《金属材料与模具材料》-第8章

第8章有色金属及合金

金属材料分为两类，一类是铁及其合金，称为黑色金属;另一类是指黑色金属以外的金属及其合金，即有色金属，也称非铁金属。有色金属根据密度的大小分为轻有色金属，即密度小于3.5g/cm3的铝、镁、被等;重有色金属即密度大于3.5g/cm3的铜、镍、铅等。同黑色金属比，有色金属具有某些特殊的物理、化学性能，广泛用于机械制造、航空、航海、化工、电器等部门，但有色金属的冶炼工艺较复杂、成本较高，所以使用量不如黑色金属。常用的有色金属有铜及其合金、铝及其合金、钛及其合金和轴承合金等。返回8.1铜及其合金8.1.1铜纯铜为紫红色，又称为紫铜。纯铜的密度为8.96x103kg/m3，熔点为1083℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。具有良好的导电、导热性能，塑性极好，适于冷、热压力加工。在大气及淡水中有良好的抗蚀性能。下一页返回8.1铜及其合金

纯铜的强度及硬度较低不能作受力大的结构件。铜中常含有0.05%~0.3%的杂质(主要是铅、铋、氧、硫和磷等)，它们对铜的力学性能有很大的影响，尤其是铅和铋的危害最大，容易造成热脆;硫和氧容易造成冷脆铜经轧制和退火后的力学性能为σb=200~250MPa,δ=45%~50%，硬度为100~120HBS。常用冷加工的方法制造电线、电缆、电子元件、导热器件、铜管及配制铜合金等。下一页返回上一页8.1铜及其合金

工业纯铜按杂质含量可分为T1、T2、T3、T4四个牌号，后面的数字越大，纯铜的纯度越低。铜加工产品按照化学成分不同可分为纯铜和无氧铜两类，表8-1为铜加工产品的牌号、化学成分和用途。下一页返回上一页8.1铜及其合金8.1.2铜合金由于纯铜的强度较低，不易直接用作结构材料，常加入合金元素配制成铜合金来改善其性能，根据铜合金表面的颜色不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三种。

1.黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金，加锌后呈金黄色，故称为黄铜。黄铜对海水和大气有优良的耐蚀性，按照化学成分的不同可分为普通黄铜和特殊黄铜两种。下一页返回上一页8.1铜及其合金(1)普通黄铜普通黄铜是铜和锌组成的二元合金。普通黄铜分为单相黄铜和双相黄热铜两类。当锌的质量分数小于39%时，锌全部溶于铜中，形成α固溶体，即为单相黄铜，其塑性很好，适于冷/热变形加工。当锌的质量分数大于39%时，除了有α固溶体外，还有以电子化合物CnZn为基的β固溶体，即α+β的双相黄铜，其强度高，热状态下塑性良好，适于热变形加工。锌对铜的性能影响如图8-1所示。下一页返回上一页8.1铜及其合金

锌质量分数在32%以下时，随锌质量分数的增加，黄铜的强度和塑性不断提高，当锌质量分数达到30%~32%时，黄铜的塑性最好。当锌质量分数超过39%以后，就出现了β相，强度继续升高，但是塑性继续下降当锌质量分数大于45%以后，强度也开始迅速下降，已经没有实用价值。普通黄铜的牌号用“H"+数字来表示。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。表8-2为常用黄铜的牌号、化学成分、力学性能及用途。下一页返回上一页8.1铜及其合金

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。如ZCuZn38表示锌质量分数为38%的铸造黄铜。

(2)特殊黄铜特殊黄铜是在普通黄铜中加入其他合金元素组成的铜合金，称为特殊黄铜。特殊黄铜中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。下一页返回上一页8.1铜及其合金①锡黄铜。锡提高黄铜的强度和在海水中的抗蚀性，又称为海军黄铜。②硅黄铜。硅提高黄铜机械性能、耐磨性和耐蚀性，硅黄铜还具有良好的铸造性能、焊接性能和切削加工性能，主要应用在制造船舶及化工零件。③锰黄铜。锰能提高黄铜的强度但不降低黄铜的塑性，还能提高对海水及过热蒸气的抗蚀性，用于制造船舶零件及耐磨件下一页返回上一页8.1铜及其合金④铅黄铜。铅能提高黄铜的耐磨性及改善切削加工性，压力加工铅黄铜用于制造要求具有良好的切削加工性能和耐磨的零件。⑤铝黄铜。铝能提高黄铜强度、硬度、在大气中的抗蚀性。铝黄铜可制作海船零件及机器的耐蚀零件。特殊黄铜的牌号由“H”+主加元素的元素符号(锌除外)+铜含量的质量分数+主加元素含量的质量分数组成。例如HPb59-1表示铜质量分数为59%,铅质量分数为1%的铅黄铜。HMn58-2表示铜质量分数为58%，锰质量分数为2%的锰黄铜。下一页返回上一页8.1铜及其合金2.青铜除了黄铜和白铜(铜和镍的合金)以外，所有的铜合金都称为青铜。按照主加元素的种类不同，青铜可分为锡青铜(普通青铜)和特殊青铜两种。按加工方法分为压力加工青铜和铸造青铜两类。青铜的牌号由“Q”+主加元素的元素符号及质量分数+其他加入元素的质量分数组成。例如QSn4-3表示锡质量分数为4%，锌质量分数为3%，其余为铜的锡青铜。QAl7表示铝质量分数为7%，其余为铜的铝青铜。铸造青铜的牌号表示方法与铸造黄铜的牌号表示方法相同。例如ZCuSn10P1。下一页返回上一页8.1铜及其合金(1)锡青铜锡青铜是以锡为主加元素的铜合金。锡能溶于铜形成α固溶体，具有面心立方晶格，有良好的塑性，适于冷/热变形加工。δ相是以电子化合物Cu5Sn为基的固溶体，具有体心立方晶格结构，在常温下是硬脆相。锡的质量分数对青铜力学性能的影响如图8-2所示。下一页返回上一页8.1铜及其合金

由图可知，当锡的质量分数小于6%~7%时，随着锡质量分数的增加，强度和塑性增加。当锡质量分数超过6%~7%时，由于组织中出现了硬脆相δ，塑性急剧下降，但是由于少量的δ相的弥散强化作用，强度仍然上升。当锡质量分数大于20%时，由于出现过多的δ相而使强度显著下降，塑性极低，合金变得硬而脆，无使用价值。因此，工业上使用锡青铜的锡质量分数一般在3%~14%范围内，锡质量分数小于7%的锡青铜适于压力加工，锡质量分数大于10%的锡青铜适于铸造。下一页返回上一页8.1铜及其合金

锡青铜在铸造时，因体积收缩率很小，可铸造形状复杂的铸件，但铸件易形成分散细小的缩孔，使铸件的致密性下降，在高压下容易渗漏，故不适合制造密封性要求高的铸件。锡青铜在大气及海水中的耐蚀性好，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，使其性能更好。下一页返回上一页8.1铜及其合金(2)铝青铜铝青铜是以铝为主加元素的铜合金。铝质量分数为5%~12%。铝青铜比黄铜和锡青铜具有更好的耐蚀性、耐磨性和耐热性，并具有良好的力学性能，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。下一页返回上一页8.1铜及其合金(3)被青铜被青铜是以被为主加元素的铜合金。被质量分数为1.7%~2.5%。被在铜中的溶解度随温度的升高而增加，因此，经淬火后以人工时效可获得较高的强度、硬度、抗蚀性和抗疲劳性，而且还具有良好的导电性和导热性，是一种综合力学性能较好的结构材料，主要用于弹性零件和有耐磨性要求的零件，如高级弹簧、膜片等。下一页返回上一页8.1铜及其合金(4)硅青铜硅青铜是以硅为主加元素的铜合金。机械性能比锡青铜好，且价格稍低。并具有良好的铸造性能和冷热压力加工性能，常用来制造弹簧、齿轮、蜗轮、蜗杆等耐蚀和耐磨零件。常用青铜的牌号、化学成分、力学性能及用途见表8-3。下一页返回上一页8.1铜及其合金3.白铜白铜是以镍为主加元素的铜合金。白铜分为普通白铜和特殊白铜，普通白铜中只有铜和镍，在固态下，铜与镍可任意比例配合均能相互溶解，加入少量锌后，仍能保持固态下的溶解度。因此，工业用的白铜组织一般均为单相固溶体。镍对铜机械性能的影响如图8-3所示。从图可以看出，加入镍后铜的塑性下降不明显，但强度明显上升。由于镍的加入，白铜具有一系列优良特性。下一页返回上一页8.1铜及其合金①机械性能良好，具有适当的强度及优良的塑性;②室温及高温下均能进行压力加工，可通过加工硬化进一步提高强度;③优良的耐蚀性;④电阻率高白铜的含镍量均不超过30%，机器及仪表制造中常用的白铜有以下两种。下一页返回上一页8.1铜及其合金①含镍为19%的白铜，它具有很高的耐蚀性，能抵抗海水、有机酸及盐类溶液的腐蚀，适于在船舶仪器上使用，同时它还具有很好的塑性能进行强烈的冷变形而不产生裂纹。②含镍为15%，含锌为20%的锌白铜，由于锌的加入，机械性能稍有提高，具有美丽的银白色，在空气中耐蚀性较好，在不含氧的酸类和盐类中有较高的耐蚀性。为改善切削加工性可加入少量的铅(低于2%)。下一页返回上一页8.1铜及其合金

上述两种合金在仪器制造中主要用于制造刻度盘及其他要求耐蚀的零件。其牌号为“B"+镍的平均质量分数。例如B19表示镍的质量分数为19%的普通白铜。在普通白铜的基础上再添加其他合金元素的铜合金称为特殊白铜。例如加锌元素叫锌白铜;加锰元素叫锰白铜;加铁元素叫铁白铜。特殊白铜的牌号为“B”+其他元素符号+镍的平均含量+其他元素平均含量。如BZn15-20表示镍质量分数为15%、锌质量分数为20%的锌白铜。下一页返回上一页8.1铜及其合金

普通白铜具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能，冷/热加工性能优良，主要用于制造蒸气和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、冷凝器和热交换器。特殊白铜主要为锌白铜和锰白铜，锰白铜的电阻率高，电阻温度系数小，是制造低温热电偶、热电偶补偿导线及电阻器的理想材料。返回上一页8.2铝及其合金

在工业生产中铝及铝合金的使用量仅次于钢铁，居有色金属的首位，其最大特点是质量轻、比强度和比刚度高，导热导电性能好，耐蚀性好，广泛用于食品、电力和飞机制造业，是航空工业的主要材料。下一页返回8.2铝及其合金8.2.1铝铝是地壳中储量最多的一种元素，约占地壳总重量的8.2%，纯铝呈银白色，有金属光泽，密度小(2.7g/cm3)，熔点为660℃。铝是面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝具有如下优良的性能。①密度为2.7g/cm3，仅为铁的1/3，是一种轻型金属;②导电、导热性好，仅次于铜、银、金;在室温时的导电率约为铜的64%;下一页返回8.2铝及其合金③具有较好的抗大气腐蚀性能(纯铝表面可形成一层致密的氧化膜);其磁化率极低，接近非磁性材料;④具有较好的加工工艺性能。铝的塑性很好，可以冷/热变形加工，还可以通过热处理强化，提高铝的强度。纯铝的强度很低，不能作受力大的结构件，可通过配制铝合金来提高强度。工业纯铝的牌号用汉字“铝”字拼音的首位字母“L”加顺序号表示，牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6六种。数字越大，表示杂质含量越高。表8-4为工业纯铝的牌号、化学成分和用途。下一页返回上一页8.2铝及其合金8.2.2铝合金因为纯铝的强度很低(σb=80~100MPa)，为了提高纯铝的强度，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.铝合金的分类根据铝合金的成分和工艺特点的不同铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。下一页返回上一页8.2铝及其合金(1)变形铝合金如图8-4所示，成分位于铝合金相图的D点以左的合金加热到固溶线以上时，便可得到均匀的单相固溶体，其塑性变形能力很好，适宜于压力加工，因此这种铝合金称为变形铝合金。下一页返回上一页8.2铝及其合金

根据变形铝合金的强化特点，可将其分为两类，即可热处理强化的变形铝合金和不可热处理强化的铝合金。溶质B含量在F~D点的铝合金，其α固溶体中溶质含量将随温度变化而变化，这类铝合金可以通过热处理强化其性能，故为热处理能够强化的铝合金;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，即为热处理不能强化的铝合金。不可热处理强化的变形铝合金主要有防锈铝合金，可热处理强化的变形铝合金主要有硬铝、超硬铝和锻铝合金。下一页返回上一页8.2铝及其合金(2)铸造铝合金成分在D点右边的铝合金，由于有共晶组织存在，具有良好的铸造性能，但压力加工性能很差，故不适合于压力加工，这类铝合金称为铸造铝合金，铸造铝合金用于直接铸成各种形状复杂的铸件。下一页返回上一页8.2铝及其合金2.铝合金的热处理特点由于铝没有同素异构转变，所以，铝合金的热处理与钢不同，铝合金是通过固溶时效处理来提高强度、硬度和其他性能的。

(1)固溶处理

图8-4所示的铝合金相图中，将B溶质含量在D~F的铝合金加热到α相区，保温适当时间后迅速水冷，使第二相来不及析出，在室温下获得过饱和的α固溶体组织。下一页返回上一页8.2铝及其合金(2)时效淬火得到的过饱和α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。下一页返回上一页8.2铝及其合金

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α固溶体，经时效后，其强度从处理前的180~200MPa提高到400MPa。图8-5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，这段时间为孕育期。在这段时间内，铝合金的塑性较好，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。下一页返回上一页8.2铝及其合金3.常用的铝合金及牌号

(1)变形铝合金在图8-4中F点以左的铝合金，其α固溶体的成分不随温度而变化，所以不能用热处理方法强化;成分在F~D的铝合金，其α固溶体的成分随温度而变化，可用热处理方法强化。GB3190-1982将变形铝合金分为防锈铝合金(LF)、硬铝合金(LY)、超硬铝合金(LC)、锻铝合金(LD)4类。GB/T3190-1996《变形铝及铝合金化学成分》规定了新的牌号，现将新旧铝合金的牌号、力学性能及用途列于表8-5中。下一页返回上一页8.2铝及其合金

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。这类合金具有适中的强度、优良的塑性和良好的焊接性能，并具有很好的抗腐蚀性能，常用于制造油罐、各式容器等。其他三类变形铝合金都属于热处理能强化的铝合金。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。此类铝合金具有良好的热塑性，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。下一页返回上一页8.2铝及其合金(2)铸造铝合金铸造铝合金具有良好的铸造性能、抗腐蚀性能和切削加工性能，可制成各种形状复杂的零件，并可通过热处理改善铸件的力学性能根据主加合金元素的不同，铸造铝合金分为4大类，即Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系，其牌号用“铸”“铝”二字的汉语拼音字首“Z”“L”加3位数字表示，第一位数字代表合金系，后两位数字为顺序号。表8-6是铸造铝合金的牌号、化学成分、性能和用途。返回上一页8.3轴承合金

轴承合金是指制造滑动轴承的合金。滑动轴承与滚动轴承相比，滑动轴承承压面积大，工作平稳，噪声小，制造、维修、拆装方便，滑动轴承由轴承体和轴瓦组成，轴瓦的钢质基体内侧浇注或轧制着一层高强度耐磨的滑动合金，是机床、汽车和拖拉机的重要零件。当轴旋转时，在轴与瓦之间有很大的摩擦，并承受轴颈传给的交变载荷。下一页返回8.3轴承合金1.轴承合金应具备的性能①足够的强度和硬度，特别是抗压强度，以承受轴颈较大的压力;②高的耐磨性和小的摩擦系数，以减小轴颈的磨损;③足够的塑性和韧性，较高的抗疲劳强度，以承受轴颈的交变载荷，并抵抗冲击和振动;下一页返回上一页8.3轴承合金④良好的导热性、耐蚀性，以利于热量的散失和抵抗润滑油的腐蚀;⑤良好的磨合性，使其与轴颈能较快地紧密配合。为了满足以上要求，轴瓦材料不能使用高硬度的金属，以免轴颈受到磨损;也不能使用软金属防止轴承的承载能力太低。下一页返回上一页8.3轴承合金2.轴承合金的理想组织

(1)软基体上分布硬质点由塑性好的软基体组织和均匀分布在软基体上的硬质点(一般为化合物)组成，如图8-6所示。软基体组织的塑性高，能与轴颈较好磨合，并承受轴的冲击。软基体被磨损形成凹面，硬质点相对凸起支撑着轴颈。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。下一页返回上一页8.3轴承合金(2)硬基体上分布软质点此种轴承合金基体的硬度低于轴颈的硬度，但是比软基体硬，能承受较大的载荷。基体上分布的软质点，具有较低的摩擦系数，但这类合金的磨合性较差，属于这类组织的轴承合金有铜基、铝基轴承合金。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。下一页返回上一页8.3轴承合金8.3.1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。以锑溶于锡而形成α固溶体的软基体，以化合物SnSb和Cu6Sn5形成硬质点及骨架。图8-7为锡基轴承合金的显微组织，图中暗色部分为。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。下一页返回上一页8.3轴承合金

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，常用于制作重要的轴承。由于锡基是较贵的金属，因此并不能广泛的应用。锡基轴承合金的牌号为“ZCh”+基体元素和主加元素的元素符号+主加元素与辅加元素的质量分数。如ZChSnSb11-6为主加元素锑的质量分数为11%、辅加元素铜的质量分数为60%、其余为锡的锡基轴承合金。锡基轴承合金的牌号、化学成分、力学性能和用途见表8-7。下一页返回上一页8.3轴承合金8.3.2铅基轴承合金(铅基巴氏合金)

铅基轴承合金通常是以铅一锑为基，加入锡、铜等元素组成的轴承合金。这种合金也是软基体硬质点类型的轴承合金，它的组织中软基体为共晶组织(α+β)，硬质点是白色的方块状的化合物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，且摩擦系数较大，但价格便宜，铸造性能和耐磨性较好，故常用于制造承受中、低载荷的中速轴承。如汽车、拖拉机曲轴轴承、连杆轴承及电动机轴承。在可能的情况下，尽量用其代替锡基轴承合金。下一页返回上一页8.3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ZChPbSb16-16-2，其中铅为基体元素;锑为主加元素，其质量分数为16%;辅加元素锡的质量分数为16%，铜的质量分数为2%，其铅基轴承合金的牌号、化学成分、力学性能和用途见表8-8。下一页返回上一页8.3轴承合金8.3.3铝基轴承合金铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和高锡铝基轴承合金两种。铝基轴承合金是一种新型减磨材料，其原料丰富、价格便宜、比重小、导热性好，高温硬度和疲劳强度高，适于制造高速、重载的内燃机轴承。铝基轴承合金膨胀系数较大，运转时容易与轴咬合。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，然后制成轴承下一页返回上一页8.3轴承合金1.铝锑镁轴承合金该合金以铝为软基体，铝锑化合物(AlSb)为硬质点，分布均匀。加入镁可以提高合金的l服强度。目前这种合金已大量应用在低速柴油机的轴承上。

2.高锡铝基轴承合金该合金以铝为基，加入锡约20%和铜1%。它的组织实际上是在硬的铝基体上分布着软的锡质点。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。各种轴承合金性能见表8-9。返回上一页8.4硬质合金

由于切削速度不断提高，不少刀具的刃部工作温度已超过700℃，机械加工时对工具材料提出了更高的要求，这时一般高速钢已不能满足要求，就要采用硬质合金。硬质合金是将一种或多种难熔金属的碳化物和黏结剂金属，用粉末冶金的方法制成的金属材料。即将难熔的高硬度的WC、TiC、TaC(碳化钽)和钴、镍等金属(黏结剂)粉末经混合、压制成型，再在高温下烧结而成。下一页返回8.4硬质合金8.4.1硬质合金的性能特点

1.硬质合金的硬度高、热硬性高、耐磨性好硬质合金具有高硬度，在室温下的硬度可达到86~93HRA、高热硬性，在900℃~1000℃温度下仍有较高的硬度，故硬质合金刀具在使用时，其切削速度比高速钢提高4~10倍，耐磨性及寿命均比高速钢提高5~8倍。下一页返回上一页8.4硬质合金2.硬质合金的抗压强度高硬质合金的抗压强度比高速钢高，但是抗弯强度只有高速钢的1/3~1/2，韧性差(为淬火钢的30%~50%)。硬质合金的耐腐蚀性、抗氧化性良好，导热性差，切削加工困难，硬质合金用于制造刀具、冷作模具、量具及耐磨零件等。下一页返回上一页8.4硬质合金8.4.2常用的硬质合金按成分与性能特点不同，常用的硬质合金有3类。

1.钨钴类硬质合金它的主要成分为碳化钨及钴。其代号用“YG+数字”表示，其中数字表示钴的质量分数。例如YG8表示钴的质量分数为8%，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。下一页返回上一页8.4硬质合金2.钨钴钛类硬质合金它的主要成分为碳化钨、碳化钛及钴。其代号用“YT+数字”表示，数字表示碳化钛的质量分数。例如YTS表示碳化钛的质量分数为5%，其余是碳化钨和钴的钨钴钛类硬质合金。硬质合金中，碳化物的质量分数越多，钴的含量越少，则合金的硬度、热硬性及耐磨性越高，合金的强度和韧性越低含钴量相同时，YT类硬质合金由于碳化钛的加入，合金具有较高的硬度及耐磨性，同时，合金的表面会形成一层氧化薄膜，切削不易粘刀，具有较高的热硬性;但是其强度和韧性比YG类硬质合金低。因此YG类硬质合金刀具适合加工脆性材料(如铸铁)，而YT类硬质合金刀具适合加工塑性材料(如钢等)。下一页返回上一页8.4硬质合金3.通用硬质合金它是以碳化钽或碳化铌取代YT类硬质合金中的一部分碳化钛制成的。由于加入碳化钽(碳化铌)，显著提高了合金的热硬性。其特点是抗弯强度高，常用来加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。所以也称为“万能硬质合金”。万能硬质合金的代号用“YW”加顺序号表示。如YW1表示1号通用硬质合金下一页返回上一页8.4硬质合金

硬质合金硬度高、脆性大，除磨削外，不能进行切削加工，一般不能制成形状复杂的整体刀具，故一般将硬质合金制成一定规格的刀片，使用前将其紧固(用焊接、黏结或机械夹固的方法)在刀体或模具上。硬质合金除了制作刀具外，还可以制造冷作模具、量具及耐磨零件。常用硬质合金的牌号、化学成分和力学性能见表8-10。下一页返回上一页8.4硬质合金

近年来，开发出一种钢结硬质合金，它的特点是其黏结剂为合金钢(不锈钢或高速钢)，从而使其与钢一样可以进行锻造、焊接、切削及热处理，可以制成各种形状复杂的刀具、模具及耐磨零件等。例如高速钢结硬质合金可以制成滚刀、圆锯片等刀具。返回上一页8.5钛及钛合金

钛及其合金是一种新型结构材料，钛的密度小、比强度高、耐高温、抗腐蚀、低温韧性好，且资源丰富，现已成为航空、航大、化工、造船和国防工业生产中的重要结构材料。下一页返回8.5钛及钛合金8.5.1钛钛是银白色的，密度小(4.58g/cm3)，熔点高(1667℃)，热膨胀系数小，导热性差。钛有同素异构转变，在882℃以下为α-钛(α-Ti)，为密排六方晶格;在882℃以上为β-钛(β-Ti)，体心立方晶格。钛的塑性好、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、不锈钢和镍合金还要高。下一页返回上一页8.5钛及钛合金

工业纯钛的力学性能为抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078x105MPa，硬度195HBS。工业纯钛的牌号、力学性能和用途见表8-11。工业纯钛按纯度分为3个等级，TA1、TA2、TA3。其中T为钛的汉语拼音字首，序号表示纯度，序号越大纯度越低。工业纯钛常制造350℃以下工作的低载荷零件，如飞机骨架、发动机部件、耐海水管道及柴油机活塞、连杆等。下一页返回上一页8.5钛及钛合金8.5.2钛合金钛中加入合金元素形成钛合金，常加入的合金元素有铝、锡、铜、铬、钼、钒等。根据合金元素对钛产生强化作用程度的不同，可分为α相稳定元素和β相稳定元素。其中铝、锡等是α相稳定元素，钼、钒等是β相稳定元素。铝和锡在α-钛中的溶解度比在β-钛中大，使α-钛向β-钛的转变温度升高，扩大了α-钛稳定存在的范围。铜、铬、钼、钒和铁等则相反，它们在β-钛中溶解度比在α-钛中大，使α-钛向β-钛的转变温度下降，促使β相稳定。下一页返回上一页8.5钛及钛合金1.钛合金的种类

(1)α型钛合金

α型钛合金是α相固溶体组成的单相合金(牌号为TA加顺序号，如TA5表示5号α型钛合金)，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。α型钛合金的典型牌号TA7，在500℃以下使用，制造导弹的燃料罐、超音速飞机涡轮机壳。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(2)β型钛合金

β型钛合金是β相固溶体组成的单相合金(牌号为TB加顺序号，如TB2表示2号β型钛合金)，未热处理即具有较高的强度、韧性好、有良好的冲压性能。淬火和时效处理后合金得到进一步强化，室温强度可达1372~1666MPa;但热稳定性较差，不宜在高温下使用。β型钛合金的典型牌号TB1，在350℃以下使用，制造压气机叶片、轴、轮盘等重载回转件及飞机构件。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(3)α+β型钛合金

α+β型钛合金是双相合金(牌号为TC加顺序号，如TC10表示10号α+β型钛合金)，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高，可在400℃~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于。钛合金α制造飞机压气机盘和叶片、舰艇耐压壳体、大尺寸锻件等下一页返回上一页8.5钛及钛合金3种钛合金中最常用的是α型钛合金和α+β型钛合金;α型钛合金的切削加工性最好，α+β型钛合金次之，β型钛合金最差。常用α型及α+β型钛合金的牌号、力学性能和用途见表8-12及表8-13。下一页返回上一页8.5钛及钛合金2.钛合金的特性

(1)比强度（强度/密度）高钛合金的密度仅为钢的60%，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。可制造要求强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

(2)热强度高钛合金的使用温度比铝合金高几百度，可在450℃~500℃的温度下长期工作。在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(3)抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水中有优良的抗蚀性。它的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。

(4)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，如TA7，在-253℃的超低温(液氢温度)下还能保持一定的塑性及韧性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(5)化学活性大钛的化学活性大，与大气中0、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。碳质量分数大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15mm.,钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生钴附现象。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(6)导热系数小、弹性模量小钛的导热系数λ=15.24W/(m·K)约为铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2~3倍，造成刀具的剧烈摩擦、黏结磨损。下一页返回上一页8.5钛及钛合金3.钛合金的应用目前使用最广的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)Ti-6A1-4V(TC4)用量最大，在导弹和超音速飞机中约占钛用量的50%以上。因这类合金强度高、塑性好，主要用来制造需要高温强度的发动机零件。

Ti-6Al-4V(TC4)还可在400℃以下的温度长期使用。在超低温条件下(-253℃)仍有良好的韧性，制作火箭及导弹的液氢燃料箱。下一页返回上一页8.5钛及钛合金Ti-5Al-2.5Sn(TA7)主要用于导弹的燃料罐，超音速飞机的涡轮机匣等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产储氢材料和形状记忆合金等。下一页返回上一页8.5钛及钛合金4.钛合金的热处理

(1)去应力退火目的是为了消除机加工或焊接过程中产生的内应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。去应力退火温度为450℃~650℃,焊接件保温2~12h后的空冷;机加工件保温1~2h后的空冷。

(2)高温退火(再结晶退火)

目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。钛合金高温退火温度一般为650℃~850℃，保温时间为1~3h，然后空冷。下一页返回上一页8.5钛及钛合金(3)淬火和时效目的是为了提高钛合金的强度和硬度，α钛合金一般不进行淬火和时效处理，β钛合金和(α+β)钛合金可进行淬火和时效处理，α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。钛合金的时效温度一般在425℃~550℃范围内。温度过低，塑性下降，使合金脆化;温度过高，则晶粒粗大，强度、