3第三章 有色金属及其合金

5.铝合金的热处理 热处理是提高铝合金的综合机械性能和组织稳定性的重要工艺方法， 铝合金在使用前主要进行的热处理强化方法有淬火(固溶处理)和时效。 淬火即铝合金的固溶处理，是将合金加热到固溶线以上的特定温度保 温后快冷，以得到不稳定的过饱和固溶体组织，为后续的合金的时效强化 处理做好准备。淬火后铝合金的强度和硬度不高，且有良好的塑性，可以 进行一定的压力加工。 固溶处理后，铝合金都要进行时效强化处理。这种处理可以是自然时效， 也可以是人工时效。时效过程可以根据铝合金的组织转变特征和) Al-Si系铸造铝合金 Al-Si系铸造铝合金又称硅铝明，具有极 好的铸造性，线收缩性好，热裂倾向小，还有高气密性及优良耐蚀性，是 应用最多的铸造铝合金系列。可用于制造受载大的复杂件，如汽缸体、发 动机压气匣等。 2) Al-Mg系铸造铝合金 这类合金密度最小、比强度高、耐蚀性 最好、抗冲击、切削加工性好，但其铸造性和耐热性差，冶炼复杂。因此， 其主要用作承受冲击、耐海水腐蚀且外形较简单的零件，如舰船配件、雷 达底座、螺旋桨等。 3) Al-Cu系铸造铝合金 铸造铝合金中该类合金热强性最好，但 其强度和铸造性能不如A1-Si系合金，耐蚀性也较差。一般只用作要求强 度高且工作温度较高的零件，如活塞、内燃机缸头等。 4) A1-Zn系铸造铝合金 该类合金的突出优点是价格便宜，成本 低，而且其铸造、焊接和尺寸稳定性较好，但耐热、耐蚀性差。故其一般 只用于制作工作温度低(< 200℃)但形状复杂受载小的压铸件及型板、支架 等。
第三章 有色金属及其合金
第一节 铝及铝合金
有色金属相对于黑色金属有许多优良的特性，在工业领域尤其是高科技领 域具有极为重要的地位。例如铝、钦、镁等轻金属具有相对密度小、比强度 高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；铜、银、金等贵重 金属具有优良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料。 一、铝及铝合金 1.工业纯铝 铝在地壳中储量丰富，占地壳总重量8. 2%，居所有金属元素之首。 工业纯铝有银白色光泽，密度小，熔点低(660℃ )，导电导热性优良(仅 次于Ag、Cu)，为非磁性材料。纯铝化学性质活泼，在空气中极易氧化形成 一层牢固致密的表面氧化膜，从而使其在空气及淡水中具有良好的抗蚀性。 铝具有良好的塑性和韧性，可以很容易通过压力加工成型，且在低温下也有 很好的塑性韧性。纯铝还易于铸造和切削，具有良好的工艺性能。其优异性 能已在几乎所有工业领域得到应用。
2.常用轴承合金 (1)铝基轴承合金 铝基轴承合金密度小、导热性好、疲劳强度高、抗蚀性和化学稳定性好 且价格低廉，适用于高速高载荷下工作的汽车和拖拉机柴油机的轴承。按化 学成分可分为A1-Sn系(A1-20% Sn-10%Cu), Al-Sb系(A1-4% Sb-0.5%Mg)和铝 石墨系(A1-8 Si合金+3%~6%石墨)三类。 (2)锡基轴承合金(锡基巴氏合金) 1)成分及牌号 锡基轴承合金的成分是在Sn-Sb合金基础上添加Cu, Pb等 元素形成，又称锡基巴氏合金，属软基体硬质点类材料。牌号主要 ZChSnSb11-6、ZChSnSb8-4、ZChSnSb4-4等，字母中“Z”表示铸造，"Ch” 表示轴承合金，后为基本元素(Sn)+主加元素+主加元素含量+辅加元素含量等。 如ZChSnSb11-6表示含11%Sb和6% Cu的Sn基铸造轴承合金。 2)锡基轴承合金特点 锡基轴承合金的特点是摩擦系数小、线膨胀小、 有良好的工艺性、嵌镶性和导热性、耐蚀性优良;但其抗疲劳性能较差，运转 工作温度应小于110℃且成本高。主要用于制作重要轴承，如汽轮机、蜗轮机、 内燃机、压气机等大型机器的高速轴瓦等。
(3)铅基轴承合金(铅基巴氏合金) 该合金是Pb-Sb基合金基础上加入Sn和Cu元素形成，又称铅基巴氏合金，亦为 软基硬质点类合金，常用牌号有ZChPbSn16-16-2，表示含16% Sn、16% Sb及 2.0% Cu和余量Pb。 铅基轴承合金可制成双层或三层金属结构。该合金显著特点是高温强度高、亲 油性好、有自润滑性，适于润滑较差的场合，强度硬度、耐磨性、耐蚀性、导热性 低于锡基合金，但它成本低，适宜制作中低载荷的轴瓦，如汽车、拖拉机的曲轴轴 承。 (4)铜基轴承合金 常用的牌号有ZCuSn10P1和ZCuSn5Pb5Zn5等锡青铜以及ZCuPb30等铅青铜。 前者强度高，适合于制造中速、承受较大载荷的轴承，如电动机、发电机、起重机、 减速机、泵、机床等用的轴承;后者具有高的耐磨性、疲劳强度、导热性和低的摩 擦系数，工作温度可达350℃，适合于制造高速重载条件下工作的轴承，如航空发 动机、高速柴油机、汽轮机上的轴承以及高速重载的汽车曲轴轴瓦。 (5)粉末冶金减摩材料 用于轴承的粉末冶金材料包括铁-石墨及铜-石墨多孔含油轴承材料及金属塑料减摩 材料。与巴氏合金、铜基合金相比，这类材料减摩性好、寿命高、成本低、效率高， 且自润滑性优良，材料孔隙能储润滑油，使其工作时具有长期的润滑性。该类材料 已广泛用于汽车、农机、冶金矿山和纺织机械中的轴承。
(2)黄铜 黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，根据其成分特点又分为普通黄铜 和特殊黄铜。 1)普通黄铜 普通黄铜是指铜锌二元合金，其锌含量小于50%，牌号以 “H+数字”表示，数字代表铜的百分含量。如H62表示含Cu62%和Zn38% 的普通黄铜。 一般来说，当Zn含量低于32%时，普通黄铜具有良好的机械性能，易进 行各种冷热加工，并对大气、海水具有相当好的抗蚀能力，且成本低，色泽 美丽，但黄铜强度较低。常用的黄铜有H80, H70, H68等，用于制作防护镀层、 冷凝器、弹壳等。 2)特殊黄铜 特殊黄铜是在普通黄铜的基础上又加入Al, Mn, Si, Pb等元 素的黄铜，其牌号以“H+主加元素的化学符号+铜含量一主加元素含量”表 示。如HMn58 -2表示含Cu58%和Mn2%，其余为Zn的特殊黄铜。 (3)白铜 白铜是指以Ni为主要合金元素(含量低于50%)的铜合金。白铜主要用于 制造海水和蒸汽环境中精密仪器仪表零件，热交换器和高温高压下工作的管 道，以及电阻器，低温热电偶及其补偿线，变阻器和加热器等电工器件。
2.变形铝合金 (1)变形铝合金的分类 按性能和使用特点不同，变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类。除防 锈铝外，变形铝合金都是可热处理强化的铝合金。 (2)变形铝合金性能特征及应用 1)硬铝合金 硬铝合金是指通过热处理后得到的具有较高强度和硬度的铝合金。硬铝合 金强度、硬度较高，但耐蚀性较差，一般常在硬铝板材表面包一层纯铝，以提高耐腐蚀 性能。硬铝合金主要用于制造受力一般的航空零件以及汽车铆钉。 2)超硬铝合金 超硬铝合金是指具有比硬铝更高的强度和硬度的铝合金，简称超硬铝。 经热处理后的强度可高达680MPa，但高温软化快，耐蚀性、焊接性差，常用包Al-1%Zn 合金来提高耐蚀性。主要用于受力较大的重要结构和零件，如飞机大梁、起落架、加强 框等。 3)防锈铝合金 防锈铝合金是指在大气、水和油等介质中具有良好的抗腐蚀性能的铝合 金。主要特点是抗蚀性、焊接和塑性好，并有良好的低温性能，不可热处理强化，只能 通过变形加工来提高合金的硬度。主要用于制造要求抗蚀性的低载荷零件或焊接件。 4)锻铝合金 锻造铝合金是指适宜于锻造的铝合金，简称锻铝。有优良的热塑性， 热加工性能好;铸造性和耐蚀性较好，力学性能可与硬铝相当。该类合金主要用作复杂的 航空及仪表零件，如叶轮、支杆等;也可作耐热合金(工作温度200℃-300℃ )，如内燃机 活塞及汽缸头等。在汽车上主要用于制造形状复杂的中等强度的锻件和冲压件，如发动 机活塞、风扇叶片等。
2.铜合金的种类 按铜合金的成形方法可将其分为变形铜合金及铸造铜合金。除专用铸 造铜合金外，大部分的铜合金既可用于变形铜合金，又可用于铸造铜合金。 工业中常按化学成分特点对铜合金分类，包括黄铜、青铜和白铜三大 类。 3.常用铜合金及其性能和应用 (1)青铜合金 青铜是指以除Zn和Ni以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。其 牌号为“Q+主加元素符号+主加元素的百分含量”(若后面还有数字，则 为其他辅加元素的百分含量);若为铸造青铜，则在牌号前再加“Z"。 青铜合金中，工业用量最大的为锡青铜和铝青铜，强度最高的为铍青 铜。 1)铝青铜 2)锡青铜 3)铍青铜
(4)铜及其合金在轿车上的应用 纯铜在轿车上的应用，一是利用它的导电性，制造电线、电缆、电气接头 等电器零件;二是利用它的导热性，制造散热器等需要热传导的零部件。此外， 也用作轿车内外装饰件、气管油管管子、垫片垫块，甚至密封材料。但由于其 强度和硬度低，不宜做结构件。常用铜合金在汽车上的应用见表5-11 表5-11 常用铜合金在汽车上的应用
3.铸造铝合金 (1)铸造铝合金的分类及代号 铸造铝合金是指适宜于铸造成型的铝合金。一般含较多的合金元素(总 量为8%~25 % )，具有良好的铸造性能，可直接铸造成型各种形状复杂 的零件，并有足够的力学性能和其他性能，且生产工艺和设备简单，成 本低。因此，尽管其力学性能水平不如变形铝合金，但在许多工业领域 仍然有着广泛的应用。 根据合金中加入主要合金元素的不同，铸造铝合金可分四大类: 1)铝硅基铸造铝合金(共有11个代号，分别为:ZL101, ZL102 , … ZL111) ; 2)铝铜基铸造铝合金(代号为:ZL201, ZL202, ZL203); 3)铝镁基铸造铝合金(代号为:ZL301, ZL302); 4)铝锌基铸造铝合金(代号为:ZL401, ZL402)。
三、滑动轴承合金 1.滑动轴承基本概述 滑动轴承是汽车、拖拉机及机床等机械制造工业中用以支承轴进行工作的零件。 滑动轴承是由轴承体和轴瓦组成(图5-26)，轴瓦可直接用耐磨合金制成，也可 在钢背上浇注一层耐磨合金形成复合的轴瓦。这些用于制作轴瓦及其内衬的合 金称轴承合金。
1.钢背(低碳钢) 2.内衬(滑动轴承合金) 图5-26 双金属轴瓦结构示意图
4.车用铝合金 汽车工业迅速发展，减轻汽车重量，降低油耗，改善对环境的污染等要 求，使汽车轻量化设计变得越来越重要。减轻汽车自重的关键是使用轻质材 料，由于汽车工业发展这一需求，使得结构材料比强度高，能够大幅度减轻 重量的铝合金等材料的应用越来越广泛。从1992年~2000年有色合金铸件产量 逐年上升，铝合金铸件增长了近80%，取得了很大的发展，特别是铝及其合 金由于具有质轻、耐磨、耐腐蚀、弹性好、比强度和比刚度高，抗冲击性能 好，易表面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优 良特性，成为汽车轻量化最理想的材料。由于能源、环境问题普遍受到人们 的重视，汽车用铝合金的开发和应用得到广泛关注，铝合金在汽车上的应用 逐年扩大。