机械基础 第3版 课件1-6 非铁金属

第一章工程材料及热处理第六节非铁金属简介及金属材料的选用【学习目标】1．了解常用有色金属（铜合金、铝合金）的牌号及应用。2．了解轴承合金的牌号及应用。3．了解金属材料的选用原则。4．会选择典型机械零件材料。5．会分析典型机械零件热处理工艺。一、铝及铝合金1．纯铝平均铝的质量分数不小于99.00%金属称为纯铝纯铝分压力加工产品（变形铝）和未压力加工产品（铸造纯铝）两种。变形铝牌号用四位数字或四位字符表示，即为“1×××”；牌号的第一位数字为1，第二位的字母或数字表示原始纯铝的改型情况。牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量。如1A99、1A97铸造纯铝牌号由Z和铝的化学符号以及表明含铝量的数字组成。如ZAl99.5表示含铝量为99.5%的铸造铝合金。2．铝合金在纯铝中加入一种或几种其它元素（如铜、镁、硅、锰、锌等）形成的非铁金属称为铝合金

（1）铝合金的分类铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两

变形铝合金:压力加工成形的铝合金铸造铝合金是指用铸造成形工艺直接获得零件的铝合金，主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系合金等。（2）变形铝合金的牌号和用途变形铝合金牌号直接引用国际四位数字体系牌号或采用四位字符体系牌号，第一位数字表示合金系列，第二位字母表示原始合金的改型情况，最后两位数字没有特殊意义。1）铸造铝合金的代号

按GB/T1173-2013规定，变形铝合金牌号直接引用国际四位数字体系牌号或采用四位字符体系牌号，第一位数字表示合金系列，第二位字母表示原始合金的改型情况（如字母为A表示原始合金；字母为B～Y的其他字母表示原始合金的改型合金），最后两位数字没有特殊意义（3）铸造铝合金2）铸造铝合金牌号按国家标准（GB/T8063—2017）规定，铸造铝合金的牌号由“铸”的汉语拼音首字母Z、铝的化学元素符号Al、主要合金元素的化学符号以及表示主要合金元素名义百分含量的数字组成。例如，ZAlSi12，表示WSi=12%,WAl=88%的铸造铝合金类别牌号代号性能特点用途铝硅合金ZAlSi12ZL102铸造性能好，耐磨性好，热胀系数小，强度中等形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零件；要求气密性的零件ZAlSi7MgZAlSi7Cu4ZL101良好的铸造性能，力学性能和耐热性形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零件。如飞机、仪器的零件等铝铜合金ZAlCu5MnZL201耐热性好，热强度高，但铸造性能和耐腐蚀性较差砂型铸造在175~300℃以下工作的零件。如缸头、活塞、支臂等铝镁合金ZAlMg10ZL301密度最小，强度最高（355MPa左右）耐腐蚀性能好，良好的综合力学性能和可切削性砂型铸造的在大气或海水中工作的零件，承受大振动载荷、工作温度低于150℃的零件铝锌合金ZAlZn11Si7ZL401铸造性能好，力学性能较高，价格低压力铸造的零件，工作温度不超过200℃，结构复杂的汽车、飞机零件二、铜及铜合金1．纯铜（紫铜）牌号牌号读法化学成分/%用途WCuWBiWpb杂质总量T1090T1≥99.950.0010.0030.05导电，导热，耐腐蚀器具材料，如电线，蒸发器，雷管，储藏器等T11050T2≥99.900.00100050.10T11090T3≥99.700.0020.0100.30（1）压力加工黄铜1）普通黄铜2）特殊黄铜合金类型合金牌号力学性能用途举例Rm/MPaA11.3/%硬度（HBW）铅黄铜HPb59-1400/65045/1644/80轴，轴套，螺栓，螺钉，螺母，分流器，导电排铝黄铜HAl77-2400/65055/1260/170耐腐蚀零件硅黄铜HSi80-3300/60058/490/110船舶零件，水管零件（2）压力加工青铜合金类型合金代号力学性能用途举例Rm/MPaA11.3/%硬度（HBW）锡青铜QSn4-3350/55040/460/160弹簧材料，耐磨零件(如轴承)，抗磁零件铝青铜QAl9-4550/90040/5110/180船舶及飞机上的齿轮，轴承，轴套，涡轮，阀座等铍青铜QBe2500/85040/3（HV）90/250精密弹簧及膜片，钟表零件（游丝，齿轮等），波纹管，轴承的村套，指南针，弹簧，电接触器，电焊机电极，航海罗盘等硅青铜QSi3-1370/70055/380/180弹簧，耐磨零件，齿轮，蜗轮，蜗杆，电话线和长距离输电线等三、滑动轴承合金（巴氏合金）1．滑动轴承合金的牌号滑动轴承合金的牌号用“Z+基体金属元素符号+主加元素化学符号+数字+辅加合金元素化学符号+数字”组成，其中“Z”是“铸”字汉语拼音的字首

2．滑动轴承种类常用的轴承合金有锡基、铅基、铝基轴承合金。1）锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）常见牌号：ZSnSb8Cu4、ZSnSb11Cu62）铅基滑动轴承合金（铅基巴氏合金）常见牌号：ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn103）铝基滑动轴承合金（铝基巴氏合金）常见牌号：四、金属材料的选用金属材料一般选择原则是在满足使用性能要求的前提下，同时兼顾材料的加工工艺性能和经济性。1.使用性能使用性能是指零件在工作过程中具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是材料选择的最主要依据，对于机械零件，使用性能通常指材料的力学性能。2.工艺性能工艺性能是指材料在制造机械零件的过程中，适应各种冷、热加工的性能（1）铸造性能是指金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，衡量铸造性能主要指标有金属液体的流动性、吸气性、氧化性、凝固温度范围和和凝固特性、收缩特性等。（2）锻压性能是指金属材料能否用锻压方法制成优良锻件的性能，锻压性能与材料的塑性及其塑性变形抗力有关，一般情况下，材料的塑性好，变形抗力小，则锻压性能也好。低碳钢的锻压性能最好，中碳钢次之，高碳钢锻压性能较差。低合金钢的锻压性能接近中碳钢。高合金钢的锻压性能比碳钢差。（3）焊接性能是指金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良接头的能力，焊接性能好的材料易于用一般的焊接方法和工艺焊接，焊接时不易产生裂纹、气孔等缺陷，焊缝接头有较高的力学性能。低碳钢有较好的焊接性能，高碳钢较差，铸铁则更差。铝、铜合金的焊接性能一般都比碳钢差。（4）切削加工性能是指金属材料被切削加工后成为合格零件的难易程度，它不仅与材料的化学成分有关，还与金相组织及硬度、韧性等力学性能有关，一般材料硬度过高，加工较困难，刀具易磨损；材料硬度过低，加工时易粘刀，加工后表面粗糙。通常碳素钢硬度在150～250HBW时，切削加工性能较好，铸铁、铜合金、铝合金具有较好的切削加工性。3.经济性能在保证零件使用性能和加工质量的前提下，尽可能选用价格低廉、加工方便、便于采购、运输的材料。如碳素结构钢的价格低于合金结构钢，碳素工具钢的价格低于合金工具钢。五、典型机械零件的热处理工艺分析机械零件制造过程一般分为毛坯制造、粗加工、半精加工、精加工几个阶段，重要零件还会安排光整加工预备热处理包括正火、退火、调质等；正火、退火通常安排在毛坯制造之后，切削加工之前，主要目的是消除毛坯内应力、均匀组织，改善切削加工性；调质通常安排在粗加工之后、半精加工或精加工之前进行，主要目的是获得综合力学性能。最终热处理包括淬火、回火及表面热处理，主要目的是获得所需要的使用性能，一般安排在半精加工之后例1：齿轮（1）中等载荷、平稳工况、无强烈冲击的机床齿轮，心部需具有良好的综合力学性能，表面具有较高硬度和耐磨性，材料可选中碳钢（45）或中碳合金钢（40Cr）。加工路线：锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火+低温回火→精加工。正火的目是消除锻造应力，改善切削加工性，同时均匀组织、细化晶粒；调质的目的是使齿轮心部获得良好的综合力学性能；表面淬火+低温回火的目的是使齿轮表面具有较高的硬度和耐磨性。（2）受高冲击载荷和交变应力的汽车、拖拉机齿轮，表面应具备高耐磨性与心部高韧性，材料应选用低碳合金钢20CrMnTi。加工路线：锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工。正火的目的是消除锻造应力，改善切削加工性，同时均匀组织、细化晶粒；渗碳的目的是提高齿轮表面的含碳量；淬火+低温回火的目的是使齿轮表面具有高硬度和耐磨性，同时心部具有高韧性（回火马氏体）。当然45钢或40Cr成本低于20CrMnTi，且渗碳处理工艺周期长，成本高。例2：丝锥、板牙要求：丝锥、板牙用于加工内、外螺纹，心部和柄部需具有足够的强度和韧性（34～45HRC）以承受较大的扭转应力；齿刃部具有高的硬度(59~64HRC)、高的硬耐磨性和一定的热硬性(视切削速度而定)，故手用丝锥、板牙应选用含碳量较高的碳素工具钢T10A、T12A，机用丝锥、板牙选用合金工具钢9SiCr或高速钢W18Cr4V；加工路线：锻造→球化退火→粗加工→淬火+高（低）温回火→精加工。球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性；柄部、心部采用淬火+高温回火，目的是为获得足够的强度和高韧性。刃部采用淬火+