《金属工艺学》-学习单元七非铁金属材料

教学要求

通过学习，学生应了解铝合金时效强化原理和滑动轴承合金的组织特性；

熟悉常用铝合金、铜合金、滑动轴承合金的牌号、性能、强化方法及用途；

了解粉末冶金方法及硬质合金的类型、牌号及应用。主要内容

第一节铝及铝合金

第二节铜及铜合金

第三节滑动轴承合金与硬质合金本章重点

常用铝合金、铜合金、滑动轴承合金的牌号、性能、强化方法及用途。第七章有色金属及其合金

工业上常用的金属材料中，通常称铁及其合金(钢铁)为黑色金属，其它的非铁金属及其合金则称为有色金属。有色金属由于它们具有许多良好的特殊性能，成为现代工业中不可缺少的材料。第一节铝及铝合金

一、工业纯铝

纯铝是银白色的轻金属，它密度小，熔点低(660℃)，具有良好的导电、导热性(仅次于银、铜)。铝在空气中极易氧化，生成一层致密的三氧化二铝薄膜，它能阻止铝进一步氧化，从而使铝在空气中具有良好的抗蚀能力。

铝的塑性高，强度、硬度低，可以进行冷、热压力加工。通过加工硬化，可使其强度提高到σb=150～250MPa，但塑性降低。

工业纯铝中ωA1

=99.7％～99.8％，杂质主要是铁和硅。

工业纯铝的牌号是按其杂质含量来编制的。牌号有1070、1370、1050、1035、1200等，编号越大，杂质含量越高，纯度越低。

工业纯铝的主要用途是制作电线、电缆及强度要求不高的器皿。

二、常用铝合金

1．铝合金的分类及热处理

(1)铝合金的分类

根据铝合金的成分及生产工艺特点，铝合金分为：

变形铝合金和铸造铝合金两大类。

铝合金相图的一般类型如图所示。

成分位于D点左边的合金，当加热到固溶线以上时，可获得均匀单相的固溶体，其塑性好，易进行锻压，称为变形铝合金。

成分在D点右边的合金，由于共晶组织的存在，只适于铸造，称为铸造铝合金。

变形铝合金又分为两类。

成分在F点左边的合金，其固溶体的溶解度不随温度而变化，故不能用热处理方法强化，称为不能用热处理强化合金。

成分在F点右边的合金，其固溶体的溶解度随温度而变化，可用热处理方法强化，称为能用热处理强化合金。

(2)铝合金的热处理

将能热处理强化的变形铝合金加热到某一温度，保温获得均匀一致的固溶体后，在水中急冷下来，使α固溶体来不及发生脱溶反应。这样的热处理工艺称为铝合金的固溶处理。

经过固溶处理的铝合金，在常温下其固溶体处于不稳定的过饱和状态，具有析出第二相，过渡到稳定的非过饱和状态的趋向。由于不稳定固溶体在析出第二相过程中会导致晶格畸变，从而使合金的强度和硬度得到显著提高，而塑性则明显下降。

这种力学性能在固溶处理后随时间而发生显著变化的现象称为“时效强化”或“时效”。在室温下进行的时效称“自然时效”，在加热条件下(100～200℃)进行的时效称“人工时效”。

时效温度越高，则时效的过程越快，但强化的效果越差。

2．变形铝合金

(1)防锈铝合金。属于热处理不能强化的铝合金。主要有铝一锰系和铝一镁系合金。具有适中的强度、良好的塑性和抗蚀性，故称为防锈铝合金。主要用途是制造油罐、各种容器、防锈蒙皮等。

(2)硬铝合金。属于铝一铜一镁系和铝一铜一锰系。这类铝合金经淬火和时效处理后可获得相当高的强度，故称为硬铝。由于其耐蚀性差，有些硬铝板材在表面包一层纯铝后使用。硬铝可轧成板材、管材和型材，以制造较高负荷下的铆接与焊接零件。

(3)超硬铝合金。属于铝一铜一镁一锌系，是在硬铝的基础上再加锌而成，强度高于硬铝，故称为超硬铝合金。主要用于制造要求重量轻、受力较大的结构零件。

硬铝淬火后多用自然时效；超硬铝淬火后多用人工时效。

(4)锻造铝合金。大多属于铝一铜一镁一硅系。这类合金由于具有优良的锻造工艺性能，故称为锻造铝合金。主要用来制造各种锻件和模锻件。各类变形铝合金的性能、特点见教材中表8-1。

3．铸造铝合金

(1)常用铸造铝合金

铸造铝合金可分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系等四类。

铸造铝合金的代号用“ZL＋三位数字”表示，其中“ZL”表示“铸铝”；第一位数字表示合金类别：1为铝硅系，2为铝铜系，3为铝镁系，4为铝锌系；第二三位数字表示合金的顺序号。

铸造铝合金的牌号用“Z＋Al＋主要合金元素化学符号及其质量分数”表示，如ZAlSi12，表示ωSi=12％的铸造铝合金。

1)铝硅系合金(又称硅铝明)。是铸造铝合金中牌号最多、应用最广泛的一类。它具有良好的铸造性，可加入铜、镁、锰等元素使合金强化，并通过热处理进一步提高力学性能。这类合金可用作内燃机活塞、汽缸体、水冷的汽缸头、汽缸套、扇风机叶片、形状复杂的薄壁零件及电动机、仪表的外壳等。

2)铝铜系。铝铜合金强度较高，加入镍、锰更可提高耐热性，用于高强度或高温条件下工作的零件。

3)铝镁系。铝镁合金有良好的耐蚀性，可作腐蚀条件下工作的铸件，如氨用泵体、泵盖及海轮配件等。

4)铝锌系。铝锌合金有较高的强度，价格便宜，用于制造医疗器械零件、仪表零件和日用品等。部分铸造铝合金的牌号、力学性能、特点见教材中表8-2。

(2)铝合金的变质处理

铸造铝合金中一般有较多的共晶组织，这种组织粗大，导致铸件的性能降低。为了提高铸件的性能，往往需要对其进行变质处理。

变质处理：

在合金浇注前，向液态合金中加入占合金的质量分数为2％～3％的变质剂(2／3的氟化钠和1／3的氯化钠的混和物)

以细化共晶组织，从而显著提高合金的强度和塑性(强度提高30％～4％，伸长率提高1％～2％)。第二节铜及铜合金

一、工业纯铜

纯铜因其外观呈紫红色曾称为紫铜，密度为8.93×103kg／m3，熔点为1083℃，具有良好的塑性、导电性、导热性和耐蚀性，但强度较低(σb=200～250MPa)，不宜制作结构零件，而广泛用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金。我国工业纯铜的代号有T1、T2、T3三种。顺序号越大，纯度越低。T1、T2主要用来制造导电器材，或配制高级铜合金。T3主要用来配制普通铜合金，

二、常用铜合金

黄铜：是指以铜和锌为主的合金。普通黄铜是铜锌二元合金；在铜锌合金中加入硅、锡、铝、铅、锰等元素时称为特殊黄铜。青铜指除黄铜和白铜以外的铜合金。白铜是指铜和镍为主的合金。

1．黄铜

(1)普通黄铜。普通黄铜的牌号用“H”加数字表示，数字表示铜含量的质量分数。常用的牌号有：

1)H80。色泽美观，可以用来作装饰品，有金色黄铜之称。有较好的力学性能和冷、热加工性能，耐蚀性好。

2)H70。强度高，塑性好。冷成形性能好，可用深冲压的方法制作弹壳、散热器、垫片等零件，故有弹壳黄铜之称。因其铜与锌之比为7：3，亦称为7-3黄铜。

3)H62。有较高的强度，热状态下塑性良好，切削性能好，易焊接，耐腐蚀，价格较便宜，工业卜应用较多，如用作散热器、油管、垫片、螺钉等。

(2)特殊黄铜。这是在铜锌合金中加入硅、锡、铝、铅、锰等元素制成，依加入合金元素的名称分别称为硅黄铜、锡黄铜、铅黄铜等。特殊黄铜可分为压力加工与铸造用两种。

1)压力加工黄铜加入的合金元素较少，塑性较高，具有较高的变形能力。

编号方法是：

H+主添加元素符号十铜的质量分数+主添加元素的质量分数。

常用的有铅黄铜HPb59—1，铝黄铜HA159—3—2等。

HPb59—1

为含ωcu=59％，ωpb=1％，其余为锌的黄铜，它有良好的切削加工性，常用来制作各种结构零件，如销子、螺钉、螺母、衬套、垫圈等。

HA159—3—2为含ωcu=59％，ωA1=3％，ωNi=2％，其余为锌的黄铜。其耐蚀性较好，用于制作耐腐蚀零竹。

2)铸造用黄铜不要求很高的塑性，为提高强度度和铸造性能，可加入较多的合金元素；铸造黄铜的牌号的表示方法为：

Z（表示“铸”)+Cu+Zn及其含量+其它元素符号及其含量。

例如ZCuZn16Si4，表示铸造砖黄铜，ωZn=16%，ωSi=4％，余量为铜。

常用的特殊黄铜的牌号、成分，力学性能和用途列于教材中表8-3。

2．青铜

锡铜合金是人类历史上应用最早的合金，因其呈青黑色而称为青铜。

工业上应用了大量的不含锡而是含铝、硅、铅、铍，锰的铜基合金，称无锡青铜，它们与锡青铜统称青铜。

青铜又分为压力加工青铜和铸造青铜。压力加工青铜的牌号以“Q”表示，后跟元素符号，表明为何种青铜，再跟数字依次表示所添加元素的质量分数。

铸造青铜的牌号的表示方法为：Z(表示“铸”)+Cu+主加元素符号及其质量分数+其它元素符号及其质量分数。

常用青铜的成分、力学性能及用途见教材中表8-4。

(1)锡青铜。它具有良好的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和铸造性。当ωSn<5％～6％时塑性良好；超过5％～6％时，强度增加而塑性急剧下降；当ωSn>20％时，强度也急剧下降。

工业用锡青铜的ωSn均在3％～14％之间。ωSn<8％的锡青铜为压力加工锡青铜。它具有较好的塑性和适宜的强度，适用于压力加工，可加工成板材、带材等半成品。ωSn<10％的锡青铜塑性差，只适用于铸造。

锡青铜的抗腐蚀性比纯铜和黄铜都高，抗磨性能也很好，多用来制造耐磨零件(如轴瓦、轴套、蜗轮)和与酸、碱蒸气等接触的零件。

(2)铝青铜。实用的铝青铜ωA1一般在5％～11％之间。ωA1为5％～7％时塑性最高，ωA1为10％时强度最高。

铝青铜不但价格低廉、性能优良，其强度、硬度比黄铜和锡青铜都高，而且耐蚀性、耐磨性也高。铝青铜作为价格昂贵的锡青铜的代用品，常用来铸造承受重载的耐磨、耐蚀零件。

(3)铍青铜和钛青铜。以铍为主添加元素的铜合金称为铍青铜。它的ωBe=1.7％～2.5％之间。铍青铜有许多优良的性能：

1)经淬火时效强化后强度可达σb=1200～1500MPa，硬度为330～400HBW，远远超过其它合金；

2)其弹性极限、疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、导电性、导热性都很好；

3)具有耐寒、无磁性及冲击不产生火花等特性。

铍青铜主要用来制造各种精密仪器或仪表中的贵重弹簧及弹性元件和耐磨件等。

注意：铍青铜价格昂贵，工艺复杂，而且有毒，因而限制了它在工业上的应用。在铍青铜中加入钛元素，可减少铍的含量，降低成本，改善工艺。钛青铜的物理化学性能和力学性能都与铍青铜相似，但它生产工艺简单，无毒，价格便宜，是一种很有前途的新型高强度合金。

3．白铜

以镍为主要添加元素的铜合金称为白铜。

仅有铜、镍组成的二元合金称为普通白铜，含锰的铜镍合金称为锰白铜。

锰铜、康铜、考铜就是具有不同含锰量的锰白铜。

锰铜的牌号是BMn3—12；

康铜的牌号是BMn40—1.5；

考铜的牌号是BMn43—0.5。

“BMn”

表示锰白铜，后面的数字分别表示：镍+钴的平均质量分数和锰的平均质量分数。

锰白铜具有极高的电阻率，非常小的电阻温度系数，是制造电工测量仪器、变阻器、热电偶及电热器主要的材料。第三节滑动轴承合金

轴承是用来支撑轴进行工作的机械零件。

目前机器中所用的轴承主要有滚动轴承和滑动轴承两大类，虽然滚动轴承应用广泛，但滑动轴承具有承压面大、工作平稳、无噪声等优点，故常用于重载、高速的场合，如磨床主轴轴承、连杆轴承，发动机轴承等。

在滑动轴承中，制造轴瓦和轴瓦内衬的合金称为轴承合金。

一、轴承合金的组织特征

1．对轴承合金的性能要求

滑动轴承由轴承体和轴瓦组成，轴是机器上最重要的零件，价格昂贵，更换困难，所以应尽量使磨损发生在轴瓦上，故轴承合金应具有以下性能：

(1)足够的强度和塑性、韧性，以抵抗冲击和振动；

(2)适当的硬度，既能承受载荷又能减少轴的磨损；

(3)良好的能减磨性(摩擦系数小，并能保存润滑油)和磨合性；

(4)良好的导热性与耐蚀性；

(5)成本低廉，易于制造。

2、轴承合金的组织特征

理想的组织是软基体上分布有均匀的硬质点，或硬基体上分布有软质点的结构，如图所示。

当轴与轴瓦经磨合后，软基体（或软质点）因磨损而下凹，凹坑可储油；而硬质点（或硬基体）则凸起来承受轴的压力。同时软基体（或软质点）还能承受冲击和振动，并起嵌藏外来硬质点的作用，以保证轴不被擦伤。

以锡或铅为基体的轴承合金(也称巴氏合金），是满足上述性能及组织要求的最理想的材料。另外，还有铜基、铝基轴承合金等。

二、常用的轴承台金

l．锡基轴承合金具有适当的硬度和较低的摩擦系数(0.005)，软基体具有较好的塑性和韧性，还具有良好的导热性和耐蚀性。几乎能满足轴承材料的所有要求，可用作承受大负荷、高转速机器设备的轴承，如用于汽轮机、电动机、汽车发动机等。

由于锡是稀缺础昂贵的金属，使其应用范围受到限制，而大多代以铅基轴承合金。

2．铅基轴承合金硬度与锡基合金差不多，但强度、韧性较低，耐蚀性也较差。由于价格较低，常用于制造中等载荷的轴承，如汽车、拖拉机的曲轴轴承，电动机、空压机、减速器的轴承等。锡基和铅基轴承合金的强度都较低，不能承受大的压力，生产中常用离心浇注法将其镶铸在低碳钢的轴瓦上，形成薄(<0.1mm)而均匀的一层内衬，既可提高轴承的承载能力，又可节约轴承合金材料。这种轴承称为双金属轴承。

锡基、铅基轴承合金牌号表示方法为：

Z+基本元素符号+主加元素符号与元素质量分数，“Z”为“铸”的汉语拼音首字母。如ZSnSb11Cu6，表示基本元素为Sn即锡基合金，主加元素ωSb=11％，辅加元素ωCu=6％，余量为Sn。

3．铜基轴承合金主要是铅青铜和锡青铜，其代号或牌号表示法参见铸造青铜。常用的铅青铜牌号如ZCuPb30，表示ωPb=30％，余量为铜，显微组织为在铜的硬基体上分布着软的铅颗粒。

铅青铜与巴氏合金相比具有较高的疲劳强度和承载能力，及较高的导热性和较小的摩擦系数，广泛用于高速、高负荷下工作的轴承。如航空发动机和高速柴油机轴承。由于强度低，也是作为双金属轴承用作轴衬。

锡青铜用来制造中速、重负荷下工作的轴承。锡青铜可直接制成轴瓦。

4．铝基轴承合金

基本元素是铝，主添加元素有锑和锡。

常用的有铝锑镁轴承合金和高锡铝基轴承合金两大类。

铝锑镁轴承合金的显微组织为在铝的软基体上分布着硬的质点A1Sb，该合金也是浇注在钢背上做成双金属轴承使用。

高锡铝基轴承合金的显微组织为在硬的铝基体上分布着软的球状锡质点，成品一般为钢一铝一高锡铝三层材料轧制而成。其承载能力达3200MPa，滑动线速度高，且其工艺简单、寿命长，可代替巴氏合金、铜基轴承合金和铝锑镁轴承合金。

铝基轴承合金资源丰富，价格低廉，疲劳强度和导热性好，现已广泛用于高速重载荷下工作的轴承。

铝基轴承合金的主要缺点是线膨胀系数大，运转时易与轴咬合。又因其本身强度高，使轴易磨损，故需相应提高轴的硬度。第四节粉末冶金与硬质合金

粉末冶金材料与硬质合金材料都是采用粉末冶金的方法制成的。

一、粉末冶金

工艺方法：将金属粉末(或掺人部分非金属粉末)放在模具内加压成形，然后烧结而成为金属零件或金属材料的生产方法，称为粉末冶金。

1．粉末冶金的生产过程

(1)粉末的制取根据金属的性质不同，可采用不同的方法制取粉末，有机械粉碎法、还原法、电解法、喷射法等，或几种方法混合使用。

(2)粉末混料将金属粉末和各种辅助材料按一定的比例配好后，经混料器混合，使各种成分均匀分布。

(3)粉末压制将混合料装入压模中，在压力机上加压成形。这时体积缩小，由于原子吸引力和机械咬合，使制件具有一定的强度。

(4)烧结

压制成形后的强度不够，还必须进行烧结。烧结时由于原子间的扩散，使粉末颗粒间的结合力增强，强度也显著提高。

有时将加压成形和烧结两道工序合在一起进行，称为热压法。

2．粉末冶金轴承材料采用粉末冶金工艺可制作多种减磨材料，用于制作滑动轴承。

(1)含油轴承材料

利用材料的多孔性浸渗润滑油的减磨材料，由于孔隙中含有大量润滑油(体积分数为10％～30％)，故称含油轴承材料，用于制作轴承、衬套等。

常用的有铁基和青铜基两种，通常添加的固体润滑剂是石墨。

含油轴承工作原理：

轴承工作时，由于摩擦发热，使轴承膨胀将润滑油从孔隙中压到工作表面，起到润滑作用。停止工作后轴承冷却，由于毛细作用，大部分润滑油又被吸回孔隙，少部分留在表面，使再次运转时避免发生干摩擦，起到自动润滑的作用。

含油轴承材料的孔隙度在18％～25％。孔隙度高则含油多，润滑性能好，但强度低，适宜在低负荷、中速条件下工作；孔隙度低则含油少，强度较高，适宜在中、高负荷条件下工作，若在低速条件下工作，还需补充润滑油才能使用。

(2)金属塑料减磨材料

这是具有良好综合性能的无油润滑减磨材料。由粉末冶金多孔制品和聚四氟乙烯、二硫化钼(或二硫化钨)等固体润滑剂复合制成。

这种材料的特点是不需润滑油，有较宽的工作温度范围(－200～＋280℃)，能适应高空、高温、低温、振动、冲击等工作条件，还能在真空、水或其它液体中工作。目前被广泛用于录音机轴承、航空仪表轴承等方面。

二、硬质合金

硬质合金是以难熔的金属碳化物(碳化钨、碳化钛等)为基体，以钴、镍等金属作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的合金材料。

硬质合金的主要用途是制作刀具，它具有很高的热硬性，即使温度在1000℃左右，刀具的硬度仍无明显的下降。用它制作的刀具，寿命可提高5～8倍，切削速度比高速钢高4～10倍。

硬质合金由于其本身的硬度太高，又比较脆，很难进行机械加工，故将其制成一定规