第八章有色金屬及其合金 教學要求主要內容本章重點本章小結習題 機械制造基礎第八章 教學要求 通過學習 學生應了解鋁合金時效強化原理和滑動軸承合金的組織特性 熟悉常用鋁合金 銅合金 滑動軸承合金的牌號 性能 強化方法及用途 了解粉末冶金方法及硬質合金的類型 牌號及應用 機械制造基礎第八章 主要內容 第一節鋁及鋁合金第二節銅及銅合金第三節滑動軸承合金第四節粉末冶金與硬質合金 機械制造基礎第八章 本章重點 常用鋁合金 銅合金 滑動軸承合金的牌號 性能 強化方法及用途 機械制造基礎第八章 第八章有色金屬及其合金 工業上常用的金屬材料中 通常稱鐵及其合金 鋼鐵 為黑色金屬 其它的非鐵金屬及其合金則稱為有色金屬 有色金屬由于它們具有許多良好的特殊性能 成為現代工業中不可缺少的材料 第一節鋁及鋁合金一 工業純鋁純鋁是銀白色的輕金屬 它密度小 熔點低 660 具有良好的導電 導熱性 僅次于銀 銅 鋁在空氣中極易氧化 生成一層致密的三氧化二鋁薄膜 它能阻止鋁進一步氧化 從而使鋁在空氣中具有良好的抗蝕能力 鋁的塑性高 強度 硬度低 可以進行冷 熱壓力加工 通過加工硬化 可使其強度提高到 b 150 250MPa 但塑性降低 機械制造基礎第八章 工業純鋁中 A1 99 7 99 8 雜質主要是鐵和硅 工業純鋁的牌號是按其雜質含量來編制的 牌號有1070 1370 1050 1035 1200等 編號越大 雜質含量越高 純度越低 工業純鋁的主要用途是制作電線 電纜及強度要求不高的器皿 二 常用鋁合金1 鋁合金的分類及熱處理 1 鋁合金的分類根據鋁合金的成分及生產工藝特點 鋁合金分為 變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類 鋁合金相圖的一般類型如圖8 1所示 成分位于D點左邊的合金 當加熱到固溶線以上時 可獲得均勻單相的固溶體 其塑性好 易進行鍛壓 稱為變形鋁合金 機械制造基礎第八章 成分在D點右邊的合金 由于共晶組織的存在 只適于鑄造 稱為鑄造鋁合金 變形鋁合金又分為兩類 成分在F點左邊的合金 其固溶體的溶解度不隨溫度而變化 故不能用熱處理方法強化 稱為不能用熱處理強化合金 成分在F點右邊的合金 其固溶體的溶解度隨溫度而變化 可用熱處理方法強化 稱為能用熱處理強化合金 機械制造基礎第八章 2 鋁合金的熱處理將能熱處理強化的變形鋁合金加熱到某一溫度 保溫獲得均勻一致的固溶體后 在水中急冷下來 使 固溶體來不及發生脫溶反應 這樣的熱處理工藝稱為鋁合金的固溶處理 經過固溶處理的鋁合金 在常溫下其固溶體處于不穩定的過飽和狀態 具有析出第二相 過渡到穩定的非過飽和狀態的趨向 由于不穩定固溶體在析出第二相過程中會導致晶格畸變 從而使合金的強度和硬度得到顯著提高 而塑性則明顯下降 這種力學性能在固溶處理后隨時間而發生顯著變化的現象稱為 時效強化 或 時效 在室溫下進行的時效稱 自然時效 在加熱條件下 100 200 進行的時效稱 人工時效 時效溫度越高 則時效的過程越快 但強化的效果越差 機械制造基礎第八章 2 變形鋁合金 1 防銹鋁合金 屬于熱處理不能強化的鋁合金 主要有鋁一錳系和鋁一鎂系合金 具有適中的強度 良好的塑性和抗蝕性 故稱為防銹鋁合金 主要用途是制造油罐 各種容器 防銹蒙皮等 2 硬鋁合金 屬于鋁一銅一鎂系和鋁一銅一錳系 這類鋁合金經淬火和時效處理后可獲得相當高的強度 故稱為硬鋁 由于其耐蝕性差 有些硬鋁板材在表面包一層純鋁后使用 硬鋁可軋成板材 管材和型材 以制造較高負荷下的鉚接與焊接零件 3 超硬鋁合金 屬于鋁一銅一鎂一鋅系 是在硬鋁的基礎上再加鋅而成 強度高于硬鋁 故稱為超硬鋁合金 主要用于制造要求重量輕 受力較大的結構零件 硬鋁淬火后多用自然時效 超硬鋁淬火后多用人工時效 機械制造基礎第八章 4 鍛造鋁合金 大多屬于鋁一銅一鎂一硅系 這類合金由于具有優良的鍛造工藝性能 故稱為鍛造鋁合金 主要用來制造各種鍛件和模鍛件 各類變形鋁合金的性能 特點見教材中表8 1 3 鑄造鋁合金 1 常用鑄造鋁合金鑄造鋁合金可分為鋁硅系 鋁銅系 鋁鎂系和鋁鋅系等四類 鑄造鋁合金的代號用 ZL 三位數字 表示 其中 ZL 表示 鑄鋁 第一位數字表示合金類別 1為鋁硅系 2為鋁銅系 3為鋁鎂系 4為鋁鋅系 第二三位數字表示合金的順序號 鑄造鋁合金的牌號用 Z Al 主要合金元素化學符號及其質量分數 表示 如ZAlSi12 表示 Si 12 的鑄造鋁合金 機械制造基礎第八章 1 鋁硅系合金 又稱硅鋁明 是鑄造鋁合金中牌號最多 應用最廣泛的一類 它具有良好的鑄造性 可加入銅 鎂 錳等元素使合金強化 并通過熱處理進一步提高力學性能 這類合金可用作內燃機活塞 汽缸體 水冷的汽缸頭 汽缸套 扇風機葉片 形狀復雜的薄壁零件及電動機 儀表的外殼等 2 鋁銅系 鋁銅合金強度較高 加入鎳 錳更可提高耐熱性 用于高強度或高溫條件下工作的零件 3 鋁鎂系 鋁鎂合金有良好的耐蝕性 可作腐蝕條件下工作的鑄件 如氨用泵體 泵蓋及海輪配件等 4 鋁鋅系 鋁鋅合金有較高的強度 價格便宜 用于制造醫療器械零件 儀表零件和日用品等 部分鑄造鋁合金的牌號 力學性能 特點見教材中表8 2 機械制造基礎第八章 2 鋁合金的變質處理鑄造鋁合金中一般有較多的共晶組織 這種組織粗大 導致鑄件的性能降低 為了提高鑄件的性能 往往需要對其進行變質處理 變質處理 在合金澆注前 向液態合金中加入占合金的質量分數為2 3 的變質劑 2 3的氟化鈉和1 3的氯化鈉的混和物 以細化共晶組織 從而顯著提高合金的強度和塑性 強度提高30 4 伸長率提高1 2 機械制造基礎第八章 第二節銅及銅合金 一 工業純銅純銅因其外觀呈紫紅色曾稱為紫銅 密度為8 93 103kg m3 熔點為1083 具有良好的塑性 導電性 導熱性和耐蝕性 但強度較低 b 200 250MPa 不宜制作結構零件 而廣泛用于制造電線 電纜 銅管以及配制銅合金 我國工業純銅的代號有T1 T2 T3三種 順序號越大 純度越低 T1 T2主要用來制造導電器材 或配制高級銅合金 T3主要用來配制普通銅合金 二 常用銅合金黃銅 是指以銅和鋅為主的合金 普通黃銅是銅鋅二元合金 在銅鋅合金中加入硅 錫 鋁 鉛 錳等元素時稱為特殊黃銅 青銅指除黃銅和白銅以外的銅合金 白銅是指銅和鎳為主的合金 機械制造基礎第八章 1 黃銅 1 普通黃銅 普通黃銅的牌號用 H 加數字表示 數字表示銅含量的質量分數 常用的牌號有 1 H80 色澤美觀 可以用來作裝飾品 有金色黃銅之稱 有較好的力學性能和冷 熱加工性能 耐蝕性好 2 H70 強度高 塑性好 冷成形性能好 可用深沖壓的方法制作彈殼 散熱器 墊片等零件 故有彈殼黃銅之稱 因其銅與鋅之比為7 3 亦稱為7 3黃銅 3 H62 有較高的強度 熱狀態下塑性良好 切削性能好 易焊接 耐腐蝕 價格較便宜 工業卜應用較多 如用作散熱器 油管 墊片 螺釘等 機械制造基礎第八章 2 特殊黃銅 這是在銅鋅合金中加入硅 錫 鋁 鉛 錳等元素制成 依加入合金元素的名稱分別稱為硅黃銅 錫黃銅 鉛黃銅等 特殊黃銅可分為壓力加工與鑄造用兩種 1 壓力加工黃銅加入的合金元素較少 塑性較高 具有較高的變形能力 編號方法是 H 主添加元素符號十銅的質量分數 主添加元素的質量分數 常用的有鉛黃銅HPb59 1 鋁黃銅HA159 3 2等 HPb59 1為含 cu 59 pb 1 其余為鋅的黃銅 它有良好的切削加工性 常用來制作各種結構零件 如銷子 螺釘 螺母 襯套 墊圈等 HA159 3 2為含 cu 59 A1 3 Ni 2 其余為鋅的黃銅 其耐蝕性較好 用于制作耐腐蝕零竹 機械制造基礎第八章 2 鑄造用黃銅不要求很高的塑性 為提高強度度和鑄造性能 可加入較多的合金元素 鑄造黃銅的牌號的表示方法為 Z 表示 鑄 Cu Zn及其含量 其它元素符號及其含量 例如ZCuZn16Si4 表示鑄造磚黃銅 Zn 16 Si 4 余量為銅 常用的特殊黃銅的牌號 成分 力學性能和用途列于教材中表8 3 2 青銅錫銅合金是人類歷史上應用最早的合金 因其呈青黑色而稱為青銅 工業上應用了大量的不含錫而是含鋁 硅 鉛 鈹 錳的銅基合金 稱無錫青銅 它們與錫青銅統稱青銅 機械制造基礎第八章 青銅又分為壓力加工青銅和鑄造青銅 壓力加工青銅的牌號以 Q 表示 后跟元素符號 表明為何種青銅 再跟數字依次表示所添加元素的質量分數 鑄造青銅的牌號的表示方法為 Z 表示 鑄 Cu 主加元素符號及其質量分數 其它元素符號及其質量分數 常用青銅的成分 力學性能及用途見教材中表8 4 1 錫青銅 它具有良好的強度 硬度 耐磨性 耐蝕性和鑄造性 當 Sn20 時 強度也急劇下降 工業用錫青銅的 Sn均在3 14 之間 Sn 8 的錫青銅為壓力加工錫青銅 它具有較好的塑性和適宜的強度 適用于壓力加工 可加工成板材 帶材等半成品 Sn 10 的錫青銅塑性差 只適用于鑄造 機械制造基礎第八章 錫青銅的抗腐蝕性比純銅和黃銅都高 抗磨性能也很好 多用來制造耐磨零件 如軸瓦 軸套 蝸輪 和與酸 堿蒸氣等接觸的零件 2 鋁青銅 實用的鋁青銅 A1一般在5 11 之間 A1為5 7 時塑性最高 A1為10 時強度最高 鋁青銅不但價格低廉 性能優良 其強度 硬度比黃銅和錫青銅都高 而且耐蝕性 耐磨性也高 鋁青銅作為價格昂貴的錫青銅的代用品 常用來鑄造承受重載的耐磨 耐蝕零件 3 鈹青銅和鈦青銅 以鈹為主添加元素的銅合金稱為鈹青銅 它的 Be 1 7 2 5 之間 鈹青銅有許多優良的性能 1 經淬火時效強化后強度可達 b 1200 1500MPa 硬度為330 400HBW 遠遠超過其它合金 2 其彈性極限 疲勞強度 耐磨性 耐蝕性 導電性 導熱性都很好 3 具有耐寒 無磁性及沖擊不產生火花等特性 機械制造基礎第八章 鈹青銅主要用來制造各種精密儀器或儀表中的貴重彈簧及彈性元件和耐磨件等 注意 鈹青銅價格昂貴 工藝復雜 而且有毒 因而限制了它在工業上的應用 在鈹青銅中加入鈦元素 可減少鈹的含量 降低成本 改善工藝 鈦青銅的物理化學性能和力學性能都與鈹青銅相似 但它生產工藝簡單 無毒 價格便宜 是一種很有前途的新型高強度合金 3 白銅以鎳為主要添加元素的銅合金稱為白銅 僅有銅 鎳組成的二元合金稱為普通白銅 含錳的銅鎳合金稱為錳白銅 錳銅 康銅 考銅就是具有不同含錳量的錳白銅 機械制造基礎第八章 錳銅的牌號是BMn3 12 康銅的牌號是BMn40 1 5 考銅的牌號是BMn43 0 5 BMn 表示錳白銅 后面的數字分別表示 鎳 鈷的平均質量分數和錳的平均質量分數 錳白銅具有極高的電阻率 非常小的電阻溫度系數 是制造電工測量儀器 變阻器 熱電偶及電熱器主要的材料 機械制造基礎第八章 第三節滑動軸承合金 軸承是用來支撐軸進行工作的機械零件 目前機器中所用的軸承主要有滾動軸承和滑動軸承兩大類 雖然滾動軸承應用廣泛 但滑動軸承具有承壓面大 工作平穩 無噪聲等優點 故常用于重載 高速的場合 如磨床主軸軸承 連桿軸承 發動機軸承等 在滑動軸承中 制造軸瓦和軸瓦內襯的合金稱為軸承合金 一 軸承合金的組織特征1 對軸承合金的性能要求滑動軸承由軸承體和軸瓦組成 軸是機器上最重要的零件 價格昂貴 更換困難 所以應盡量使磨損發生在軸瓦上 故軸承合金應具有以下性能 機械制造基礎第八章 1 足夠的強度和塑性 韌性 以抵抗沖擊和振動 2 適當的硬度 既能承受載荷又能減少軸的磨損 3 良好的能減磨性 摩擦系數小 并能保存潤滑油 和磨合性 4 良好的導熱性與耐蝕性 5 成本低廉 易于制造 2 軸承合金的組織特征理想的組織是軟基體上分布有均勻的硬質點 或硬基體上分布有軟質點的結構 如圖8 5所示 機械制造基礎第八章 當軸與軸瓦經磨合后 軟基體 或軟質點 因磨損而下凹 凹坑可儲油 而硬質點 或硬基體 則凸起來承受軸的壓力 同時軟基體 或軟質點 還能承受沖擊和振動 并起嵌藏外來硬質點的作用 以保證軸不被擦傷 以錫或鉛為基體的軸承合金 也稱巴氏合金 是滿足上述性能及組織要求的最理想的材料 另外 還有銅基 鋁基軸承合金等 二 常用的軸承臺金l 錫基軸承合金具有適當的硬度和較低的摩擦系數 0 005 軟基體具有較好的塑性和韌性 還具有良好的導熱性和耐蝕性 幾乎能滿足軸承材料的所有要求 可用作承受大負荷 高轉速機器設備的軸承 如用于汽輪機 電動機 汽車發動機等 由于錫是稀缺礎昂貴的金屬 使其應用范圍受到限制 而大多代以鉛基軸承合金 機械制造基礎第八章 2 鉛基軸承合金硬度與錫基合金差不多 但強度 韌性較低 耐蝕性也較差 由于價格較低 常用于制造中等載荷的軸承 如汽車 拖拉機的曲軸軸承 電動機 空壓機 減速器的軸承等 錫基和鉛基軸承合金的強度都較低 不能承受大的壓力 生產中常用離心澆注法將其鑲鑄在低碳鋼的軸瓦上 形成薄 0 1mm 而均勻的一層內襯 既可提高軸承的承載能力 又可節約軸承合金材料 這種軸承稱為雙金屬軸承 錫基 鉛基軸承合金牌號表示方法為 Z 基本元素符號 主加元素符號與元素質量分數 Z 為 鑄 的漢語拼音首字母 如ZSnSb11Cu6 表示基本元素為Sn即錫基合金 主加元素 Sb 11 輔加元素 Cu 6 余量為Sn 常用錫基 鉛基軸承合金的牌號 成分 力學性能與用途見教材中表8 5 機械制造基礎第八章 3 銅基軸承合金主要是鉛青銅和錫青銅 其代號或牌號表示法參見鑄造青銅 常用的鉛青銅牌號如ZCuPb30 表示 Pb 30 余量為銅 顯微組織為在銅的硬基體上分布著軟的鉛顆粒 鉛青銅與巴氏合金相比具有較高的疲勞強度和承載能力 及較高的導熱性和較小的摩擦系數 廣泛用于高速 高負荷下工作的軸承 如航空發動機和高速柴油機軸承 由于強度低 也是作為雙金屬軸承用作軸襯 錫青銅用來制造中速 重負荷下工作的軸承 錫青銅可直接制成軸瓦 4 鋁基軸承合金基本元素是鋁 主添加元素有銻和錫 常用的有鋁銻鎂軸承合金和高錫鋁基軸承合金兩大類 機械制造基礎第八章 鋁銻鎂軸承合金的顯微組織為在鋁的軟基體上分布著硬的質點A1Sb 該合金也是澆注在鋼背上做成雙金屬軸承使用 高錫鋁基軸承合金的顯微組織為在硬的鋁基體上分布著軟的球狀錫質點 成品一般為鋼一鋁一高錫鋁三層材料軋制而成 其承載能力達3200MPa 滑動線速度高 且其工藝簡單 壽命長 可代替巴氏合金 銅基軸承合金和鋁銻鎂軸承合金 鋁基軸承合金資源豐富 價格低廉 疲勞強度和導熱性好 現已廣泛用于高速重載荷下工作的軸承 鋁基軸承合金的主要缺點是線膨脹系數大 運轉時易與軸咬合 又因其本身強度高 使軸易磨損 故需相應提高軸的硬度 機械制造基礎第八章 第四節粉末冶金與硬質合金 粉末冶金材料與硬質合金材料都是采用粉末冶金的方法制成的 一 粉末冶金工藝方法 將金屬粉末 或摻人部分非金屬粉末 放在模具內加壓成形 然后燒結而成為金屬零件或金屬材料的生產方法 稱為粉末冶金 1 粉末冶金的生產過程 1 粉末的制取根據金屬的性質不同 可采用不同的方法制取粉末 有機械粉碎法 還原法 電解法 噴射法等 或幾種方法混合使用 2 粉末混料將金屬粉末和各種輔助材料按一定的比例配好后 經混料器混合 使各種成分均勻分布 機械制造基礎第八章 3 粉末壓制將混合料裝入壓模中 在壓力機上加壓成形 這時體積縮小 由于原子吸引力和機械咬合 使制件具有一定的強度 4 燒結壓制成形后的強度不夠 還必須進行燒結 燒結時由于原子間的擴散 使粉末顆粒間的結合力增強 強度也顯著提高 有時將加壓成形和燒結兩道工序合在一起進行 稱為熱壓法 2 粉末冶金軸承材料采用粉末冶金工藝可制作多種減磨材料 用于制作滑動軸承 1 含油軸承材料利用材料的多孔性浸滲潤滑油的減磨材料 由于孔隙中含有大量潤滑油 體積分數為10 30 故稱含油軸承材料 用于制作軸承 襯套等 常用的有鐵基和青銅基兩種 通常添加的固體潤滑劑是石墨 機械制造基礎第八章 含油軸承工作原理 軸承工作時 由于摩擦發熱 使軸承膨脹將潤滑油從孔隙中壓到工作表面 起到潤滑作用 停止工作后軸承冷卻 由于毛細作用 大部分潤滑油又被吸回孔隙 少部分留在表面 使再次運轉時避免發生干摩擦 起到自動潤滑的作用 含油軸承材料的孔隙度在18 25 孔隙度高則含油多 潤滑性能好 但強度低 適宜在低負荷 中速條件下工作 孔隙度低則含油少 強度較高 適宜在中 高負荷條件下工作 若在低速條件下工作 還需補充潤滑油才能使用 2 金屬塑料減磨材料這是具有良好綜合性能的無油潤滑減磨材料 由粉末冶金多孔制品和聚四氟乙烯 二硫化鉬 或二硫化鎢 等固體潤滑劑復合制成 機械制造基礎第八章 這種材料的特點是不需潤滑油 有較寬的工作溫度范圍 200 280 能適應高空 高溫 低溫 振動 沖擊等工作條件 還能在真空 水或其它液體中工作 目前被廣泛用于錄音機軸承 航空儀表軸承等方面 二 硬質合金硬質合金是以難熔的金屬碳化物 碳化鎢 碳化鈦等 為基體 以鈷 鎳等金屬作粘結劑 用粉末冶金的方法制成的合金材料 硬質合金的主要用途是制作刀具 它具有很高的熱硬性 即使溫度在1000 左右 刀具的硬度仍無明顯的下降 用它制作的刀具 壽命可提高5 8倍 切削速度比高速鋼高4 10倍 硬質合金由于其本身的硬度太高 又比較脆 很難進行機械加工 故將其制成一定規格的刀片 鑲焊或裝夾在刀體上使用 硬質合金還可用于制造模具 量具和耐磨零件 機械制造基礎第八章 常用的硬質合金有 1 鎢鈷類 YG 主要成分為碳化鎢 WC 和鈷 Co 這類硬質合金的韌性好 但硬度和耐磨性較差 適用于制作切削鑄鐵 青銅等脆性材料的刀具 2 鎢鈷鈦類 YT 主要成分為碳化鎢 WC 碳化鈦 TiC 和鈷 Co 這類硬質合金的硬度和耐磨性高 但韌性差 加工鋼材時刀具表面能形成一層氧化鈦薄膜 使切屑不易粘附 適用于制作切削塑性材料 如鋼等 的刀具 3 通用類硬質合金 YW 這類合金也稱萬能硬質合金 其成分為在鎢鈷鈦類硬質合金中加入碳化鉭 TaC 以取代部分碳化鈦 TiC 主要用于制作切削高錳鋼 不銹鋼 耐熱鋼等難加工材料的刀具 機械制造基礎第八章 小結 通常把鐵及其合金 鋼 鑄鐵 稱為黑色金屬 其它的非鐵金屬及其合金則稱為有色金屬 與黑色金屬相比 有色金屬具有許多優良的特殊性能 鋁合金的性能特點 1 熔點低 密度小 比強度高 2 優良的加工工藝性能 3 良好的塑性 導電性和耐蝕性 鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金 變形鋁合金包括防銹鋁合金 硬鋁合金和超硬鋁合金 銅合金的性能特點 1 良好的加工工藝性能 2 極佳的導