§9有色金属和粉末冶金

1、张建军 主编,西南大学工程技术学院,工程材料,非铁金属（或称有色金属）是指含铁金属（或称黑色金属）之外的其他金属材料，如铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金等。,9 有色金属材料, 具有银白色金属光泽，相对密度小(2.72),熔点低(660.4),沸点高(2477),导电、导热性优良； 呈面心立方晶格,无同素异构转变； 纯铝强度、硬度低，塑性很高； 化学性质活泼，表面易生成致密的氧化膜，具有良好抗蚀性； 具有优良的工艺性能,易于铸造,易于铸造,易于切削。,9.1 铝及铝合金 9.1.1 纯铝1、工业纯铝的主要特性,2 、工业纯铝的牌号,旧牌号：按纯度由高底：L1、L2、L3 对应新牌号：为107

2、0、1060、1050,3、用途 主要制作导线、电器元件、散热片等。,根据成分和工艺性能铝合金可分为: 变形铝合金：一般通过压力加工制成半成品或模锻件。 铸造铝合金：一般用于铸成复杂的铸件。,9.1.2 铝合金,1、铝合金的分类,铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等元素制成合金。,1）D点以左的合金加热后能形成单相固溶体，其塑性好，适合压力加工，故称为形变铝合金。 成分在F点以左的合金为单相固溶体，为不能热处理强化的铝合金。 成分位于F和D之间的合金会析出第二相，故为能热处理强化的铝合金。,相图分析：,2）成分在D点以右的合金有共晶体，适合铸造，称铸造铝合金。 应注意：相图中的D点仅是合金的

3、最大饱和溶解度理论分界线。,固溶强化 通过加入合金元素形成固溶体使合金强度提高的现象，称为固溶强化。 铜、镁、锰、硅、锌等元素具有较大的固溶强化效果，是铝合金的主加元素。 将含铜量在0.55.7%之间的铝铜合金加热到固溶线以上后快冷，所得的组织为过饱和固溶体。,2、铝合金的热处理1）铝合金的强化 种类不同，其强化原理、途径也不同。,因合金溶质元子均匀分布，固溶体晶格畸变小，铝合金的固溶强化效果并不明显，过饱和固溶体随时间增长会沉淀析出强化相，此过程若在室温进行，叫自然时效（图9-3）；若加热在某一温度进行，叫人工时效（图9-4）。,将经固溶处理(或淬火)后得到过饱和固溶体的铝合金放置在室温或加

4、热到一定的温度，其强度、硬度随时间延长而提高，塑、韧性则降低，这一过程称为时效。亦称时效强化。,时效强化,常用的热处理方法： 退火：对铝合金铸锭进行均匀化退火，提高塑性。 对冷变形加工的制品退火，消除内应力，消除加工硬化。 时效强化处理：（前面已讲） 回归处理：可使自然时效的铝合金重新软化。一般不超过34次。 经人工时效的铝合金没有回归现象。,细化组织强化,变质处理是细化铸造合金组织的常用方法。 变质处理：在熔融的铝合金中加入一种或数种经过选择的元素或化合物,通过细化合金组织从而达到提高合金质量和性能的操作方法。,2）铝合金的热处理,9.1.3 铝合金的分类、牌号及用途,根据成分和工艺性能铝合

5、金可分为: 变形铝合金：一般通过压力加工制成半成品或模锻件。 铸造铝合金：一般用于铸成复杂的铸件。,4）锻铝合金 主要为Al-Mg-Si系，特点是强度高，热态下有良好的塑性，用于形状复杂强度要求较高的零件如活塞、航空发动机零件等。牌号如2A70（LD7）。,1、变形铝合金,表91 变形铝合金分为以下四种：GB/T319096,1）防锈铝合金（F点以左） 用于制造耐蚀容器（油箱）、防锈蒙皮、窗框等。主要为Al-Mg系和Al-Mn系，牌号如5A02（LF2）、3A21（LF21）等。,2）硬铝合金 为F点以右的合金，可热处理强化。主要为Al- Cu -Mg系，牌号如2A12（ LY12 ）。根据合

6、金元素的多少硬铝分为： 低合金（铆钉）硬铝如2B11（LY8）其强度低塑性好，用于铆钉。标准硬铝（中强度硬铝）如2A11（LY11）用于中等强度的零件。高强度硬铝如2A12（ LY12 ）合金含量较多，强度硬度高塑性较低，加工性能差。用于航空模锻件和重要销、轴等。 硬铝的耐蚀性差，通常（阳极化）包覆一层纯铝（称为包铝）。,3）超硬铝合金 属Al-Zn-Mg-Cu系，合金中的强化相作用强，抗拉强度高。用于航空工业如飞机大梁、起落架。牌号7A09（LC9）。,铝硅合金 （硅铝明） 代号：ZL102（简单硅铝明AlSi系）强度较低，铸造性能好，常采用变质处理。用于形状复杂受力较小的零件； ZL101

7、、 ZL103、ZL104、ZL111（特殊硅铝明AlSiMg系） 强度较高。用作形状复杂强度低的气缸体、电动机壳体等。,2、铸造铝合金1）铸造铝合金的分类,铸造铝合金可分以下四种：表93,代号说明：“ZL”表示铸铝，其后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、三位数字为合金顺序号。 化学成分、力学性能和热处理工艺规范详见GB/T117395、GB/T1511594（新标准）,铝锌合金（铸造性好）经变质处理和时效强化后强度较高，但耐蚀性差，热裂倾向较大。其价格最便宜，用于汽车、拖拉机的发动机零件和形状复杂的仪器零件，也可用

8、于制造日用品。 常用代号：ZL401、ZL402等。,铝铜合金（耐热性好） 铸造承受中等载荷和形状简单的零件。 常用代号：ZL201、ZL202、ZL203等。,铝镁合金（耐蚀性好） 力学性能、耐蚀性、切削加工性能好，铸造、耐热性差。用于受冲击、和腐蚀介质中工作零件，舰船零件、氨用泵体。 常用代号：ZL301、ZL302等。,铝硅基铸造合金应用较广，但未经变质处理时，力学性能差，其铸态组织如图所示。如图为用钠盐变质处理后的显微组织。,经变质处理后的铝硅合金，力学性能明显提高。,2）铸造铝合金的变质处理, 外观呈紫红色，故又称紫铜； 相对密度为8.9，熔点为1083； 导电性和导热性优良； 具有

9、面心立方晶格，无同素异构转变，只能以冷作硬化的方式进行强化。 塑性极好,并有良好的低温韧性,可以进行冷、热压力加工。 杂质元素对性能有一定影响： 有Pb、Bi易形成低熔点共晶体，造成热脆。 S、O易形成脆性大的化合物Cu2S、Cu2O，造成冷脆。,9.2 铜及铜合金,2、工业纯铜牌号、成分、用途 表94,按纯度高低 有T1、T2、T3、T4 工业纯铜一般不作结构材料，主要用于制造电线、电缆、电器元件、导热器件等。（见下页）,1、工业纯铜的性质,9.2.1 工业纯铜, 主要用于导电、导热及兼有耐蚀性的器材； 作为配制铜合金的原料，因为铜合金具有比纯铜好的强度及耐蚀性。（常用的铜合金主要是黄铜和青

10、铜）。,纯铜用途,9.2.2 铜合金的分类、牌号及用途,铜合金分类及主要用途： CuNi合金：白铜。用于精密机械、电器仪表等。 CuZn合金：普通黄铜。 再加入其他合金元素可制成特殊黄铜。 除上述白、黄铜外的铜合金统称为青铜。如CuSn、 CuAl、CuPb合金。 铜合金中黄铜、青铜的应用广泛。 材料类型： 经压力加工成形的线、板、棒、管等。 铸造成形的各种产品。,1）组织：是指铜与锌的二元合金。 2）性能特点：随锌的增加强度、硬度增加。塑韧性下降。 具有良好力学性能,易加工成形, 另外它还具有价格低廉、色泽美丽等优点，应用广泛。经冷塑性变形后易发生应力腐蚀，开裂。,4）种类：表95 单相黄铜

11、： Zn32%；Cu+Zn（单相组织）如H70又称三七黄铜，其强度高，塑性好，用作弹壳，故称弹壳黄铜。 双相黄铜：有较高的强度和耐蚀性，用作散热器、油管等。 32%Zn45%； Cu+Zn+（是铜锌为基的铜锌电子化合物）。塑性低，室温性脆。如H59、 H62等。,一）黄铜1普通黄铜,3）牌号： “H”+铜的平均质量分数表示普通黄铜；铸造普通黄铜则在前面冠以“Z”，如ZH62，表示含铜为62%的铸造普通黄铜。,在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜，或称为复杂黄铜。,成分：常加合金元素有Sn、Pb、Al、Si等，相应地可称为锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜、硅黄铜等。 牌号： 用“H”+

12、主加元素符号（除锌以外）+铜含量（%）+主加元素含量（%）表示。如：HMn58-2。,2特殊黄铜,主要特殊性能：每种性能差别较大。 加Si、Pb的黄铜抗磨性突出。 加Al、Mn、Si的黄铜强度较高。 加Al、Mn、Sn的黄铜耐腐蚀性好。 加Pb制得易切黄铜。 加0.71.1%Sn制得锡黄铜，耐海水腐蚀，称海军黄铜。还可作汽油接触零件。 常用特殊黄铜。,青铜是指除白、黄铜以外的铜合金。包括锡青铜、铝青铜、铅青铜、硅青铜、铍青铜等。,1锡青铜 是以Sn为主加元素的合金。,性能：与Sn量有关。 Sn56% Cu+ Sn （固溶体）， Sn增加，强度增加，有好的塑性。 Sn6% Cu+ Sn +（硬脆

13、相） ，Sn增加，强度增加，塑性大大 下降。 Sn20% Cu+ Sn +（大量）（硬脆相），强度下降，变脆。 通常Sn量在314%： Sn 8% 的材料适合压力加工。 Sn 8%的材料 适合铸造。 锡青铜的铸造收缩率小，致密性差，在氨水、盐酸、硫酸中耐腐蚀差，但在大气、海水和无机盐类溶液中有极高的耐蚀性。用于铸造形状复杂、壁厚差较大的零件。 牌号：如QSn4-3,表示含锡量4%，含锌量3%，余为含铜量的锡青铜。,二、青铜,2 铝青铜 以Al为主加元素的青铜合金。 性能：铝青铜的性能较好。 Al5%塑性好，强度低。 Al达到12%后，塑性变差，且难加工。 Al常在5%10%： Al在57%时，

14、塑性最好。适合冷变形加工。 Al在10%时，强度最高，可热处理，适合铸造。 铝青铜易获得致密的铸件，耐蚀性比黄铜和锡青铜高。 应用广泛，常用来制造耐磨、耐蚀零件。 牌号 ：如QAl5，表示含铝量5%，余为含铜量的铝青铜。,3铍青铜 含Be量1.7%2.5%的青铜合金。,性能：对Be的溶解度随温度变化而变化。 可进行固溶处理，时效后强度达1200MP。超过40Cr。 铍青铜可通过热处理和加工硬化提高其力学性能和弹性，其强度、硬度较高，具有导电性、耐腐蚀性好，抗磨性、不起火花性、耐热性比其他铜合金好的优点，是制造弹性元件、电接触器等的优秀材料。 牌号 ：如QBe2，表示含铍量2%、余为铜的铍青铜。

15、,1钛的性能 钛为银白色，熔点为1680,相对密度为4.54，比铝大但比钢轻43%; 具有很好的强度,约为铝的6倍； 具有很高的塑性,便于冷热加工； 其耐蚀性比不锈钢优良。 2钛及合金在航空、化工、导弹航天及舰艇等方面的应用较为广泛。,9.3 钛及钛合金 9.3.1 纯钛,根据钛合金热处理的组织为三类：,1类钛合金, 组织为固溶体和固溶体加微量金属间化合物。 主要特点是，具有良好的热稳定性和热强度以及优良的焊接性能。 典型的牌号有TA7，表示含铝量7%，余为钛。主要用于制造火箭、导弹的燃料储箱等。,9.3 .2 钛合金, 主要特点是，具有良好的变形加工性能，可热处理强化。, 典型的牌号是TB1

16、，其成份为3%Al、13%V、11%Cr，余为钛。主要用于重载荷的旋转体，如航空发动机的压缩机叶片、轴等。,3+类钛合金 退火状态的组织为+。 主要特点是，综合机械性能好，抗拉强度高，热加工性能好，但焊接性能差。 典型的牌号是TC4,其成份为6%Al、4%V、余为钛。主要用于制造在400长期工作的发动机零部件。,2类钛合金 退火和淬火状态的组织为单相固溶体。,9.3 镁及镁合金 9.3.1 纯镁（p191）,9.3.2 镁合金（p191-192）,1.滑动轴承的结构 滑动轴承是支承轴颈和其他转动和摆动的支承件，一般由轴承体和轴瓦构成。,9.5 滑动轴承合金一、滑动轴承工作条件及对性能、组织的要

17、求,2.轴承工作条件及要求, 轴和轴承不可避免地会产生相互磨擦和磨损； 常出现所谓边界润滑状态或半干磨擦甚至干磨擦状态； 轴承合金应具有足够的抗压强度和疲劳强度，良好的减磨性、磨合性、镶嵌性。,3.对轴承组织的要求 轴承材料的基体应采用对钢、铁互溶性小的元素； 金相组织软基体下有均匀的硬质点或硬基体下分布有均匀的软质点； 轴承中应含有适量的低熔点元素。 4.性能要求 P193,1.锡基轴承合金（锡基巴氏合金） 软基体下有均匀的硬质点 牌号有ZChSnSb11-6、ZChSnSb4-4等。 特点是磨擦系数小，顺应性和嵌藏性好，但抗疲劳强度差。用于制造汽车、拖拉机、汽轮机高速轴轴瓦。 2.铅基轴承

18、合金（铅基巴氏合金） 软基体下有均匀的硬质点 常用牌号有ZChPbSn-16-16-1.8等。 优点是成本低、高温强度好，有自润滑性，适于润滑较差的场合。用于制造低速低负荷轴承如汽车、拖拉机曲轴轴承。,二、常用轴承合金简介（表9 11）,铸造轴承合金牌号表示法GB117492；铸造有色金属及其合金牌号表示法GB/T806394,3.铜基轴承合金 有铅青铜、锡青铜、铝青铜等。用于制造高速重载轴承如飞机发动机、高速柴油机轴承。,4.铝基轴承合金,是一种新型的减磨材料。其特点是比重小、导热性好，强度高。 缺点是线膨胀系数大，运转时易与轴颈咬合。 常用的铝基合金有： 铝-锑-镁轴承合金 成分一般为：3

19、.54.5%Sb、0.30.7%Mg、余为铝。可制成双金属板轴承，用于承受中等载荷的机器上。 高锡铝基轴承合金 硬基体下分布有均匀的软质点 成分是以铝为基，加入20%Sn和1%Cu。用于制造高速、重载的发动机轴承。 5.多层轴承合金 是一种复合减磨材料，一般由二层或三层减磨材料制成。,7粉未冶金减磨材料,6非金属材料轴承 一般由酚醛夹布胶木、塑料、橡胶等非金属材料制成，主要用于与清水接触的滑动轴承。,粉末冶金制品,包括铁石墨和铜石墨多孔含油轴承和金属塑料减磨材料。多孔含油轴承具有寿命高、成本低和自动润滑的优点。,粉未冶金材料种类： 粉未冶金工具材料（硬质合金）； 含油轴承合金； 铁基粉未冶金结

20、构材料； 粉未冶金摩擦材料。, 粉未冶金材料,粉未冶金材料生产过程 时间：22分,一、硬质合金 p209,硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末与粘合剂（Co、Ni、铬钼钢、高速钢等）混合，经加压成型和烧结制成的一类粉末冶金材料。,1.性能特点 高的硬度，（相当HRC6981）； 高的热（红）硬性，（1000硬度保持HRC50左右）； 允许切削温度8001000，切削速度比高速钢高410倍。刀具寿命长510倍； 抗压强度高，抗拉强度和韧性比高速钢低； 耐蚀性良好； 线膨胀系数小。,2.分类 根据成分和性能不同分为四类： 钨钴（YG）类、钨钴钛（YT）类、万用（YW）、钢结硬质合金。,3.牌号及用途,3.牌号及用途,1）钨钴（YG）类硬质合金 主要成分：WCCo 牌号：YG钴含量的百分数颗粒粗细。如YG8（ C或X ） 强度韧性较高，用于加工脆性材料如铸铁、淬火钢。 2）钨钴钛（YT）类硬质合金 主要成分：WCTiCCo 牌号：YT T