第九章-有色金属.ppt

1、第八章 非铁金属材料钢铁以外的金属材料称为非铁金属材料或有色金属。有色金属中密度低于3.5103kg/m3的称为轻有色金属； 密度大于3.5103kg/m3的称为重有色金属。常用的有：铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金 和轴承合金等,一、纯铝 纯铝是银白色金属，熔点660，面心立方晶格，无同素异晶转变。是自然界出量最丰富的金属元素。 1、铝及其合金具有以下优良的性能1）质量轻密度为2.7kg/m3 ，仅为铁的1/3，是一种轻型金 属，飞机的主框架要选用铝合金。2）导电、导热性好，仅次于铜、银3）具有较好的抗大气腐蚀能力（能形成Al2O3氧化膜）4）具有较好的加工工艺性能。它的塑性好，可以冷、热

2、变 形加工，还可以通过热处理强化，提高铝的强度。,第一节 铝及其合金,2、纯铝的牌号、用途纯铝的牌号：旧牌号：L1、 L2、 L3 （数字越大纯度越低）新牌号：用l表示。最后两位数字表示铝的最低百分含量，第二位字母表示原始纯铝的改型情况，如lA35。1070、1060、1050 （60表示铝的最低质量分数中小数点后面的两位Al=99.6%）纯铝主要用于制作电线、电缆、散热和换热器件，以及强度要求不高的耐蚀容器、用具等。,二、铝合金的分类铝中加入合金元素（如Si、Cu、Mg、Zn等），配制成各种成分的铝合金。,变形铝合金，是指合金经熔化后浇成铸锭，再经压力加工（锻造、扎制、挤压等）制成板材、带材

3、、棒材、管材、线材以及其它各种型材，要求具有较高的塑性和良好的工艺成型性能。铸造铝合金，则是将熔融的合金液直接浇入铸型中获得成型铸件，要求合金应具有良好的铸造性能，如流动性好、收缩小、抗热裂性高。,铝合金相图大都具有二元共晶相图的特点。相图上可以直接划分变形铝合金和铸造铝合金的成分范围。D是理论分界线。低于D 点的合金，加热时均能形成单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，划归为变形铝合金。成分位于D点右侧的合金熔点低，结晶时发生共晶反应，固态下具有共晶组织，塑性较差，但流动性好，适于铸造，划归为铸造铝合金。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类，凡成分在F点左侧的合金，不能进行热处理

4、强化，即不可热处理强化的铝合金。成分在F、D点之间的铝合金，即属于可热处理强化的铝合金。,三、铝合金的强化途径 铝合金种类不同，其强化原理、途径则不同。,2、可热处理强化变形铝合金这类变形铝合金不但可变形强化，还能够通过热处理进一步强化，工艺是先固溶强化，然后时效处理 合金元素加入纯铝之后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。但是组元之间常常具有相似的物理化学性能和原子尺寸，晶格畸变程度低，固溶强化效果不高。因此，铝的强化不能单纯依靠合金元素的固溶强化作用。,1、不可热处理的变形铝合金在固态范围内加热、冷却无相变，因而不能热处理强化，其常用的强化方法是冷变

5、形，如冷轧、压延等工艺。,时效强化 时效强化又称沉淀强化。是指类似F、D之间成分的铝合金经固溶处理（铝合金加热到单相区保温后，快速冷却得到过饱和固溶体的热处理操作称为固溶处理，也称淬火）后在室温或较高的环境温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象。1）室温放置过程中发生的时效称为自然时效；2）合金在加热条件下发生的时效称为人工时效。铝合金的时效强化与钢的淬火、回火根本不同。铝合金固溶处理后虽然得到的也是过饱和固溶体，但强度、硬度并未得到提高，在随后的过饱和固溶体发生分解的过程中出现时效现象。,铝合金的时效强化与其在时效过程中所产生的组织有关。以Al4%Cu合金为例。该合

6、金在室温时的平衡组织为+CuAl2（CuAl2即为平衡相），加热到固相线以上，第二相CuAl2完全溶入固溶体中，淬火后获得在铝中的过饱和固溶体。又自发分解的倾向，当给予一定温度与时间条件时便要发生分解。包括以下四格阶段：,Al4%Cu合金时效的基本过程可以概括为：合金淬火过饱和固溶体形成铜原子富集区（GP区）铜原子富集区有序化（GP区）形成过渡相析出平衡相（CuAl2）+平衡的固溶体。,时效温度越高，原子的活动能力越强，达到峰值时效所需的时间越短，峰值硬度较低温时效的低，时效后的强化效果越明显。,1）时效初期 铜原子偏聚于固溶体的100晶面上，形成铜原子富集区，称为GP区。,2）随着时间的延长

7、或温度的提高，在GP1区的基础上铜原子进一步偏聚，称为GP。GP区可视为中间过渡相，常用表示，使合金得到进一步强化。,3）随着时效过程的进一步发展，铜原子在GP1区继续偏聚，形成过渡相，晶格畸变减轻，合金的硬度开始下降。,4）时效后期，过渡相完全从母相中脱溶，形成平衡相，使合金的强度、硬度进一步降低，即所谓“过时效”。,3、铸造铝合金采用变质处理变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。铸造铝合金组织中有一定比例的共晶体，熔点低，流动性好，可制造形状复杂的零件；但共晶体比较粗大且韧性差，采用变

8、质处理就能使共晶体细化，并在一定程度上使铸造铝合金强化、韧化。,四、变形铝合金牌号、性能、用途依据其主要性能特点分为 防锈铝合金（简称防锈铝） 硬铝合金（简称硬铝） 超硬铝合金（简称超硬铝） 锻铝合金（简称锻铝）防锈铝合金为不可热处理强化的铝合金，其余三种为可热处理强化的铝合金。变形铝合金的代号采用汉语拼音字母加顺序号表示。LF（防锈铝）；LY（硬铝）；LC（超硬铝）；LD（锻铝）。,1、防锈铝合金（LF +数字） 主要是AlMn系及AlMg系合金。有良好的塑性和焊接性能，还具有很高的抗蚀性，故称防锈铝。防锈铝的强度不高，可通过塑性变形加工硬化强化，但不能热处理强化。主要用作容器管道、铆钉及承

9、受中等载荷的零件与制品。2、硬铝合金（LY +数字） AlCuMg系，铜和镁的加入，在合金中形成强化相，通过淬火、时效处理后，可达到相当高的强度，切削加工性也较好，但耐腐蚀性较差，主要用于飞机蒙皮、螺旋桨叶片、焊接结构和高载荷铆钉等重要工件。,3、超硬铝合金（LC+数字） AlZnMgCu系，超硬铝的强度硬度均高于其他铝合金，主要用于重量轻而承载大的结构件，如飞机大梁、起落架等。,飞机主起落架,4、锻铝合金（LD +数字） AlMgSiCu系，每种元素的含量较少，有良好的热塑性，适合加工外形复杂的锻件，故称为锻铝。主要用于各种形状复杂的重载锻件和模锻件，如航空发动机活塞、离心压缩机，直升飞机桨

10、叶等。新牌号：用28系列表示。 第一位数字：铝合金的组别； 第二位字母：原始合金的改型情况，A为原始合金，BY为原始合金的改型合金。最后两位数字：区分同一组中不同的铝合金。例：5A02。,压气机叶片,五、铸造铝合金铸造铝合金加入的合金元素主要有Si、Mg、Mn、Ni、Cr、Zn、RE等。,牌号：旧：用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是主加合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。新：“ZL+数字+两位数字”第一位数表示合金类别，（1为铝硅合金、2为铝铜合金、3为铝镁合金、4为铝锌合金）后两位数字表示合金顺序号。顺序号不同，化学成分也不一样。,铸造铝合金,Al-Si系铸造铝合金(硅铝明)（应

11、用广泛）,Al-Cu系铸造铝合金,Al-Mg系铸造铝合金,Al-Zn系铸造铝合金,1、AlSi系铸造铝合金，又称硅铝明是工业上使用最广泛的铸造铝合金，具有很好的流动性，补缩能力强，热裂倾向小。用来制造形状复杂的零件。在铝硅合金的共晶组织中，硅呈粗大片状，所以合金的抗拉强度很低，伸长率也不高。为了改善铝硅合金的力学性能，可对合金进行变质处理。使硅晶体成为极细小的粒状，均匀分布在铝集体上，从而提高了合金的力学性能。,活塞(裙部为铝硅合金),ZL102合金铸造组织 ( 化染 ) 55,( ZL101ZL111 ),2、AlCu系铸造铝合金( ZL201ZL203 )是以AlCu为基的二元或多元合金。

12、 铸造性能不好，耐蚀性及比强度也较一般优质硅铝明为低。大部分已为其它铝合金所代替，ZL201室温强度、塑性比较好，可制作300以下工作的零件。ZL202 塑性较低，制作不受冲击的零件。,铝铜合金铸造组织 ( 化染 ) 210,汽缸头,3、 AlMg系铸造铝合金( ZL301、ZL302 )是密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金，且抗冲击和切削加工性能良好，但铸造工艺性能和耐热性能较差。该系铸造铝合金常用于承受冲击载荷、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、形状较简单的零件或接头。,铝镁合金铸造组织 (化染) 150,鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301),4、AlZn合金( ZL40

13、1、ZL402 )是最便宜的一类铸造铝合金，较高强度，无特别突出的优点，主要缺点是耐蚀性较差。ZL401主要用于工作温度不超过200、形状复杂、受力不大的零件。,大型空压机活塞(ZL401),第二节 铜及铜合金,一、工业纯铜,纯铜呈紫红色，熔点1083，密度为8.96 g/cm3，面心立方晶格、无同素异晶转变，良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。 工业纯铜的代号用“T”加顺序号表示，共有T1、T2、T3、T4四个牌号。序号越大，纯度越低。 纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。,纯铜组织金相图,铜合金的分类,黄铜 : Cu Zn,白铜 : Cu Ni主要用来制作精密机

14、械和仪表中的耐蚀零件、热电偶等，价格高。,青铜 : 除黄铜和白铜外的所有 铜合金。,二、铜合金,普通黄铜 ( common brass )特殊黄铜 ( special brass ),1、黄铜,普通黄铜的金相组织,黄铜的牌号,( Z ) H 90,压力加工黄铜的牌号用“H+数字”表示。如H68。铸造普通黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同。如ZCuZn38,常用的黄铜,金奖黄铜 - H90,弹壳黄铜 - H70 ( H68 ),日用黄铜 - H62 ( H59 ),冷凝器管,1.定义:在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、 Ni、Sn、Mn 等元素所形成的合金。,2.牌号:,H Al 59 - 3

15、,2、特殊黄铜,常用的特殊黄铜,海军黄铜 - HSn62 - 1,易切削黄铜 - HPb59 - 1,H62 1 海军黄铜金相组织图,62Cu 37Zn Sn 海军黄铜铸造组织 ( 化染 ) 600,硅黄铜铸造组织金相图,硅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 50,铅黄铜退火组织金相图,铅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 70,锰黄铜铸造组织金相图,锰黄铜铸造组织 ( 化染 ) 25,青铜牌号的表示方法,Z Q Sn10 1,3、青铜,（1）锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金。常用锡青铜一般Wsn314，其中压力加工锡青铜Wsn7%。 锡青铜的耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹

16、簧等弹性元件。 锡青铜的铸造收缩率小，用于铸造形状复杂、致密性要求不高，耐磨、耐蚀的零件。,锡青铜铸造组织金相图,锡青铜铸造组织 ( 真空镀膜 ) 53,（2）无锡青铜 是含铝、铍、硅、铅、锰等合金元素的铜基合金。主要有：铝青铜、铍青铜等。,轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。1、滑动轴承工作状况：轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。,第三节 滑动轴承合金,一、滑动轴承的工作条件及对轴承合金的性能要求,2、轴承支承轴进行工作，会与轴颈产生摩擦。为减少轴承对轴颈的磨损，对轴承合金有如下要求：1）足够的强度和硬度；2）足够的塑性和韧性，高的疲劳强度

17、，承受周期性载荷，抵抗冲击和振动；3）良好的磨合能力；4）高的耐磨性；5）良好的耐蚀性、导热性，轴承合金的组织最好在软基体上分布着硬质点。软基体（或软质点）被磨损而凹陷，硬的质点（或硬基体）耐磨相对凸起。凹陷部分可保持润滑油，凸起部分可支持轴的压力，并使轴与轴瓦的接触面积减小，保证了近乎理想的摩擦条件和极低的摩擦因数。,3、轴承合金的组织特点: 软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点。,当轴运转时，轴瓦的软基体易磨损而凹陷，能容纳润滑油，硬质点则相对凸起支撑着轴颈，这就减小了轴颈和轴瓦之间的接触面积，降低了摩擦系数。此外软基体可承受冲击和振动，并使轴颈和轴瓦之间能很好的磨合，并且偶然进入的外来

18、硬质点能嵌入基体中，不致擦伤轴颈。,二、常用轴承合金简介,锡基轴承合金（锡基巴氏合金）,铅基轴承合金（铅基巴氏合金）,铜基轴承合金,铝基轴承合金,轴承合金可分为锡基、铅基、铝基、铜基和铁基。使用最多的是锡基与铅基轴承合金，又称巴氏合金。牌号编号方法为：Z+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素含量。“Z”是“铸造”。,锡锑轴承合金 ( 锡基巴氏合金 ),Z Ch Sn Sb11 6,锡基轴承合金组织金相图,锡基轴承合金组织 ( SnSb+Cu Sb+基体,溅射 ) 52,铅基轴承合金组织金相图,铅基轴承合金组织 ( Sn ,Cu3Sb ,Pb-Sb 共晶体 ) 52,在高速重载荷情

19、况下,用硬基体上分布软质点组织的材料。,铝基轴承合金 : ZChAlSb4 1,铜基轴承合金 : ZCuPb30 ZCuSn10P1,巴氏合金轴瓦,内燃机轴瓦,第四节 硬质合金和粉末冶金,一、粉末冶金的特点与工艺,1、粉末冶金的特点,粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，有以下特 点1）能生产具有特殊性能的材料和制品。2）无切屑或少切屑的精密加工。但金属粉末成本高、模具费用高、制品大小和形状受到一定限制、制品的韧性和强度较差。,2、粉末冶金工艺简介,二、粉末冶金材料简介,含油轴承材料,摩擦材料,铁基结构材料,以碳钢或合金钢粉末为主要成分，用粉末冶金法制作结构零件用的材料。 具有精度较高、表面质量好，省

20、工时、省材料、生产率高，制品多孔可浸润滑油，减摩、减振、消声。 广泛用于制作各类零件。,三、硬质合金的性能特点,1）硬度高、耐磨性好、热硬性好 常温下的硬度可达到8693HRA，在9001000的温度下，仍可保持60HRC的高硬度。可切削50HRC左右的硬质材料。2）抗压强度和弹性模量高 常温下的抗压强度可达6000MPa，900时可达到1000MPa。弹性模量高，是高速工具钢的23倍。,四、常用的硬质合金,1、常用硬质合金的分类与牌号,（1）钨钴类硬质合金主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。牌号用“YG+数字”表示，例：YG15。（2）钨钛钴类硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC

21、）和粘结剂钴。牌号用“YT+数字”表示，例：YT15表示。（3）通用硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）和粘结剂钴。牌号用“YW+数字”表示，例：YW1。,2、常用硬质合金的化学成分、性能与应用,（1）钨钴类硬质合金 碳化钨的含量越高，粘结剂钴的含量越低，则合金的硬度、耐磨性、红硬性越高，抗弯强度和韧性越低。适宜于加工脆性材料（如铸铁等）。（2）钨钛钴类硬质合金 由于碳化钛的加入，提高了硬度、耐磨性和热硬性，但抗弯强度和韧性有所下降。同时，在合金表面形成一层氧化钛薄膜，切削时不易粘刀。适于加工韧性材料（如钢等）。（3）通用硬质合金 因含碳化钽（或碳化铌），有利于提高抗弯强度、硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力。可用来加工铸铁和各种钢材。,（4）钢结硬质合金 性能介于高速钢和硬质合金之间，并可进行锻造、热处理、焊接。适用于制造各种形状复杂的整体刀具、模具和耐磨零件。（5）常用硬质合金的应用(1)切削加工用硬质合金。(2)模具用硬质合金。(3)硬质合金量具。(4)耐磨零件用硬质合金。(5)矿山用硬质合金。,