常用之非鐵金屬材料

1、=== 第9章 常用之非鐵金屬材料 ===,9-1 銅及銅合金9-2 鋁及鋁合金9-3 鉛、錫、鋅及其合金9-4 其他,9-1 銅及銅合金,銅（Copper，Cu）是人類所熟悉的金屬之一，其最重要的性質(zhì)為導(dǎo)電性高，質(zhì)地柔軟，延展性大等，所以常被用來當做電線及管件的主要材料，如圖9-1 所示。大部分的銅是由銅礦經(jīng)過冶煉而得，銅礦中若含銅量在2~3%時，就有開採的價值，比鐵礦類來得經(jīng)濟。一般依所含成分不同，可將銅礦分為兩種：1

2、.含硫化物的銅礦，例如：黃銅礦（Chalcopyrites，CuFeS2）、輝銅礦（Chalcocite，Cu2S）及硫砷銅礦（Enargite Cu3(As Sb)S4）等。2.含氧化物的銅礦，例如：赤銅礦（Cuprite，Cu2O）、孔雀石（Malachite (CuCO3)2．Cu(OH)2）及黑銅礦（Tenorite，CuO）等。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.冶煉含硫化物的銅礦時，先將銅礦打碎後與熔劑依比例放

3、入鼓風爐中熔煉，在1250℃左右的爐溫下，銅礦石熔融後形成含銅與鐵的硫化物（Cu2S．FeS），即得所謂的鑌銅（Matte），如反應(yīng)式(9-1)。由於鑌銅的比重大而沉入爐底與爐渣分離，鑌銅的含銅量約為30~50%。,9-1 銅及銅合金,其次，再將此熔融的鑌銅（硫化亞銅）送入轉(zhuǎn)爐中，以強風吹入，使空氣中的氧與硫、鐵等結(jié)合並除去氧化物；鑌銅中的FeS 會先被氧化，其鐵成分形成熔渣，如反應(yīng)式(9-2)，之後Cu2S中的S被氧化，而留下熔融

4、狀態(tài)的銅，如反應(yīng)式(9-3)、(9-4)，此時的銅稱為粗銅或泡銅（Blister copper）。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,2.冶煉含氧化物的銅礦時，以銅礦和焦炭共同置入鼓風爐中加熱，粗銅即被還原而析出，可得純度達97~99%銅。其化學反應(yīng)式為：,9-1 銅及銅合金,礦石經(jīng)焙燒而成氧化銅，同時產(chǎn)生之SO2可製造硫酸。稀硫酸可溶解氧化銅並成為硫酸銅，再加入廢鐵即可得到沉澱銅（Cement copper）。其化學反應(yīng)式為

5、,9-1 銅及銅合金,無論是粗銅或沉澱銅都必須再經(jīng)過電解精煉的過程，方可得到高純度的銅。粗銅的電解，如圖9-2 所示，粗銅作為陽極板，純銅片作為陰極板，陰極板與陽極板以交錯且間隔之方式排列，飽和的硫酸銅溶液作為電解質(zhì)。當電流通過時，粗銅從陽極溶解而聚積於陰極板上，陰極板上塗有一層石墨，以使得聚積於純銅片上的銅易於剝離，經(jīng)過電解精煉後的銅，稱為電解銅（Electrolytic copper），其純度約在99.95~99.96%之間。,

6、9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,反射爐煉銅法之流程，如圖9-3 所示。黃銅礦經(jīng)鍛燒後送入反射爐中產(chǎn)生鑌銅，再將熔融的鑌銅熔液置於轉(zhuǎn)爐中，將其中的雜質(zhì)、SO2及O2等氧化物除去，使得Cu2O還原成粗銅，此種銅稱為韌煉銅（Tough pitch coper）。韌煉銅熔解時若加入磷予以脫氧可得到脫氧銅（Deoxidized copper）。最後，視需要將粗銅送入精煉爐產(chǎn)生純銅。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅之主要物理性質(zhì)

7、，如表9-1 所示，可知銅的比重較鋼為大，且其結(jié)晶格子型式為FCC；導(dǎo)電度為58Ω-mm2/m，而電阻係數(shù)為0.01724Ω-mm2/m。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅為紫紅色有光澤的金屬且為熱與電的良導(dǎo)體，質(zhì)地軟而堅韌，但強度小，熔點很高。氧的含量在0.03~0.05%時，銅的導(dǎo)電度最大。磷、砷等雜質(zhì)，固溶於銅中，將降低銅的導(dǎo)電度，鉛及硫等並不固溶於銅中，對銅的導(dǎo)電度影響較小。,9-1 銅及銅合金,純銅的延展性僅

8、次於金與銀，可以製成管、薄板及細線。銅在常溫加工時，容易硬化而變脆，如加熱於600~700℃，約30分鐘即可退火而軟化。若將銅加熱至750~850℃可避免高溫硬化，如圖9-4 所示，銅在常溫加工時，其硬度、抗拉強度與伸長率隨加工度變化之情形。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,純銅為紫紅色的金屬，在乾燥空氣中，不易起變化。但在潮濕空氣中與二氧化碳作用時，銅的表面容易生成一層綠色的鹼性碳酸銅，俗稱銅綠，銅綠可

9、保護銅不再繼續(xù)被氧化，置於清水中不易起作用。銅中的氧及不純物含量越少，則銅的耐蝕性愈大，而銅中氧的含量若少於0.003%（又稱為無氧銅）時，對酸類具有耐蝕性，韌煉銅（含0.04%之氧）可溶於高溫濃硫酸及濃硝酸中。,9-1 銅及銅合金,銅的最大用途為製造電線及電纜。硬拉銅線一般用於輸電線、電車線及天線；退火軟銅線用於電纜、電機用線、屋內(nèi)電線等，純銅的機械性質(zhì)，如表9-2 所示。,9-1 銅及銅合金,黃銅是銅和鋅的合金，黃銅的表面一般均

10、為光亮的黃色或金黃色，容易加工，常用的黃銅，含鋅量大都在30~40%之間。黃銅的顏色可隨含鋅量的改變而不同。而鋅含量對黃銅之機械性質(zhì)影響很大，如圖9-5所示，並說明如下：,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度鋅含量約35%以前，抗拉強度一直小幅穩(wěn)定的增加，35~43%之間，抗拉強度急速增大到最高點，以後又急速減小。2.伸長率鋅含量約在10%時，伸長率略小，然後隨著含鋅量的增加而增大，含鋅量達30%時具有最大的

11、伸長率，超過30%以後，伸長率又急速地減小。,9-1 銅及銅合金,3.硬度硬度在含40%鋅量以後，開始急遽的增大。一般金屬的機械性質(zhì)是當抗拉強度增大時，伸長率會減小，而黃銅在含鋅量約10 30%時，伸長率與抗拉強度卻同時增大，這是黃銅的特性之一。,9-1 銅及銅合金,常溫加工後的黃銅材料，如：銅管、桿或條等，在使用或貯存的過程中，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，這種現(xiàn)象稱為季裂（Season crack）。其原因為材料加工應(yīng)力，以及材料

12、長期受到潮濕和高溫所造成，為了防止季裂發(fā)生，通常是將黃銅加熱至250~300 ℃退火約30 分鐘，以除去內(nèi)部應(yīng)力，或表面施以防蝕處理。黃銅在大氣中不易被腐蝕，因此可保持光澤美麗的外表。,9-1 銅及銅合金,但黃銅對酸鹼抵抗力弱，對海水的耐蝕較強，當黃銅被腐蝕時，多是因為鋅被溶解而消失，此種現(xiàn)象稱之為脫鋅（Dezincification）。黃銅依照用途通常可分成三類：(1)鑄造黃銅；(2)鍛造黃銅；(3)特殊黃銅，茲分述如下：,9-

13、1 銅及銅合金,(1)鑄造黃銅（Cast brass）黃銅鑄件，以含鋅量30~40%使用最普遍，除含銅、鋅外，還加入少量其他元素，如鉛、錫等。鑄造黃銅主要用在煤氣管、自來水管接頭與閥體（如圖9-6 所示）、機械鑄件、建築裝飾等方面,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,(2)鍛造黃銅（Wrought brass）黃銅由預(yù)鑄銅塊經(jīng)冷熱輾壓或抽拉、擠製等方法，可製成銅板、銅帶、銅管或銅絲等。鍛造黃銅種類很多，最常見有三種： 七三黃銅；

14、 二一黃銅； 六四黃銅。說明如下：Ⅰ.七三黃銅：含銅量約為70%，其餘為鋅，延展性大，適合於常溫加工。槍砲的彈殼（如圖9-7 所示），多以此種黃銅製造，故又名彈殼黃銅。,9-1 銅及銅合金,Ⅱ.二一黃銅：含銅量約為65%?？估瓘姸容^七三黃銅小，而伸長率較大。它具有優(yōu)良的常溫加工性能，可抽拉或冷壓製造銅桿、銅線、銅片、銅管、木螺釘及彈簧等，因其顏色為黃色，故又稱之為黃黃銅。Ⅲ六四黃銅：含銅量約為60%，其餘為鋅，適用於高溫加工。

15、主要用途為製成冷暖氣管、銅片、線、桿等，含60% 銅及40%鋅之黃銅又稱為孟慈合金（Muntzmetal），發(fā)現(xiàn)者為英國人孟慈，因而得名。它能耐海水侵蝕，可作為船舶的外皮。,9-1 銅及銅合金,(3)特殊黃銅（Special brass）特殊黃銅是銅中除含鋅元素外，還加入其他元素如鉛、錫、鋁、錳、矽、鎳及鐵等。其目的在改良黃銅的切削性、耐蝕性及機械性質(zhì)等，分述如下：Ⅰ.加鉛特殊黃銅（Lead brass）：黃銅中含鉛量約在0.5

16、3%。黃銅中含鉛可降低抗拉強度、伸長率及增加切削性。木螺釘、鐘錶之齒輪、螺桿等通常含2 3%之鉛。,9-1 銅及銅合金,Ⅱ.加錫特殊黃銅（Tin brass）：黃銅中含錫量約0.75 1%，可增強黃銅的耐蝕性，尤其是它可抵抗海水的侵蝕。七三黃銅中加入1%錫稱為海軍合金（Admiralty metal），六四黃銅中加入0.75%的錫稱為海軍黃銅（Naval brass），海軍合金主要用來製造船舶中的管子，例如：冷卻管、加熱管等。海軍黃銅

17、常用於船舶零件的製造，如螺旋槳軸等。,9-1 銅及銅合金,Ⅲ.加鋁特殊黃銅（Aluminium brass）：黃銅中加入鋁，可增加耐蝕性。含76%銅、22%錫、2%鋁之鋁黃銅，其耐蝕性較海軍黃銅為優(yōu)，適合於常溫及高溫加工。,9-1 銅及銅合金,Ⅳ.高強度黃銅（High tension brass）：黃銅中加入錳、鋁、錫等，可增加耐蝕性和強度，加入鐵可使晶粒變細，增加硬度以改善機械性質(zhì)。因其具有最高強度（抗拉強度450N/mm2

18、以上）而得名。適合於高溫加工及鑄造，可製造高強度及耐蝕性之機件。,9-1 銅及銅合金,銲接用合金主要用作結(jié)合的材料，將熔點較低之銲接用合金加熱並融入欲接合的母材之間。若母材不熔化，僅銲接用合金熔化者，稱為軟銲（Soldering），其銲接溫度在427℃以下，一般以錫充當銲料故亦稱錫銲。若母材之局部與銲接用合金互熔者，稱為硬銲，銲接溫度在427℃以上，一般以銅充當銲料故亦稱銅銲。,9-1 銅及銅合金,硬銲合金通常係指銅鋅合金而言，如

19、表9-3 所示。,9-1 銅及銅合金,硬銲於銲接時常以硼砂作為清潔劑，以除去表面之氧化物並增加熔液流動性。常用於碳化鎢刀片、管接頭、電氣零件（如圖9-8 所示）等之接合。,9-1 銅及銅合金,青銅是銅和錫的合金，它具有鑄造容易、強度大、流動性良好、導(dǎo)電性佳以及耐腐蝕、耐磨耗等特點。它可以作為優(yōu)良的鑄造用銅合金，也可以加以鍛造，其色澤也隨著含錫量的不同而改變。完全退火狀態(tài)的青銅其機械性質(zhì)，如圖9-9 所示，說明如下：,9-1 銅及銅合

20、金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度：抗拉強度隨含錫量的增加而增大，於17~20%間達到最大值後，當含量超過20%後，其抗拉強度大幅降低。2.伸長率：含3~4% 錫時伸長率最大，以後隨含錫量的增加，其伸長率顯著減??；含25%錫幾乎無伸長率。3.硬度：含錫量低於5%時，青銅的硬度呈緩慢增加趨勢，至15%以後則急速增大。,9-1 銅及銅合金,一般而言青銅加工性較黃銅差，但鑄造性佳，熔液流動性良好，鑄件收縮率很小，故多用為鑄物。青銅依

21、照其用途一般可分成下列數(shù)種：1.機械用青銅機械用青銅俗稱砲銅（Gunmetal）。昔日曾以含錫量10%左右的青銅鑄造砲身，因而得名?，F(xiàn)在的機械用青銅除含10%錫外，另加入2%的鋅，可增大機械強度及延展性，耐蝕耐磨性亦甚為良好。它的主要用途是製造齒輪、閥、螺旋槳及其他抗蝕耐磨機件等，用途很廣。,9-1 銅及銅合金,2.軸承用青銅軸承用青銅（Bearing bronze）含錫量約在12~15%，此種含錫量的青銅組織，適用於鐵路車箱

22、車軸等低速度重負荷的軸承。作為高速回轉(zhuǎn)的軸承則另含5~30%鉛。3.硬幣用青銅作為硬幣用的青銅（Coinage bronze），含錫量約在4~10%，延展性良好，鑄造性亦甚優(yōu)異。,9-1 銅及銅合金,4.鐘用青銅鐘用青銅（Bell bronze）主要為鑄鐘用，常用於寺廟及教堂之鐘銅，如圖9-10 所示。,9-1 銅及銅合金,5.鑄像用青銅鑄像用青銅（Statuary bronze）含80~90%銅、2~8%錫、1~12%鋅、1

23、~3% 鉛，主要用於製造青銅器（如圖9-11 所示）、銅像及傢飾用青銅。有時含鋅量可提高，使熔液流動性良好，因此鑄件表面紋路清晰，含鉛量增加可使青銅之雕刻、加工更容易。,9-1 銅及銅合金,6.鏡銅鏡銅（Speculum metal）成分銅佔2/3、錫佔1/3，古代用以製鏡，若加入少量的鎳及砷可以製造科學儀器。7.特殊青銅特殊青銅是於銅中加入鋁、磷、矽、錳、鎳及其他元素以改良材料性質(zhì)，使用途更為廣泛。各種特殊青銅分別說明如下：,

24、9-1 銅及銅合金,(1)鋁青銅銅與鋁的合金稱為鋁青銅（Aluminium bronze），鋁的含量約8~12%，其餘為銅。鋁青銅在耐蝕、耐磨、耐熱及耐疲勞性方面，要較黃銅及青銅為優(yōu)。但在可鑄性、加工性及熔接性方面卻較黃銅為差，可加入鐵、鎳、錳等元素加以改良。鋁青銅極適合製造耐海水與耐酸性的機械零件，如船舶、抽水機零件等。內(nèi)燃機內(nèi)之耐熱性機件也常以鋁青銅製成，9~12.5%鋁之鋁青銅加入鐵、鎳、錳及鋅等之合金，稱為H.B.合金，

25、它是高強度的耐蝕合金，常作為飛機零件。,9-1 銅及銅合金,(2)磷青銅（Phosphorus bronze）青銅中加磷可除去合金中之氧元素，以改善品質(zhì)。磷量增加時，可與銅化合形成Cu3P 的極硬化合物，此種磷青銅耐磨性頗佳，它可用來作為軸承以及機械零件的材料。,9-1 銅及銅合金,(3)矽青銅矽青銅（Silicon bronze）係銅-矽合金，銅中含矽可除去銅中之氧元素，並可增加銅的強度及導(dǎo)電率。它的機械性質(zhì)與磷青銅相似，耐酸

26、、耐蝕、熔接性均佳，含3% 矽、1% 錫、0.1%鎘的矽青銅稱為砷合金，它被用來製造軋延板，耐蝕性強，為化工最常用之材料。,9-1 銅及銅合金,(4)錳青銅前述之高強度黃銅屬於第一類錳青銅（Manganese bronze），含錳量較低，約在1.5~3%，此處之錳青銅屬第二類，錳含量可達20%，此類合金之特性為加工容易，強度大，尤其在高溫時仍能保持其強度，故可作為高溫機械的零件。錳青銅的電阻溫度係數(shù)近於零，是標準電阻及精密儀器

27、的材料。含71%銅、20%錳及9% 鋁之合金稱為哈斯勒合金（Heusler alloy）是一種強磁性合金。,9-1 銅及銅合金,(5)鎳青銅（Nickel bronze）銅鎳合金中加入適量之鋁、矽、鋅及錳等成為回火硬化性銅合金，其耐蝕性佳，高溫時強度不變，適合製造熱機零件。,9-1 銅及銅合金,(6)鈹青銅鈹青銅（Beryllium bronze）中鈹含量約在1~3%，此種合金具回火硬化性，將鈹青銅先於800 ℃淬火，再於350 ℃

28、回火3 小時，其抗拉強度可達1000N/mm2 以上，硬度亦大為提高。鈹青銅耐熱、耐蝕及耐疲勞性都很好，它適合製造彈簧及作為電工用材料。它也可以加入鎳、錫、鈷、鉻等元素，使材料的機械性質(zhì)更為良好。,9-1 銅及銅合金,(7)銅鉛軸承合金軸承用合金必須具備耐高速回轉(zhuǎn)及耐大壓力的特性，普通的青銅可耐大壓力，但不適於高速回轉(zhuǎn)，銅中加鉛可增加韌性及潤滑性，是一種優(yōu)良的軸承合金。含20~40% 鉛的銅鉛合金，稱為Kelmet 合金，它要

29、比巴氏合金（Babbitt metal）更能耐高速、高壓及高溫。它用來製造軸承，在轉(zhuǎn)動時，不會發(fā)生與軸膠執(zhí)（Seizure）或黏著的缺點。,9-1 銅及銅合金,銅鎳又稱白銅，含鎳量5~30%且加工容易。但是退火時若加熱太快則易生龜裂，此謂之火裂（Fire cracking）現(xiàn)象。銅鎳能抵抗大氣、海水、有機酸及鹼類之侵蝕，耐熱及耐疲勞性亦佳，可製錢幣、彈簧、耐蝕及電熱材料（如圖9-12 所示）。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅

30、合金,康史登銅含44~46%鎳、54~56%銅，其電阻之溫度係數(shù)接近於零，常用於電氣儀表之零件，同時可和銅或鐵配合構(gòu)成熱電偶，以測定金屬受熱之溫度。,9-2 鋁及鋁合金,地表上的金屬元素，以鋁Aluminium）的存量最多。鋁的特點是重量輕（比重2.7），純鋁的強度低（抗拉強度約為90N/mm2），不適宜以純金屬的方式製造構(gòu)造材料。通常加入其他元素構(gòu)成輕合金（Light alloy）以改良其機械性質(zhì)。鋁的熔點為660℃，因此熔鋁

31、操作較簡單，且密度為2.7g/cm3僅約為鐵的三分之一，已成為輕金屬材料中最重要的材料。,9-2 鋁及鋁合金,鋁礦石主要來源有水礬土（Bauxite，Al2O3．2H2O）、冰晶石（Cryolite AlF3．3NaF）等。工業(yè)上主要是以水礬土為煉鋁原料，用水礬土煉鋁的過程相當複雜，其主要步驟簡要說明如下：1.首先是將水礬土壓碎成粉末，加入氫氧化鈉（NaOH）熱熔液而生成鋁酸鈉( NaAlO2)。然後將鋁酸鈉以水沖淡而析出氫氧化鋁Al

32、（OH）3，再將Al（OH）3放入旋轉(zhuǎn)窯中焙燒而得粉狀的氧化鋁（Al2O3）。,9-2 鋁及鋁合金,2.將Al2O3放入冰晶石溶液中熔化後，在980℃高溫中進行電解，如圖9-13 所示。鋁被析出而沉於電解槽底部（陰極）。熔融的鋁熔液最後被引導(dǎo)出電解槽鑄成鋁錠。電解所得鋁純度約在99.5~99.8%之間，內(nèi)含鐵、矽、銅等雜質(zhì)。如再經(jīng)精製後，可得純度99.9~99.99%之純鋁，其化學反應(yīng)如下：,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9

33、-2 鋁及鋁合金,鋁為銀白色的金屬，質(zhì)輕且富延展性，是熱與電的優(yōu)良導(dǎo)體。如表9-4 所示，為鋁的物理性質(zhì)。,9-2 鋁及鋁合金,鋁的純度愈高，則抗拉強度愈小而伸長率愈大。常溫加工的鋁易生加工硬化，其強度與硬度增加而伸長率顯著降低。將常溫加工而硬化的鋁加熱至250~300℃後，退火約30分鐘，可因退火而軟化，其機械性質(zhì)，如表9-5 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,鋁在空氣中或清水中不易被腐蝕，這是因為鋁表面容易與氧作用

34、生成耐蝕性高的Al2O3薄膜，以保護內(nèi)部不再繼續(xù)被氧化的緣故。鋁不易被有機酸類如醋酸或乳酸等侵蝕，但容易被稀薄無機酸類腐蝕，尤以氯化氫對鋁的作用最強，硫酸及硝酸次之，在鹼性環(huán)境中也非常容易受到侵蝕。,9-2 鋁及鋁合金,鋁的純度愈高其耐蝕性愈好，當含鐵與矽等不純物時會產(chǎn)生游離的FeAl3及矽，這些游離物與鋁起電化作用而產(chǎn)生腐蝕。鋁若施以表面硬化處理，如陽極氧化法（Anodic Oxidation）時，可防止受大氣鏽蝕且強度與耐蝕性增

35、高很多，在家電及建築裝潢方面用途很廣。,9-2 鋁及鋁合金,純鋁由於強度低，不適合鑄造或作為結(jié)構(gòu)材料。大部分的純鋁用來製成鋁合金，純鋁的用途說明如下：1.電力輸送線現(xiàn)今的電力輸送線，大部分使用銅線，少部分使用鋁線。鋁的導(dǎo)電度約為銅的65%，若鋁的截面積增大1.6 倍，其導(dǎo)電度就等於銅，而重量及價格都低於銅，頗為經(jīng)濟，但鋁線易因伸長而斷裂，並不適於電桿間距過大的架空輸電線。若使用鋼心鋁纜則可改善此缺點，以高強度鍍鋅鋼線為軸心，周圍用

36、鋁線緊密絞合而成。,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁箔利用鋁優(yōu)良的延展性可製成厚0.15mm 以下的鋁箔，製箔用鋁純度需高，並經(jīng)退火以得良好折疊性，它不具毒性，可代替錫箔用於食品及香煙的包裝材料，如圖9-14 所示。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁粉及鋁熱劑（Thermit）鋁粉易於燃燒而生高熱，它與氧化鐵或其他金屬氧化物以氧化作用的方式，產(chǎn)生的混合物，稱為鋁熱劑，例如：鋁粉1 份配合氧化鐵3 份混合後，為最常用的鋁熱劑，鋁粉可製炸藥，加入油

37、漆內(nèi)可防鏽，而銀色塗料係塗料中加入鋁粉。,9-2 鋁及鋁合金,鑄造用鋁合金主要的添加元素為銅、鎂、矽、鎳。鋁合金因熔點低，常用以鑄造零件，其鑄造係採砂?；蚪饘倌?，近來亦多採用壓鑄法鑄造。依據(jù)主要的構(gòu)成元素，可將鑄造用鋁合金分成：(1)鋁銅系合金；(2)鋁鎂系合金；(3)鋁矽系合金；(4)鋁銅鎂鎳系合金。分別說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,1.鋁銅系合金如圖9-15 所示，為鋁銅合金平衡圖，鋁銅系合金其可鑄性、切削性及機械性質(zhì)均佳。

38、此系合金含銅量通常不超出10%，鋁銅合金因具高溫脆性，故常於合金中加入少量的鐵及鈦以改善此一缺點。美國之Alcoa（美國鋁業(yè)公司Aluminium Company of America之簡稱）195 含4.5%銅為鋁銅合金之代表，係砂模鑄造用合金，Alcoa112 含7.0% 銅、1.7% 鋅係砂模及金屬模鑄造用合金，汽車輪圈、飛機輪圈、傳動部分之箱殼及機器零件等常以鋁銅合金鑄造。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁鎂

39、系合金鋁中加鎂後耐蝕性甚佳，機械性質(zhì)亦良好，此系合金含鎂量在10%以下，含3.8% 鎂在Alcoa 編號為214 合金用於製造食品貯運裝置、烹調(diào)用具、化工材料等，含10% 鎂在Alcoa 為220 合金，強度甚佳，常用於飛機零件、汽車車體等方面。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁矽系合金如圖9-16 所示，為鋁矽合金的平衡圖，此系合金適於砂模及金屬模之鑄造又稱為鑄鋁。鋁中之矽的固溶度，在577℃共晶溫度時約為1.65%；在300℃時約為0

40、.1%；常溫則降至0.05%以下，共晶組成為11.6%矽。如於合金熔液中加入0.05~1% 鈉，共晶點將如圖9-16 的虛線所示，向右移動至13.5%矽，同時，共晶溫度因過冷而降低10~15℃，此現(xiàn)象可使共晶矽的形狀由針狀或平板狀，變?yōu)槔w維狀，進而改善機械性質(zhì)，經(jīng)過改良處理後的合金稱為改良合金（Modified alloy）。,9-2 鋁及鋁合金,含矽量12%係壓鑄用合金，強度高，用於薄截面形狀複雜的錢品、牙醫(yī)用具及儀器外殼等。如

41、圖9-17 所示，為鋁矽合金於不同含矽量時的鑄造結(jié)晶組織圖。由圖9-17 中可知，含矽量愈多，矽的顆粒尺寸有愈大的現(xiàn)象。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,4.鋁銅鎂鎳系合金此系合金因含鎳而具有高溫強度，故又稱為耐熱鋁合金，常用以鑄造飛機及汽車之活塞或汽缸蓋。此系重要的合金為英國之Y 合金及RR 合金，說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,(1)Y合金為英國NPL（National Physical Labo

42、ratory）之Rosenhair 氏在第一次世界大戰(zhàn)時研究成功者，其成分為4%銅、2%鎳、1.5%鎂，美國稱為Alcoa442 合金。Y 合金所製造的活塞在高溫時仍具相當強度且重量又輕，故Y 合金可製作耐高溫的零件。,9-2 鋁及鋁合金,(2)RR合金為英國Rolls-Royce 汽車工廠所研究成功者。含0.5~5%銅、0.1~5.0%鎂、0.2~1.5%鎳、0.2~5.0% 矽、0.6~1.5%鐵、< 0.5%鈦。鎳與鈦均可

43、增加合金之高溫強度，是常用的活塞合金之一。,9-2 鋁及鋁合金,鍛造用鋁合金是先將合金鑄成鋁錠，然後施以輾壓、拉伸、擠延、鍛製等機械加工過程而製成各種線材、板、管、桿及特殊型材之鋁合金。鍛造用鋁合金一般分成二大類：(1)耐蝕性鋁合金；(2)高強度鋁合金。其合金編號（CNS2068-H3021）如表9-6 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,1.耐蝕性鋁合金耐蝕性鋁合金主要的添加元素是錳、鎂、矽。包括：(1)鋁錳系合金；

44、(2)鋁錳鎂系合金；(3)鋁鎂系合金；(4)鋁鎂矽系合金。(1)鋁錳系合金鋁錳系合金含1.0~1.5% 錳，耐蝕性接近純鋁，其退火強度亦與純鋁相當。但經(jīng)加工硬化後，其強度增大很多，銲接性與加工成形均為優(yōu)良。常用於造船、汽車車體、化學及食品業(yè)等。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁錳鎂系合金鋁錳系合金中加入少量的鎂（通常約含1%鎂），而構(gòu)成鋁錳鎂合金，耐蝕性、熔接性及加工成形均為優(yōu)良。(3)鋁鎂系合金鋁鎂系合金含鎂約在3~7%，鋁

45、中含鎂可增加強度與耐蝕性。其強度較鋁錳鎂系合金稍大，而耐蝕性接近純鋁，此系合金通常加入微量的鉻使耐蝕性更好，主要用途為，船舶、建築、裝潢、化學及食品容器等。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁鎂矽系合金鋁中含矽可增加時效硬化性，鋁鎂矽系合金具優(yōu)秀的熔接與加工成形性，其耐蝕性亦佳，此系合金常軋延成棒、板或鍛造成形，適於船舶及車輛零件。,9-2 鋁及鋁合金,2.高強度鋁合金高強度鋁合金主要的添加元素是銅，此合金大多含有銅的成分，銅可增加鋁合金

46、強度，但耐蝕性較差。鋁夾板（Alclad sheet）是以高強度鋁合金為心部材料，外皮包覆一層耐蝕鋁合金所構(gòu)成，如此既耐蝕，強度也夠。高強度鋁合金，依據(jù)主要組成化學成分之不同可分為：(1)鋁銅系合金；(2)鋁銅鎂錳系合金；(3)鋁銅矽錳系合金；(4)鋁矽系合金；(5)鋁鋅鎂系合金。分別說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,(1)鋁銅系合金鋁銅合金含銅量約在4~6%之間，含5~6% 銅的鋁銅合金強度最大，經(jīng)施行人工時效後，抗拉強度可達36

47、0 N/mm2，加入鉛及鉍可改善切削性，飛機構(gòu)件常用鋁銅系合金製造。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁銅鎂錳系合金杜拉鋁（Duralumin）是高強度鋁合金中最具代表性者。在美國將杜拉鋁通稱Dural，屬於2017 合金，標準成分為4.0%銅、0.5% 鎂、0.5% 錳及少量的鐵、矽、鉻、鋅等。杜拉鋁是一種時效硬化性合金，熔點650℃。杜拉鋁的鑄錠可在450℃左右施行軋延、鍛造或擠壓加工，至於它的熱處理一般是加熱至505℃左右，約1

48、小時後於水中冷卻，再於常溫下放置4~5 日就起時效硬化，抗拉強度可達400N/mm2，接近軟鋼的強度。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁的比重2.77，標準組成為4%銅、0.5%鎂、0.5%錳、其餘為鋁，是既輕且強度高的合金，是輸電線與天線及航空工業(yè)零件的重要材料。杜拉鋁的缺點是對海水的耐蝕性低，當它接觸海水或曝露於含鹽分的空氣中時，常易引起粒間腐蝕而降低其機械性質(zhì)。預(yù)防腐蝕的方法，其一是可製成鋁夾板，即以杜拉鋁為心部，外表包覆12

49、30 純鋁，其二是於表面施以陽極氧化處理。杜拉鋁銲接性不良，當它作為飛機構(gòu)件時，以鉚釘接合較為理想。,9-2 鋁及鋁合金,超杜拉鋁（Super duralumin）是一種增加杜拉鋁中的鎂含量而得更優(yōu)良機械性質(zhì)的鋁合金。超杜拉鋁在英國為RR 合金，日本編為SD 合金，美國為2024 合金；2024 合金的標準成分為4% 銅、1.5% 鎂、0.7% 錳及微量的鐵、矽。一般於490 500℃進行固溶處理約1 小時，然後淬火於冷水中，再經(jīng)5

50、~7 日常溫時效後，抗拉強度可達450~500N/mm2。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁常用於航空工業(yè)作為飛機等航空器的構(gòu)造材料，鉚釘、鑄造活塞、腳踏車零件（如圖9-18 所示）及一般構(gòu)造用材也使用之，如表9-7 及表9-8 所示，說明超杜拉鋁的化學成分、熱處理及機械性質(zhì)。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,(3)鋁銅矽錳系合金Lautal合金即為美國的2025 合金，其標準成分為4.5% 銅、0.8%矽、0.

51、8% 錳、其餘為鋁。固溶處理後經(jīng)人工時效，可得350~380N/mm2的抗拉強度，它適合鍛造而不適於熔接，可作為杜拉鋁的代替品。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁矽系合金鋁矽合金屬於耐熱高強度鋁合金，鍛造與耐熱性均甚優(yōu)良，施以熱處理後具高溫強度，是專門製造活塞與氣缸蓋的材料，故此系合金又稱活塞合金。,9-2 鋁及鋁合金,(5)鋁鋅鎂系合金美國的7075 合金含5.6% 鋅、2.5% 鎂、1.6% 銅、0.3% 鉻，於時效硬化過程中因析出

52、MgZn2化合物而使抗拉強度高達550~600N/mm2，故又名為超強度杜拉鋁。此合金常因內(nèi)部殘留應(yīng)力而生季裂現(xiàn)象。若於合金中加入少量鉻或錳就可改善此缺點。,9-2 鋁及鋁合金,如圖9-19 所示，為一鋁銅系平衡狀態(tài)圖，在548℃時，銅在鋁中的溶解度最大約為5.7%。當溫度逐漸降低時，銅的溶解度變小，在300℃時約僅0.45%而已，這個隨溫度下降而溶解度減低的現(xiàn)象為析出硬化之基本條件。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,一般而言，

53、固溶體的強度要比純金屬大，因此鋁固溶其他元素時，強度會增加。當含5%銅的鋁銅合金，在548℃時之組織為均質(zhì)的α 固溶體，隨著溫度的緩緩下降， α 固溶體沿著ab 線析出（CuAl2）相而生成α＋θ 的二相組織。,9-2 鋁及鋁合金,但是合金如從高溫急冷（淬火）時，由於冷卻速度太快，以致無法立刻析出，成為過飽和的固溶體組織。此種由高溫急冷而形成過飽和固溶體的熱處理，稱為固溶處理（Solution treatment）。,9-2 鋁及鋁合金

54、,這種過飽和固溶體組織並不安定，若將它長時間置於常溫環(huán)境中時，θ 會慢慢析出而變成強硬安定的α＋θ 組織。此種由過飽和固溶析出一種組織而達強化的現(xiàn)象稱為析出硬化（Precipitation hardening），在常溫時的析出硬化過程較為緩慢，稱為自然時效（Natural aging）。,9-2 鋁及鋁合金,假若把溫度提高到160℃左右回火，則可以促進硬化作用的加速進行，這叫做人工時效（Artificial aging），上面所述各種

55、藉時效而強化之現(xiàn)象，通稱為時效硬化（Age hardening）。,9-2 鋁及鋁合金,鋁合金淬火時會產(chǎn)生過飽和的固溶體，最常用的淬火液是冷水，有時也使用較溫和的淬火液，如熱水、沸水等以消除殘留應(yīng)力。鋁合金的淬火溫度通常在500~550℃之間視其成分而異，重要的是從爐內(nèi)取出到放入淬火液之時間愈短愈好（勿超過60 秒），否則溫度太低時析出現(xiàn)象會急速地發(fā)生。淬火後的鋁合金質(zhì)地柔軟，可立即加工。,9-2 鋁及鋁合金,退火的目的在於消除內(nèi)部

56、殘留應(yīng)力及降低強度，以便進行下一步的加工，鋁合金的退火溫度以340℃為宜，加熱時間約1 小時，在爐中緩緩冷卻。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅（Zinc，Zn）為六方晶系之結(jié)晶（HCP），故較立方晶系之金屬難以常溫加工。鑄造後，加熱並經(jīng)高溫加工將其鑄造之組織破壞後則易於加工，再結(jié)晶溫度較低，約在100~200℃處即起軟化。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅色青白，25℃時之比重為7.13，熔點為419.47℃，導(dǎo)電度為標準銅之28.2

57、7%。高純度之鋅有優(yōu)良的耐蝕性，在常溫大氣中可保持光澤，鑄造溫度為435~485℃。以電解法精製而成之電解鋅純度可達99.92~99.99%。一般純度在99.8~99.5%者，其主要雜質(zhì)為鉛、鐵、鎘，亦可能有微量錫、銅、砷、銻、矽、硫及碳等存在。作為壓鑄用之鋅，其純度需在99.99%以上，否則將減低其耐蝕性。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅之主要用途為鍍鋅原料，即鍍鋅鐵皮（或稱白鐵皮），其他尚可作為壓鑄用鋅合金及合金材料、乾電池的

58、電極材料、印刷用鋅版，而氯化鋅可作為木材防腐蝕劑及軟銲的銲劑等。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅合金主要用於軸承製品及壓鑄用材料。,鋅基軸承合金以鋅為主要成分元素，其他尚含有適量的錫、銅、鋁及鉛等。此類合金的抗拉強度很大，且為巴氏合金3~4 倍。主要缺點為衝壓抵抗性差，故不適合震動的場合。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,一般而言，此類軸承合金僅適用於高速、無震動且負荷固定的場合，如高速工具機及電動機的軸承，如圖9-20 所示。,9-3

59、 鉛、錫、鋅及其合金,在壓鑄品中，以鋅基合金製品為最多。鋅基合金熔點低，適合壓鑄，它的壓鑄品強度僅次於銅合金，熔液流動性良好，極薄之截面亦可壓鑄，尺寸精確且價格低廉。由於具備以上特點，故為主要的壓鑄用合金，鋅基合金壓鑄品若與濕氣或水蒸汽長期接觸時表面容易被腐蝕，可先施予表面防蝕處理以預(yù)防之。合金內(nèi)雜質(zhì)有錫、鉛、鎘等，如含量超過時，容易引起晶粒間腐蝕，故常於合金中加入適量的鎂以阻止粒間腐蝕發(fā)生，如表9-9 所示，為壓鑄用鋅基合金的

60、成分與機械性質(zhì)。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,壓鑄用鋅基合金的主要用途諸如：汽機車上的化油器（如圖9-21 所示）、喇叭、速率表外框、玩具、家庭用具等，用途甚廣。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛（Lead，Pb）為人類最早使用的金屬之一。主要是由方鉛礦（Galena，PbS）提煉而得，鉛的純度約在98.5~99.99%之間。結(jié)晶型式為FCC，比重為11.34，斷面為青白色並有光澤，熔點為327.4℃，沸點

61、為740℃，硬度小，抗拉強度低但延展性大。在常溫下容易彎曲與捶打，同時對X光線及原子輻射線具有特殊的遮斷能力。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,純鉛的耐蝕性甚大，在含CO2的潮濕空氣中表面容易形成一層暗灰色的碳酸鉛以保護內(nèi)部不再被腐蝕。鉛對人體容易造成中毒，所以，食品容器、餐具或玩具內(nèi)含鉛量不可超過10%，與食物直接接觸部分的含鉛量應(yīng)在5%以下。鉛中若含有2~3%之銻者稱為硬鉛（Hard lead），它可作為電纜之包覆層，以防電纜潮

62、濕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛的用途還包括：(1)製造各種合金，如軸承合金、易熔合金等。(2)黃色、白色、藍色油漆的原料，如：氧化鉛（PbO）為黃色原料；鹼式碳酸鉛為白色原料；鹼式硫酸鉛為藍色原料。(3)製造顏料鉛丹（Pb3O4）。(4)四乙基鉛為汽油抗爆劑（Anti-knock compounds）。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,(5)衛(wèi)生水管與化工管路。(6)鉛蓄電池之鉛板。(7)鉛可增進切削性。(8

63、)X 射線護具及隔音設(shè)備。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫（Tin，Sn）為應(yīng)用甚早的金屬，主要是由錫石（Cassiterite，SnO2）提煉而得。錫的純度一般在99.75~99.9%，雜質(zhì)包含鐵、砷、銻等。錫為銀白色具光澤的金屬，由於錫有三種不同的結(jié)晶格子，因此具有三種同素異形體，如表9-10 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,由表中α 錫之同素變態(tài)點為18℃，但是實際上β → α變態(tài)之發(fā)生較18℃要低

64、很多。由於α 錫比β 錫比重小，故當發(fā)生β → α變態(tài)時體積會膨脹，使整體粉碎或局部突出。故於-40℃之冬天，錫器可能會突然崩壞而變成粉末，原因即在於此，此種變態(tài)通稱為錫瘟（Tin-pest）。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,工業(yè)用錫稱白錫或β 錫，存在於18~180℃，質(zhì)軟富延展性。比重7.3、熔點232℃。在100℃左右，錫之延展性最大，可輾成錫箔，但加熱至200℃時卻容易變脆。錫被彎曲時，由於雙晶之形成而發(fā)出聲音，稱為錫鳴（Tin

65、 cry）。錫在大氣中不受氧化，表面仍保有光澤，對一般化學品具抗蝕性。錫能抵抗有機酸的侵蝕，故罐頭容器常以鍍錫鐵皮製造。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫的主要用途有下列數(shù)項：(1)製造合金。如：青銅、易熔合金、巴氏合金等。(2)製錫箔。錫在100℃時延展性最大，故可輾成錫箔，它用來包裹糖果、香煙與揮發(fā)性香料等。(3)製造馬口鐵。馬口鐵又稱鍍錫鐵片。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金又稱易熔合金（Fusible all

66、oy），主要由鉛、錫、鉍、鎘等四種低熔點金屬構(gòu)成，其中鉍的含量較多。低熔點合金的熔點隨各構(gòu)成元素含量之不同而異，約在60~113℃。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金其用途頗為廣泛，說明如下：1.利用低溫熔解之特性，可製造保險絲、鍋爐安全易熔塞、自動火災(zāi)警報器等。2.欲檢驗鍛?；蛩苣z模之形狀及精密度時，以低熔點合金鍛造或鑄造後再加以檢驗之。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.薄管彎曲時，管內(nèi)裝入低熔點合金，以避免彎管時之變

67、形，事後將管子低溫加熱即可將填料熔化取出。4.作為銲接電子線路之低溫銲料頗為適合。5.作為子彈彈頭內(nèi)的填充料等。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承合金（Bearingmetal）常黏貼於與轉(zhuǎn)軸接觸之襯套上，如圖9-22所示，優(yōu)良的軸承合金須具備下列條件：1.適當?shù)挠捕燃袄箯姸取?.具有韌性以耐震動與衝擊力量。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.傳熱或散熱須快速。4.鑄造及加工容易。5.耐蝕性佳以抵抗?jié)櫥瑒┲兴犷愔?/p>

68、蝕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承合金之組織，一般是在柔軟的基地內(nèi)有硬質(zhì)的結(jié)晶粒均勻分布內(nèi)部。使用時軟質(zhì)部分因受摩擦而凹陷，以儲存潤滑劑，硬質(zhì)部分因此變得突出以承受重荷，其化學成分與用途，如表9-11 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承用合金中，最普遍而常用者有二種：(1)錫基軸承合金；(2)鉛基軸承合金。(1)錫基軸承合金錫基軸承合金中最具代表性者為巴氏合金（