Transcript 3．铸造铝合金
第5章 • • • • • • • • • • 有色金属及其合金 [复习] 上次课的重点 [讲授新课] 课题：有色金属及其合金 教学目的与要求： 1、掌握纯铝、纯铜的性能。 2、掌握常用铝合金、铜合金的性能及分类。 3、掌握滑动轴承合金、硬质合金的种类及应用。 教学重点与难点： 1、铝合金、铜合金的合理选用，铝合金热处理特点与 铁碳合金的不同之处，滑动轴承合金、硬质合金的种 类及应用是教学重点。 • 2、掌握常用铜合金、铝合金及硬质合金的牌号是教学 重点。 • 教学过程： 第5章 有色金属及其合金 第5章 有色金属及其合金 5.1 铝及铝合金 5.2 铜及铜合金 5.3 滑动轴承合金 5.4 粉末冶金材料 知识窗——钛及镁 自测习题 第5章 有色金属及其合金 5.1 铝 及 铝 合 金 5.1.1 工业纯铝 纯铝呈银白色，密度较小(约2.7 g/cm3)，熔点为660℃，具 有面心立方晶格，无同素异晶转变。纯铝的导电性、导热性仅 次于银、铜、金，在金属中列第四位，在室温下，铝的导电能 力为铜的62%，但按单位质量导电能力计算，则铝的导电能力 约为铜的200%。 纯铝的强度很低(σb仅80～100 MPa)，但塑性很高，适合各 种冷热加工，特别是塑性加工。纯铝不能热处理强化，但可以 通过冷变形强化。 第5章 有色金属及其合金 铝在大气中极易和氧结合生成致密的氧化膜，阻止铝的进 一步氧化，故铝在大气中具有良好的耐蚀性。但铝不能耐酸、 碱、盐的腐蚀。 纯铝的用途主要是：代替贵重的铜合金，制作导线；配制 各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求 不高的器具。 第5章 有色金属及其合金 工 业 纯 铝 分 为 铸 造 纯 铝 和 变 形 纯 铝 两 种 。 根 据 GB/T 8063—94规定，铸造纯铝牌号由“铸”的汉语拼音字首“Z”和 铝的元素符号“Al”及表示铝含量的数字组成，例如ZAl99.5表 示wAl＝99.5%的铸造纯铝；根据GB/T 16474—1996规定，变形 铝及铝合金的牌号用四位字符体系的方法表示，即用1××× 表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量×100后小数点 后面两位数字，牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况， 如果字母为A，表示原始纯铝或原始合金，例如，牌号1A30的 变形铝表示wAl ＝99.30%的原始纯铝，若为其它字母，则表示 为原始纯铝的改型。我国变形铝的牌号有1A50、1A30等，高 纯铝的牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85等。 第5章 有色金属及其合金 5.1.2 铝合金 1．铝合金的分类及热处理 1) 铝合金的分类 纯铝的强度低，因此，生产中用的结构大多是铝合金材料 。铝合金中，铝与主加元素的二元相图一般都具有图7-1所示 形式。根据该相图上最大溶解度D点，把铝合金分为变形铝合 金(压力加工铝合金)和铸造铝合金。 第5章 有色金属及其合金 图5-1 铝合金分类示意图 第5章 有色金属及其合金 (1) 变形铝合金。当加热到固溶线以上时，可得到单相固 溶体，其塑性很好，宜于进行压力加工，称为变形铝合金。 变形铝合金又可分为两类：成分在F点以左的合金，其α固 溶体成分不随温度而变，故不能用热处理使之强化，属于热处 理不可强化铝合金；成分在D到F点之间的铝合金，α固溶体在 DF线以下时，成分随温度而变化，可用热处理强化，属于热 处理可强化铝合金。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铸造铝合金。成分位于D点右边的合金，由于有共晶 组织存在，适于铸造，因此称为铸造铝合金。 应该指出，上述分类并不是绝对的。例如，有些铝合金， 其成分虽位于D点右边，但可进行压力加工，因此仍属于变形 铝合金。 第5章 有色金属及其合金 2) 铝合金的热处理 (1) 铝合金的退火。铝合金退火的主要目的是消除应力或 偏析，稳定组织，提高塑性。退火时将铝合金加热至200～ 300℃，适当保温后空冷，或先缓冷到一定温度后空冷。为了 消除变形铝合金在塑性变形过程中产生的强化现象，可对其 进行再结晶退火。再结晶退火的温度视合金成分和冷变形条 件而定，一般在350～450℃。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铝合金的时效强化。可热处理强化的铝合金，当它加 热到α相区，保温后在水中快冷，由于快速冷却，溶质原子难 以析出，得到过饱和的α固溶体，此时合金的强度、硬度并没 有明显升高，这种热处理称为固溶淬火(或固溶热处理)。淬火 后的铝合金，由于过饱和的α固溶体是不稳定的，在一定温度 下，随着时间的延长，合金的强度、硬度将显著升高，这就是 时效强化(或叫沉淀硬化)，这一过程称为时效处理。室温下的 时效称为自然时效，加热条件下的时效称为人工时效。 第5章 有色金属及其合金 位于极限溶解度D点附近成分的合金，时效强化效果最好。 成分位于D点以右的合金，其组织为α固溶体与第二相的混合 物，因时效过程只在α固溶体中发生，故其时效强化效果将随 着合金成分向右远离D点而逐渐减小。 铝合金时效强化的效果与加热温度和保温时间有关，如图 7-2所示。若人工时效的温度过高(或时间过长)，反而使合金软 化，这种现象称为过时效。 第5章 有色金属及其合金 图5-2 wCu=4%的铝合金在不同温度下的时效曲线 第5章 有色金属及其合金 2．变形铝合金 根据主要性能特点和用途，变形铝合金又可分为防锈铝合 金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金等，其中后三类是可以 热处理强化的铝合金。 根据GB/T16474—1996《变形铝及铝合金牌号表示方法》 和GB/T3190—1996《变形铝及铝合金化学成分》的规定，变形 铝合金牌号用四位字符体系表示，第一、三、四位为数字，第 二位为字母“A”。牌号中第一位数字是按主要合金元素Cu、 Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn的顺序来表示变形铝合金的组别，最 后两位数字用以表示同一组别中的不同铝合金。部分常用变形 铝合金的牌号、成分、力学性能及用途见表7-1(摘自GB/T 3190—1996、GB 10569—89、GB 10572—89)。 第5章 有色金属及其合金 表5-1 常用变形铝合金的代号、成分、力学性能 组 化 成 分/% 牌号 别 5A05 供应 状态 试样 状态* 力学性能 原 代 号 σb /M Pa δ 10 /% BR 265 15 LF5 BR BR ＜167 20 LF21 — BM BCZ — — LY1 Cu Mg Mn Zn 其它 0.10 4.8～ 5.5 0.30～ 0.60 0.20 Si0.5 Fe0.5 BR — Si0.6 Fe0.5 Ti0.15 防 锈 铝 硬 铝 学 3A21 0.20 — 2A01 2.2～ 3.0 0.2～ 0.5 0.20 0.10 Si0.5 Fe0.5 Ti0.15 2A11 3.8～ 4.8 0.4～ 0.8 0.40～ 0.80 0.30 Si0.7 Fe0.7 Ti0.15 Y M CZ ＜235 373 12 15 LY11 2A12 3.8～ 4.9 1.2～ 1.8 0.30～ 0.90 0.30 Si0.5 Fe0.5 Ti0.15 Y M CZ ≤216 456 14 8 LY12 1.0～1.6 第5章 有色金属及其合金 表5-1 常用变形铝合金的代号、成分、力学性能 超 硬 铝 锻 铝 7A04 1.4～ 1.8～2.8 2.0 0.20～ 0.60 或 0.20～ 0.45～ 6A02 Cr0.15～ 0.6 0.90 0.35 2A50 1.8～ 0.40～ 2.6 0.80 0.40～ 0.80 5.0～7.0 — 0.30 Si0.5 Fe0.5 Cr0.10～0.25 Ti0.10 Si0.5～1.2 Ti0.15 Fe0.5 Si0.7～1.2 Fe0.7 Ti0.15 Y M 245 10 Y CS 490 7 BR BCS 549 6 R，BCZ BCS 304 8 LD2 R，BCZ BCS 382 10 LD5 LC4 第5章 有色金属及其合金 (1) 防锈铝合金。防锈铝合金主要是Al-Mn系和合金Al-Mg 系合金。合金元素锰和镁的主要作用是产生固溶强化，并使合 金保持较高的耐蚀性。但这类合金对时效强化效果较弱，一般 只能用冷变形来提高强度。 防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好，常用拉延法制造 各种高耐蚀性的薄板容器(如油箱等)、防锈蒙皮以及受力小、 质轻、耐蚀的制品与结构件(如管道、窗框、灯具等)。典型牌 号有3A21、5A05等。 第5章 有色金属及其合金 (2) 硬铝合金。硬铝合金是Al-Cu-Mg系合金，是一种应用较 广的可热处理强化的铝合金。这类合金通过淬火时效可显著提 高强度，强度可达420 MPa，其比强度与高强度钢(一般指强度 为1000～1200 MPa的钢)相近，故名硬铝。硬铝的耐蚀性远比纯 铝差，更不耐海水腐蚀；尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性剧 烈下降。对硬铝板材可以采用表面包一层纯铝或覆铝，以增加 其耐蚀性，但在热处理后强度会稍低。 2A01属低强度硬铝，但有很好的塑性，适宜制作铆钉，故 又叫铆钉硬铝。 第5章 有色金属及其合金 2A11为中强度硬铝，也称标准硬铝，既有较高的强度， 又有足够的塑性，退火态和淬火态下可进行冷冲压加工，时效 后有较好的切削加工性能，常用来制造形状较复杂、载荷较低 的结构零件。 2A12为高强度硬铝，经热处理强化后可获得很高的强度 和硬度，并有良好的耐热性，但塑性有所下降，冷、热加工能 力较差，热处理室应严格控制淬火温度(498±5℃)。2A12广泛 用于制造飞机翼肋、翼架等受力构件，还可用于制造在200℃ 以下工作的零件。 第5章 有色金属及其合金 (3) 超硬铝合金。超硬铝属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，并有少 量的铬和锰。在铝合金中，超硬铝时效强化效果最好，强度最 高，可达到600 MPa，其比强度已相当于超高强度钢(一般指强 度大于1400 MPa的钢)，故名超硬铝。 目前应用最广的超硬铝合金是7A04。常用于飞机上受力大 的结构零件，如起落架、大梁等。在光学仪器中，用于要求重 量轻而受力较大的结构零件。 第5章 有色金属及其合金 (4) 锻铝。锻铝合金包括Al-Mg-Si-Cu系和Al-Cu-Mg-Ni-Te 系两类合金。前者以Mg2Si为主要强化相；后者通过加入铁和 镍形成合金中的耐热强化相，故又称耐热铝合金。因锻铝的自 然时效速率较慢，强化效果较低，故一般均采用淬火和人工时 效。 锻铝合金具有良好的热塑性和锻造性能，力学性能与硬铝 相近，但热塑性及耐蚀性较高，更适于锻造，故名锻铝。由于 其热塑性好，因此主要用作航空及仪表工业中各种形状复杂、 要求比强度较高的锻件或模锻件，如各种叶轮、框架、支杆等。 第5章 有色金属及其合金 3．铸造铝合金 与变形铝合金相比，铸造铝合金力学性能不如变形铝合金， 但其铸造性能好，可进行各种成型铸造，生产形状复杂的零件。 根据主加合金元素的不同，铸造铝合金的种类很多，主要有铝硅系、铝-铜系、铝-镁系及铝-锌系四种，其中以铝硅系应用最广 泛。铸造铝合金牌号由“ZAl”后跟合金元素符号及合金元素含量 百分数组成。若牌号后面加“A”表示优质。铸造铝合金的代号 用“铸”、“铝”两字的汉语拼音的字首“ZL”及三位数字表示。 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)；第二位、第三位数字为合金顺序号，序号不同者 化学成分也不同。例如，ZL102表示2号铝-硅系铸造铝合金。若 为优质合金，在代号后面加“A”。常用的铸造铝合金的代号、 牌号、成分、力学性能及用途如表7-2所示。 第5章 有色金属及其合金 表5-2 常用铸造铝合金的代号、牌号、成分、性能和用途(摘自GB/T1173—1995) 类别 铝 硅 合 金 合金牌号 (代号) 铸造方法与 ① 合金状态 ZAlSi7M g (ZL101) J，T5 S，T5 ZAlSi12 (ZL102) 力学性能(≥) σ b/ M Pa δ 5/% HBS (5/250/30) 205 195 2 2 60 60 J，F 155 SB，JB，F 145 SB，JB，T2 135 2 4 4 50 50 50 ZAlSi5Cu1M g (ZL105) J，T5 S，T5 S，T6 235 195 225 0.5 1.0 0.5 70 70 70 ZL108 ZAlSi12Cu2M g1 J，T1 J，T6 195 255 — 85 90 用 途 ② 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，工作温度不超 过 185℃的汽化器等 形状复杂的砂型、金属型和压力铸造零 件，如仪表、抽水机壳体，工作温度不超 过 200℃、要求气密性、承受低载荷的零 件 在 225℃以下工作、形状复杂的铸件， 如风冷发动机的气缸头、机匣、液压泵壳 体等 砂型、金属型铸造的、要求高温强度及 低膨胀系数的铸件，如高速内燃机活塞及 其它耐热零件 第5章 有色金属及其合金 表5-2 常用铸造铝合金的代号、牌号、成分、性能和用途(摘自GB/T1173—1995) 铝 铜 合 金 ZAlCu5Mn (ZL201) S，T4 S，T5 295 335 8 4 70 90 ZAlCu5MnA (ZL201A) S，J，T5 390 8 100 砂型铸造在 175～300℃以下工作的零 件，如支臂、挂架梁、内燃机气缸头、 活塞等 同上 铝镁 合金 ZAlMg10 (ZL301) J，S，T4 280 10 60 砂型铸造的在大气或海水中工作的零 件；承受大振动载荷、工作温度不超过 150℃的零件 铝锌 合金 ZAlZn11Si7 (ZL401) J，T1 S，T1 245 195 1.5 2 90 80 压力铸造的工作温度不超过 200℃、结 构形状复杂的汽车、飞机零件 第5章 有色金属及其合金 (1) 铝硅铸造合金。铝硅铸造合金又称硅铝明，是四种铸 造铝合金中铸造性能最好的，具有中等强度和良好的耐蚀性， 因而应用最广泛。 共晶成分(wSi＝11.7%)及其附近的硅铝合金具有优良的铸 造性能，故常用的铝-硅合金(如ZAlSi12)的硅含量为wSi＝ 10%～13%，铸造缓冷后的组织主要为共晶体(α＋Si)，其中硅 晶体呈粗大针状，是硬脆相，会严重降低合金的力学性能(σb＝ 130～140 MPa，δ＝1%～2%)，如图7-3所示。 第5章 有色金属及其合金 为了改善铝硅合金的性能，可在浇注前往液体合金中加入 含有钠或锶的变质剂，进行变质处理。钠能促进硅形核，并阻 碍其晶体长大，使硅晶体成为极细的粒状，均匀分布在铝基体 上。钠还影响Al-Si相同，使ZalSi12(ZL102)形成亚共晶组织。 变质后，铝合金的力学性能显著提高(σb≥180 MPa，δ＝6%)， 如图7-4所示，图中白色为先析相固溶体α，其余为细化的共晶 组织(α＋Si)。 第5章 有色金属及其合金 图5-3 ZL102变质前的显微组织(100×) 第5章 有色金属及其合金 图5-4 ZL102变质后的显微组织(100×) 第5章 有色金属及其合金 仅含有硅的铝-硅系合金(如ZL102)的主要缺点是铸件致密 程度较低，强度较低(经变质处理后，强度也不超过180 MPa)， 且不能热处理强化。为了提高铝硅合金的强度，可加入镁、铜 以形成强化相CuAl2 、CuMgAl2 、MgSi等。这样的合金在变质 处理后还可以进行淬火时效，以提高强度，如ZL105、ZL108 等合金。 铸造铝硅合金一般用来制造轻质、耐蚀、形状复杂但强度 要求不高的铸件，如发动机气缸、自动工具(手电钻、风镐)以 及仪表的外壳。同时加入镁、铜的铝-硅系合金(如 ZAlSi2Cu2Mg1等)，还具有较好的耐热性与耐磨性，是制造内 燃机活塞的合适材料。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铝铜铸造合金。此类合金中铜含量一般为4%～14%， 时效强化效果好，在铸造铝合金中具有最高的强度和耐热性。 但此类合金铸造性不好，耐蚀性也较差。可用于制造要求强度 高或在高温(200～300℃)条件下工作的零件。 (3) 铝镁铸造合金。此类合金的特点是耐蚀性好，且密度 较小，同时有较高的强度和韧性，并可以热处理强化。缺点是 铸造性能和耐热性较差。常用于制造耐腐蚀、抗冲击和表面装 饰性要求较高的零件。 第5章 有色金属及其合金 (4) 铝锌铸造合金。此类合金铸造性能良好，且在铸造冷 却时有“自淬火效应”，使铸件能获得较高的强度，既可直 接进行时效处理，也可直接使用。缺点是密度大，耐蚀性差， 热裂倾向大，铸造时需变质处理。可用于制造形状复杂的各 类零件。 第5章 有色金属及其合金 5.2 铜 及 铜 合 金 5.2.1 工业纯铜 纯铜的外观呈紫红色，故常称纯铜为紫铜。铜的相对密度 为8.96，熔点为1083℃。纯铜有良好的导电性和导热性，高的 化学稳定性以及高的抗大气和水腐蚀性，并且还具有抗磁性。 纯铜具有面心立方晶格，无同素异晶转变，不能热处理强 化。 第5章 有色金属及其合金 纯铜的强度不高(σb=230～240 MPa)，硬度很低(40～50 HBS)，塑性却很好(δ=45%～50%)。冷塑性变形后，可以使铜 的强度提高到400～500 MPa，但伸长率急剧下降到2%左右。 纯铜的主要用途是制作各种导线、电缆、导热体、铜管、防磁 器械等。 工业纯铜分未加工产品(铜锭、电解铜)和加工产品(铜料)两 种。未加工产品代号有Cu-1和Cu-2两种。加工产品代号有T1、 T2、T3三种，“T”为“铜”的汉语拼音字首，代号中数字越大， 表示杂质含量愈多。纯铜中的杂质主要有铅、铋、氧、硫和磷 等，这些杂质的存在，不仅可降低铜的导电性，而且还会使其 在冷、热加工过程中发生冷脆和热脆现象。 第5章 有色金属及其合金 5.2.2 铜合金 1．铜合金的分类、牌号 1) 铜合金的分类 铜合金按化学成分可分为黄铜、青铜及白铜(铜镍合金)三 大类。机器制造中，应用较广的是黄铜和青铜。 黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金。其中不含其它合 金元素的黄铜称普通黄铜(或简单黄铜)；含有其它合金元素的 黄铜称为特殊黄铜(或复杂黄铜)。 第5章 有色金属及其合金 白铜是以镍为主要合金元素的铜镍合金。其中不含其它合 金元素的黄铜称普通白铜(或简单白铜)；含有其它合金元素的 黄铜称为特殊白铜(或复杂白铜) 青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜 合金。按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、 铝青铜、硅青铜、铍青铜等。 铜合金按生产方法可分为压力加工产品和铸造产品两类。 第5章 有色金属及其合金 2) 铜合金牌号表示方法 (1) 加工铜合金。其牌号由汉字和数字组成，为便于使用， 常以代号替代牌号。 ① 加工黄铜。普通加工黄铜代号表示方法为“H”+铜元素 含量(质量分数×100)。例如，H68表示质量分数为68%、余量 为锌的黄铜。特殊加工黄铜代号表示方法为“H”+主加化学元 素的化学符号(除锌以外)+铜及各合金元素的含量(质量分数 ×100)。例如，HMn58-2表示铜含量为58%、Mn含量为2%、余 量为锌的加工黄铜。 第5章 有色金属及其合金 ② 加工青铜。代号表示方法是：“Q”(“青”的汉语拼音 字首)+第一主加化学元素符号及含量+其它合金元素含量。例 如，QSn4-3表示wSn=4%、其它合金元素wZn=3%、余量为铜的 加工锡青铜。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铸造铜合金。铸造黄铜与铸造青铜的牌号表示方法相 同，为“Z”+铜元素化学符号+主加元素的化学符号及含量+其 它合金元素符号及含量。例如，ZCuZn38表示锌的含量为38%、 余量为铜的铸造普通黄铜；ZCuSn10P1表示锡含量为10%、磷 的含量为1%、余量为铜的铸造锡青铜。 第5章 有色金属及其合金 2．黄铜 1) 普通黄铜 黄铜的性能与含锌量有密切的关系。当含锌量增加时，由 于固溶强化，使黄铜强度、硬度提高，同时塑性和铸造性能还 有所改善。当wZn＞32%时出现β′ 相(CuZn的有序化)，使塑性开 始下降。但一定数量的β′ 相能起到强化作用，而使强度继续升 高。但当wZn＞45%时，因脆硬β′ 相在组织中数量过多而使黄铜 强度，塑性急剧下降，一般工业黄铜的含锌量不超过47%，如 图7-5所示。 第5章 有色金属及其合金 图5-5 黄铜的含锌量与力学性能的关系 第5章 有色金属及其合金 工业中应用的普通黄铜，按其平衡状态的组织可分为以下 两种类型：当wZn<39%时，室温组织为单相α固熔体(单相黄铜)； 当wZn=39%～45%时，室温下的组织为α+β′ (双相黄铜)。在实际 生产条件下，当wZn>33%时，即出现α+β′ 组织。常用的单相黄 铜有H70、H80等，其中的H70(按成分称为七三黄铜)具有良好 的冷塑性变形能力，特别适宜深冲加工，大量用于制作枪、炮 的弹壳，故又被称作“弹壳黄铜”；H80有优良的耐蚀性、导 热性和冷变形能力，并呈金黄色，故有“金色黄铜”之称，常 用于镀层、艺术装饰品、奖章、散热器等。 第5章 有色金属及其合金 常用的双相黄铜有H59、H62等，H62及H59(又称为六四黄 铜)因室温组织中有β′ 相，故不适宜冷变形加工，但若加热到 456℃以上，可使β′ 转化成塑性好的β相，则可进行热加工。 H62(及H59)强度较高，并有一定的耐蚀性，广泛用来制作电器 上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、 弹簧及机器中的轴套等，是广泛应用的黄铜，有“切削黄铜”、 “商业黄铜”之称。 普通黄铜的耐蚀性良好，并与纯铜相近。但经冷加工的黄 铜件存在残余应力，在潮湿的大气或海水中，特别是在含氨的 气氛中，易产生应力腐蚀开裂现象(自裂)。防止应力腐蚀开裂 的方法是在250～300℃时进行去应力退火。 第5章 有色金属及其合金 2) 特殊黄铜 在普通黄铜的基础上，再加入其它合金元素所组成的多合 金称为特殊黄铜。常加入的元素有锡、铅、铝、硅、锰、铁等。 特殊黄铜也可依据加入的第二元素命名，如锡黄铜、锰黄铜、 铅黄铜、硅黄铜等。合金元素加入黄铜后，除强化作用外，加 入的锡、铝、硅、锰、镍还可提高耐蚀性与减少黄铜应力腐蚀 破裂的倾向。某些元素的加入还可改善黄铜的工艺性能，如加 入硅可改善铸造性能，加入铅可改善切削加工性能等。 常用的普通黄铜及特殊黄铜的牌号、代号、成分、力学性 能及用途如表7-3所列(摘自GB2041—89、GB1176—87、 GB5232—85)。 第5章 有色金属及其合金 表5-3 常用普通黄铜及特殊黄铜的牌号、成分、力学性能及用途 组 别 普 通 黄 铜 普 通 黄 铜 代号或牌号 力 学 性 能* 化 学 成 分 wCu/% w 其它/% σb/M Pa δ/% H90 88.0～ 91.0 余量 Zn 245 392 35 3 H68 67.0～ 70.0 余量 Zn 294 392 H62 60.5～ 63.5 ZCuZn38 60.0～ 63.0 主要用途 HBS — 双金属片、供水和排水管、证章、 艺术品(又称金色黄铜) 40 13 — 复杂的冷冲压件、散热器外壳、 弹 壳 、 导 管 、 波 纹 管 、 轴套 余量 Zn 294 412 40 10 — 销钉、铆钉、螺钉、螺母、垫圈、 弹簧、夹线板等 余量 Zn 295 295 30 30 59 68.5 一般结构件，如散热器、螺钉、 支架等 表5-3 常用普通黄铜及特殊黄铜的牌号、成分、力学性能及用途 第5章 有色金属及其合金 特 殊 黄 铜 HSn62-1 61.0～ 63.0 0.7～1.1Sn 余量 Zn 249 392 35 5 — 与海水和汽 油接触的 船舶零件 (又称海军黄铜) HSi80-3 79.0～ 81.0 2.5～4.5Si 余量 Zn 300 350 15 20 — 船舶零件，在海水、淡水和蒸汽 (<265℃)条件下工作的零件 HM n58-2 57.0～ 60.0 1.0～2.0M n 余量 Zn 382 588 30 3 — 易于热压力加工，用于腐蚀条件 下工作的重要零件和弱电零用件 HPb59-1 57.0～ 60.0 0.8～1.9Pb 余量 Zn 343 441 25 5 — 热冲压及切削加工零件，如销钉、 螺钉、螺母、轴套(又称易削黄铜) ZCuZn40 M n3Fel 53.0～ 58.0 3.0～4.0M n 0.5～1.5Fe 余量 Zn 440 490 60.0～ 66.0 4.5～7(Al) 2～4(Fe) 1.5～4.0(M n) 余量 Zn 725 745 ZCuZn25Al6 Fe3M n3 18 15 7 7 98 108 166.5 166.5 轮廓不复杂的重要零件，海轮上 在 300℃以下工作的管配件、螺旋 桨等大型铸件 适用于高强度、耐磨零件，如压 紧螺母、重型蜗杆、轴承、衬套 第5章 有色金属及其合金 3．青铜 1) 锡青铜(以锡为主加元素的铜合金) 在一般铸造条件下，只有wSn<5%～6%的锡青铜室温组织 彩色单相α固溶体，α固溶体是锡在铜中的固溶体，具有良好 的冷、热变形性能。wSn>5%～6%时出现硬脆相δ。含锡量对 锡青铜的力学性能影响如图7-6所示。工业用锡青铜一般的含 锡量为wSn=3%～14%。 第5章 有色金属及其合金 图5-6 含锡量与铸造锡青铜的力学性能关系曲线 第5章 有色金属及其合金 按生产方法，锡青铜可分为加工锡青铜和铸造锡青铜两类。 (1) 加工锡青铜。它的含锡量一般为wSn<8%，适宜冷、热 压力加工，通常加工成板、带、棒、管等型材使用。经加工硬 化后，这类合金的强度、硬度显著提高，但塑性也下降很多。 如硬化后再经去应力退火，则可在保持较高强度的情况下改善 塑性，尤其是可获得高的弹性极限，这对弹性零件极为重要。 加工锡青铜适宜制造仪器上要求耐蚀及耐磨的零件、弹性 零件、抗磁零件以及机器中的轴承、轴套等。常用的有QSn4-3 和QSn6.5-0.1等。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铸造锡青铜。其含锡、磷量一般均较加工锡青铜高， 使它具有良好的铸造性能，适于铸造形状复杂但致密度不高 的铸件。 这类合金是良好的减摩材料，并有一定的耐磨性，适宜 制造机床中滑动轴承、涡轮、齿轮等零件。又因其耐蚀性好， 故也是制造蒸汽管、水管附件的良好材料。常用的铸造青铜 有ZCuSn10Pb1和ZCuSn5Pb5Zn5等。 第5章 有色金属及其合金 2) 无锡青铜 无锡青铜的种类很多，下面仅介绍铝青铜和铍青铜。 (1) 铝青铜。它是以铝为主加元素的铜合金。通常铝的含量 为5%～11%。铝青铜和锡青铜、黄铜相比，具有更高的强度、 抗蚀性及耐磨性，此外还有耐热性、耐寒性、冲击时不产生火 花等特性。铝青铜的力学性能受铝含量影响很大(见图5-7)。 第5章 有色金属及其合金 图5-7 含铝量与铝青铜力学性能关系曲线 第5章 有色金属及其合金 铝青铜的结晶温度范围很窄，具有很好的流动性，易于获 得致密的、偏析小的铸件。铝青铜还可进行热处理强化。在铝 青铜中加入铁、锰、镍等元素，能进一步提高其性能(铸态可达 σb ＝400～500 MPa，δ＝10%～20%)，并有较好的韧性、硬度 与耐磨性。 铝青铜的价格低廉，性能优良，可作为价格昂贵的锡青铜 的代用品，常用来制造强度及耐磨性要求较高的的摩擦零件， 如齿轮、蜗轮、轴套等。常用的铸造铝青铜有ZCuAl10Fe3、 ZCuAl10Fe3Mn2等。加工铝青铜(低铝青铜)用于制造仪器中要 求耐蚀的零件和弹性元件。常用的加工铝青铜有QA15、QA17、 QA19-4等。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铍青铜。它是以铍为主加元素(铍含量为1.7%～2.5%) 的铜合金。由于铍在铜中的溶解度随温度变化很大，因而铍青 铜具有很好的固溶时效强化效果，是时效强化效果极大的铜合 金。经淬火(780±10℃水冷后，σb＝500～550 MPa，硬度为 120 HBS，δ＝25%～35%)再经冷压成型、时效(300～350℃，2 h)之后，铍青铜可以获得很高的强度、硬度和弹性极限(σb ＝ 1250～1400 MPa，硬度为330～400 HBS，δ＝2%～4%)。另外， 铍青铜还有好的导热性、导电性、耐寒性、无磁性、撞击时不 产生火花等特殊性能，在大气、海水中有较高的耐蚀性。如果 经钠盐钝化，则耐蚀性可成倍提高，在低温下无脆性。但铍有 毒，且铍青铜制造工艺复杂，价格昂贵，因而限制了它的使用。 第5章 有色金属及其合金 铍青铜主要用来制作精密仪器、仪表中各种具有重要用 途的弹性元件、耐蚀/耐磨零件(如仪表中的齿轮)、航海罗盘 仪中的零件及防爆工具。一般铍青铜是以压力加工后淬火为 供应状态，工厂制成零件后，只需进行时效即可。 常用青铜的代号、成分、力学性能和用途如表5-4所示(摘 自GB 2408—89、GB 1176—87、GB 2043—89、GB 5233—85 、GB 4421—84)。 第5章 有色金属及其合金 5.3 滑动轴承合金 轴承合金是用来制造滑动轴承轴瓦及内衬(轴承衬)的合金 材料。当轴承支撑着轴进行工作时，如图5-8所示，轴瓦与轴 之间必然会发生剧烈的摩擦，同时承受轴颈传递的交变载荷 。根据滑动轴承的工作条件，目前常用的轴承合金组织有软 基体硬质点组织和硬基体软质点组织两类。 第5章 有色金属及其合金 图5-8 滑动轴承理想组织示意图 第5章 有色金属及其合金 1．锡基轴承合金(锡基巴氏合金) 锡基巴氏合金是以锡为基体元素，加入锑、铜等元素组成 的Sn-Sb-Cu系软基体硬质点合金。软基体是锑溶于锡的α固溶 体，硬质点是以SnSb化合物为基的β固溶体。锡基轴承合金的 热膨胀系数及摩擦系数小，具有良好的韧性、减摩性和导热性。 常用作重要的轴承，如发动机、压气机、汽轮机等巨型机器的 高速轴承。其主要缺点是疲劳强度较低，工作温度不宜高于 150℃，且价格较高。 第5章 有色金属及其合金 2．铅基轴承合金(铅基巴氏合金) 铅基轴承合金是以铅、锑为基的合金，是Pb-Sb-Sn-Cu系 软基体硬质点合金。软基体是α+β共晶体(α是Sb溶入Pb中的固 溶体，β是Pb溶入Sb中的固溶体)，硬质点为β相、SnSb和 Cu3Sn。该合金的强度、硬度、韧性、导热性和抗蚀性均低于 锡基合金，而且摩擦系数较大，但该合金价格便宜，常用于制 造承受中、低载荷的中速轴承，如汽车、拖拉机的曲轴、连杆 轴承、冲床及电动机轴承等。 第5章 有色金属及其合金 需要说明，无论是锡基或是铅基合金，都不能承受大的压 力，在使用中需将其镶铸在钢制的(一般用08号钢冲压成型)轴 瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，才能发挥作用。这种工艺称 为“挂衬”，挂衬后就成为所谓的双金属轴承。 第5章 有色金属及其合金 3．铜基轴承合金 铜基轴承合金有锡青铜和铅青铜等。 (1) 锡青铜。常用的有ZCuSn10P1与ZCuSn5Pb5Zn5等。 ZCuSn10P1由软基体(α固溶体)及硬质点(δ相及化合物Cu3P)所 构成。它的组织中存在较多的分散缩孔，有利于储存润滑油。 这种合金能承受较大的载荷，广泛用于制造中等速度及承受较 大的固定载荷的轴承，如电动机、泵、金属切削机床轴承。锡 青铜可直接制成轴瓦，但与其配合的轴颈应具有较高的硬度 (300～400 HBS)。 第5章 有色金属及其合金 (2) 铅青铜。常用的是ZCuPb30。铅青铜的显微组织由硬 的基体(铜)和均匀分布在其上的软质点(铅)组成。与巴氏合金 相比，它具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性、导热 性和低的摩擦系数，并可以在较高的温度(250℃)下正常工作， 适合制造高负荷、高速度条件下工作的轴承，如航空发动机、 高速柴油机及其它高速机器的主轴承。需要说明的是，虽然铅 青铜属于硬基体软质点组织，但其强度较低，使用中也需挂衬， 制成双金属轴承。 第5章 有色金属及其合金 4．铝基轴承合金 铝基轴承合金是一种新型减摩材料。常用的铝基轴承合 金是以铝为基体元素，锡为主加元素所组成的合金。其组织 是在硬基体(铝)上均匀分布着软质点(锡)。这类合金价格低廉、 密度小、导热性好、疲劳强度高、耐蚀性好，但其膨胀系数 大，易咬合。 我国已逐步用铝基轴承合金代替巴氏合金和铜基轴承合 金，目前使用的铝基轴承合金有ZAlSn20Cu和ZAlSn6Cu1Ni1 两种。 第5章 有色金属及其合金 表5-5 各种轴承合金性能比较 种 类 抗咬合 磨合性 性 耐蚀性 耐疲 劳性 硬度 HBS 轴颈处硬度 HBS 最大允许 压力/M Pa 最高允许 温度/?C 锡基巴氏合金 优 优 优 劣 20～30 150 600～1000 150 铅基巴氏合金 优 优 中 劣 15～30 150 600～800 150 锡 青 铜 中 劣 优 优 50～100 700～2000 200 铅 青 铜 铝基合金 铸 铁 中 劣 差 差 中 劣 差 优 优 良 良 优 40～80 45～50 160～180 300～400 300 300 2000～3200 2000～2800 300～600 220～250 100～150 150 200～250 第5章 有色金属及其合金 5.4 粉末冶金材料 5.4.1 粉末冶金材料工艺简介及应用 粉末冶金法与金属熔炼法都是生产工程材料的基本方法 之一，但两种方法有根本的不同。粉末冶金法不用熔炼和浇 注，而只需配料、混合、压制、烧结等过程，是一种特殊的 冶金工艺。同时，使用粉末冶金法可使压制品达到或极接近 零件的形状、尺寸和表面粗糙度，从而实现无切削或少切削 加工，使生产率和材料利用率显著提高，故粉末冶金法是经 济的加工方法。粉末治金的生产工艺过程为 粉末制取→粉末混合→成型→烧结→后处理→成品 第5章 有色金属及其合金 5.4.2 硬质合金 把碳化钛、碳化钨等高熔点、高硬度的碳化物的粉末与粘 结剂钴混合，经压制成形、烧结而成的一种材料或产品。 1. 硬质合金的性能特点 (1) 硬度高，红硬性好，耐磨性好。在常温下，硬质合金的 硬度可达86～93 HRA(相当于69～81 HRC)，红硬性可达900～ 1000℃。作为切削刀具使用时，其切削速度、耐磨性与寿命都 比高速钢刀有显著提高。 第5章 有色金属及其合金 (2) 抗压强度高。硬质合金的抗压强度可达6000 MPa，但 抗弯强度较低(只有高速钢的1/3～1/2左右)。硬质合金的弹性 模量很高(约为高速钢的2～3倍)。 (3) 良好的耐蚀性和抗氧化性。硬质合金具有良好的抗大 气、酸、碱腐蚀能力和抗氧化性。 (4) 韧性很差。硬质合金的韧性小，约为淬火钢的30%～ 50%。这是硬质合金的一个缺点。 第5章 有色金属及其合金 2. 常用硬质合金 常用硬质合金按成分与性能特点可分为三类，其代号、主 要成分及性能如表7-6所示。 (1) 钨钴类硬质合金。此类硬质合金的化学成分为碳化钨 和钴。其代号用“硬”、“钴”两字的汉语拼音的字首“YG” 加 钴 含 量 的 百 分 数 表 示 。 例 如 YG6 表 示 钨 钴 类 硬 质 合 金 ， wCo=6%，其余为碳化钨的硬质合金。 (2) 钨钴钛类硬质合金。此类硬质合金的化学成分为碳化 钨、碳化钛和钴。其代号为“硬”、“钛”两字的汉语拼音字 首“YT”加碳化钛含量的百分数表示。例如YT15表示wTiC=15%， 余量为碳化钨和钴的钨钴钛类硬质合金。 第5章 有色金属及其合金 (3) 通用硬质合金。此类硬质合金以碳化钽(TaC)或碳化铌 (NbC)取代YT类合金中的一部分碳化钛(TiC)。在硬度不变的情 况下，取代的数量越多，合金的抗弯强度越高。它适宜于切削 各种钢材，特别是对于不锈钢、耐热钢、高锰钢等难以加工的 钢材，切削效果更好。它也可代替YG类合金切削脆性材料，但 效果并不比YG类合金效果好。通用硬质合金又称“万能硬质合 金”，其代号用“硬”、“万”两字的汉语拼音字首“YW”加 顺序号表示。 第5章 有色金属及其合金 此外，用粉末冶金法还生产出了另一种新型工模具材料— —钢结硬质合金。其主要化学成分是碳化钛或碳化钨以及合金 钢粉末(需用质量分数为50%～60%铬钼钢或高速钢作粘结剂)。 它与钢一样可以进行锻造、热处理、焊接和切削加工。经淬火 加低温回火后，硬度可达70HRC，具有高耐磨性、抗氧化性及 耐蚀性等优点。用作刃具时，寿命大大超过合金工具钢，与YG 类硬质合金近似；用作高负荷冷冲模时，由于具有比其它类硬 质合金较高的韧性，寿命比YG类提高很多倍。另外，由于可切 削加工，故可制造成各种形状复杂的刃具、模具及要求刚度大、 耐磨性好的机器零件，如镗杆、导轨等。 第5章 有色金属及其合金 表5-6 常用硬质合金的代号、成分和性能(摘自YB/T 400—94) 力学性能* 化学成分/% 类别 牌 号① 用途举例 硬度 HRA 抗弯硬度/M Pa ≥ ≥ 3 91.5 1100 — 6 89.5 1450 — <0.5 6 91 1400 92 — — 8 89 1500 YG8C 92 — — 8 88 1750 加工脆性材料 YG11C 89 — — 11 86.5 2100 (如铸铁等) YG15 85 — — 15 87 2100 YG20C 80 — — 20 82～84 2200 YG6A 91 — 3 6 91.5 1400 YG8A 91 — <1.0 8 89.5 1500 YT5 85 5 — 10 89 1400 YT15 79 15 — 6 91 1150 YT30 66 30 — 92.5 900 通用 YW1 84 6 4 4 91.5 1200 合金 YW2 82 6 4 86 90.5 1300 钨 钴 类 合 金 钨钴钛 合金 wWC wTiC wTaC wCo YG3X 96.5 — <0.5 YG6 94 — YG6X 93.5 YG8 加工塑性材料 (如钢等) 切削各种钢材 第5章 有色金属及其合金 知识窗——钛及镁 纯钛的相对密度为4.54，熔点为1668℃，固态下具有同素 异晶转变。钛有很好的塑性，强度不高(σb=230～260 MPa)。 钛在硫酸、硝酸、盐酸和碱溶液中有良好的耐蚀性，抗大气 和海水腐蚀的能力超过不锈钢和铜合金。钛的合金化可使其 强度大大提高(σb可达1500 MPa)，其比强度是常用金属材料中 最高的。钛合金既是很好的耐热材料(可在500～600℃下工作)， 又是很好的耐低温材料，目前是惟一可以在超低温(-253℃)下 使用的金属工程材料。钛及其合金常用于制造电镀挂具、航 空发动机零件、化工用泵、低温高压容器等。 第5章 有色金属及其合金 镁的相对密度为1.74，熔点为651℃，固态下无同素异晶转 变。镁合金的强度可达到300 MPa左右。镁合金的特点是比强 度和比刚度高，减震性和抗冲击性能好，切削和抛光工艺性能 好，易于铸造等。镁合金是目前使用的密度最小的金属工程材 料，多用于航空航天工业中，在电子、仪器仪表等行业中也获 得应用。 第5章 有色金属及其合金 自测习题 一、判断题 1．不锈钢属于非铁金属。 ( ) 2．铝及其合金具有良好的耐酸、碱、盐腐蚀能力。 3．铝及其合金都无法用热处理强化。 4．颜色呈紫红色的铜属于纯铜。 ( ) ( ) ( ) 第5章 有色金属及其合金 5．钛是目前惟一可以在超低温条件下工作的金属工程材料。 ( ) 6．滑动轴承合金越软，减摩性越好。 ( ) 7．镁合金是目前使用的密度最小的金属工程材料。 ( ) 8．硬质合金除了磨削，无法用其它常规机械加工方法加工。 ( ) 9．纯铜无法进行热处理强化。 ( ) 第5章 有色金属及其合金 二、填空题 1．白铜是铜和金属___________组成的的合金。 2．青铜是除___________和___________元素以外，铜和 其它元素组成的合金。 3 、 目 前 常 用 的 滑 动 轴 承 合 金 组 织 有 ___________ 和 ___________两大类。 4．通用硬质合金又称___________。 5．在钨钴类硬质合金中，碳化钨的含量越多，钴的含量 越少，则合金的硬度、红硬性及耐磨性越___________，但强 度和韧性越___________。 第5章 有色金属及其合金 三、问答题 1．固溶强化、弥散强化、时效强化的区别有哪些？ 2．滑动轴承合金应具有怎样的性能和理想组织？ 3．制作刃具的硬质合金材料有哪些类别？比较一下它们 有何差别。 4．变形铝合金与铸造铝合金在成分选择上和组织上有什 么不同？ 5．为什么防锈铝不能通过热处理强化？ 6．时效温度和时效时间对合金强度有何影响？ 7．金属材料的减摩性和耐磨性有何区别？它们对金属组 织和性能要求有何不同？ 第5章 有色金属及其合金 四、理解题 1．试从机理、组织与性能变化上对铝合金淬火和时效处 理与钢的淬火和回火处理进行比较。 2．铝合金的变质处理和灰铸铁的孕育处理有何异同之处？ 3．用已时效强化的2A12硬铝制造的结构件，若使用中撞 弯，应怎样校直？为什么？ 第5章 有色金属及其合金 • 小结：主要讲述了铝及铝合金、铜及铜 合金、滑动轴承合金、硬质合金等内容。 通过学习，基本掌握常用铝合金、铜合 金、滑动轴承合金、硬质合金的牌号表 示方法、组织、性能特点、用途及其热 处理，注意铝合金与钢热处理的不同之 处，能较合理地选用各种合金材料。 • 作业：P105 2、4、7、11、13