBS)，塑性很好(A＝45%～55%)。经冷塑性变形后，抗拉强度Rm可提高到400～500MPa，但伸长率A急剧下降到2%左右。由于工业纯铜强度、硬度低，不宜作受力的结构材料。在汽车上的应用主要是利用其导电性，制作电线、电缆和电气接头等电气元件；利用其导热性制作散热器等导热元件。此外，纯铜还可用于制作汽缸垫、进（排）气管垫、轴承衬垫和油管等。4.2.1纯铜4.2.1.2纯铜的牌号工业纯铜按杂质含量分为T1、T2、T3、T4四个牌号，其中T是“铜”字汉语拼音字首，数字表示顺序号，数字越大则纯度越低。4.2.2铜合金4.2.2铜合金4.2.2铜合金4.2.2铜合金4.2.2铜合金4.2.2铜合金4.2.3铜和铜合金在汽车上的应用铜和铜合金在汽车上主要用于制作散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、电器元件、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。其中H68用于散热器夹片、散热器本体主片、暖风散热器主片等；HPb59-1用于化油器配制针、制动阀阀座、曲轴箱通风阀座、储气筒放水阀本体及安全阀座等；ZCuPb30用于曲轴轴瓦、曲轴止推垫圈等；QSn4-4-2.5用于活塞销衬套、发动机摇臂衬套等；ZCuSn5Pb5Zn5用于离心式润滑油滤清器上、下轴承。图4-2汽车散热器4.3滑动轴承合金轴承是重要的机械零件，有滚动轴承和滑动轴承两类。滑动轴承合金是制造滑动轴承的轴瓦及内衬的材料。汽车发动机中曲轴轴承、连杆轴承、凸轮轴轴承等都采用滑动轴承。常见的轴瓦结构如图4-3所示。图4-3常见的轴瓦结构4.3.1滑动轴承合金的特点及分类4.3.1.1滑动轴承合金的特点与要求当轴在轴承中旋转时，轴承表面不仅要承受一定的交变荷载，而且还与轴发生强烈的摩擦。为了减少轴的磨损，保证轴承正常工作，滑动轴承合金应具有以下性能：足够的强度、硬度和耐磨性；足够的塑性和韧性；较小的摩擦系数和高度磨合能力；良好的导热性、抗腐蚀性和低的膨胀系数等。为了满足以上要求，滑动轴承合金理想的组织应该是软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。若组织是软基体上分布硬质点，当轴运转时软基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上支撑着轴颈，使轴和轴瓦的接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴和轴瓦之间的摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。另外，软基体能承受冲击和振动，使轴和轴瓦能很好的磨合，还能起嵌藏外来硬质点的作用，以保证轴颈不被擦伤。图4-4所示为滑动轴承合金的组织示意图。4.3.1滑动轴承合金的特点及分类图4-4滑动轴承合金的组织示意图4.3.1滑动轴承合金的特点及分类4.3.1.2滑动轴承合金的分类及牌号常用的滑动轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金、铜基轴承合金等。滑动轴承合金一般在铸态下工作，其牌号以“铸”字汉语拼音字首Z开头，表示方法为“Z+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素符号+辅加元素含量……”。例如，ZSnSb12Pb10Cu4即表示含Sb为12％、含Pb为10%、含Cu为4％的锡基轴承合金。4.3.2常用滑动轴承合金4.3.2.1锡基轴承合金(锡基巴氏合金)概念锡基轴承合金也称为锡基巴氏合金。它是以锡为基础合金，辅加适量的锑、铜、铅等元素而形成的一种软基体硬质点类型的滑动轴承合金。最常用的牌号是ZSnSb11Cu6。4.3.2常用滑动轴承合金锡基轴承合金的摩擦系数和膨胀系数小，塑性和导热性好，适于制作最重要的轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。但锡基轴承合金的疲劳强度较低，许用温度也较低(不高于150℃)。常用锡基轴承合金的牌号及用途见表4-5。4.3.2常用滑动轴承合金4.3.2.2铅基轴承合全概念铅基轴承合金也称为铅基巴氏合金，是以Pb为基础合金，辅加锑、铜、锡等元素而形成的一种软基体硬质点类型的滑动轴承合金。常用牌号是ZPbSb16Cu2。4.3.2常用滑动轴承合金铅基轴承合金的铸造性能和耐磨性较好(但比锡基轴承合金低)，价格较便宜，可用于制造中、低荷载的轴瓦。例如，汽车、拖拉机曲轴的轴承等。常用铅基轴承合金的牌号及用途见表4-6。4.3.2常用滑动轴承合金4.3.2.3铜基轴承合金铜基轴承合金包括铅青铜、锡青铜等，常用合金牌号为ZCuPb30、ZCuSn10Pb1等。ZCuPb30是硬基体Cu上分布软质点的轴承合金，润滑性能好，摩擦系数小，耐磨性好，铅青铜还具有良好的耐冲击能力和疲劳强度，并能长期工作在较高的温度(250℃～320℃)下，导热性优异。常用于高荷载、高速度的滑动轴承，如航空发动机、高速柴油机轴承等。铅青铜的强度较低，实际使用时也常和铅基巴氏合金一样在钢轴瓦上浇铸成内衬，进一步发挥其特性。ZCuSn10Pb1是在软基体上分布硬质点的轴承合金。这类合金具有高强度，耐磨性好，适宜制造中速及受较大固定荷载的轴承，如电动机、泵、机床用轴瓦，也可用于高速柴油机轴承。4.3.2常用滑动轴承合金4.3.2.4铝基轴承合金铝基轴承合金是以铝为基本元素，加入适量的锑、铜、锡等元素组成的合金。铝基轴承合金分为高锡铝基轴承合金、低锡铝基轴承合金和铝镁锑轴承合金等，其中20高锡铝基轴承合金是目前汽车上广泛应用的轴承合金，它是以铝为基体，加入20%的锡和1%的铜组成的合金，是一种新型的减磨材料，具有较高的承载能力、良好的耐磨性和导热性，价格较低等优点，可以替代锡基轴承合金，用于制造曲轴轴瓦和连杆轴瓦。但它的线膨胀系数大，运行时容易与轴咬合，装配时应留较大的间隙，以防止轴颈被擦伤。4.4.1钛及钛合金4.4.1.1纯钛纯钛是银白色金属，密度为4.5g/cm3，熔点高达1688℃，是一种高熔点的轻金属。钛有两种同素异构体，在882.5℃以上为体心立方晶格的β-Ti，882

5℃以下为密排六方晶格的α-Ti。纯钛塑性好、强度低，容易加工成型，可制成细丝和薄片。在大气和海水中有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都很稳定，钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。4.4.1钛及钛合金4.4.1.1纯钛钛的性能受杂质的影响很大，少量的杂质就会使钛的强度激增，塑性显著下降。工业纯钛中常存杂质有N、H、O、Fe、Mg等。根据杂质含量，工业纯钛有三个等级牌号TA1、TA2、TA3，“T”为“钛”字汉语拼音字首，其后顺序数字越大，表示纯度越低。工业纯钛因其密度小和耐腐性，因此是航空航天、船舶、化工等工业中常用的结构材料。常用于制作350℃以下工作、强度要求不高的零件及冲压件，如飞机蒙皮、构架、隔热板，石油化工用热交换器、海水净化装置及船舰零部件。4.4.1钛及钛合金4.4.1.2钛合金纯钛的强度很低，价格昂贵，为提高其强度，常在钛中加入合金元素制成钛合金。按其组织类型的不同，钛合金分为α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金。其代号分别用TA、TB、TC加序号表示。4.4.1钛及钛合金1.α型钛合金钛中加入铝、硼等元素获得α型钛合金。α型钛合金的室温强度低于β型钛合金和α＋β型钛合金，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。α型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)。α型钛合金的典型的牌号是TA7，使用温度不超过500℃，主要用于制造航空发动机压气机叶片和管道，导弹的燃料缸，超音速飞机的涡轮机匣及火箭、飞船的高压低温容器等。4.4.1钛及钛合金2.β型钛合金1钛中加入钼、铬、钒、锰等元素得到β型钛合金。β型钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。2β型钛合金的典型牌号为TB1，一般在350℃以下使用，适于制造压气机叶片、轴、轮盘等重载的回转件，以及飞机构件等。4.4.1钛及钛合金3.α＋β型钛合金α＋β型钛合金塑性好，高温强度高，耐腐蚀，具有良好的低温工作性能，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α＋β型钛合金，由于强度高，塑性好，在400℃时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并有良好的抗海水腐蚀及抗热盐腐蚀的能力，所以适于制造在400℃以下长期工作的零件，对高温强度有一定要求的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的液氢燃料箱部件等。钛合金适于制造汽车发动机气门弹簧、气门和发动机连杆等，在底盘部件主要为弹簧、半轴和紧固件等。用钛合金制造板簧与用抗拉强度达2100MPa的高强度钢相比，可降低自重20%。钛和钛合金由于其价格高，应用受到一定的限制。所以降低成本是未来钛合金的研制和生产工艺开发的重点。4.4.2镁及镁合金4.4.2.1纯镁纯镁是银白色金属，密度为1.74g/cm3，相当于铝的2/3，是工业用金属中密度最小的。纯镁具有很高的化学活性，耐腐蚀性很差，强度和塑性均较低，一般不直接用作结构材料。4.4.2镁及镁合金4.4.2.2镁合金纯镁的力学性能较低，实际应用时，一般在纯镁中加入一些合金元素，制成镁合金。镁合金中通过加入合金元素，产生固溶强化、时效强化及细晶强化作用，以提高镁合金的力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能。镁合金中常加入的合金元素有铝、锌、锰、锆及稀土元素等。铝和锌可起固溶强化作用，锰可改善耐热性和耐蚀性。镁合金经热处理后(固溶+时效)，强度可达300~500MPa，比强度高于铝合金。另外，镁合金减振性好，切削加工性优良。但镁合金耐蚀性差，常常需要采取保护措施。4.4.2