9第九章-非鐵金屬及其合金

《機(jī)械工程材料》

-----教材配套PPT課件第九章非鐵金屬及其合金

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鋼和鑄鐵稱為黑色金屬，把其以外的其他金屬及其合金稱為有色金屬（即鋁、銅、鈦及其合金）、軸承合金、硬質(zhì)合金等。

第一節(jié)

鋁及鋁合金第二節(jié)

銅及銅合金第三節(jié)

鈦及鈦合金第四節(jié)

軸承合金第五節(jié)硬質(zhì)合金第一節(jié)鋁及鋁合金

一、鋁及鋁合金性能特點

純鋁具有銀白色金屬光澤,密度小(2.72),熔點低(660.4℃),導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形.具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。鋁合金制造的機(jī)翼可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化兩類.鋁合金分類示意圖二、鋁合金的分類鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖。三、鋁合金的熱處理

并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強(qiáng)化相的熱處理。

可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金的熱處理方法：固溶處理+時效。固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫四、鋁合金的牌號、性能及用途

1、變形鋁合金⑴變形鋁及鋁合金牌號表示方法

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國際四位數(shù)字體系牌號或采用國標(biāo)規(guī)定的四位字符牌號。全世界鋁的用量百萬噸一次生產(chǎn)量二次回收量總用量GB3190-82中的舊牌號仍可繼續(xù)使用，表示方法為:

防銹鋁合金：LF+序號

硬鋁合金：LY+序號

超硬鋁合金：LC+序號

鍛鋁合金：LD+序號鋁合金制品鋁是可以回收利用的金屬⑵常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg主要作用是衛(wèi)星天線（LF2）提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高其強(qiáng)度。汽化器(熱交換管為LF21)常用的Al-Mn系合金有

LF21（3A21），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05）,其密度比純鋁小，強(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可進(jìn)行時效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘?shù)?

③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強(qiáng)化效果超過硬鋁合金.熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件,如飛機(jī)大梁、起落架等.飛機(jī)主起落架④鍛鋁合金Al-Cu-Mg-Si系合金可鍛性好，力學(xué)性能高，用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等.壓氣機(jī)葉片Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金

常用牌號有LD7(2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。2、鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號為ZL1+兩位數(shù)字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數(shù)字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數(shù)字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數(shù)字順序號⑴Al-Si系鑄造鋁合金

又稱硅鋁明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明.⑵Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。汽缸頭常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。⑶Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度小；但鑄造性能差,耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件,如艦船配件、氨用泵體等。鼓風(fēng)機(jī)密封件等(ZL102、301)⑷Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等.主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)、儀器零件。第二節(jié)銅及銅合金

一、銅及銅合金性能特點純銅呈紫紅色，故又稱紫銅,具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。塑性好.

純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。熱軋銅合金銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強(qiáng)度，又保持了純銅特性.銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。二、黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。

1、普通黃銅銅與鋅的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號為：H(黃)+表示銅平均百分含量的數(shù)字，如H68。從銅鋅合金相圖可以看出黃銅有

和

+

’兩種組織，分別稱單相黃銅和兩相黃銅。

單相黃銅塑性好。常用牌號有H80、H70、H68。適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。兩相黃銅熱塑性好,強(qiáng)度高.常用牌號有H59、H62。適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導(dǎo)管、散熱器等。2、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。

加工特殊黃銅的牌號為：H(黃)+主加元素符號(Zn除外)+銅平均百分含量+主加元素平均百分含量,如HPb59-1.特殊黃銅強(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。三、青銅除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。

加工青銅的牌號為：Q+主加元素符號及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青銅有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。

青銅制品1、錫青銅是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%。

錫青銅鑄造流動性差，鑄件密度低，易滲漏，但體積收縮率在有色金屬中最小。錫青銅耐蝕性良好，在大氣、海水及無機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。

常用牌號有QSn4-3、、ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蝕承載件,如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)2、鋁青銅以鋁為主加元素的銅合金，鋁含量為5~11%。強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性及耐蝕性高于黃銅和錫青銅，鑄造性能好，但焊接性能差。常用牌號有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等.主要用于制造船舶、飛機(jī)及儀器中的高強(qiáng)、耐磨、耐蝕件，如齒輪、軸承、蝸輪、軸套、螺旋槳等.大型水力發(fā)電設(shè)備中的抗磨環(huán)性和抗腐蝕疲勞性能及優(yōu)良的冷熱加工性能。普通白銅牌號：B+鎳的平均百分含量。常用牌號有B5、B19等。用于在蒸汽和海水環(huán)境下工作的精密機(jī)械,儀表零件及冷凝器,蒸餾器,熱交換器等.

四、白銅以鎳為主要合金元素的銅合金稱白銅。分普通白銅和特殊白銅。普通白銅是Cu-Ni二元合金，具有較高的耐蝕第三節(jié)鈦及鈦合金

一、工業(yè)純鈦

純鈦密度小，熔點高。882.5℃發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

-Ti?

-Ti,由體心立方

-Ti轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕?/p>

-Ti.純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造純鈦主要用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔二、鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為

型鈦合金、

型鈦合金和

+

型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵1、

型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相

固溶體.

強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。2、

型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時效處理后，組織為

相基體上分布著細(xì)小的

相粒子。這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接,應(yīng)用受到限制。

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌號。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等.β鈦合金眼鏡架鈦離心泵3、

+

型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉻等?？蛇M(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器第四節(jié)軸承合金

制造滑動軸承的軸瓦及其內(nèi)襯的耐磨合金稱為軸承合金?；瑒虞S承是許多機(jī)器設(shè)備中對旋轉(zhuǎn)軸起支撐作用的重要部件，由軸承體和軸瓦兩部分組成。與滾動軸承相比滑動軸承具有承載面積大，工作平穩(wěn)，無噪音及拆裝方便等優(yōu)點。

一、軸承的工作特性當(dāng)軸高速旋轉(zhuǎn)時，軸瓦與軸頸發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，承受軸頸施加的交變載荷和沖擊力。對軸承合金的性能要求：

⑴足夠的強(qiáng)韌性，以承受軸頸施加的交變沖擊載荷.⑵較小的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)熱性和耐蝕性，以防止軸與軸瓦之間咬合。⑶較小的摩擦系數(shù)，良好的耐磨性和磨合性，以減少軸頸磨損，保證軸與軸瓦良好的跑合。1、錫基軸承合金

是以錫為主并加入少量銻、銅等元素組成的合金，熔點較低，是軟基體硬質(zhì)點組織類型的軸承合金。二、常用軸承合金工業(yè)上常用錫基、鉛基軸承合金，又稱巴氏合金。典型牌號為ZSnSb11Cu6。(其組織為基體+白亮塊狀SnSb+星狀Cu3Sn)錫基軸承合金具有較高的耐磨性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和嵌藏性，摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，但疲勞強(qiáng)度較低，工作溫度不超過150℃，價格高。廣泛用于重型動力機(jī)械，如氣輪機(jī)、渦輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等大型機(jī)器高速軸瓦.巴氏合金軸瓦2、鉛基軸承合金是以鉛為主加入少量銻、錫、銅等元素的合金，也是軟基體硬質(zhì)點型軸承合金。典型牌號為ZPbSb16Sn16Cu2。（其組織為(+)共晶基體+方塊狀SnSb+針狀Cu3Sn）鉛基軸承合金的強(qiáng)度、硬度、耐蝕性和導(dǎo)熱性都不如錫基軸承合金，但其成本低，高溫強(qiáng)度好，有自潤滑性。內(nèi)燃機(jī)軸瓦常用于低速、低載條件下工作的設(shè)備,如汽車、拖拉機(jī)曲軸的軸承等。第五節(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是把一些高硬度、高熔點的粉末（WC,Tic等）和膠結(jié)物質(zhì)（Co,Ni等）混合，加壓制坯，再經(jīng)燒結(jié)而成的一種粉末冶金工具材料，是粉末冶金法在制造工具的重要應(yīng)用。

一、硬質(zhì)合金的性能特點由于高熔點、高硬度的金屬碳化物WC,Tic及TiN作為基體，軟又韌的Co,Ni等金屬起粘結(jié)作用，從而使硬質(zhì)合金具有很高的硬度（76HRC），很高的熱硬性，切削溫度可達(dá)1000℃，高的耐磨性以及一定的強(qiáng)度。

使用這種合金制作刃具，可以提高其切削速度比高速鋼的可提高4-5倍。硬質(zhì)合金的主要缺點是韌性低、價格高，所以在用硬質(zhì)合金做刀具或模具時，常常將硬質(zhì)合金鑲嵌在其他價廉材料之上使用。同時由于硬質(zhì)合金的硬度很高，對其進(jìn)行切削加工將非常困難。因此形狀復(fù)雜的刀具，如拉刀、滾刀就不能用硬質(zhì)合金來制作。硬質(zhì)合金按其成分和性能特點分為鎢鈷合金（YG）、鎢鈦鈷合金（YT）、鎢鈦擔(dān)（鈮）鈷合金(YW)和碳化鈦鈮鋁合金(YN)四類。它們的牌號用漢語拼音字母"Y”和決定合金特性的主要元素（或化合物）及其成分?jǐn)?shù)字（或順序號）表示。

二、硬質(zhì)合金的分類及牌號1)鎢鈷類硬質(zhì)合金（K類）

牌號有YG3、YG6、YG8等。YG表示鎢鈷類硬質(zhì)合金，“G”是Co的代號，后邊的數(shù)字表示C。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如YG8表示Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％、WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92％的鎢鈷類硬質(zhì)合金。

2）鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金（P類）牌號有YT5、YT15、YT30等。YT表示鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，“T”是鈦的代號，后邊的數(shù)字表示Tic的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YT15表示Tic的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為巧％，其余為WC和Co的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金。3）鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金（M類）。牌號有YW1中“W”是“萬”的代號，YW表示鎢鈷鈦擔(dān)（鈮）硬質(zhì)合金（也叫通用合金或萬能合金），后面的數(shù)字是順序號，不代表化學(xué)成分。

4）碳化鈦鈮鉬合金類牌號有YN10中的“N”是鉬的代號，表不碳化鈦鎳鉬合金，后的數(shù)字表示含鉬量，即YN10表示鉬含量為10％的碳化鈦鎳鉬硬質(zhì)合金。

常用硬質(zhì)合金的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途類別牌號ISO化學(xué)成分/%力學(xué)性能（不低于）用途W(wǎng)CTiCTaCCoHRA抗彎強(qiáng)度鎢鈷類合金YG3XK0196.5—<0.53921000