有色金属及其合金

第六章有色金属及其合金我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。

有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。

它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。

6.1 铝及其合金铝及铝合金有下列特性：⑴比重小、比强度高纯铝的比重只有32.72，故其合金的比重（约2.5～2.88）g/cm也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。

⑵有优良的物理、化学性能铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64％。

铝资源丰富，成本较低。

铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。

⑶加工性能良好铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。

切削性能也很好。

超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。

铸造铝合金的铸造性能极好。

由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。

6.1.1 纯铝纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996％时)为660.24℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。

纯铝中含有Fe、Si、Cu、Zn等杂质元素，使性能略微降低。

纯铝材料按纯度可分为三类。

⑴高纯铝纯度为99.93～99.99％，牌号有01L等四种，编号越大，L、04L、02L、03纯度越高。

高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。

⑵工业高纯铝纯度为98.85～99.9％，牌号有0L、00L等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。

⑶工业纯铝纯度为98.0～99.0％，牌号有1L、2L、3L、4L、5L等五种，编号越大，纯度越低。

工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。

工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90～120MPa,24～32HBS,不能作为结构材料使用。

但其塑性极高，延伸率δ（退火）为32～40％，断面收缩率ψ（退火）为70～90％。

能通过各种压力加工制成型材。

6.1.2 铝合金铝中加入合金元素(Si、Cu、Mg、Zn、Mn等)后，就形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。

许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。

因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。

图6.1 铝合金分类示意图6.1.2.1 铝合金的分类根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。

图中成分为D'点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。

成分位于F点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，α固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。

成分位于F 和D '之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。

成分位于D '点以右的合金，组织里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。

6.1.2.2 铝合金的热处理特点铝合金是通过时效处理来改变性能的。

下面以Cu Al -合金二元相图为例来说明（如图6.2）。

将成分位于F D -之间的Cu Al -合金加热到α相区，经保温得到单相α固溶体，然后迅速水冷，在室温就得到了过饱和的α固溶体，它的强度和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。

过炮和的α固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu 合金相图、过渡到稳定状态的趋势。

因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。

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。

例如，含4％Cu 的Cu Al -合金(如图6.2)加热到550℃保温一段时间淬火并在水中快冷时，θ相（2C u A l ）来不及析出，得到的是过饱和的α固溶体，强度仅为250MPa ，在室温下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，4～5天以后，强度可升至 400MPa 。

淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。

时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。

所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。

自然时效后的铝合金，在230～250℃短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。

如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。

这种现象称为回归。

一切能时效硬化的合金都有回归现象。

回归现象在实际生产中具有重要意义。

时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。

例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。

6.1.2.3 变形铝合金根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。

变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如LF 、LY 、LC 、LD 分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。

表6.1变形铝合金主要牌号及用途Mg 耐蚀性良好。

Mn 的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。

Mg 在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。

防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。

常用的防锈铝合金有5LF 、21LF 等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。

⑵硬铝合金 主要合金元素是Cu 和Mg ，并加入少量的Mn 构成Mn Mg Cu Al ---多元合金系。

Cu 和Mg 在时效过程中可形成强化相2CuAl （θ相）和2CuMgAl （S 相），S 相可以提高合金的耐热性。

Mn 主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有1LY 、11LY 、12LY 、13LY 等。

①低强度硬铝—Mg 和Cu 的含量较低，而且Mg Cu /比值较高，强度低，塑性高。

采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。

适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。

有1LY 、10LY 等。

②标准硬铝—Mg 和Cu 的含量较高，Mg Cu /比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。

合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。

时效处理后能提高切削加工性能。

适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有11LY 等。

③高强度硬铝—Mg 和Cu 的含量高，Mg Cu /比值较低，强度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。

适于作航空模锻件和重要的销轴等，有12LY 等。

硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。

其二淬火加热温度区间狭窄，如11LY 的为 505～510℃，12LY 的为 495～503℃。

加热温度稍低，固溶体中Mg 和Cu 等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。

因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。

⑶超硬铝合金 是Zn Mg Cu Al ---系合金。

时效过程除了析出θ相和S 相外，还能析出强化作用更大的MgZn （η相）相和332Zn Mg Al （T 相）。

经时效处理后，可得到铝合金中的最高强度。

超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。

常用的超硬铝有4LC 、6LC 等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。

⑷锻铝合金 有Si Mg Cu Al ---系普通锻铝合金及Fe Ni Mg Cu Al ----系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。

普通锻铝合金包括2LD 、5LD 、6LD 、10LD 等，主要强化相为Si Mg 2。

2LD 的抗蚀性接近防锈铝，10LD 的强度与硬铝相近。

普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。

耐热锻铝合金包括7LD 、8LD 、9LD 等，顺序号越大，耐热性越差。

主要耐热强化相为FeNi Al 9，适于制作工作在150～225℃的叶片、叶轮等。

6.1.2.4 铸造铝合金根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为Si Al -系、Cu Al -系、Mg Al -系、Zn Al -系四大类，详见表6.2。

表6.2常用铸造铝合金牌号及用途ZL2、3、4分别代表Si Al -、Cu Al -、Mg Al -、Zn Al -系，后两位数字是合金的顺序号。

如102ZL 代表顺序号为 2的 Si Al -系铸造合金。

⑴Si Al -系铸造铝合金 Si Al -系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（Si Al -二元合金）和特殊硅铝明（Mg Si Al --系、Mg Cu Si Al ---系等）。

Si Al -二元合金相图见图 6.3。

硅含量为10～13％的简单硅铝明（102ZL ）铸造后几乎可全部得到共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。

二元Si Al -共晶组织由α固溶体+粗大的针状硅晶体组成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，脆性较大，不能应用。

工业上常通过变质处理来改变共晶组织的形态，在浇注前向820～850℃的合金液中投人质量为合金液2～3％的变质剂（一般为钠盐混合物：NaF 2＋NaCl 1），十余分钟后浇注，可使组织明显细化，得到树枝状的初生α固溶体+细小均匀的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。

图6.3 Al-Si 二元合金相图经变质处理后的102ZL 不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。

但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。

102ZL 多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。

为了提高强度，拓宽硅铝明的用途，在Si Al -二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。

合金元素加入除了形成2CuAl （θ相）、Si Mg 2（β相）、2CuMgAl （S 相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有101ZL 、104ZL 等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。

⑵Cu Al -系铸造铝合金 Cu Al -合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。

常用的Cu Al -铸造合金有201ZL 、202ZL 、203ZL 等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。

⑶Mg Al -系铸造铝合金 Mg Al -合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为3/cm g 2.55，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的Mg Al -合金有301ZL 、302ZL 等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体等。