第九章非铁金属及硬质合金课件.ppt

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1、第九章 非铁金属及硬质合金,通常把铁或以铁为主而形成的合金称为铁金属，除铁金属以外的其它金属称为非铁金属。非铁金属的种类很多，按其特点可分为轻金属（铝、镁等）、重金属（铜、铅等）、稀有金属（钨、钼等）、贵金属（金、银、铂）和放射性金属（镭、铀等）。非铁金属广泛地用于机械制造、航空、航海、化工、电器等部门。生产上常用的非铁金属有：铝及铝合金、铜及铜合金、滑动轴承合金等。,第一节 铝及铝合金,铝及铝合金是非铁金属中应用最广的一类金属材料，其产量仅次于钢铁材料，广泛用于电气、车辆、化工、航空等部门。,根据新国家标准变形铝及铝合金牌号表示方法中的规定，我国铝及变形铝合金牌号采用国际四位数字体系牌号和四

2、位字符体系牌号两种命名方法。化学成分已在国际牌号注册组织中注册命名的铝及铝合金，直接采用四位数字体系牌号；国际牌号注册组织中未命名的，则按四位字符体系牌号命名。两种牌号命名方法的区别仅在第二位。牌号第一位数字表示铝及变形铝合金的组别，见表91；牌号第二位数字（国际四位数字体系）或字母（四位字符体系，除字母C、I、L、N、Q、P、Z外）表示原始纯铝或铝合金的改型情况，数字0或字母A表示原始合金，如果是19或BY 中的一个，则表示对原始合金的改型情况；最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金，对于纯铝则表示铝的最低质量分数中小数点后面的两位数。我国非铁金属产品的牌号或代号表示方法比较复杂，目前正逐

3、步向国际标准化组织规定的方法靠拢。在新旧牌号命名方法的过渡时期，国内原国家标准中使用的牌号仍可继续使用。,表91 铝及铝合金的组别表示方法,一、铝 铝的质量分数不低于99.00%时为纯铝。纯铝是一种银白色金属，具有面心立方晶格，无同素异构转变，塑性好（=50%，=80%），强度低（b=80100MPa），适于压力加工。纯铝的熔点为660，密度为2.7g/cm3。,铝和氧的亲和力较强，容易在其表面形成一层致密的Al2O3薄膜，能有效地防止金属的继续氧化，所以纯铝在大气中具有良好的耐腐蚀性。纯铝的导电性、导热性好，仅次于银、铜、金。室温下铝的导电能力约为铜的62%，但按单位质量的导电能力计算，则为

4、铜的200%。纯铝不能用热处理的方法予以强化，冷变形是提高其强度的唯一手段。经冷变形强化后，纯铝的强度可以提高到150200 MPa，而断面收缩率则下降到50%60%。根据纯铝的特点，纯铝主要用于配制各种铝合金，代替铜制作电线或电缆，以及制作要求质轻、导热、耐大气腐蚀而强度不高的器具。工业纯铝中的杂质为铁和硅，杂质的质量分数越多，铝的导电性、耐腐蚀性和塑性越低。,表92 工业纯铝的牌号、化学成分及用途,二、铝合金的分类及热处理1铝合金的分类,2铝合金的热处理 铝合金的热处理机理与钢不同，当铝合金加热到相区，经保温获得单相固溶体后，在水中快速冷却，其强度和硬度并没有明显升高，而塑性却有所改善，这

5、种热处理称为固溶处理。由于固溶处理后获得的过饱和固溶体是不稳定的，如果在室温下放置一定的时间，这种过饱和固溶体将逐渐向稳定状态转变，使强度和硬度明显升高，塑性下降。固溶处理后铝合金的力学性能随时间而发生显著变化的现象，称为时效或时效强化。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。在自然时效的最初一段时间内，强度变化不大，这段时间称为孕育期。在孕育期内对固溶处理后的铝合金可进行冷加工。铝合金的时效强化过程，实质上是固溶处理后所获得的过饱和固溶体分解并形成强化相的过程，这一过程必须通过原子扩散才能进行，因此，铝合金的时效强化效果与时间及温度有密切关系。如果人工时效时的时间

6、过长（或温度过高），反而会使合金软化，这种现象称为过时效。,三、常用变形铝合金 变形铝合金按其主要性能特点可分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。一般都由冶金厂加工成各种规格的型材（板、带、管、线等）供应给用户。在原国家标准中规定，变形铝合金的代号用“L+代号+数字”表示，L是“铝”字汉语拼音的字首；代号表示变形铝合金的类别，F代表防锈铝，Y代表硬铝，C代表超硬铝，D代表锻铝；数字表示合金的顺序号。例如，LF21表示21号防锈铝。1防锈铝 防锈铝主要是指AlMn系、AlMg系合金。属于不能热处理强化的变形铝合金，只能通过冷压力加工来提高其强度。这类铝合金具有良好的耐腐蚀性，并具有一定的强度和良好的塑

7、性，主要用于制造各种高耐腐蚀性的薄板容器、防锈蒙皮及受力小、质轻、耐腐蚀的结构件。因此，在飞机、车辆、制冷装置及日用器具中应用很广。,2硬铝 硬铝主要是指AlCuMg系合金。这类铝合金经固溶和时效处理后能获得很高的强度，但硬铝的耐腐蚀性比纯铝差，更不耐海水的腐蚀，所以硬铝板材的表面常包覆一层纯铝，以提高其耐腐蚀性。主要用于制造中等强度的结构零件，如铆钉、螺栓及航空工业中的结构件。另外，在仪器制造中也有广泛的应用。3超硬铝 超硬铝主要是指AlCuMgZn系合金。这类铝合金是在硬铝的基础上再加入锌而形成的，经固溶和时效处理后，其强度超过了硬铝，是室温条件下强度最高的一类铝合金，但耐腐蚀性较差。超硬

8、铝主要用于制造飞机上受力较大的结构件，如飞机大梁、桁架、起落架、螺旋桨叶片等。4锻铝 锻铝主要是指AlCuMgSi系合金。这类铝合金的力学性能与硬铝相近。由于其热塑性较好，适于采用压力加工方法成形，所以可用于制造航空及仪表工业中形状复杂的零件。,表93 常用变形铝合金的牌号、力学性能及用途,四、铸造铝合金 铸造铝合金同变形铝合金相比，合金元素的质量分数较高，具有良好的铸造性能，可进行各种成形铸造，生产形状复杂的零件。但塑性和韧性较差，不宜进行压力加工。按铸造铝合金中所加合金元素的不同，可分为AlSi系、AlCu系、AlMg系、AlZn系等四类铸造铝合金。铸造铝合金的代号用“铸铝”二字汉语拼音的

9、字首ZL与三位数字表示，第一位数字表示铸造铝合金的类别，1代表AlSi系；2代表AlCu系；3代表AlMg系；4代表AlZn系；第二位与第三位数字表示合金的顺序号。例如，ZL102表示2号AlSi系铸造铝合金。铸造铝合金的牌号由铝和主要合金元素符号及其表示平均质量分数的数字组成，并在牌号的前面冠以“铸”字汉语拼音的字首Z。例如，ZAlSi12表示wSi=12%的铸造铝合金。,1铝硅合金 ZAlSi12是典型的铸造用铝硅合金，其铸态组织为共晶体，如图94所示。力学性能较差（b=130140MPa，=1%2%）。为此，可在浇注前向合金液中加入2%3%的变质剂，进行变质处理。常用的变质剂为钠盐，可改

10、善硅晶体的结晶条件，使之成为细小的颗粒状组织，同时，变质剂还能使相图中的共晶点向右下方移动，如图95所示。变质处理后的组织为亚共晶组织，如图96所示。变质处理后力学性能得到了改善（b=180MPa，=8%）。铝硅系铸造铝合金可用于制造质轻、耐腐蚀、形状复杂及有一定力学性能要求的零件，如汽缸体、活塞、风扇叶片、仪表外壳等。,2铝铜合金 铝铜系铸造铝合金强度较高，加入镍、锰可提高其耐热性能，用于制造高强度或高温条件下工作的零件，如内燃机汽缸、活塞等。ZAlCu5Mn是典型的铸造用铝铜合金。3铝镁合金 铝镁系铸造铝合金具有良好的耐腐蚀性，适于制造在腐蚀介质条件下工作的零件，如泵体、船舰配件或在海水中

11、工作的构件等。ZAlMg10是典型的铸造用铝镁合金。4铝锌合金 铝锌系铸造铝合金具有较高的强度，价格便宜，适于制造医疗器械、仪表零件、飞机零件和日用品等。ZAlZn11Si7是典型的铸造用铝锌合金。,表94 常用铸造铝合金的牌号、代号、力学性能及用途,第二节 铜及铜合金,一、纯铜 纯铜呈玫瑰红色，表面氧化后呈紫色，故俗称紫铜。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，强度不高（b=200250MPa），硬度较低（4050HBS），但塑性很好（=45%50%），适于压力加工。纯铜的熔点为1083，密度为8.9g/cm3。纯铜的化学稳定性好，在大气、海水中具有良好的耐腐蚀性。纯铜无磁性转变，有很好的导

12、电性和导热性。纯铜不能用热处理的方法予以强化，只能借助于冷塑性变形来提高其强度，经冷变形强化后纯铜的强度提高到400500 MPa，但会使其塑性显著降低（=5%）。工业纯铜中的杂质主要是铅、铋、氧、硫、砷等，它们对铜的力学性能和工艺性能有很大的影响。工业纯铜很少用于制造机械零件，一般作为导电、导热、耐腐蚀材料使用。表95为纯铜（加工产品）的牌号、化学成分及用途举例。,表95 纯铜的牌号、化学成分及用途,二、黄铜 黄铜是指以锌为主要合金元素的铜合金。黄铜既可按化学成分分为普通黄铜和特殊黄铜两类，又可按加工方法分为加工黄铜和铸造黄铜两类。,1普通黄铜 普通黄铜是指由铜和锌组成的二元合金。它又可分为

13、单相黄铜和双相黄铜两类：当锌的质量分数小于39%时，锌能全部溶于铜中形成单相固溶体，称为单相黄铜。单相黄铜具有良好的塑性，可进行冷、热压力加工，其显微组织如图97所示；当锌的质量分数超过39%时，组织中除固溶体外，还出现了以电子化合物CuZn为基的固溶体，称为双相黄铜。双相黄铜只适于热压力加工，其显微组织如图98所示。,锌的质量分数对黄铜力学性能的影响如图99所示。当锌的质量分数在32%以下时，随锌的质量分数增加，黄铜的强度和塑性不断提高；当锌的质量分数达到32%以后，由于实际生产条件下，黄铜组织中已经出现了相，所以塑性开始下降，但一定数量的相可以起强化作用，因此强度继续升高；当锌的质量分数超

14、过45%以后，黄铜组织全部为相构成，固溶体在室温下硬脆性较大，所以黄铜的强度也开始急剧下降，这时的黄铜在生产中已无实用价值。,普通黄铜具有良好的耐腐蚀性，但锌的质量分数大于7%（特别是大于20%）并经冷加工后的黄铜，在大气中，特别是在含有氨气的气氛中，容易产生应力腐蚀破裂的现象，称为自裂。普通黄铜的代号用“黄”字汉语拼音的字首H与一组数字表示，数字为铜的质量分数的百分之几。例如，H70表示wCu=70%，余量为wZn的普通黄铜。2特殊黄铜 在普通黄铜的基础上再加入其它合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜。特殊黄铜的代号是在H之后标以除锌外的主要合金元素符号，并在其后标明铜及合金元素质量分数的百

15、分之几。例如，HPb591表示wCu=59%，wPb=1%，余量为wZn的铅黄铜。铸造黄铜具有良好的铸造性能，其熔点较低，结晶温度范围较小，金属液的流动性好，铸件的偏析倾向小，组织致密。铸造黄铜的牌号由铜和主要合金元素的化学符号及表示主要合金元素质量分数的数字组成，并在牌号的前面冠以“铸”字汉语拼音的字首Z。例如，ZCuZn38表示wZn=38%，余量为wCu的铸造黄铜。,表96 黄铜的代号（牌号）、力学性能及用途,三、青铜 青铜是人类历史上使用最早的合金材料，因铜与锡的合金呈青黑色而得名。在现代工业中，青铜是指除黄铜、白铜（以镍为主要合金元素的铜合金）以外的铜合金。其中以锡为主要合金元素的铜

16、合金称为锡青铜，其它青铜称为特殊青铜或无锡青铜。青铜的代号用“Q+主要元素符号+数字”表示，Q为“青”字汉语拼音的字首，数字依次表示主要元素和其它元素质量分数的百分之几。例如，QSn43表示wSn=4%，wZn=3%，余量为wCu的锡青铜。QAl5表示wAl=5%，余量为wCu的铝青铜。铸造青铜的牌号表示方法与铸造黄铜的牌号表示方法相同。,1锡青铜 锡青铜是以锡为主要合金元素的铜合金，具有较高的强度、硬度和良好的耐腐蚀性。锡的质量分数对锡青铜组织和力学性能的影响如图910所示。工业用锡青铜中锡的质量分数一般在3%14%范围内。,锡青铜具有良好的减摩性、抗磁性和低温韧性，耐腐蚀性比纯铜和黄铜好。

17、加入磷、锌、铅等合金元素，以改善其耐磨性能、铸造性能及切削加工性能。锡青铜在铸造时，铸件的组织不致密。但冷却凝固后体积收缩小。锡青铜可用于制造仪表上要求耐腐蚀及耐磨的零件、弹性零件、抗磁零件、机器中的轴承和轴套等。铸造锡青铜适于铸造形状复杂但致密性要求不高的铸件，如机床中的滑动轴承、蜗轮、齿轮、水管附件等。,2铝青铜 铝青铜是以铝为主要合金元素的铜合金，其特点是价格便宜、色泽美观，具有比锡青铜和黄铜更高的强度、耐磨性能、耐腐蚀性能及铸造性能。主要用于制造强度及耐磨性要求较高的摩擦零件，如齿轮、蜗轮、轴套等。3铍青铜 铍青铜是以铍为主要合金元素的铜合金。铍青铜不仅具有高的强度、硬度、弹性、耐磨性

18、、耐腐蚀性和耐疲劳性，而且还具有高的导电性、导热性、耐寒性。铍青铜不具有铁磁性，受冲击时不产生火花。通过淬火和时效处理，铍青铜的抗拉强度可达1400MPa，硬度可达350400HBS。铍青铜主要用于制造精密仪器、仪表中各种重要用途的弹性元件、耐腐蚀及耐磨零件、航海罗盘零件、防爆工具等。由于铍青铜价格昂贵，工艺复杂，因而在使用上受到了限制。4硅青铜 硅青铜是以硅为主要合金元素的铜合金。硅青铜具有较高的力学性能和耐腐蚀性能，适于冷、热压力加工，主要用于制造耐腐蚀、耐磨零件或电线、电话线等。,表97 青铜的代号（牌号）、力学性能及用途,第三节 钛及钛合金,钛及钛合金是20世纪50年代出现的一种新型结

19、构材料，由于钛具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀、资源丰富等特点，因此钛已成为航空、航天、化工、医疗卫生和国防等部门广泛使用的材料。一、钛 纯钛是银白色的金属，熔点为1677，密度为4.508g/cm3，热膨胀系数小。纯钛塑性好，强度低，容易加工成形，可制成细丝或薄片。钛与氧、氮的亲和力较大，容易与氧、氮结合而形成一层致密的氧化物、氮化物薄膜，其稳定性很高。因此，钛具有良好的耐腐蚀性。在海水和水蒸汽中的耐腐蚀能力比铝合金、不锈钢及镍合金还高。钛具有同素异构转变现象，在882以下为密排六方晶格，称为Ti，在882以上为体心立方晶格，称为Ti。工业纯钛的牌号用“TA+顺序号”表示，如TA2表示2号

20、工业纯钛。一般顺序号越大，杂质的质量分数越多。工业纯钛的牌号、力学性能及用途举例见表98。,表98 工业纯钛的牌号、力学性能及用途,二、钛合金 为了提高钛的强度和耐热性能，常加入铝、锆、钼、钒、锰、铬、铁等合金元素，以得到不同类型的钛合金。钛合金按其使用时组织状态的不同，可分为型钛合金、型钛合金和（+）型钛合金三种。（+）型钛合金的强度、塑性和耐热性能较好，可以热处理强化，应用范围较广。钛合金的牌号用“T+合金类别代号+顺序号”表示，T是“钛”字汉语拼音的字首，合金类别代号分别用A、B、C来表示型、型、（+）型钛合金。,表99 钛合金的牌号、力学性能及用途,第四节 轴承合金,用于制造滑动轴承中

21、的轴瓦及内衬的合金称为轴承合金。一、对轴承合金性能的要求 滑动轴承由轴承体和轴瓦组成，轴瓦与轴颈直接接触，支承着轴工作。轴承合金应满足下列性能要求：1）摩擦系数低，并能贮存润滑油，减少磨损。2）适当的硬度，既保证有良好的磨合性，又保证轴瓦本身有一定的耐磨性。3）足够的抗压强度和疲劳强度，以承受较大周期性载荷的作用。4）足够的塑性和韧性，以抵抗冲击和振动。5）良好的导热性，以利于热量散失并防止发生咬合现象。6）良好的耐腐蚀性，以抵抗润滑油的腐蚀。7）良好的铸造性能。,二、轴承合金的组织特征 为了满足上述性能要求，轴承合金的组织应软硬兼备。目前，轴承合金有两种类型组织。1在软基体上均匀分布着硬质点

22、 软基体组织有良好的磨合性及抵抗冲击、振动的能力，但承载能力较低。属于这类组织的轴承合金有锡基和铅基轴承合金。2在硬基体上均匀分布着软质点 在硬基体（其硬度低于轴颈硬度）上均匀分布软质点的组织，能承受较高的载荷及转速，但磨合性较差，属于这类组织的轴承合金有铜基、铝基轴承合金以及铸铁。,三、常用轴承合金 铸造轴承合金的牌号由“铸”字汉语拼音的字首Z、基体元素的化学符号、主要合金元素的化学符号及代表各主要合金元素的质量分数的数字组成。如果合金元素的质量分数不小于1%，该数字用整数表示；如果合金元素的质量分数小于1%，一般不标数字。例如，ZSnSb11Cu6表示平均锑的质量分数为11%，平均铜的质量

23、分数为6%，余量为锡的铸造锡基轴承合金。,1锡基轴承合金（锡基巴氏合金）锡基轴承合金是以锡为基础，加入锑、铜等元素组成的合金。图912为锡基轴承合金的显微组织，暗黑色基体为固溶体，作为软基体（硬度30HBS）；白色方块状组织是以化合物SnSb为基的固溶体，白色针状或星状组织为化合物Cu6Sn5，作为硬质点（硬度110HBS）；化合物在结晶时起防止密度偏析的作用。锡基轴承合金具有良好的减摩性、塑性和韧性，良好的导热性和耐腐蚀性，但疲劳强度较低，价格昂贵。一般用于制造重要的滑动轴承，如发动机、汽轮机、压缩机中的高速轴承。,2铅基轴承合金（铅基巴氏合金）铅基轴承合金是以铅锑为基础，加入锡、铜等元素组

24、成的合金。显微组织与锡基轴承合金的相似，但软基体是（+）共晶体（硬度78HBS），其中相是锑溶于铅中所形成的固溶体，相是以化合物SnSb为基的含铅固溶体。硬质点是白色方块状的先晶相（硬度30HBS）和白色针状或星状的化合物Cu2Sb。铅基轴承合金的强度、硬度、韧性都比锡基轴承合金低，而且摩擦系数大，但价格便宜，一般只适于制造承受中等载荷作用的中速轴承，如汽车、拖拉机中的曲轴轴承及电动机轴承等。常用锡基与铅基轴承合金的牌号、力学性能及用途举例见表910。无论是锡基还是铅基轴承合金，强度都比较低，不能承受很大的压力。因此，需将其镶铸在08钢制作的轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，来发挥轴承合金的作用

25、。这种工艺方法称为“挂衬”，挂衬后形成双金属轴承。,表910 常用锡基与铅基轴承合金的牌号、力学性能及用途,3铜基轴承合金 常用的铜基轴承合金是铅青铜，适宜制造高速、重载荷下工作的轴承，如航空发动机、高速柴油机及其它高速机器中的主轴承等。铅青铜也需挂衬处理，制成双金属轴承后使用。另外，锡青铜也是常用的轴承合金。可用于制造中等速度及受较大固定载荷作用的轴承，如电动机、水泵、金属切削机床中的轴承。,4铝基轴承合金 铝基轴承合金是以铝为基础，加入锡、锑、铜等元素组成的合金。它是20世纪60年代发展起来的一种新型减摩材料，其特点是原料丰富，价格便宜，导热性好，疲劳强度与高温硬度较高，耐腐蚀性好，能承受

26、较大压力与速度。但它的线膨胀系数较大，抗咬合性较低。常用的铝基轴承合金主要有铝锑镁轴承合金和铝锡轴承合金两种，其中高锡铝基轴承合金应用最广。目前已在汽车、拖拉机、内燃机车上推广使用。铝基轴承合金也需要在08钢制作的轴瓦上挂衬，由于它与钢的粘结性较差，须先将其与纯铝箔轧制成双金属板，然后再与08钢一起轧制，形成由钢、铝、高锡铝基轴承合金组成的三金属轴承。5珠光体灰铸铁 珠光体灰铸铁也是常用的滑动轴承制作材料，它的显微组织是由硬基体（珠光体）和软质点（石墨）组成，石墨还可以起润滑的作用。铸铁轴承可以承受较大的压力，价格便宜，但摩擦系数较大，导热性较低，故只适于制造低速的不重要轴承。,第五节 硬质合

27、金,随着现代工业的飞速发展，切削速度不断提高，因此，机械加工对工具材料提出了更高的要求。一、粉末冶金工艺简介 硬质合金是以一种或几种难熔金属的碳化物，如碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）等粉末为主要成分，加入起粘结作用的金属（Co）粉末，经粉末冶金工艺方法处理后所获得的合金材料。粉末冶金是指用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料，经压制成形后烧结，以获得金属零件和金属材料的一种工艺方法。粉末冶金的工艺过程一般包括以下几个工序：1制粉 2筛分与混合 3压制成形 4烧结 5后处理,二、硬质合金的性能特点 硬质合金具有高硬度、高热硬性、高耐磨性的特点，硬质合金刀具的切削速度比高速工具钢高410倍，

28、使用寿命可提高58倍。硬质合金的抗压强度高，但抗弯强度低，韧性较差。另外，硬质合金具有良好的耐腐蚀性、抗氧化性，热膨胀系数低，导热性差，切削加工困难。因此，硬质合金主要用于制造刀具、冷作模具、量具及耐磨零件等。三、常用硬质合金 1钨钴类硬质合金：它的主要成分为碳化钨和钴。其牌号用“硬”、“钴”二字汉语拼音的字首Y、G加数字表示，数字表示钴的质量分数。2钨钴钛类硬质合金：它的主要成分为碳化钨、碳化钛和钴。其牌号用“硬”、“钛”二字汉语拼音的字首Y、T加数字表示，数字表示碳化钛的质量分数。钨钴类硬质合金刀具适合加工脆性材料（如铸铁等），而钨钴钛类硬质合金刀具适合加工韧性材料（如低碳钢等）。3通用硬质合金：它是以碳化钽或碳化铌取代钨钴钛类硬质合金中的一部分碳化钛制成的。其特点是抗弯强度高，常用来加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的金属材料。,表911 常用硬质合金的牌号、化学成分及力学性能,