金属冶炼与成型加工第十三章

第二节钛及钛合金第十三章有色金属及合金第三节铜及铜合金第四节轴承合金第一节铝及铝合金第一节铝及铝合金纯铝导电性和导热性良好，仅次于银和铜。室温导电率约为纯铜导电率的65%，按单位质量的导电能力计算，其导电能力是铜的二倍。因此，大量用Al代替Cu铝由于在其表面能形成致密的Al2O3保护膜，因而在空气或其他介质中具有良好的耐蚀性。纯度越高，铝具有面心立方结构，塑性高、强度低，因此纯铝和许多铝合金可以进行各种冷、热加工，能轧制成很薄的铝箔和冷拔成极细的丝，焊接性能亦良好。经冷变形或热处理可以显著提高纯铝及其合金的强度。一、铝及铝合金的性能特点及分类编号铝及铝合金的性能特点及分类编号根据国家标准GB/T16474—1996规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号。未命名为国际四位数字体系牌号的变形铝及铝合金，应采用四位字符牌号命名。两种编号方法的第一位为阿拉伯数字，表示铝及铝合金的组别。纯铝及不可热处理强化的铝合金，如Al-Mg、Al-Si和Al-Mn等合金，通常只能以退火或冷作硬化状态使用。冷作硬化可使简单形状的工件强度提高，塑性下降。经冷作硬化的铝合金，需进行再结晶退火，以达到消除加工硬化和获得细小晶粒的目的。二、铝合金的强化铝合金的强化可热处理强化的铝合金中，如Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si等铝合金，Cu、Mg、Si等元素与Al能形成CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg等金属化合物（强化相）。这些强化相在铝中有较大溶解度，且随温度下降而显著减小。因此，过饱和固溶体由于强化相在脱溶过程中的某些中间状态具有特殊晶体结构，而使铝合金得到强化。铝合金加热到单相区保温后，快速冷却得到过饱和固溶体的热处理工艺叫固溶处理。过饱和固溶体在室温放置或加热到某一温度保温，随着时间延长，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象叫做沉淀强化或时效硬化。（二）沉淀强化铝合金的强化纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，可使其强度提高。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的溶解度，因此具有较大的固对于不可热处理强化或强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金，可以通过加入微量合金元素细化晶粒，提高铝合金的力学性能。（三）固溶强化和细晶强化这类铝合金主要包括Al-Mn系和Al-Mg系合金。因其主要性能特点是具有优良的耐蚀性，故称为防锈铝合金。此外这类合金还具有良好的塑性和焊接性，适宜制造需深冲、焊接和在腐蚀介质中工作的零、部件。三、变形铝合金变形铝合金工业上得到广泛应用的可热处理强化变形铝合金不是二元合金，而是成分更复杂的三元系和四元系合金。主要有Al-Cu-Mg系、Al-Cu-Mn系合金（硬铝）；Al-Zn-Mg系、Al-Zn-Mg-Cu系合金（超硬铝）；Al-Mg-Si系、Al-Mg-Si-Cu系合金（锻铝）。这些合金主要通过时效硬化提高强度。（二）可热处理强化的变形铝合金铸造铝合金除要求必要的力学性能和耐蚀性外，还应具有良好的铸造性能，为此铸造铝合金比变形铝合金含有较多的合金元素，可形成较多低熔点共晶体以提高流动性，改善合金的铸造性能。四、铸造铝合金第二节钛及钛合金Ti的性质与其纯度有关，纯度越高，硬度和强度越低。用Mg还原TiCl4制成的工业纯钛叫做海绵钛（镁热法钛），其纯度可达99.5%；用TiI4分解生产的钛（碘化法钛）属于高纯度钛，其纯度高达99.9%Ti在固态下具有同素异晶转变。在882.5℃以下为α-Ti，具有密排六方晶格，在882.5℃以上直至熔点为β-Ti一、纯钛钛有α-Ti（密排六方）和β-Ti（体心立方）两种晶体结构。钛合金化的主要目的就是利用合金元素对α-Ti或β-Ti的稳定作用，改变α和β相的组成，从而控制钛合金的性能。工业钛合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu及Si等。二、钛的合金化（一）αα钛合金的主要合金元素是α稳定元素Al，主要起固溶强化作用，在500℃以下能显著提高合金的耐热性。但Al含量wAl＞6%后会出现有序相Ti3Al而变脆，因此，钛合金中的Al含量wAl很少超过6%。α钛合金有时也加入少量β稳定元素，因此α钛合金又分为完全由单相α组成的α合金和β稳定元素含量w小于2%的类α合金。α钛合金不能通过热处理强化，通常在退火或热轧状态下使用。三、工业用钛合金工业用钛合金（α+β）钛合金是同时加入α稳定元素和β稳定元素，使α和β相都得到强化。加入w=4%～6%的β稳定元素的目的是得到足够数量的β相，以改善合金高温变形能力，并获得时效强化的能力。因此，（α+β）钛合金的性能特点是常温强度、耐热强度及加工塑性比较好，并可进行热处理强化。但这类合金组织不够稳定，焊接性能不及α钛合金。（二）（α+β）钛合金工业用钛合金β钛合金中含有大量β稳定元素，在水冷或空冷条件下可将β相全部保留到室温。β相系体心立方结构，故合金具有优良的冷成形性，经时效处理，从β相中析出弥散α相，合金强度显著提高，同时具有高的断裂韧度。β钛合金的另一特点是β相淬透性好，大型工件能够完全淬透。（三）β钛合金仅含单一α稳定元素或中性元素的α钛合金不能含β稳定元素的钛合金自高温快速冷却（淬火）时，随着合金成分和热处理条件不同，β相可以得到马氏体α′（或α″）、ω或过冷β等不同的亚稳定相，从而改变合金的力学性能。这类钛合金可以进行热处理强化。四、钛合金的热处理第三节铜及铜合金纯铜又称紫铜，密度8.9×103kg/m3，熔点1083℃。纯铜有良好的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，塑性高而强度低，伸长率δ=50%，强度σb=240MPa。冷变形可使退火纯铜的强度提高一倍以上，但却使塑性明显降低，还使铜的导电性略微降低，因此纯铜可在加工硬化状态下用作导线。一、纯铜以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜。简单的Cu-Zn合金称为普通黄铜。图13-14是Cu-Zn合金相图。二、黄铜图13-14Cu-Zn合金相图以锡为主加元素的铜合金称为锡青铜。Cu-Sn合金相图如图13-19所示。三、青铜图13-19Cu-Sn合金相图青铜以铝为主加元素的铜合金称为铝青铜。图13-21是Cu-Al二元相图。（二）铝青铜图13-21Cu-Al合金相图青铜铍青铜是wBe为1.7%～2.5%的铜合金。铜内添加少量的铍即能使合金性能发生很大变化。铍青铜热处理后，可以获得很高的强度和硬度，σb=1250～1500MPa，硬度为350～400HBW，远远超过其他所有铜合金，甚至可以和高强度钢相媲美。与此同时，铍青铜的弹性极限、疲劳极限、耐磨性、耐蚀性也都很优异。此外，还具有良好的导电性、导热性和耐蚀性以及无磁性、受冲击时不产生火花等一系列优点。（三）铍青铜第四节轴承合金滑动轴承是汽车、拖拉机及机床等机械制造工业中用以支撑轴进行工作的零件，是由轴承体和轴瓦组成的。制造轴瓦及其内衬的耐磨合金叫做轴承合金。轴在轴瓦中高速旋转时，必然发生强烈摩擦，同时轴瓦还要承受轴颈传给它的周期性负荷。因此必然造成轴和轴承的磨损。轴通常造价昂贵，经常更换是不经济的。选择满足一定性能要求的轴承合金可以确保轴的最小磨损。一、轴承合金的性能要求锡基轴承合金是以锡为主加入少量锑、铜等元素组成的合金。最常用的锡基轴承合金是ZSnSb11Cu6。二、锡基轴承合金图13-23ZSnSb11Cu6合金显微组织铅基轴承合金是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素组成的合金，可作锡基轴承合金的代用品。其中以Pb-Sb系合Pb-Sb二元合金相图（图13-24）具有共晶型转变。三、铅基轴承合金图13-24Pb-Sb合金相图铝基轴承合金是20世纪60年代发展起来的一种新型减摩材料。我国也已逐渐用它代替锡基、铅基和铜基轴承合金，因而大量节约了工业用铜。铝基轴承合金资源丰富，价格低廉，疲劳强度高，导热性能好，其耐蚀性也不亚于锡锑巴氏合金。因此铝基轴承合金广泛用于高速度、高载荷下工作的汽车、拖拉机的柴油机轴承。四、铝基轴承合金铝基轴承合金（一）Al-Sb轴承合金其成分中wSb=3.5%～5％、wMg=0.3%～0.7％，余为Al。由图13-26可见，wSb=4％的Al-Sb合金的组织为金属化合物β（AlSb）硬质点加软基体α（Al）。加入镁可形成锑镁化合物硬质点并能使针状的AlSb变为片状，改善合金的塑性、韧性和强度。图13-26Al-Sb合金相图铝基轴承合金（二）Al-Sn轴承合金高锡铝基轴承合金具有更高的承载能力和疲劳强度。它和低碳钢一起轧制成双金属轴瓦，可在压力为28MPa、滑动线速度为13m／s的条件下工作，其抗咬合性能与巴氏合金相当。高锡铝基轴承合金的化学成分为：wSn=20％、wCu=1%，余为Al。锡在铝中的溶解度极小。wSn=20％的Al-Sn合金的共晶组织较多，锡呈网状包围着铝晶体，大大降低了合金的力学性能。为了消除网状共晶体，浇注以后可与钢背一起轧制并经350℃退火3h，则锡被球化。因此该合金的实际组织是在硬的铝基体上均匀分布着软的粒状锡质点。第十三章结束!