有色金屬及其合金

1、第八章 有色金屬及合金,,引言,工業(yè)生產(chǎn)中，通常把以鐵為基的金屬材料稱(chēng)為黑色金屬，如鋼與鑄鐵，把非鐵金屬及其合金稱(chēng)為有色金屬，如鉛、金屬、鎳、鋅、鈦、銅等，金屬及合金。有色金屬及合金與鋼鐵材料相比，具有許多特殊性能，是現(xiàn)代工業(yè)生活中不可缺少的金屬材料。本章重點(diǎn)介紹鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金及軸承合金。,有色金屬及合金,一、鋁及鋁合金 二、銅及銅合金 三、軸承合金四、鈦及鈦合金的性能特點(diǎn),一、鋁及鋁合金,1.鋁及鋁

2、合金的性能特點(diǎn)2.提高鋁及鋁合金強(qiáng)度的主要途徑 3.鋁及鋁合金的分類(lèi)及用途,1.鋁及鋁合金的性能特點(diǎn),（1）優(yōu)良的物理性能 （2）抗大氣腐蝕性能好 （3）加工性能好，比強(qiáng)度高,（1）優(yōu)良的物理性能,密度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，磁化率低純鋁的密度2.72g/cm3，僅為鐵的1/3，熔點(diǎn)為660.4℃，導(dǎo)電性僅次于Cu、Au、Ag。鋁合金的密度也很小，熔點(diǎn)更低，但導(dǎo)電、導(dǎo)熱性不如純鋁、鋁及鋁合金的磁化率極低，屬于非鐵磁材料。,

3、（2）抗大氣腐蝕性能好,鋁和氧的化學(xué)親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會(huì)很快形成一層致密的氧化膜，防止內(nèi)部繼續(xù)氧化。但在堿和鹽的水溶液中，氧化膜易破壞，因此不能用鋁及鋁合金制作的容器盛放鹽和堿溶液。,（3）加工性能好，比強(qiáng)度高,純鋁為面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，具有較高的塑性（δ=30～50%，ψ=80%），易于壓力加工成型，并有良好的低溫性能，純鋁的強(qiáng)度低，σn=70Mpa，雖經(jīng)冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)度可提高到150～250 Mpa，但也不

4、能直接用于制作受力的結(jié)構(gòu)件，而鋁合金通過(guò)冷成型和熱處理，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到500～600 Mpa，相當(dāng)于低合金鋼的強(qiáng)度，比強(qiáng)度高，成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。,2.提高鋁及鋁合金強(qiáng)度的主要途徑,鋁合金的分類(lèi)鋁合金的分類(lèi)提高強(qiáng)度主要途徑分類(lèi),鋁合金相圖的一般形式,,鋁合金的分類(lèi),1、根據(jù)合金的成分和生產(chǎn)工藝不同將鋁合金分為兩類(lèi)：變形鋁合金和鑄造鋁合金。成分小于D點(diǎn)的合金——變形鋁合金。成分大于D點(diǎn)的合金，由于凝固時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，熔點(diǎn)低、

5、流動(dòng)性好，適于鑄造——鑄造鋁合金。2、在變形鋁合金中，成分小于F點(diǎn)的不能熱處理強(qiáng)化——稱(chēng)為不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，而成分位于F與D之間的合金，其固溶體成分隨溫度而變化，可進(jìn)行固溶強(qiáng)化+時(shí)效處理強(qiáng)化——稱(chēng)為能熱處理強(qiáng)化的鋁合金。,鋁合金的分類(lèi),形變鋁合金,鑄造鋁合金,不能熱處理強(qiáng)化鋁合金,能熱處理強(qiáng)化鋁合金,,,提高強(qiáng)度途徑分類(lèi),冷變形（加工硬化）變質(zhì)處理（細(xì)化晶粒強(qiáng)化）固溶+時(shí)效處理（時(shí)效強(qiáng)化）,（1）時(shí)效強(qiáng)化,固溶處理

6、 將成分位于D～F之間的合金加熱到固態(tài)溶解度線DF以上某一溫度，獲得單相固溶體α，然后水冷（淬火），獲得過(guò)飽和固溶體α稱(chēng)為固溶處理。時(shí)效強(qiáng)化 這種過(guò)飽和固溶體是不穩(wěn)定的，在室溫放置或在低于固溶度線的某一溫度下加熱時(shí)，使過(guò)飽和α固溶體趨于發(fā)生某種程度的分解，使合金的強(qiáng)度和硬度明顯提高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)效或時(shí)效硬化（時(shí)效強(qiáng)化）。在室溫下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)為自然時(shí)效，在加熱條件下進(jìn)行的時(shí)效稱(chēng)為人工時(shí)效。合

7、金發(fā)生時(shí)效的條件 時(shí)效規(guī)律,合金發(fā)生時(shí)效的條件,合金能在高溫形成均勻的固溶體固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低。,含4%Cu的鋁合金自然時(shí)效曲線,,,含4%Cu的鋁合金在不同溫度下的 人工時(shí)效曲線,,,時(shí)效規(guī)律,時(shí)效溫度越高, 強(qiáng)度峰值越低, 強(qiáng)化效果越小;時(shí)效溫度越高, 時(shí)效速度越快, 強(qiáng)度峰值出現(xiàn)所需時(shí)間越短; 低溫使固溶處理獲得的過(guò)飽和固溶體保持相對(duì)的穩(wěn)定性,

8、 抑制時(shí)效的進(jìn)行。,時(shí)效強(qiáng)化的原因,分析表明：在時(shí)效過(guò)程中溶質(zhì)原子發(fā)生了如下的變化，首先溶質(zhì)原子發(fā)生富集，形成富集區(qū)，使晶格畸變加大，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，強(qiáng)度提高，其次隨時(shí)間的延長(zhǎng)，富集區(qū)的原子趨于有序化，趨于形成第二相，但還沒(méi)形成第二相，其與原晶格保持共格關(guān)系，晶格畸變進(jìn)一步增大，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高，隨時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，第二相形成并逐漸離與母體的共格關(guān)系，這時(shí)晶格畸變減小，強(qiáng)度下降。,（2）細(xì)晶強(qiáng)化,純鋁和鋁合金在澆注前進(jìn)行變質(zhì)處理，即在

9、澆鑄前向合金注液中加入變質(zhì)劑，可有效地細(xì)化晶粒，從而提高合金強(qiáng)度，稱(chēng)為細(xì)化晶粒強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)于變形鋁合金的作用細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)于鑄造鋁合金的作用,細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)于變形鋁合金的作用,對(duì)于純鋁和變形鋁合金，常用的變質(zhì)劑Ti、B、Nb、Zr等元素，它們所起的作用就是形成外來(lái)晶核，從而細(xì)化鋁的晶粒。,細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)于鑄造鋁合金的作用,對(duì)于鑄造鋁合金：典型的鑄造鋁合金是鋁硅系合金（硅鋁明），這類(lèi)合金具有優(yōu)良的鑄造性能（熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好，收縮性小）和焊接性

10、能好，尤以含11～13%Si的二元鋁硅合金鑄造性能最好?？梢?jiàn)，二元鋁硅合金鑄造后幾乎全部得到（α+Si）的共晶體，其中Si量粗大針葉狀，使合金變脆，強(qiáng)度和塑性都很低，不宜作為工業(yè)合金使用，若對(duì)其采用變質(zhì)處理，在澆注前向合金中加入占合金重量2～3%的變質(zhì)劑（2份NaF和1份NaCl），可將針狀Si改變?yōu)榧?xì)小粒狀Si，得到細(xì)小均勻的共晶體和初生α固溶體的亞共晶組織（α+Si）+α，顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性。,鑄造鋁合金中，變質(zhì)處理細(xì)化晶粒的

11、原因,在一般認(rèn)為是Na等元素能促進(jìn)硅的形核，并吸附在硅晶體的表面，阻止硅的長(zhǎng)大。同時(shí)鈉的存在使液態(tài)合金產(chǎn)生5～10℃的過(guò)冷度，并使共晶點(diǎn)向右移動(dòng)，這樣不僅形核率增加，細(xì)化共晶組織而且使合金組織中出現(xiàn)了初生α固溶體。,純鋁與鋁合金的細(xì)晶強(qiáng)化（變質(zhì)處理）示意圖,未變質(zhì)處理,,,變質(zhì)處理后,3.鋁及鋁合金的分類(lèi)及用途,純鋁 鋁合金,純鋁,按純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁三類(lèi)高純鋁：99.996%～99.93% 用于科研， 代號(hào)L

12、04～L01；工業(yè)高純鋁：99.9%～99.85% 用于作Al合金原料、鋁箱，代號(hào)L0、L00；工業(yè)純鋁：99.0%～98.0% 作管、線、棒、代號(hào)L1～L6，數(shù)字大。,鋁合金,(一）變形鋁合金防銹鋁合金硬鋁合金超硬鋁合金鍛鋁合金（二）鑄造鋁合金 Al-Si系合金Al-Cu系合金Al-Mg系合金Al-Zn 系合金,鋁合金牌號(hào),鋁合金的牌號(hào)表示方法：Al+主要合金元素符號(hào)+主要合金元素平均含量，若為鑄造鋁合金前

13、面加“Z”，如ZAlSi12表示平均硅含量為12%的鑄造鋁合金。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁代號(hào)分別用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一組順序號(hào)表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而鑄造鋁合金的代號(hào)用“ZL”兩個(gè)字母和三個(gè)數(shù)字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等,（一) 變形鋁合金,1.防銹鋁合金 ( LF ) : Al – Mn 通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋁合金的

14、 強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁好 )。 例如:LF21。 Al – Mg 通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋁合金的 強(qiáng)度和抗蝕性 ( 比純鋁輕 )。 例如:LF2、LF6等。,2.硬鋁合金 ( LY ) : Al – Cu – Mg 通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化提鋁合金強(qiáng)度,但耐蝕性不高。LY1、LY11、LY12。,3.超硬鋁合

15、金 ( LC ) : Al – Zn – Mg – Cu 通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化和形成的強(qiáng)化相,使鋁合金達(dá)到最高的硬度和強(qiáng)度。但耐蝕性較差。LC4、LC9。,飛機(jī)主起落架,4.鍛鋁合金 ( LD ) : Al – Mg – Si – Cu 具有良好的熱塑性, 通過(guò)固溶處理和人工時(shí)效 來(lái)提高鋁合金的力學(xué)性能。

16、 LD5、LD6、LD10。,壓氣機(jī)葉片,活塞(裙部為鋁硅合金),ZL102合金鑄造組織 ( 化染 ) 55×,1.鑄造鋁 – 硅合金 ( ZL101～ZL111 ) :,（二）鑄造鋁合金,硅鋁明,簡(jiǎn)單硅鋁明 組織α+Si共晶體，它的最大優(yōu)點(diǎn)是鑄造性能好，此外，密度小，抗蝕性，耐熱性，焊接性也相當(dāng)好，但強(qiáng)度低，這類(lèi)合金只適用于制造形狀復(fù)雜但對(duì)強(qiáng)度要求不高的鑄件，如儀表殼體等。特殊硅鋁明在該合金的基礎(chǔ)上

17、加入適當(dāng)合金元素Cu、Mn、Mg、Ni等元素，發(fā)展成能時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，稱(chēng)為特殊硅鋁明，具有良好的鑄造性和較高的抗蝕性及足夠的強(qiáng)度，如ZL108、ZL109是我國(guó)目前常用的鑄造鋁活塞的材料。,2.鑄造鋁 – 銅合金 ( ZL201～ZL203 ) : 有較高的強(qiáng)度、塑性及耐熱性,但鑄 造性能和耐蝕性較差。,鋁銅合金鑄造組織 ( 化染 ) 210×,汽缸頭,3.鑄造鋁 – 鎂合金 ( ZL301

18、、ZL302 ) : 有較高的強(qiáng)度、韌性及耐蝕性,但鑄 造性能和耐熱性較差。,鋁鎂合金鑄造組織 (化染) 150×,鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),4.鑄造鋁 – 鋅合金 ( ZL401、ZL402 ) : 具有良好的鑄造性,經(jīng)變質(zhì)處理和時(shí)效處理后,強(qiáng)度高,但耐蝕性差。,大型空壓機(jī)活塞(ZL401),二、銅及銅合金,1.銅及銅合金的性能特點(diǎn)2.銅及銅合

19、金的分類(lèi)及用途,1.銅及銅合金的性能特點(diǎn),優(yōu)異的物理、化學(xué)性能 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、抗蝕、抗磁能力高 良好的加工性能 塑性好；鑄造性好某些特殊機(jī)械性能 優(yōu)良的減摩性和耐磨性，高的彈性極限和疲勞極限,2.銅及銅合金的分類(lèi)及用途,純銅銅合金黃銅青銅白銅,2.銅及銅合金的分類(lèi)及牌號(hào),純銅(紫銅) T1、T2、T3、Tu1，Tu2 銅合金 黃銅普通黃銅 H× ×表示含銅62%,其余為Zn的黃銅 特殊黃銅

20、HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。余量為Zn的鉛黃銅 青銅錫青銅 QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%P的錫-磷青銅 特殊青銅白銅 BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn的錳白銅,純銅,我國(guó)工業(yè)有三個(gè)牌號(hào)：即一號(hào)銅（99.95%Cu）、二號(hào)銅（99.90%Cu），三號(hào)銅（99.7%Cu），其代號(hào)分另為T(mén)1、T2、T3。 此外，純銅除工業(yè)純銅外，還有一類(lèi)叫無(wú)氧銅，其含氧量極低，不大于0.003%，其代號(hào)

21、有Tu1，Tu2，“u”是“無(wú)”漢語(yǔ)拼音字首。 純銅退火狀態(tài)，強(qiáng)度低，塑性好（σb=250～270Mpa，δ=35～45%），經(jīng)冷加工變形后強(qiáng)度升高，而塑性急劇降低（σb=400～500Mpa，δ=1～3%）。不能用作受力的結(jié)構(gòu)材料，工業(yè)純銅主要用導(dǎo)電、導(dǎo)熱，兼有抗腐蝕性的器材，如電線、電纜、電器開(kāi)關(guān)等，無(wú)氧銅主要作真空器件。,銅合金,純銅強(qiáng)度低，雖然冷加工變形可提高其強(qiáng)度，但塑性顯著降低，不能制作受力的結(jié)構(gòu)件。為了滿足制作結(jié)

22、構(gòu)件的要求，在銅中加入合金元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化及過(guò)剩相強(qiáng)化等途徑提高合金的強(qiáng)度，獲得高強(qiáng)度的銅合金。常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。銅合金按其化學(xué)成分可分為黃銅、青銅、白銅三大類(lèi)。,黃銅,黃銅是以Zn為主要合金元素的銅合金，具有良好的機(jī)械性能，易加工成型，對(duì)大氣、海水有相當(dāng)好的抗蝕能力，是應(yīng)用最廣的重要有色金屬材料。 黃銅按其所含合金元素的種類(lèi)可分為普通黃銅和特殊黃銅兩

23、類(lèi)；按生產(chǎn)方式可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅兩類(lèi)。,普通黃銅,普通黃銅，就是Cu-Zn二元合金，當(dāng)Zn含量＜36%，時(shí)單相α，Zn含量＞36%而＜47%時(shí)組織α+β’兩相工業(yè)上所用的黃銅Zn含量一般不超過(guò)47%。單相黃銅：室溫組織為單相α的黃銅又稱(chēng)單相黃銅，強(qiáng)度較低、塑性特別好，適于壓力加工，常用代號(hào)有H80、H70、H68，其中H70、H68強(qiáng)度較高，大量用作槍彈殼和炮彈筒，故有“彈殼黃銅”之稱(chēng)。雙相黃銅：α+β’黃銅又稱(chēng)雙相黃銅，

24、強(qiáng)度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散熱器等。,普通黃銅的組織特征圖,單相黃銅 H68,,,雙相黃銅H59,,黃銅的力學(xué)性能與含鋅量的關(guān)系圖,,常用的黃銅應(yīng)用,金獎(jiǎng)黃銅 --- H90,彈殼黃銅 --- H70 ( H68 ),日用黃銅 --- H62 ( H59 ),冷凝器管,特殊黃銅,在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黃銅，它們比普通黃銅具有更高的強(qiáng)度、硬度、抗腐蝕性能,黃銅

25、的“季裂”,雖然黃銅具有優(yōu)良抗蝕性，但當(dāng)零件以冷壓力加工（擠壓、沖壓、彎曲等）成形時(shí)，由于其中有殘余內(nèi)應(yīng)力存在，在氨、濕氣、海水作用下，極易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象——稱(chēng)為。為了防止這種現(xiàn)象，冷壓力加工后的黃銅零件（如彈殼等）必須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火（250～300℃保溫1h以上）,青銅,青銅是以Sn、Al、Si、Be、Ti等為主要合金元素的銅合金按照生產(chǎn)方式：加工青銅和鑄造青銅兩類(lèi)。錫青銅：是以錫為主要合金元素的銅合金，是人類(lèi)歷史上應(yīng)用

26、最早的銅合金。是Cu-Sn二元合金，錫青銅在大氣、海水、淡水及蒸汽中比純銅和黃銅好，但在鹽酸、硫酸及氨水中的抗蝕性較差。此外，為了改善錫青銅的性能，還加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高鑄造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高彈性極限等。主要用作耐蝕耐磨、防磁的零件，如儀器上的彈簧簧片、軸承、齒輪等。,白銅,白銅是以Ni為主要合金元素的合金。Ni和Cu在固態(tài)下能完全互溶，所以各類(lèi)銅鎳合金均為α單相固溶體，具有很好的冷熱加

27、工性能，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能用固溶強(qiáng)化和加工硬化來(lái)提高強(qiáng)度。白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵材料。,白銅的用途,各類(lèi)銅鎳合金均為α單相固溶體，具有很好的冷熱加工性能，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能用固溶強(qiáng)化和加工硬化來(lái)提高強(qiáng)度。白銅具有高的抗蝕性和優(yōu)良的冷熱加工成形性，精密儀器儀表，化工機(jī)械及醫(yī)療器械中的關(guān)鍵材料。,三、軸承合金,1.軸承合金的性能要求 2.軸承合金的分類(lèi)及用途 3

28、.ChSnSb11-6 合金,1.軸承合金的性能要求,在工作溫度下有足夠的抗壓強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，以承受軸所施加載荷。有足夠的塑性和韌性，以保證與軸配合良好并承受沖擊和振動(dòng)。磨擦系數(shù)小，并能保持住潤(rùn)滑油，以減少對(duì)軸頸的摩損。具有小的膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性，以防止軸瓦與軸頸強(qiáng)烈磨擦升溫而發(fā)生咬合，并抵抗?jié)櫥偷那治g。具有良好的磨合能力，以使載荷均勻分布。容易制造，價(jià)格低廉。,,,軸承合金的組織特征,軸承材料通常要滿足上述性能

29、的要求都不能是純金屬或單相合金，必須配以軟硬不同的多相合金。 通常是軟基體上均勻分布一定數(shù)量和大小的硬質(zhì)點(diǎn)，或者硬基體上分布一定數(shù)量和大小的軟質(zhì)點(diǎn)。,硬基體上分布軟質(zhì)點(diǎn)組織特征圖,,2.軸承合金的分類(lèi)及用途,常用的軸承合金按其化學(xué)成分可以分為錫基、鉛基、鋁基、銅基和鐵基等數(shù)種，前兩種錫基、鉛基稱(chēng)為巴氏合金。錫基軸承合金 鉛基軸承合金,軸承合金的牌號(hào),軸承合金一般在鑄態(tài)下使用，其號(hào)為ZCh + 基本元素符號(hào) + 主加元素符號(hào)

30、 + 主加元素平均含量+輔加元素元素含量。“鑄”、“承”如ZChPbSn5-9。表示含5%Sn、9%Sb的鉛基軸承合金。,錫基軸承合金,錫基軸承合金是Sn為主并加入少量Sb、Cu等元素的合金，是一種軟基體硬質(zhì)點(diǎn)類(lèi)型的軸承合金。如圖，α相是Sb在Sn中的固溶體，為軟基體，當(dāng)Sb含量大于7.5%時(shí)合金中出現(xiàn)方塊形β’相，為硬質(zhì)點(diǎn)（Sb Sn化合物），由于β’相輕，易造成偏析，所以在合金中加入Cu，先形成Cu3Sn化合物的針狀格架，以防止?jié)?/p>

31、注時(shí)β’相上浮，有效地減少偏析。同時(shí)Cu3Sn相的硬度比比β’相的高，也起硬質(zhì)點(diǎn)的作用。,,ZChSnSb11-6 合金組織金相圖,,鉛基軸承合金,鉛基軸承合金的基本成分是鉛和銻。Pb-Sb合金在室溫下的組織是由α和β兩個(gè)相所組成。α相是銻（Sb）溶于鉛中的固溶體，很軟，軟基體，β相是鉛溶于Sb中的固溶體，較硬。 但在實(shí)際應(yīng)用中，通常中加入6～16%Sn，因?yàn)镾n既能溶于α相中提高合金的強(qiáng)度和硬度，又能形成SnSb硬質(zhì)點(diǎn)，提高

32、合金的耐磨性。由α相的比重大于β，容易造成比重偏析，所以有時(shí)還加入1～2%Cu，防比重偏析，同時(shí)有硬的Cu2Sb相形成，還能提高合金的耐磨性。,軸承合金應(yīng)用,內(nèi)燃機(jī)軸瓦,巴氏合金軸瓦,四、鈦及鈦合金的性能特點(diǎn),（1）密度小、熔點(diǎn)高，固態(tài)下有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，純鈦是純白色輕金屬，密度為4.507g/cm3，介于Al和Fe之間，熔點(diǎn)1668℃，高于鐵，在882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，882.5℃以上為β-Ti（體心立方晶格），882.5℃以下為