《汽车材料》第三章有色金属

《汽车材料》第三章有色金属及其合金有色金属与钢铁比较，产量低、价格高，但由于有色金属具有许多优良的特性，从而决定了有色金属在国民经济中占有十分重要的地位。例如，铝、镁、钛等金属及其合金，具有密度小，比强度高的特点，在飞机制造、汽车制造、船舶制造等工业中应用十分广泛。铝合金材料具有密度低、强度高和耐蚀性好的特性，在轿车的轻量化中占举足轻重的地位。据统计，近10年来，轿车上的铝及其合金用量已从占汽车总量的5％左右上升至10％左右。此外，采用新型镁合金制造的凸轮轴盖、制动器等零部件，可以减轻重量和降低噪声。在轿车制造行业，采用铝、镁、钛等轻金属替代钢铁材料减轻自重，是轿车轻量化的一个重要手段。本章将对铝及其合金、镁及其合金、铜及其合金、钛及其合金、轴承合金作介绍。§3.1铝及铝合金铝是元素周期表中排第三位的主族元素。纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属，具有如下独特的性能和优点：①密度小②塑性好③导电、导热性能很好④在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。⑤强度很低。工业纯铝主要用途是代替铜制作导线，配制不同的铝合金，制作强度不高的器皿。在汽车上，纯铝主要用于制作空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等。一、工业纯铝§3.1铝及铝合金铝是元素周期表中排第三位的主族元素。纯铝是一种具有银白色金属光泽的金属，具有如下独特的性能和优点：①密度小②塑性好③导电、导热性能很好④在大气和淡水中具有良好的耐蚀性。⑤强度很低。工业纯铝主要用途是代替铜制作导线，配制不同的铝合金，制作强度不高的器皿。在汽车上，纯铝主要用于制作空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等。二、铝合金及其分类二、铝合金及其分类三、铝合金的热处理当铝合金加热到α相区，保温后在水中快速冷却，其强度和硬度并没有明显升高，而塑性却得到改善，这种热处理称为固溶热处理。由于固溶热处理后获得的过饱和固溶体是不稳定的，有分解出强化相过渡到稳定状态的倾向。如在室温放置相当长的时间，强度和硬度会明显升高，而塑性明显下降。固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象，称为时效强化或沉淀硬化。在室温下进行的时效为自然时效，在加热条件下进行的时效为人工时效。在不同温度下进行人工时效时，其效果也不同，时效温度愈高，时效速度愈快，但其强化效果愈低。铝合金之所以产生时效强化，是由于铝合金在淬火时抑制了过饱和固溶体的分解过程。这种过饱和固溶体极不稳定，必然要分解。在室温与加热条件下都可以分解，只是加热条件下的分解进行得更快而已。四、变形铝合金五、铸造铝合金1、常用铸造铝合金（1）铝—硅系合金（又称硅铝明）复杂铝硅合金的强度比简单铝硅合金高，且可通过热处理进一步提高其力学性能。一般用作形状复杂、强度要求高，并可在高温下工作的机器零件，如内燃机汽缸体、汽缸盖、活塞等。（2）铝—铜系合金铝铜系铸造合金的特点是加入镍、锰后耐热性大大提高、具有较高的高温强度，能通过热处理来强化。最大缺点是耐蚀性差，随含铜量增加耐蚀性降低。常用于制造高强度或高温条件下工作的零件，如高速内燃机活塞、缸体和缸盖等。五、铸造铝合金（3）铝—镁系合金铝镁系铸造合金的特点是密度小、强度高、耐蚀性较好，能耐大气和海水腐蚀。但铸造性能较差，铸件组织疏松，热强性也差，一般仅适用于200℃以下工作的零件。因此，常用来制造耐腐蚀的铸件，如海轮配件、氨用泵体、泵盖等。在一定场合可以替代不锈钢。（4）铝—锌系合金由于能溶入大量的锌（极限溶解度为32％)，所以合金的强度显著提高，而且价格比较便宜。在合金中加入适量的锰，铁和镁，可以提高耐热性。缺点是耐蚀性能较差。主要用于制造结构形状复杂的汽车、飞机零件和医疗器械、仪表零件、日常用品等。五、铸造铝合金§3.2铜及铜合金在汽车工业所用有色金属材料中，铜合金用量仅次于铝合金。汽车上各类热交换器、散热器、耐磨减摩零件、电器元件、油管等，均选用了铜合金材料。纯铜是用电解法获得的，也称“电解铜”，外观呈紫红色，故又称紫铜。工业纯铜的强度、硬度低(σb=230～240MPa，40～50HBS)，不宜制作结构零件，广泛用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合金。一、工业纯铜二、铜的合金化纯铜强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但塑性大大下降。因此常用合金化来获得强度较高的铜合金，作为结构材料。加入合金元素使铜的强度提高，主要通过以下方式。1、固溶强化：最常用的固溶强化元素为Zn、Si、Al、Ni等，形成置换固溶体。2、热处理强化：Be、Si等元素在铜中的溶解度随温度的降低而减小。因而，合金元素加入铜中后，可使合金具有时效强化的性能。3、过剩相强化：当合金元素超过最大溶解度后，便会出现过剩相。过剩相多为硬而脆的金属间化合物。数量少时，可使强度提高，塑性降低；数量多时，会使强度和塑性同时降低。三、黄铜2、黄铜的牌号、分类及用途四、青铜1、锡青铜锡青铜是铜锡合金。呈青黑色，具有良好的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性。常制成板材、带材等半成品供货。适用于制造仪器上要求耐腐蚀及耐磨零件、弹性零件、抗磁零件及机器中的轴承、轴套等。含锡量ωSn﹥10%的锡青铜塑性差，称为铸造锡青铜只能用于铸造。这类合金铸造收缩率小，但铸造流动性差。具有良好的耐磨性，抗磁性和低温韧性，多用来制造耐磨零件（如齿轮、蜗轮、轴承、轴套等）和在酸、碱蒸汽中工作的零件。但不适用作致密度和密封性要求高的零件。2、无锡青铜无锡青铜是指不含锡而含铝、硅、铅、铍、锰元素的铜合金。（1）铝青铜（2）铍青铜和钛青铜（3）硅青铜（4）铅青铜五、白铜以镍为主要添加元素的铜合金称为白铜。仅由铜、镍组成二元合金称为普通白铜，含有锰的铜镍合金称为锰白铜。根据含锰量不同工业上将锰白铜分为锰铜，康铜和考铜。锰白铜具有极高的电阻率，非常小的温度系数，是制造电工仪器、变阻器、热电偶合器等的良好材料。六、选择铜合金的原则铜及其合金的性能特点是：高导电性、导热性、耐蚀性、无磁性，中等强度、塑性优良，较好的工艺性等，这些都是选用合金的依据。1、导热、导电性2、力学性能冲压加工后的铜合金，经过适当的消除应力退火,可以在保持较高强度的情况下，改善塑性，尤其可以获得较高的弹性极限，这对于用作弹性元件是极为重要的。铜合金的疲劳强度较高，特别是铍青铜、磷锡青铜和白铜。由于这些合金具有高的疲劳强度，适合制造仪表、弹簧。六、选择铜合金的原则3、工艺性（1）冲压性：铜合金一般具有极高的塑性，适于冲压成形。例如三七黄铜就具有优良的冷冲压性，但变形量大时，要进行中间退火。（2）铸造性：黄铜结晶温度区间很小，其熔点随含锌量的增加而降低。因此，黄铜的流动性好，形成疏松的倾向小；熔点低，熔炼方便。（3）切削加工性：铜合金的切削加工性较好，切削后表面粗糙度高。其中以含铅合金的切削性为最好(如易削黄铜)；其次是具有两相组织的铜合金(如锡青铜及高锡青铜)。对于大量切削成形的零件，采用易削黄铜是十分合适的。除此以外，铜合金能抵抗大气及海水的腐蚀（尤其是锡青铜），且色泽美丽，需镀铬或镀镍时，也不用垫层。§3.3钛及其合金钛及其合金具有质量轻、比强度高、良好的耐蚀性。钛及其合金还有很高的耐热性，实际应用的热强钛合金工作温度可达400℃~500℃，因而钛及其合金已成为航空、航天、机械工程、化工、冶金工业中不可缺少的材料。但由于钛在高温中异常活泼，熔点高，熔炼、浇注工艺复杂且价格昂贵，成本较高，因此使用受到一定限制。一、纯钛二、钛合金的主要特性钛合金有以下几方面引人注目的优点：1、比强度高2、热强度高3、抗蚀性高钛合金存在一些缺点使其应用受到一定限制。它的主要缺点如下：①切削加工性能差②热加工工艺性能差③冷压加工性能差④硬度较低，抗磨性较差，不宜用来制造承受磨损的零件。三、钛合金§3.4滑动轴承合金轴承合金应具有以下性能：（1）具有足够的强度和硬度，以承受较高的周期性载荷；（2）塑性和韧性好。以保证轴承与轴的配合良好，并耐冲击和振动；（3）与轴之间有良好的磨合能力及较小的摩擦系数，并能保留润滑油，减少磨损；（4）有良好的导热性和抗蚀性；（5）有良好的工艺性，容易制造且价格低廉。一、对轴承合金的性能要求二、锡基轴承合金锡基轴承合金膨胀系数小，减摩性好，并具有良好的导热性、塑性和耐蚀性，适于制造汽车、拖拉机、汽轮机等高速轴瓦，但其疲劳强度差。锡是稀缺元素应尽量少用。为了提高锡基轴承合金的强度和寿命，可以把它用离心浇注法镶铸在钢质轴瓦上，形成薄而均匀的一层内衬，这步工艺称为“挂衬。”三、铅基轴承合金铅基轴承合金的硬度、强度和韧性比锡基轴承合金低，但由于价格便宜，铸造性能好，常作低速、低负荷的轴承使用。如汽车、拖拉机的曲轴轴承及电动机轴承等。四、铜基轴承合金铜基轴承合金有铅青铜(如ZCuPb30)、锡青铜(如ZCuSn10Pbl)。铅青铜ZCuPb30具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性、导热性和低的摩擦系数，能在较高温度(250℃)下正常工作，因此可以制造承受高载荷、高速度的重要轴承，如航空发动机、高速柴油机等的轴承。铅青铜的强度较低，因此也需在钢瓦上挂衬，制成双金属轴承。锡青铜ZCuSnl0Pbl能承受较大的载荷，广泛用于中等速度及受较大的固定载荷的轴承，如电动机、泵、金属切削机床的轴承。五、铝基轴承合金铝基轴承合金是一种新型减摩材料，具有密度小，导热性好，疲劳强度高和耐蚀性好等优点，并且原料丰富，价格低廉。但其膨胀系数大，运转时容易与轴咬合。常用的铝基轴承合金有如下两类。1、铝锑镁轴承合金该合金与08钢板一起热轧成双金属轴承，生产工艺简单，成本低廉，并具有良好的疲劳强度和耐磨性，但承载能力不大。2、铝锡轴承合金这种合金也以08钢为衬背、轧制成双合金带。它具有较高的疲劳强度和较好的耐热性、耐磨性及耐蚀性。生产工艺简单，成本低。目前用它代替其它轴承合金，广泛应用于汽车、拖拉机和内燃机车等。§3.5镁及镁合金镁的密度很小（1.74g／cm3），耐蚀性很差，强度和塑性均不高，一般不直接用作结构材料。和铝合金类似，在镁中加入Al、Zn、Mn等合金元素并利用固溶和时效强化后，其合金的强度可达300~350MPa，并且，镁合金比强度与铝合金相比更高，能承受较大的冲击载荷和具有更高疲劳极限；耐蚀性好（特别耐煤油、汽油等矿物油和碱类的腐蚀），有良好的切削加工性。因此在航空、无线电通信、仪表等行业获得广泛的应用。特别是近年来手机和笔记本电脑的逐渐普及，使镁合金的应用前景更为广阔。同时，镁合金是最有发展前景的汽车轻量化材料之一，用镁合金替代铝合金制造汽车零部件以减轻汽车自重，在当前世界汽车生产中逐步得以应用。用镁合金制造操纵杆托架、离合器壳和变速器壳等。§3.6粉末冶金材料将几种金属或非金属粉末混匀，压制成型，然后烧结成为零件或材料的生产方法，称为粉末冶金。（1）粉末制取（2）粉末混料（3）粉末压制成型（4）烧结一、粉末冶金生产过程二、常用的粉末冶金材料1.含油轴承材料含油轴承材料是由粉末冶金材料制成的轴承。含油轴承材料常用铁基和铜基两种。铁基含油轴承材料常用铁—石墨粉末冶金材料和铁—硫—石墨粉末冶金材料；铜基含油轴承常由ZCuSn5Zn5青铜粉末与石墨粉末制成。使用前先浸入润滑油中，由于粉末冶金的多孔性，可吸附大量润滑油（一般含油率为12%~30%），故称含油轴承。工作时，由于轴承发热，使金属粉末膨胀，孔隙容积缩小将润滑油压到工作表面，起到润滑作用。停止工作时，润滑油又渗入到孔隙中。由于含油轴承具有自动润滑作用，因此含油轴承用作中速、轻载，特别是不经常加油的轴承。目前已广泛用于汽车、工程机械和电动机中。二、常用的粉末冶金材料2.粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料是具有高摩擦系数和高耐磨性能的金属和非金属复合材料。通常由强度高、导热性好、熔点高的金属（常用铜、铁）作为基体，并加入能提高摩擦系数的摩擦组分（如Al2O3、SiO2、石棉等），以及能抗咬合，提高减摩性的润滑组分（如Pb、Sn、MoS2、石墨等）组成。根据基体材料不同分为铜基摩擦材料和铁基摩擦