有色金属及其合金

96第六章有色金属及其合金我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。6.1铝及其合金铝及铝合金有下列特性：⑴比重小、比强度高纯铝的比重只有3/cmg2.72，故其合金的比重（约2.5～2.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。⑵有优良的物理、化学性能铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64％。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。⑶加工性能良好铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。6.1.1纯铝纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996％时)为660.24℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有Fe、Si、Cu、Zn等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。⑴高纯铝纯度为99.93～99.99％，牌号有01L、02L、03L、04L等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。⑵工业高纯铝纯度为98.85～99.9％，牌号有0L、00L等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。⑶工业纯铝纯度为98.0～99.0％，牌号有1L、2L、3L、4L、5L等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90～120MPa,24～32HBS,不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率（退火）为32～40％，断面收缩率（退火）为70～90％。能通过各种压力加工制成型材。6.1.2铝合金铝中加入合金元素(Si、Cu、Mg、Zn、Mn等)后，就形成了铝合金,除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。图6.1铝合金分类示意图6.1.2.1铝合金的分类根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为D点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于F97点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于F和D之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于D点以右的合金，组织里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。6.1.2.2铝合金的热处理特点铝合金是通过时效处理来改变性能的。下面以CuAl合金二元相图为例来说明（如图6.2）。将成分位于FD之间的CuAl合金加热到相区，经保温得到单相固溶体，然后迅速水冷，在室温就得到了过饱和的固溶体，它的强度和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相图6.2Al-Cu合金相图、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。例如，含4％Cu的CuAl合金(如图6.2)加热到550℃保温一段时间淬火并在水中快冷时，相（2CuAl）来不及析出，得到的是过饱和的固溶体，强度仅为250MPa，在室温下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，4～5天以后，强度可升至400MPa。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。自然时效后的铝合金，在230～250℃短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。6.1.2.3变形铝合金根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如LF、LY、LC、LD分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。表6.1变形铝合金主要牌号及用途类别牌号用途类别牌号用途防锈铝合金LF5中载零件、铆钉、焊接油箱、油管等超硬铝合金LC4主要受力构件及高载荷零件，如飞机大梁，加强框、起落架LF11同上LC6同上LF21管道、容器、铆钉及轻载零件及制品硬铝合金LY1中等强度、工作温度不超过100℃的铆钉锻铝合金LD5形状复杂和中等强度的锻件及模锻件LY11中等强度构件和零件、如骨架、螺旋桨叶片铆钉LD7高温工作的复杂锻件和结构件、内燃机活塞LY12高强度的构件及150℃以下工作的零件，如骨架、梁、铆钉LD10高载荷锻件和模锻件⑴防锈铝合金主加合金元素是Mn和Mg，锻造退火后得到单相固溶体组织，塑性、耐蚀性良好。Mn的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。Mg在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有5LF、21LF等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。⑵硬铝合金主要合金元素是Cu和Mg，并加入少量的Mn构成MnMgCuAl多元合金系。Cu和Mg在时效过程中可形成强化相2CuAl（相）和2CuMgAl（S相），S相98可以提高合金的耐热性。Mn主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有1LY、11LY、12LY、13LY等。①低强度硬铝—Mg和Cu的含量较低，而且MgCu/比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有1LY、10LY等。②标准硬铝—Mg和Cu的含量较高，MgCu/比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有11LY等。③高强度硬铝—Mg和Cu的含量高，MgCu/比值较低，强度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有12LY等。硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如11LY的为505～510℃，12LY的为495～503℃。加热温度稍低，固溶体中Mg和Cu等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。⑶超硬铝合金是ZnMgCuAl系合金。时效过程除了析出相和S相外，还能析出强化作用更大的MgZn（相）相和332ZnMgAl（相）。经时效处理后，可得到铝合金中的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。常用的超硬铝有4LC、6LC等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。⑷锻铝合金有SiMgCuAl系普通锻铝合金及FeNiMgCuAl系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。普通锻铝合金包括2LD、5LD、6LD、10LD等，主要强化相为SiMg2。2LD的抗蚀性接近防锈铝，10LD的强度与硬铝相近。普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。耐热锻铝合金包括7LD、8LD、9LD等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相为FeNiAl9，适于制作工作在150～225℃的叶片、叶轮等。6.1.2.4铸造铝合金根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为SiAl系、CuAl系、MgAl系、ZnAl系四大类，详见表6.2。表6.2常用铸造铝合金牌号及用途类别牌号代号用途铝硅合金ZAlSi7MgZL101形状复杂的零件，如飞机、仪器零件等ZAlSi12ZL102仪表、抽水机壳体等外型复杂件ZAlSi9MgZL104形状复杂工作温度为200℃以下的零件，如电动机壳体、汽缸体等ZAlSi5Cu1MgZL105形状复杂工作温度为250℃以下的零件，如风冷发动机气缸头、机匣、油泵壳体等ZL107强度和硬度较高的零件ZAlSi12Cu1Mg1Ni1ZL109较高温度下工作的零件，如活塞等ZL110活塞及高温下工作的零件铝铜合金ZalCu5MnZL201砂型铸造工作温度为175～300℃的零件，如内燃机气缸头、活塞等ZalCu10ZL202高温下工作不受冲击的零件ZL203中等载荷、形状比较简单的零件铝镁合金ZAlMg10ZL301大气或海水中工作的零件，承受冲击载荷、外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等ZL302ZAlMg5Si1ZL303铝锌合金ZalZn11Si7ZL401结构形状复杂的汽车、飞机、仪器仪表零件，也可制造日用品ZalZn6MgZL402铸造铝合金代号以汉语拼音字母字首（ZL表示“铸铝”）+三位数字表示，第一位数字1、992、3、4分别代表SiAl、CuAl、MgAl、ZnAl系，后两位数字是合金的顺序号。如102ZL代表顺序号为2的SiAl系铸造合金。⑴SiAl系铸造铝合金SiAl系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（SiAl二元合金）和特殊硅铝明（MgSiAl系、MgCuSiAl系等）。SiAl二元合金相图见图6.3。硅含量为10～13％的简单硅铝明（102ZL）铸造后几乎可全部得到共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二元SiAl共晶组织由固溶体+粗大的针状硅晶体组成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变共晶组织的形态，在浇注前向820～850℃的合金液中投人质量为合金液2～3％的变质剂（一般为钠盐混合物：NaF32＋NaCl31），十余分钟后浇注，可使组织明显细化，得到树枝状的初生固溶体+细小均匀的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。图6.3Al-Si二元合金相图经变质处理后的102ZL不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。102ZL多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。为了提高强度，拓宽硅铝明的用途，在SiAl二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成2CuAl（相）、SiMg2（相）、2CuMgAl（S相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有101ZL、104ZL等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。⑵CuAl系铸造铝合金CuAl合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的CuAl铸造合金有201ZL、202ZL、203ZL等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。⑶MgAl系铸造铝合金MgAl合金有较高的强