《汽车材料》-第3章　有色金属及其合金

３.１铝及铝合金３.１.１工业纯铝铝在地壳中储量丰富，占地壳总重量的８.２％，居所有金属元素之首。纯铝的密度为２.７ｇ/ｃｍ３，熔点比较低，为６５~７０℃。铝的导电性、导热性好，仅次于银与铜。它具有面心立方晶格结构，所以强度低、塑性好。纯铝化学性质活泼，在空气中极易氧化形成一层牢固致密的表面氧化膜，从而使其在空气及淡水中具有良好的抗蚀性。铝具有良好的塑性和韧性，很容易通过压力加工成型，且在低温下也有很好的塑性、韧性。纯铝还易于铸造和切削，具有良好的工艺性能，其优异性能已在几乎所有工业领域得到应用。下一页返回３.１铝及铝合金工业纯铝强度低，室温下仅为４５~５０ＭＰａ，故一般不宜用作结构材料。纯铝可用于制作电线、屏蔽壳体、反射器、散热器、包覆材料及化工容器等。我国工业纯铝的代号用“Ｌ＋顺序号”的形式表示，有Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６六种，其中Ｌ１含杂质最少，Ｌ６含杂质最多。３.１.２铝合金铝合金是在纯铝中加入适量的硅、镁、锰等合金元素后而形成的合金。铝合金的强度大大高于纯铝，如果再配合以热处理和冷加工硬化，有些铝合金的强度几乎相当于低合金结构钢的水平，铝合金又具有密度小、导热性能好、腐蚀性好、重量轻的优点。所以，铝合金广泛应用于各行业，在汽车生产中铝的用量不断上升，常用于制造质量轻、强度要求高的零件，如活塞等。上一页下一页返回３.１铝及铝合金根据化学成分和加工方法的不同，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。１.变形铝合金变形铝合金易于塑性加工，故称为变形铝合金。它采用４位字符牌号命名，用２~８附以字母再附以两位数值表示，牌号的第一位数值为主要合金元素的顺序号，依次是Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｇ＋Ｓｉ、Ｚｎ、其他；字母表示原始合金的改型(Ａ表示原始合金)，最后两位数字仅用来识别同一组中不同合金或铝的纯度，如７Ａ０４表示以Ｚｎ为主要合金元素４号原始铝合金(老牌号ＬＣ４)。上一页下一页返回３.１铝及铝合金根据主要的性能特点与用途，变形铝合金又分为防锈铝合金(Ａｌ-Ｍｎ、Ａｌ-Ｍｇ系合金)、硬铝合金(Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ系合金)、超硬铝合金(Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ-Ｚｎ系合金)、锻造铝合金(Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ-Ｃｕ或Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ-Ｎｉ-Ｆｅ系合金)。防锈铝合金是指在大气、水和油等介质中具有良好的抗腐蚀性能的铝合金。主要是指Ａｌ-Ｍｇ系和Ａｌ-Ｍｎ系合金，大多为单相合金，主要特点是抗腐蚀性、焊接和塑性能好，并有良好的低温性能，不可热处理强化，只能通过变形加工来提高合金的硬度。主要用于制造要求抗腐蚀性的低载荷零件或焊接件，如铆钉、油管、油箱、车身蒙皮和装饰件等。上一页下一页返回３.１铝及铝合金硬铝合金是指通过热处理后得到的具有较高强度和硬度的铝合金。主要是指Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ系合金，最高强度可达４２０ＭＰａ，而比强度(强度/密度)则与钢接近。硬铝合金强度、硬度较高，但耐腐蚀性较差，一般常在硬铝板材表面包一层纯铝，以提高耐腐蚀性能。硬铝合金主要用于制造受力一般的航空零件以及汽车铆钉。超硬铝合金是指具有比硬铝更高的强度和硬度的铝合金，简称超硬铝。属Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ-Ｚｎ系合金(ＬＣ４、ＬＣ６)，是室温强度最高的铝合金。经热处理后的强度可高达６８０ＭＰａ，但高温软化快，耐腐蚀性、焊接性差，常用Ａｌ-Ｚｎ合金来提高耐蚀性。主要用于受力较大的重要结构和零件，如飞机大梁、起落架、加强框等。上一页下一页返回３.１铝及铝合金锻造铝合金是指适宜于锻造的铝合金，简称锻铝。主要是Ａｌ-Ｍｇ-Ｓ-Ｃｕ系合金，如ＬＤ５、ＬＤ８等，有优良的热塑性，热加工性能好；铸造性和耐腐蚀性较好，力学性能可与硬铝相当。该类合金主要用作复杂的航空及仪表零件，如叶轮、支杆等；也可用作耐热合金(工作温度２００℃~３００℃)，如内燃机活塞及汽缸头等。在汽车上主要用于制造形状复杂的中等强度的锻件和冲压件，如发动机活塞、风扇叶片等。上一页下一页返回３.１铝及铝合金２.铸造铝合金铸造铝合金是指适宜于铸造型的铝合金，简称铸铝。其牌号用ＺＡｌ＋其他主要元素符号及其含量来表示，如ＺＡｌＳｉ９Ｍｇ，表示含Ｓｉ＝９％及含少量Ｍｇ(Ｍｇ＝０.１７％~０.３０％)的铸造铝硅合金。而合金的代号用ＺＬ后附以三位数值表示，第一位数值为合金类别代号(１—铝硅系、２—铝铜系、３—铝镁系、４—铝锌系列)，后两位数值为合金顺序号。如ＺＬ１０４表示４号Ａｌ-Ｓｉ系铸造铝合金。顺序号不同，化学成分也不同。铸造铝合金的分类、性能、用途如表３-１所示。３.１.３常用铝合金在汽车上的应用常用铝合金在汽车上的应用见表３-２。上一页返回３.２铜及铜合金３.２.１工业纯铜纯铜是用电解的方法制取的，可称电解铜，工业纯铜的颜色为紫红色，故又称为紫铜，其熔点为１０９３℃，密度为８.９６ｇ/ｃｍ３，具有良好的导电性、导热性及抗大气腐蚀性，是抗磁性金属。广泛用作电工导体、传热体及防磁器械等。纯铜为面心立方晶格结构，强度低塑性好，可进行冷变形强化，焊接性能良好。纯铜的主要杂质是铅、铋、氧、硫和磷等，它们对纯铜的性能影响很大，所以必须严格控制含量。纯铜的牌号用字母“Ｔ”加数字来表示，工业纯铜主要有Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４四个牌号，字母后面的数值越大，其杂质含量越多，纯度越低。下一页返回３.２铜及铜合金纯铜可加工成铜箔。纯铜加工硬化指数高，故通过冷变形强化效果好；其低温韧性好，焊接性能优良。纯铜主要用于导电导热及兼有耐蚀性要求的结构件，如电机、电器、电线电缆、电刷、防磁机械、化工换热及深冷设备等。工业上应用较多的是在纯铜中加入合金元素后形成的铜合金。３.２.２铜合金为了改善铜的力学性能，在纯铜中加入合金元素制成铜合金，通常作为结构件的制造材料。铝合金具有较高的强度、硬度和抗腐蚀性，已广泛用于机械制造工业部门，工业上常用的铜合金主要有黄铜和青铜。上一页下一页返回３.２铜及铜合金１.黄铜黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金，通常把铜锌二元合金称为普通黄铜，压力加工普通黄铜牌号用字母“Ｈ”后附以数值表示，数值代表平均含铜量，如Ｈ６２表示铜的平均含量为６２％，其余３８％为锌的普通黄铜。普通黄铜的组织和性能主要受其含锌量的影响。当含锌量小于３２％时，随着含锌量增加，合金的强度和塑性都升高；当含锌量超过３２％后，强度继续升高，但塑性开始下降；当含锌量超过４５％时，会产生脆性组织，使黄铜的强度和塑性急剧下降。上一页下一页返回３.２铜及铜合金在普通黄铜中加入其他元素的铜合金称为特殊黄铜，特殊黄铜牌号用“Ｈ＋主加元素符号＋铜的平均成分＋主加元素平均成分＋其他元素平均成分”表示，如ＨＰｂ５９－１表示Ｃｕ＝５９％、Ｐｂ＝１％的铅黄铜。如果是铸造铜合金，则在牌号前加“铸”字的汉语拼音字母“Ｚ”，其牌号用“ＺＣｕＺｎ＋锌的平均含量＋其他合金符号及平均含量”表示，如ＺＣｕＺｎ３１Ａｌ２表示Ｚｎ＝３１％、Ａｌ＝２％的铸造黄铜。常用黄铜的牌号、成分与主要用途见表３-３。上一页下一页返回３.２铜及铜合金２.青铜青铜原先是指人类最早应用的Ｃｕ－Ｓｎ合金。现代工业中把以铝、硅、铍、锰、铅、钛等为主加元素的铜合金均称为青铜。压力加工青铜的牌号表示为“Ｑ＋主加元素符号＋主加元素平均成分＋其他元素平均成分”表示，如ＱＳｎ４－３表示Ｓｎ＝４％、Ｚｎ＝３％的锡青铜。铸造青铜牌号的表示方法与铸造黄铜相同，如ＺＣｕＰｂ１５Ｓｎ８表示Ｐｂ＝１５％、Ｓｎ＝８％的铸造铅青铜；ＺＣｕＳｎ１０Ｐｂ１表示Ｓｎ＝１０％、Ｐｂ＝１％的铸造锡青铜；ＺＣｕＡｌ９Ｍｎ２表示Ａｌ＝９％、Ｍｎ＝２％的铸造铝青铜。上一页下一页返回３.２铜及铜合金青铜的种类很多，汽车工业上用得较多的青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜和硅青铜等，常用青铜的成分、性能与主要用途见表３-４。３.２.３常用铜合金在汽车上的应用常用铜合金在汽车上的应用见表３-５。上一页返回３.３镁及镁合金３.３.１工业纯镁纯镁的化学性质很活泼，这使得纯镁的冶炼比较困难，所以纯镁在工业上的应用比较晚。纯镁的牌号、成分及力学性能见表３-６。纯镁的密度很小，只有１.７４ｇ/ｃｍ３，是工业用金属中最轻的一种。其熔点为６５０℃±１℃，在熔化温度时极易氧化甚至燃烧。固态下晶体结构为密排六方晶格，冷变形能力很差，但高纯度镁具有一定的塑性变形能力，强度低，大致与铝差不多。下一页返回３.３镁及镁合金３.３.２镁合金采用镁合金制造汽车零件是轻量化的又一途径，尽管目前镁的价格较高，在汽车上的应用还较少，但一直为汽车行业所关注，并不断寻求应用途径。镁合金是汽车行业应用潜力很大的轻金属。镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金两类。铸造镁合金的牌号用“ＺＭ”加顺序号表示，如ＺＭ１、ＺＭ３、ＺＭ５等；变形镁合金的牌号用“ＭＢ”加顺序号表示，如ＭＢ１、ＭＢ５、ＭＢ７等。目前常用的镁合金主要用镁—锰系、镁—铝—锌系、镁—锌—锆系等。上一页下一页返回３.３镁及镁合金１.镁—锰系合金镁—锰系合金中的主要合金元素是锰，其主要作用是改善纯镁的抗蚀性。当锰的质量分数在１.３％~２.５％时，锰对合金的力学性能没有不利影响，但其在海水中的抗蚀性却显著提高。单纯的镁—锰合金(如ＭＢ１)力学性能不高，且不能通过热处理强化。如在ＭＢ１合金的基础上加入少量(０.１５％~０.３５％)的铈(如ＭＢ８)，可细化晶粒，从而提高力学性能。镁—锰系合金的抗蚀性和焊接性能优于其他镁合金，ＭＢ１主要用于生产板材、棒材、带材半成品及锻件，供制造受力不大，而要求高塑性、焊接性及耐蚀性的飞机零件。ＭＢ８则可制作中等负荷的零件。上一页下一页返回３.３镁及镁合金２.镁—铝—锌系合金镁—铝—锌系合金与镁—锰系合金比较，其主要特点是强度高，可以通过热处理强化，并具有良好的铸造性能。但抗蚀性没有镁—锰系合金好，屈服强度和耐热性较低。镁—铝—锌系合金中的铝是主要合金元素，锌和锰是辅助元素。铝在镁中有较大的固溶度，固溶强化作用显著。锌的主要作用是补充强化，并能改善合金的塑性。锰的主要作用是提高合金的抗蚀性。铝和锌在镁中的固溶度都随温度的降低而减少，因此镁—铝—锌系合金可以进行热处理强化，但当铝的质量分数小于１０％时，热处理强化效果不明显。镁—铝—锌系变形镁合金ＭＢ２、ＭＢ３具有优良的热塑性变形能力和适中的焊接性，主要用于生产形状复杂的锻件和热挤压棒材。上一页下一页返回３.３镁及镁合金３.镁—锌—锆系合金镁—锌—锆系合金是近期发展起来的高强度镁合金。与镁—铝—锌系合金相比，镁—锌—锆系合金形成组织疏松的倾向很小，铸造性能较好，屈服极限较高，且热塑性变形能力大。因此，镁—锌—锆系合金可用作高强度铸造合金和变形合金。常用的镁—锌—锆系合金有ＺＭ１、ＺＭ２、ＭＢ１５等。镁—锌—锆系合金中的主要合金元素是锌和锆，锌的主要作用是固溶强化及通过热处理提高合金的屈服极限，锌的质量分数在６％左右为宜。锆的主要作用是细化合金组织，提高强度和屈服极限，改善合金的塑性和抗蚀性，并能提高合金的耐热性。锆的质量分数在０.５％~０.８％时作用效果最佳。但在合金中加锆的工艺复杂，且形成偏析的倾向较大。上一页下一页返回３.３镁及镁合金在镁—锌—锆系合金中，ＺＭ１主要用于制造航空工业中的高强度、受冲击载荷大的零件，如飞机轮毂、轮缘、支架等；ＺＭ２主要用于制造航空工业中的工作温度较高(２００℃以下)的零件，如发动机机座、电机壳体等；ＭＢ１５主要用于航空工业中制造受力较大的零件，如机翼长桁等。３.３.３常用镁合金的牌号、主要成分及力学性能常用镁合金的牌号、主要成分及力学性能见表３-７。上一页返回３.４滑动轴承合金３.４.１滑动轴承概述轴承是一种重要的机械元件，广泛地用于各种工作设备和动力机械上。轴承包括滑动轴承和滚动轴承两大类，滑动轴承因工作平稳、能承受较大的压力，在轴的旋转速度很高和承受较重载荷的场合下，大多采用滑动轴承。滑动轴承是汽车、拖拉机及机床等机械制造工业中用以支承轴进行工作的零件。滑动轴承是由轴承体和轴瓦组成(图３-１)，轴瓦可直接用耐磨合金制成，也可在钢背上浇注(或轧制)一层耐磨合金形成复合的轴瓦。这些用于制作轴瓦及其内衬的合金称轴承合金。下一页返回３.４滑动轴承合金当轴高速旋转时，轴瓦表面要承受轴颈的周期性负荷，有时还会有冲击作用，这时滑动轴承的基本作用是要保证轴的准确定位，在载荷作用下支承轴颈不损坏。轴工作时，与