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机械制造基础——有色金属

机械制造基础——有色金属. 无锡职业技术学院 2007 年2月. 有色金属——本章主要内容. 铝及铝合金 铜及铜合金 钛及其合金 滑动轴承合金 粉末冶金材料. 铝及其合金. 工业纯铝. 工业纯铝特性： 物理性能：密度小、无磁性、导电及导热性能好、无打击火花 化学性能：抗大气腐蚀性好 力学性能：塑性高、强度低 工艺性：易塑性变形，加工性良好 工业纯铝牌号 铝锭： Al99.7 、 Al99.6 、 Al99.5 、 Al99.0 、 Al98.0

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机械制造基础——有色金属

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  1. 机械制造基础——有色金属 无锡职业技术学院 2007年2月

  2. 有色金属——本章主要内容 • 铝及铝合金 • 铜及铜合金 • 钛及其合金 • 滑动轴承合金 • 粉末冶金材料

  3. 铝及其合金

  4. 工业纯铝 • 工业纯铝特性： 物理性能：密度小、无磁性、导电及导热性能好、无打击火花 化学性能：抗大气腐蚀性好 力学性能：塑性高、强度低 工艺性：易塑性变形，加工性良好 • 工业纯铝牌号 铝锭：Al99.7、Al99.6、Al99.5、Al99.0、Al98.0 纯度依次降低 变形铝： 1070 1060 1050…（ L1 L2 L3 …） 变形铝表示方法：四位数字 “四位数字”体系表示规则 例如： 1070表示纯度为99.70%的工业纯铝

  5. 纯铝：表示铝质量百分数小数点后的两位数 铝合金：用来识别同一组铝合金中的不同序号 纯铝：表示杂质元素的控制情况 铝合金：表示改型情况（“0”为原始合金；“1-9”为改型 合金，允许与原始合金有一定的成分偏差） 表示组别：1-纯铝，2-铝，3-铝锰合金，4-铝硅合金，5-铝镁合金，6-铝镁硅合金，7-铝锌合金，8-其他铝合金，9-备用 变形铝及其合金表示规则——四位数字体系 • 四位数字体系 X X X X 数字 数字 数字 数字 返回

  6. 纯铝：表示铝质量百分数小数点后的两位数 铝合金：用来识别同一组铝合金中的不同序号 A-表示原始铝或铝合金，B-Y表示改型合金(允许与原始合金有一定的成分偏差) 表示组别：1-纯铝，2-铝，3-铝锰合金，4-铝硅合金，5-铝镁合金，6-铝镁硅合金，7-铝锌合金，8-其他铝合金，9-备用 变形铝及其合金表示规则——四位字符体系 • 四位字符体系 X X X X 数字 数字 字符 数字 返回

  7. 不能热处理强化 变形铝合金 铝合金 的分类 能热处理强化 铸造铝合金 铝合金分类表 • 铝合金分类表

  8. 铝合金分类依据 • 分类依据——铝合金相图

  9. 铝合金热处理强化 背景资料: 1906年德国 Duralumin首次发现 1910年德国A· Welmer 发明并获专利 1916年用于制造飞机 1938年 Guinier – Preston 建立学说 • 热处理强化方法：固溶+时效 固溶处理： 加热获得单相α固溶体后，在水中快冷，获得单相过饱和α固溶体组织。固溶处理后的铝合金强度、硬度并不高，而塑性韧性较好 时效处理： 固溶处理后的铝合金，在室温或加热时，过饱和α固溶体中会析出第二相，弥散分布于α固溶体基体上，起强化作用随后强度上升、塑性下降的现象 自然进效：固溶处理后的铝合金在室温保持 人工时效：固溶处理后的铝合金加热至室温以上保持

  10. 自然时效曲线 • 含4%Cu的铝合金自然时效曲线

  11. 人工时效曲线 • 含4%Cu的铝合金的人工时效曲线

  12. 变形铝合金（种类与表示） • 变形铝合金种类 防锈铝合金（代号LF） 硬铝合金（代号LY） 超硬铝合金（代号LC） 锻铝合金（代号LD） • 变形铝合金牌号表示方法 用四位字符表示 四位字符表示规则 例如：2A11表示主要合金元素为铜的11号Al-Cu 原始铝合金

  13. 防锈铝合金 • 防锈铝合金 ( LF ) : 成分：Al – Mn 系：例如:LF21 Al – Mg 系：例如:LF2、LF6 性能： 不能用时效强化，加镁或锰固溶强化提高铝合金的强度 抗蚀性比纯铝好 防锈铝合金应用： • 用于高耐腐蚀性的薄板容器（如焊接油箱）、防锈蒙皮、客车装饰条、窗框、灯具等 • 用于制造受力小、轻质、耐腐蚀的结构件，如油管、铆钉 铝合金门窗（一般用材6063）

  14. 飞机翼梁 飞机主起落架 硬铝合金、超硬铝合金 • 硬铝合金 ( LF ) : 成分：Al – Cu – Mg ，常用LY1、LY11、LY12 性能：能通过时效强化提高强度 耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性 • 超硬铝合金 ( LC ) : 成分：Al – Cu – Mg – Zn ，常用LC4、LC9 性能：通过时效强化显著提高强度 耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性 硬铝和超硬铝应用： • 中等强度的轻质结构零件 • 如飞机铆钉、大梁、桁条、隔框、 蒙皮、空气螺旋桨叶片等

  15. 压气机叶片 锻铝合金 • 锻铝合金 成分：Al – Mg – Si – Cu 。常用LD5、LD6、LD10 性能：固溶+时效处理后力学性能与硬铝合金相当 经软化退火后热 塑性和耐腐蚀良好，适合于锻造成形， 锻铝合金应用：形状复杂的中等负荷零件，如压缩机叶片，飞机桨叶

  16. 铸造铝合金（分类与牌号表示） • 分类 铸造Al–Si合金 铸造Al–Cu合金 铸造Al–Mg合金 铸造Al–Zn合金 • 代号 铸造Al–Si合金：ZL1××，如ZL102表示2号铸造铝硅合金 铸造Al–Cu合金：ZL2 ××，ZL201表示1号铸造铝铜合金 铸造Al–Mg合金：ZL3 ××，ZL303表示3号铸造铝镁合金 铸造Al–Zn合金：ZL4 ××，ZL401表示4号铸造铝锌合金 • 牌号 例：ZAlMg10 表示铸造铝镁合金，镁的质量分数为10%

  17. 铸造铝硅合金（俗称硅铝明 ） • 特性 铸造性能优良（流动性好、收缩率小、热裂倾向小） 密度小、强度较高 耐腐蚀性和导热性良好 • 变质处理 变质剂：氟化钠和氯化钠的复合盐 目的：使共晶体中的硅呈细密分布，细化组织，提高强度 变质处理性能变化：变质后强度可提高30%~40% • 常用牌号（ZL102 ）、应用 制造质量轻、形状复杂、耐蚀、但强度要求一般的结构件 如汽车发动机活塞、气缸头及油泵壳体 ZL102未变质 ZL102变质后 活塞(裙部为铝硅合金)

  18. 鼓风机用密封件(ZL102)及航空架件(ZL301) 大型空压机活塞(ZL401) 其他铸造铝合金应用 汽缸头（铝铜合金）

  19. 铜及其合金

  20. 工业纯铜 • 特性 物理：密度8.9g.cm-3，熔点为1083℃； 导电性、导热性良好；抗磁性 化学：化学性能稳定，在大气、淡水中具有良好的耐腐蚀性能 力学：强度、硬度并不高，塑性、韧性良好。低温性能好 工艺性：焊接性良好，适宜于进行各种冷热加工 • 表示方法 未加工产品（铜锭或电解铜）：代号为Cu-1、Cu-2 加工产品：T1、T2、T3 纯度依次降低 • 应用 应用于电气工业，制造电线、电缆、电刷、铜管及通信器材 深冷冻的主要材料

  21. 纯铜金相组织

  22. 铜合金分类 黄铜 : Cu – Zn 白铜 : Cu – Ni 按化学成分 青铜 : 除黄铜和白铜外 的所有铜合金 加工铜合金 按制造方法 铸造铜合金

  23. H 90 含铜量 WCu = 90% 黄铜 黄铜——普通黄铜 • 普通黄铜 Cu-Zn二元合金，性能与含锌量有关 表示方法： 常用牌号及应用 H80、H92：艺术装饰品、纪念章、镀层、散热器、双金属片 H68：冷冲压管、套类零件，如弹壳、冷凝器管、散热器管 H62：工业上应用较多，散热器、油管、垫片、螺钉、弹簧等

  24. 黄铜应用示例 冷凝器管 冷凝器管 冷凝器管 法兰阀 闸阀

  25. +’  500 70 110 b 60 100 400  b(Mpa) (%) 90 50 300 80 40 HB 70 200 30 60 20 100 50 10 HB 0 40 0 10 20 30 40 50 黄铜中锌对组织和力学性能的影响 锌的质量分数(wZn)

  26. H Al 59 - 3 含铝量WAl = 3% 铝黄铜 含铜量WCu = 59% 黄铜——特殊黄铜 • 特殊黄铜 ——在铜中主要加入锌，还加入铅、锡、铝、锰、硅等合金元素的铜合金 。 特性：优良的切削加工性能、耐腐蚀性、铸造性能 表示方法： 常用特殊黄铜： • 海军黄铜 --- HSn62 - 1 • 易切削黄铜 --- HPb59 - 1

  27. Z Q Sn10 – 1 主加元素锡其含 量为WSn = 10% 青铜 铸造 青铜 • 种类 普通青铜 (锡青铜 ) 特殊青铜 (铝青铜、铍青铜、铅青铜、锰青铜、硅青铜等) • 表示方法：

  28. 锡青铜 • 特性 比黄铜的强度、硬度和耐磨性好 力学性能与锡含量有关 • 应用 主要用于耐磨、耐蚀及弹性元件 如滑动轴承、弹簧、蜗轮、丝杠螺母等

  29. 压力加工 α+δ δ σb 铸造成形 α δ 3 7 10 14 锡青铜中锡对组织和力学性能的影响

  30. 特殊青铜 ( 无锡青铜 ) • 铝青铜 : QAl7 特性：比锡青铜具有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，还能进行热处理强化，铝青铜的价格也比较低，可作为锡青铜的代用品 应用：制作高强度的耐磨、耐蚀件和弹性元件 • 铍青铜 : QBe2 特性：铍青铜具有很好的综合性能，弹性极限、疲劳极限、耐磨性、耐腐蚀性都较好；还具有良好的导电、导热、抗磁性；撞击时不产生火花等特性 应用：主要用来制造重要用途的弹性元件、耐磨元件等。如精密仪器、仪表的弹簧，钟表齿轮、电接触器、航海罗盘等

  31. 钛及其合金

  32. 工业纯钛 • 纯钛的特性 物理性能：银白色、高熔点（1700℃）、轻金属（密度4.51g.cm-3） 同素异构体：密排六方-Ti（<882℃），体心立方-Ti（>882℃）。 化学性能：在淡水、海水、气体、碱溶液、有机酸和化合物有极好的抗蚀性；但被氢氟酸、磷酸、溶融碱侵蚀。 力学性能：高温和低温下工业纯钛力学性能均优异 • 钛的牌号（GB/T3620.1-1994） TA0、TA1、TA2、TA3 纯度下降 • 纯钛的应用 耐腐蚀件：化工设备、滨海发电、海水淡化置、舰船、电镀热交换器 生物材料：与骨组织牢固结合 生活用品：如高尔夫球杆、网球拍，在珠宝行业

  33. 温度/℃ b/MPa s/MPa /% ψ/% 20 520 400 24 59 -196 990 750 44 68 -253 1280 900 29 64 -269 1210 870 35 58 工业纯钛在不同温度下的力学性能 工业纯钛在不同温度下的力学性能

  34. 钛合金分类 • 分类 钛合金 牌号用TA表示 据退火组织钛合金 牌号用TB表示 ＋钛合金 牌号用TC表示 变形钛 铸造钛 • 各类钛合金特性 钛合金：焊接性好、组织稳定、抗蚀性高。强度比其它两类钛合金低，变形抗力大、热加工性能差 钛合金：强度和冲击韧性高，压力加工性能和焊接性能良好。组织和性能不太稳定 ＋钛合金：热压力加工性能好，耐热性比较好，但组织不够稳定 据加工方法

  35. 合金 热处理 铸造 锻造 σb /MPa σ0.2 /MPa δ /% σb/MPa σ0.2/MPa δ /% Ti-6Al-4V 退火 949 857 1.9 984 914 1.5 Ti-6Al-4V 固溶处理 1146 1076 5.0 1125 1055 9.7 Ti-5Al-2.5Sn 退火 886 759 7.6 914 844 17.0 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 退火 1019 858 9.0 991 914 18.0 钛合金的性能 铸造和变形钛合金铁室温力学性能

  36. 领域 应用举例 航空航天、军事 隔热板、飞机襟翼滑轧、飞机刹车壳体、飞机变速装置、军用飞机蒙皮、机身、机翼，航运空发动机太气机盘、涡轮盘、叶片及机匣，人造卫星照相机架等。 导弹尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座，坦克回转炮塔板、化学和核武器对抗系统工程护盖、发动机顶盖、炮手主瞄准器罩、指挥舱盖，航海经军舰船热交换器管、各种船艇螺旋推进器、船艇用通信天线等 化工、汽车、能源 氯碱厂、纯碱厂、化肥厂、盐厂，发电厂冷凝管，海水淡化设备冷凝器、加热器。汽车发动机阀门、轴承座、阀簧、连杆、半轴、螺栓、紧固件、排气阀、喷油嘴。 日常生活领域 体育器材：如自行车、摩托艇、网球拍、马具、高尔夫球头等。 医疗器材：牙种植、齿形矫正器，人工关节、心脏瓣膜、、假肢等 照相器材：快门金属帘布、照相机外壳、取景镜架等 其它：手表壳体、表带，珠宝，眼镜架等 钛合金的应用

  37. 应用示例1

  38. 应用示例2 钛-钢复合板反釜 全钛换热器 钛-钢复合板氧化塔

  39. 滑动轴承合金

  40. 各类轴瓦 滑动轴承的结构与特点 • 滑动轴承的结构：轴瓦、轴承内衬 • 滑动轴承特点：与滚动轴承相比，承压面积大、工作平稳、无噪声、维修方便

  41. 滑动轴承的组织与性能 • 性能 （1）足够的抗压强度和抗疲劳性能 （2）良好的减摩性（摩擦系数要小） （3）良好的储备润滑油的功能、良好的磨合性 （4）良好的导热性和耐蚀性 （5）良好的工艺性能 • 组织（软硬兼备） （1）软基体和均匀分布的硬质点 （2）硬基体上分布着软质点。 • 常用滑动轴承材料：金属（锡基与铅基轴承合金、铜基合合、铝基合金）、非金属（塑料、橡胶）、含油轴承等

  42. 锡基轴承合金组织 ( SnSb+Cu Sb+α基体) 铅基轴承合金组织 ( Sn ,Cu3Sb ,Pb-Sb 共晶体 ) 锡基与铅基轴承合金显微组织

  43. ZSnSb12Pb10Cu4 铜的质量分数为4％ 元素铅的质量分数为10％ 锑的质量分数是12% 铸造锡基轴承合金 锡基与铅基轴承合金（巴氏合金） • 牌号表示方法：例： • 特点及应用 锡基轴承合金性能好、价格昂贵，用作重要轴承。如发动机、汽轮机等高速轴承 铅基轴承合金价格便宜、性能比锡基合金稍差。常用作中低载荷的中速轴承。如汽车、拖拉机的曲轴和连杆轴承及电动机轴承

  44. 铜基与铝基轴承合金 • 铜基轴承合金（主要有锡青铜和铅青铜）。 ZCuSn10Pb1（10－1锡青铜） 高的强度，适用于中速及受力较大的轴承，如电动机、泵、金属切削机床轴承 ZCuPb30（30铅青铜） 较高的疲劳强度、 导热性能，摩擦系数低，适于高速高压轴承。如航空发动机、高速柴油机轴承等 • 铝基轴承合金（常用牌号 ZAlSn6Cu1Ni1） 密度小、导热性好、疲劳强度高、耐腐蚀性好，价格低，广泛应用于高速重载的汽车、拖拉机、柴油机轴承

  45. 轴承合金应用示例1 汽轮发电机轴承

  46. 轴承合金应用示例2 内燃机轴瓦

  47. 轴承合金种类 轴承合金硬度HBS 与之匹配的轴硬度HBS 最大允许压力/MPa 最高允许温度/℃ 抗咬合性 磨合性 耐蚀性 耐疲劳性 锡基巴氏合金 20~30 150 600~100 150 优 优 优 劣 铅基巴氏合金 15~30 150 600~800 150 优 优 中 劣 锡青铜 50~100 300~400 700~2000 200 中 劣 优 优 铅青铜 40~80 300 2000~3200 220~250 中 差 差 良 铝基合金 45~50 300 2000~2800 100~150 劣 中 优 良 铸铁 160~180 200~250 300~600 150 差 劣 优 优 各种滑动轴承比较 各种轴承合金性能、轴承合金与轴匹配的硬度对应关系

  48. 粉末治金材料

  49. 粉末冶金工艺 • 粉末冶金工艺步骤： 制粉、配料、压制成型、坯块烧结和后处理。 • 粉末冶金特点 （1）可生产普通熔炼方法无法生产的特殊性能材料，如多孔材料、复合材料等； （2）可避免成分偏析、保证合金具有均匀的组织和稳定的性能； 可生产高熔点金属（如钨和钼）和不互熔的合金（如钨-银合金）； （3）可大量减少产品的后续机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。这一点对贵重金属尤其重要； （4）粉末冶金零件的缺点是塑性和韧性较差。

  50. 粉末冶金材料种 • 按用途分为7类粉末冶金减摩材料。在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。   粉末冶金多孔材料。一般有30％～60％的体积孔隙度 ，孔径1～100微米。用于制造过滤器、多孔电极 、灭火装置、防冻装置等。 粉末冶金结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。粉末冶金摩擦材料。其摩擦系数高，能很快吸收动能，制动、传动速度快。主要用于制造离合器和制动器。 粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。 粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料，用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。 粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等

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