有色金属及其合金.docx
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有色金属及其合金
第8章
有色金属及其合金
教学基本内容:
1、铝及铝合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用;
2、铜及铜合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用;
3、钛及钛合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用。
教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次):
1、掌握铝、铜合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用;
2、熟悉合金元素对铝、铜合金的显微组织、热处理性能和使用性能的影响
3、了解钛及钛合金的分类、成分与性能特点、热处理工艺及应用。
教学重点及难点:
1、重点:
1)铝、铜合金的合金化的目的和热处理工艺;
2)铝、铜合金的分类、成分与性能特点及选择。
2、难点:
1)铝、铜合金合金化的机制;
2)铝、铜合金热处理工艺的制定。
教学方法及手段:
1、PPT讲解;
2、课堂讲解。
作业、讨论题、思考题:
1、论述铝合金、铜合金的合金化的目的和热处理工艺?
2、综述铝合金、铜合金的应用现状?
第八节与够眶摩擦___________________________________________________________________________________________________________________________有色金属及其合金
第一节铝及铝合金
一、纯铝
1、性能
1)用量最大的有色金属、银白色;
2)面心立方晶体、塑性好:
δ=50%,ψ=80%,适于形变加工;
3)熔点低660℃、密度小(2.7g/cm3)为铁的1/3,是一种轻金属材料;
4)导电性和导热性较好,仅次于银和铜;
5)对大气有良好的耐蚀性(Al2O3),但对酸、碱、盐的耐蚀性差;
6)强度低бb=80-100MPa,冷塑变后提高到бb=150-200MPa。
2、用途
工业纯铝很少用于制造机械零件,多用于制作电线、电缆及要求热导、抗蚀且受轻载的用品或器皿。
3、牌号
L+数字
序号,数字愈大其纯度愈低;
“铝”
二、铝合金的分类及热处理
合金化:
在铝中加入某些合金元素所形成的合金。
最大特点比强度高(强度/密度之比),可用作受力构件和零件。
防锈铝合金(热处理不能强化)
硬铝合金(热处理能强化铝合金)
形变铝合金超硬铝合金(热处理能强化铝合金)
铝合金锻造铝合金(热处理能强化铝合金)
铸造铝合金
三、铝合金的热处理
1)固溶热处理(淬火)
目的在水中快速冷却,获得过饱和铜(或其它合金元素)的α固溶体组织。
2)时效
经固溶热处理的合金在室温(自然时效)或加热至一定温度放置(人工时效),随时间廷长因第二相(如CuAl2)的弥散析出,使强度提高、塑性降低的现象称为时效强化,这种热处理方法称为时效。
四、常用铝合金
1、形变铝合金
1)防锈铝合金(LF)-----200Mpa左右
(1)成分
为Al-Mn系、Al-Mg系合金,Mn、Mg的主要作用是固溶强化和提高耐蚀性。
(2)热处理:
不能进行时效强化,常采用冷变形方法提高其强度/
(3)代号:
“LF+序号”,LF是“铝防”的汉语拼音字首,例、LF5。
(4)应用:
主要用于制作蒙皮、容器和装饰等抗蚀构件。
2)硬铝(LY)-----300-480MPa
(1)成分:
Al-Cu-Mg系合金,加入元素铜、镁形成强化相。
(2)热处理与性能
经固溶-时效处理,能获得相当高的强度,故称“硬铝”;但抗蚀性差,采用“包铝”提高抗蚀性能;
(3)代号:
“LY+序号”,“LY”是“铝硬”的汉语拼音字首;例、LY11
(4)应用:
主要用于制作发动机叶片、滑轮等有一定强度要求的零件和构件。
3)超硬铝(LC)-----600MPa
(1)成分:
Al-Cu-Mg-Zn系合金,加入元素铜、镁、锌形成更多的强化相。
(2)热处理
固溶处理-人工时效,其室温强度最高;采用“包铝”提高抗蚀性能。
(3)代号:
“LC+序号”,“LC”是“铝超”的汉语拼音字首,例、LC4。
(4)应用:
多用于制造受力大的重要构件,如飞机大梁、起落架等。
4)锻铝(LD)-----400Mpa以上
(1)成分与性能
Al-Cu-Mg-Si系和Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金,特点:
多元素少量;
且具有良好的热塑性、铸造和锻造性能,适合压力加工。
(2)热处理:
固溶处理-人工时效强化后,仍保持较高强度。
(3)代号:
“LD+序号”,“LD”是“铝锻”的汉语拼音字首;例、LD5。
(4)应用:
多用于制造受重载荷的锻件和模锻件。
2、铸造铝合金
1)成分:
具有良好的铸造性能,其成分接近共晶点。
2)热处理
(1)变质处理;
(2)固溶处理(淬火)+自然(人工)时效,提高其综合力学性能;
3)代号
ZL(铸铝)+序号(1××-硅系;2××-铜系;3××-镁系;4××-辛系)
例,ZL109---表示铸造铝硅合金。
4)常用铸造铝合金牌号、性能和应用
代号
性能
应用
ZL109
硅铝明
铸造性好、但力学性能低、бb=140MPa、δ=4%。
形状复杂的零件:
仪表、气缸体、水(油)泵壳体等。
ZL201
具有较高的耐热强度。
内燃机气缸盖、活塞等高温(300℃以下)工作的构件。
ZL301
具有较好的耐蚀性能、高强度,但铸造性和耐热性差。
泵体、船舰配件等大气或海水中工作的构件。
ZL401
具有较高的强度、铸造性好、价格便宜,但耐热性差。
汽车、飞机上形状复杂的构件。
第二节铜及铜合金
一、纯铜(紫铜)
1、主要性能
1)观呈紫红色,又称紫铜;纯铜密度为8.9g/cm3;熔点1083℃;导电性和导热性优良;无磁性;碰撞冲击时无火花;
2)很好的化学稳定性,在大气、淡水、冷水中具有很好的耐腐蚀性;但在海水、氨盐、氯化物、碳酸盐及氧化性酸中抗蚀性差,表面产生绿色的碱式碳酸铜薄膜,即铜绿。
3)强度较低,但塑性极好,可加工成铜箔;但纯铜加工硬化指数高,故通过冷变形强化效果好;而且其低温韧性好,焊接性能优良。
2、应用
主要用于导电导热及兼有耐蚀性要求的结构件,如电机、电器、电线电缆、电刷、防磁机械、化工换热及深冷设备等,也用于配制各种性能的铜合金。
3、牌号
按其纯度不同有四个牌号:
T1(99.95%Cu)、T2(99.90%Cu)、T3(99.7%Cu)、T4(99.5%Cu),其常用作导电,一般铜材及制铜合金。
二、铜合金
1、铜的合金化
通过合金元素固溶、淬火时效和形成过剩相来强化材料,提高合金的性能。
主要固溶强化元素有Zn、Sn、Ai、Mn、Ni等;Be、Ti、Zr、Cr等为常用的沉淀强化元素。
2、铜合金的分类
按成形方法分类:
变形铜合金及铸造铜合金。
按化学成分分类:
黄铜、青铜和白铜三大类。
1)黄铜
(1)成分:
在铜中主要加入合金元素锌所形成的合金。
(2)分类
按其成分分为:
普通黄铜和特殊黄铜,普通黄铜是由铜和锌组成的二元合金,特殊黄铜是在普通黄铜中加入其它合金元素组成的多元合金;
按加工方法分为:
压力加工黄铜和铸造黄铜。
(3)合金元素对黄铜性能的影响
当Zn<32%时,黄铜组织为单相α固溶体,Zn%↑→强度↑、塑性↑,可进行冷、热加工;
当32% 当Zn>45%时,Zn%↑→强度↓、塑性↓。 加入Al、Sn、Ni、Mn等进一步提高合金强度和耐蚀性; 加入Si、Pb等可提高耐磨性。 (4)黄铜的牌号 普通黄铜: H70 含铜量的百分数 “黄” 特殊黄铜: HPb59-1 主加合金元素含量的百分数1%Pb 含铜量的百分数 主加合金元素 “黄” 铸造黄铜: ZCuZn38 含Zn38%; 普通黄铜合金 “铸” (5)黄铜的性能和应用 бb≈320-600MPa,δ≈50%,价格便宜,因此日用品都用黄铜; 工程上制造弹壳、散热器、冷凝器管道等构件; 特殊黄铜可用于制造防海水浸蚀的船舶机械零件,如轴承、齿轮、螺旋桨叶和仪表,化工用耐蚀零件等。 (6)经冷加工的黄铜制品存在残余应力,易发生应力腐蚀开裂,需进行去应力退火; 2)青铜 是指黄铜和白铜以外的其它铜合金。 其中铜锡合金称为锡青铜,其它青铜称特殊青铜。 一般说,青铜的耐磨性比黄铜好,所以在机械制造中青铜用的比较多。 (1)牌号 压力加工: Q+主加合金元素符号及其含量+其它合金元素含量 例QSn6.5-0.1――代表Sn=6.5%,P=0.1%的锡青铜 铸造合金: ZCuSn10Pb1。 (2)青铜分类、性能及应用 A、锡青铜 ①锡青铜在大气、淡水、海水和水蒸汽中具有良好的耐蚀性,但在酸类及氨水中其耐蚀性较差; ②Sn<7%的锡青铜为α单相固溶体,塑性好,适于压力加工; ③Sn>7%的锡青铜,由于塑性差,只适于铸造加工,且铸造性能一般(流动性差,易形成疏松,组织不致密,但收缩小); 4青铜的耐磨性好; 5力加工锡青铜多用于制造导电弹性元件和轴瓦、轴套等耐磨零件; 6铸造锡青铜一般用于铸造气密性要求不高的铸件和艺术品。 B、铝青铜-----在铜中主要加入合金元素铝所形成的铜合金。 ①比黄铜和锡青铜具有更高的强度、耐磨性和耐蚀性,并易于获得致密的铸件; ②Al=5%--7%的铝青铜塑性好,一般为压力加工铝青铜,如ZQAl9Mn2;主要用作强度和耐磨性较高的耐磨零件(齿轮、蜗杆、轴套等); ③Al=8%-10%的铝青铜塑性低,一般为铸造铝青铜(如QAl5、Qal7);主要用作仪器、仪表中的耐蚀弹性零件。 C、铍青铜------在铜中主要加入合金元素铍所形成的铜合金。 ①铍青铜经固溶时效处理强化后,其强度бbmax=1250MPa,δ=2%--4%,疲劳抗力高,弹性好: ②而且抗蚀、耐热、耐磨等性能均好于其它铜合金; ③导电性和导热性优良,而且具有无磁性、受冲击时无火花等优点; ④主要用于制造精密仪器、仪表的弹性元件、耐磨零件等。 第三节钛及其合金 一、纯钛 1、性质 1)钛在地壳中蕴藏丰富,仅次于铝、铁、镁而居第四。 2)纯钛为银白色金属,相对密度4.54,也是一种轻有色金属。 钛熔点高(1680℃)、线膨胀系数小。 3)具有同素异物转变。 4)纯钛弹性模量低,耐冲击性好;强度与铁相似(бb=220-260MPa),比强度很高,且具有很高的塑性(δ=50-60%),钛的固溶强化显著,бb可高达550MPa,因此工业纯钛可直接用作工程结构材料。 5)钛具有较好的低温塑性,在550℃以下有较好的耐热性,故钛还常用作低温材料和耐热材料。 6)在大气、海水、高温气体(550℃以下)及中性和氧化性介质中具有极高耐蚀性,高于不锈钢; 但高温高浓度盐酸和硫酸、干燥氯气、氢氟酸和高浓度磷酸等介质对钛有较大的腐蚀作用。 2、纯钛的应用 工业纯钛(α-Ti)因其密度小,耐蚀性优异,而更重要的是其力学性能良好,因此是航空航天、船舶、化工等工业中常用的一种结构材料。 常用于制造350℃以下及超低温下工作的受力较小的零件及冲压件,如飞机蒙皮、构架、隔热板、发动机部件、柴油机活塞、连杆及耐海水等腐蚀介质下工作的管道阀门等。 二、钛合金及分类 1、热处理 1)退火: 提高合金塑性和韧性,消除应力及稳定组织; 2)淬火时效: 相变强化合金。 2、钛合金的性能特点与应用 1)α型钛合金 (1)牌号: TA5、TA6、TA7 (2)组织: α单相固溶体或α固溶体加微量金属间化合物; (3)热处理: 不能热处理强化; (4)性能: 室温强度较低(бb=850MPa),但高温(500-600℃)强度高,бb=400Mpa;组织稳定,耐蚀性优良,塑性及加工成型性好;具有优良的焊接性能和低温性能; (5)应用: 常用于制作飞机蒙皮、骨架、发动机压缩机盘和叶片、蜗轮壳以及超低温容器。 2、β型钛合金 1)牌号: TB1、TB2 2)组织: 亚稳β相; 3)热处理: 淬火时效——沉淀强化效果显著; 4)性能 бb=1300MPa,δ=5%;淬火态塑性韧性很好,冷成型性好;但该合金密度大,组织不够稳定,耐热性差,使用不太广泛。 5)应用: 制造飞机中使用温度不高但要求高强度的零部件,如弹簧、紧固件及厚截面构件。 3.α+β型钛合金 1)牌号: TC1、TC2、TC3、TC4 2)组织: α+β(不超过30%)两相; 3)热处理: 930℃固溶淬火+540℃时效2h; 4)性能-----综合机械性能极佳 бb=1300MPa,б0.2=1200MPa,δ=13%;具有良好的耐热性和很好低温性能; 5)应用----是应用最广泛的钛合金。 可用于制造航空发动机压气机盘和叶片,火箭发动机外壳及冷却喷管、飞行器用特种压力容器及化工用泵、船舶零件和蒸汽轮机部件等。 第四节轴承合金 定义: 用于制作轴瓦及其内衬的合金,轴瓦可直接用耐磨合金制成,也可在钢背上浇注(或轧制)一层耐磨合金形成复合的轴瓦。 1、工作条件 周期性负荷、冲击作用;强烈摩擦和磨损;启动、停车时,出现边界润滑或半干摩状态,引起磨损。 2、基本性能要求 (1)足够的抗压强度和疲劳强度; (2)具有良好的减摩性,磨合性,抗冷焊性和嵌镶性; (3)有一定的塑性和韧性; (4)有良好的导热性和小的膨胀系数。 3、组织和结构要求 1)成分 (1)用对钢铁互溶性小的元素组成的合金,如Sn、Pb、Al、Cu、Zn等的合金,其对钢铁材料的粘着性和擦伤性小; (2)有适量低熔点元素。 产生高温时,展平于摩擦面并形成塑性好的润滑层,减少接触点处的压力和摩擦阻力。 2)组织 ●软基体上分布有均匀硬质点; ●硬基体上分布均匀的软质点。 ●软基体(或质点)作用: 凹陷、保持润滑油、嵌藏外来硬质点磨粒以免划伤轴颈; ●硬质点(或基体)作用: 耐磨、支承轴的压力、减小轴和轴瓦接触面积。 4.常用轴承合金 1)锡基轴承合金(锡基巴氏合金): (1)成分 由Sn-Sb合金基础上添加Cu、Pb等元素形成,属软基体硬质点类。 (2)牌号 主要有ZchSnSb11-6、ZchSnSb8-4、ZchSnSb4-4等, “Z”表示铸造,“ch”表示轴承合金,后为基本元素(Sn)+主加元素+主加元素含量+辅加元素含量等 例、ZchSnSb11-6表示含11%Sb和6%Cu的Sn基铸造轴承合金。 (3)特点 摩擦系数小、线膨胀小、有良好的工艺性、嵌镶性和导热性、耐蚀性优良; 但其抗疲劳性能较差,运转工作温度应小于110℃,且成本高。 (4)应用 主要用于制作重要轴承,如汽轮机、蜗轮机、内燃机、压气机等大型机器的高速轴瓦等。 2)铅基轴承合金(铅基巴氏合金) (1)成分 是Pb-Sb基合金基础上加入Sn和Cu元素形成,为软基硬质点类。 (2)牌号 ZchPbSn16-16-2,表示含16%Sn、16%Sb及2.0%Cu和余量的Pb,它可制成双层或三层金属结构。 (3)特点 高温强度高、亲油性好、有自润滑性、适于润滑较差的场合;而强度硬度、耐磨性、耐蚀性、导热性低于锡基合金,但成本低。 (4)应用 适宜制作中低载荷的轴瓦,如汽车拖拉机的曲轴轴承。 3)铝基轴承合金 (1)成分 可分为Al-Sn系(Al-20%Sn-10%Cu)、Al-Sb系(Al-4%Sb-0.5%Mg)和铝石墨系(Al-8Si合金+3~6%石墨)三类。 (2)特点 铝基轴承合金比重小,导热性好,疲劳强度高,抗蚀性和化学稳定性好,且价格低廉; (3)应用 适用于高速高载荷下工作的汽车和拖拉机,柴油机的轴承。 4)粉末冶金减磨材料 (1)成分 铁-石墨及铜-石墨多孔含油轴承材料及金属塑料减磨材料。 (2)特点 减摩性好,寿命高,成本低,效率高;且自润滑性优良,材料孔隙能贮润滑油,使其工作时具有长期的润滑性。 (3)应用 该类材料已广泛用于汽车、农机、冶金矿山和纺织机械中的轴承。 5)其他轴承材料 锌基轴承合金,铜基轴承合金、多层轴承合金、非金属材料轴承。
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