工程材料92有色金属及其合金

第二节有色金属及其合金黑色金属-----钢铁材料有色金属-----铝、镁、铜、铅、锌等及其合金一、铜及铜合金纯铜：紫铜铜合金：黄铜、青铜、白铜1、紫铜1)紫铜的性能2)紫铜的代号及用途3)紫铜的热处理I.紫铜即工业纯铜，因其具有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色而名II.面心立方晶体结构，无同素异构转变III.比重8.96，熔点1083℃；优良的导电性和导热性，其导电性位居第二(仅次于银)；逆磁性物质(磁化系数为很小的负数)；很好的耐蚀性IV.极好的塑性，机械性能较低(表9-6)V.热脆性：含有铅、铋，当进行热加工时(一般为820~860℃)，造成脆性断裂VI.冷脆：含有硫、氧，铜在冷加工时易于产生破裂的现象I.代号：T1(99.95%Cu)、T2(99.90%Cu)、T3(99.7%Cu)、T4(99.5%Cu)。II.用途：船上主要用作柴油机的润滑油管、锅炉水管等和密封垫片I.紫铜在冷变形后通过再结晶退火，即将紫铜加热到600~650℃，然后在水中冷却，一方面去除其表面的灰黑色氧化皮(CuO)，另一方面紫铜得到软化(消除加工硬化现象)在船上采用喷灯加热至发红而后水冷，达到软化的目的。2、黄铜黄铜----铜锌合金，根据化学成分的不同，分为普通黄铜和特殊黄铜。⑴普通黄铜：①成分和组织②编号和用途、性能②腐蚀⑵特殊黄铜①锡黄铜①锰黄铜①铝黄铜普通黄铜是由铜和锌组成的二元合金一．黄铜含锌量一般不超过47%二．单相黄铜：锌39%，形成固溶体(塑性很好，适于冷、热加工)三．两相黄铜：含锌量在39~45%时，黄铜的组织为+(相是以化合物CuZn为基的固溶体，高温下塑性好，适于热加工，在温度较低时则很脆，不宜冷加工)I.编号：H+两位数字(H80，即表示含铜80%的黄铜)，铸造黄铜，再加上ZII.机械性能：与锌的含量有直接关系。如图9-7所示。III.锌的含量达30%时，黄铜的塑性最大;IV.含锌量达到45%时，黄铜的强度最大V.铸造性能：优良VI.耐蚀性：在大气、尤其是有机氟化物(氟利昂12-CF2Cl2)中VII.应用：用于制作冷凝管、水泵零件、散热片等，如表9-8所示。I.普通黄铜的抗蚀性较好，与紫铜差不多。对大气、海水、以及氨以外的碱性溶液的耐蚀性很高，但在氨、氨盐和酸类介质中的耐蚀性较差，特别是对硫酸、盐酸的抗蚀很差II.“应力腐蚀破裂”或“季裂”：含锌大于7%(尤其是含锌量大于20%)的黄铜经冷加工后，在潮湿的大气及海水中，特别是在有氨的环境中，容易产生腐蚀致使黄铜破裂的现象。III.产生原因：主要是有残余应力存在，有腐蚀性介质含锌量较高IV.消除办法：可进行低温退火，退火温度一般为260~300℃，时间一般1~3h。一．为了改善和提高普通黄铜的某些性能，如机械性能、抗蚀性及工艺性，在普通黄铜中加入Mn、Sn、Si、Pb、Al、Fe等元素而形成的黄铜，称为特殊黄铜。二．特殊黄铜的编号方法是:H+主加元素符号+铜含量+主加元素含量。例如HSn70-1，表示主加元素为Sn，含量为1%、含铜70%，余为锌的锡黄铜，如是铸造的，则在编号前加Z。三．几种常见特殊黄铜的成分和机械性能如表9-9所示。一．锡元素：在海洋大气、海水中的抗蚀性大大地提高，同时强度也得以提高，HSn70-1常用于制造冷却器及冷凝器的管子。一．锰元素：强度有较大的提高，同时还提高其在海水、氯化物及热蒸气中的耐蚀性。二．HMn58-2，用于制造螺旋桨轴的轴套三．ZHMn55-3-1，为铸造锰黄铜中加入1%的Fe，提高机械性能，用于制造螺旋桨和蒸气泵活塞等。一．铝元素：强度和硬度提高，改善黄铜的耐蚀性二．用于制造船舶上冷凝器管子等耐蚀零件三．如在铝黄铜中加入适量的镍、锰、铁可获得高强高、高耐蚀性的铝锰铁黄铜，可用于制造军舰的螺旋桨等。3、青铜铜合金中除黄铜(Cu-Zn)和白铜(Cu-Ni)以外的合金均称作青铜(1)锡青铜：锡青铜的成分和性能无锡青铜：①铝青铜②铅青铜③硅青铜④铍青铜青铜又分为锡青铜和无锡青铜。青铜的编号方法是:“Q”+主加元素符号+主加元素含量。例如QPb30表示含铅30%、含铜70%的铅青铜。一．以锡为主要或基本元素的铜合金称为锡青铜。一．(1)以Pb、Al、Mn、Si、Be为主要元素的铜合金称为无锡青铜一．以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜。二．铝青铜的机械性能如图9-9所示三．机械性能----高于锡青铜和黄铜，四．耐蚀性----在大气、海水及有机酸中比锡青铜、黄铜高，五．耐磨性----优于锡青铜和黄铜一．以铅为主要元素的铜合金称~为铅青铜二．铅青铜主要用作耐磨材料，QPb30为含铅30%的铅青铜，用于制做大功率高速柴油机轴承。一．以硅为主要元素的铜合金称为硅青铜二．QSi3-1为含硅3%、含锰1%的铜硅合金，常用于制造船舶辅机零件及排水系统管件。一．以铍为主要元素的铜合金称为铍青铜二．QBe2常用于制做重要弹簧、高速止回阀等。4、白铜一．以镍元素为主要合金元素的铜合金称为白铜二．白铜的代号为:“B”+平均含镍量。Bl9：含镍量19%，其余为铜的白铜。三．白铜的代号、成分和机械性能：见表9-11所示。二、铝及铝合金一．除纯铝外，铝合金主要包括形变铝合金和铸造铝合金两大类二．1.工业纯铝三．(1)工业纯铝的性能及用途四．工业纯铝的代号和牌号五．2.铝合金六．铝合金的分类和代号七．铸造铝合金的用途一．性能工业纯铝的比重为2.7，熔点为660.4℃;有良好的导电性和导热性，导电性仅次于银、铜、金，居第四位;二．塑性好;通过冷、热加工可制成各种型材;三．抗大气腐蚀性能好四．强度很低，冷变形加工硬化后强度可达150~25OMN/m2，塑性降到50~60%五．用途：它主要用于制作电缆、电线，以及具有导热和耐大气腐蚀而对强度要求不很高的用品。一．代号：是以所含杂质(主要是铁和硅)元素的量编制的，数字越大，纯度则越低。工业纯铝分为冶炼产品和加工产品两类。二．冶炼产品代号：Al-0O、Al-O、Al-l、Al-2、Al-3三．对应的牌号称为特一号铝、特二号铝、一号铝、二号铝、三号铝。四．加工产品代号:Ll、L2、L3、L4、1，5、L6、L7，对应的牌号称为一号工业纯铝、…七号工业纯铝。一．铝中加入适量的Cu、Mg、Si、Mn等合金元素，可获得较高的强度，能用于制造承受载荷的机械零件。一．在船上应用较广泛的铸造铝合金主要为铝硅系列铸造铝合金。二．如ZL102，称为普通硅铝明。具有优良的铸造性、焊接性、相当好的抗蚀性、耐热性。但缺点是铸件致密度较小，强度不高。主要用于制造承受低载荷和形状复杂但强度不高的铸件，如手柄、罩壳、手轮等三．ZL108，2L110称为特殊硅铝明，主要用于制造船用中高速柴油机、汽车和拖拉机或汽油机的活塞，或工作温度在250C以下的零件。四．铝合金的分类、代号及性能特点见表9-12所示。三、轴承合金轴承：滚动轴承、滑动轴承1.轴瓦的结构及对轴承材料的要求2.巴氏合金：⑴锡基巴氏合金⑵铅基巴氏合金3.铜基轴承合金：⑴铅青铜(2)锡青铜4.铝基轴承合金：(1)低锡铝合金(2)铝锌镁合金(3)高锡铝合金在滑动轴承中，制造轴瓦及内衬的合金称为轴承合金轴瓦是由瓦壳和瓦衬----耐磨合金组成。图9-11轴瓦的结构，共有三种形式：(1)两半式厚壁轴瓦图9-12(1)。轴瓦的厚度：0.064D(D为轴径)，耐磨合金层厚度：≈0.75~2mm。用：中、低速柴油机的主轴承、曲柄销轴承及十字头轴承等。瓦壳材料：低碳钢；耐磨合金：巴氏合金。(2)两半式薄壁轴瓦图9-12(b)轴瓦的厚度≈0.02~0.065D(D为轴径)；耐磨合金层厚度≈0.2~0.7mm；用：中、高速柴油机的轴承上瓦壳材料：低碳钢；耐磨合金：巴氏合金、铜基轴承合金或铝基轴承合金等。(3)整体式轴瓦图9-12(c)铜基轴承合金轴瓦，由钢壳与铅青铜耐磨合金构成；用：筒状活塞式柴油机连杆小端轴瓦及摇臂轴瓦。轴瓦材料应满足下列要求(在磨损不可避免的情况下应从轴瓦材料上确保轴的磨损最小):①在工作温度下具有足够的强度和硬度以及疲劳强度，足够的塑性和韧性;②具有低的摩擦系数，较高的耐磨性，良好的抗咬合性、磨合性和亲油性;③具有良好的耐蚀性、导热性和较小的膨胀系数;④良好的工艺性，易于铸造和切削加工。较理想的结构一般为：在软基体上分布着硬质点(约占13~30%)或在硬基体上分布着软质点(图9-13)。一．巴氏合金(又称白合金或乌金)：分为锡基巴氏合合和铅基巴氏合金两种(1)Sn(为主)+Sb、Cu(少量)牌号：“ZCh”+基本元素和主元素的符号+主加元素和辅加元素的百分含量。如：ZChSnSbl1-6：l1%Sb(主加元素)，6%Cu(辅加元素)。组织结构：软基体上分布着硬质点。如图所示。特点：①摩擦系数小，耐磨性好，基体有很好的塑性和韧性;②具有良好的导热性、抗蚀性和工艺性。③如疲劳强度随着温度升高而下降，最高工作温度小于110℃。用：船用中低速柴油机主轴承、曲柄销轴承和十字头轴承，船舶中间轴承等。相软基体----锑溶于锡的晶格硬质点----SnSb为基的固溶体基本成分：Pb+Sb，同时还含有Sn+Cu代号、成分和性能如表9-13所示。组织结构：在软基体上分布着硬质点，如图所示特点：①较好的抗压强度、耐磨性、嵌藏性，②韧性和疲劳强度较低，导热性、耐蚀性较差，工作温度一般不超过120℃。总的说来，铅基巴氏合金的性能不如锡基巴氏合金、可作为锡基巴氏合金的代用材料。用：中速、中等负荷且冲击作用不大的机器轴承，如船舶辅机的压缩机、起货机、锚机等的轴承上。(+)共晶软基体+SnSb硬质点一．Cu+Pb(为主)二．常用的轴承耐磨材料：铅青铜、锡青铜和铝青铜。ZQPb30组织：Pb(颗粒)十Cu(基体)，形成了软颗粒+硬基体，如图9-16。特点：①保持住润滑油膜和降低摩擦系数的作用，优良的耐磨性②较高的疲劳强度和较大的承载能力，优良的导热性、能在较高温度(300~320℃)下工作③耐蚀性、磨合性、嵌藏性及抗咬合性比巴氏合金低。用：制造高速高压下工作的轴承，如高速大功率柴油机的主轴承、连杆轴承以及航空发动机的轴承等。☆为了改善铅青铜的表面性能，通常在表面上镀覆一层0.02~0.03mm的锡、铅、铟等，使其成为三层结构的轴瓦。包括：磷锡青铜：ZQSn10-1锌铅锡青铜：ZQSn6-6-3为磷锡青铜，即成分中含10%Sn、l%P、89%Cu，显微组织是++Cu3P，固溶体为软基体+相和Cu3P为硬质点。特点：①较高的强度、疲劳强度②优良的耐磨性③良好热稳定性。工作温度可超过280℃④大气、淡水中有很好的耐蚀性。ZQSnl0-1常用作高速、高载荷柴油机轴承，并常制成整体衬套式轴承。为锌铅锡青铜、成分为6%Sn、6%Zn、3%Pb及85%Cu。特点：①良好的耐磨性②良好的铸造性，切削加工性③有较高的强度和疲劳强度④在空气、淡水中有良好的耐蚀性，工作温度达280℃。锌铅锡青铜常用于制造中高载荷、中速柴油机的轴承及减速器、起重机和机床的轴承基本元素为铝，主加元素有锑和锡两类。特点：①具有比重小、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好的优点②缺点是膨胀系数较大，运转时易与轴咬合，尤其是起动时危险性更大。铝基轴承合金主要有：低锡铝合金、高锡铝合金、铝锑镁合金。含Sn小于10%，并含有Cu、Mg、Ni及大量Al的轴承合金。特点：承载能力强、疲劳强度高和减磨性差主要用于：中高速重载荷的轴承。含3.5~5.5%Sb、0.3~0.7%Mg，余为铝的轴承合金。室温下的组织：Al十AlSb，铝的软基体+AlSb硬质点(Mg可提高合金的强度)。特点：高的疲劳强度和耐磨性、耐蚀性，承载能力低主要适用于：制造低速、中等负荷的轴承，如农机、拖拉机的轴承等。铝和锡在固态下几乎完全不溶解。20高锡铝合金的成分：20%Sn、1%Cu，余为铝显微组织：在铝的硬基体+颗粒状锡的软质点(Cu溶于Al可强化基体)。特点：承载能力强，疲劳强度高、耐热性、耐磨性和耐蚀性好，切削加工性、成本低等主要用于：高负荷的中、高速船用柴油机主