有色金属及其合金

组织要求：
软基体＋硬质点
或 硬基体＋软质点； 软基体上分布硬质点，其体积约占15 －30％，轴工作时，软基体凹陷贮存 润滑油，提高耐磨性，而硬质点为凸
出部分起支撑轴，承载的作用
灰口铸铁：硬基体（珠光体等）＋软质点（石墨）； 低速轴承
铝基黄铜轴瓦
铅黄铜轴瓦
8.4 .2 锡基轴承合金（巴氏合金） 锡基：ZCHSnSb11Cu6 锑11％铜6％ 软基体为α相（Sb在Sn中的 固溶体）HB30，硬质点为β`相（SnSb化合物） HB110，加入铜是形成Sb6Cu5化合物，防止 因β`轻上浮而引起的成分偏析。性能：摩擦系 数小、膨胀系数小、导热性好、抗蚀性好、工 业性好。主要轴承，大型机器中的高速轴承， 如内燃机、汽轮机等。
8.2.1 纯铜（紫铜） 纯铜呈紫红色，f.c.c，熔点1083℃，无同素
异晶转变，比重8.98g/cm3常用于制造导电体
及配制合金。纯铜的强度不高（抗拉强度200-
250Mpa）硬度低（40-50HBS）；塑性好（延
伸率45-55%）不宜作结构材料。
纯 铜 退 火 组 织
导电紫铜带
厚壁紫铜管
二战期间在铝 AlCu4%合金 中首次发现
时效 强化
将固溶处理后的铝合金，在室温 或某一温度下放置一定时间，其 机械性能随时间而发生显著变化
Al4％Cu 合金
固溶处理形成过饱和α相（θ相来不
及析出，α相属于置换型固溶体晶格
畸变不严重，强化效果不明显）
Al-4％Cu合金时效 1
形成富铜区，且与α相共格，
下可以替代镁合金和铝合金，也可代替不锈钢。
应用于化工、石油、发电、冶金等部门。
工业纯钛室温拉伸强度在35－70kg/mm2（Mpa） 具有很高的工艺塑性（延伸率30％），适合冷态 下 加工成型为各种板材结构件和冲压件（飞机上受力 不大的部件）。焊接性能好。典型牌号是TC1。
工业上使用的钛合金大多数是 （α＋β）双相的。它们兼备二者的 优点：优良的塑性、容易锻造、压延和 冲压，并可以淬火时效强化。 最常用的是TC4（Ti－6Al－4V）等。
3、加工性能良好：塑性好可冷成型；切 Transitional Page
削性能好；可热处理强化。铸造性能好。
8.1.1 工业纯铝
纯铝，f.c.c，熔点660℃，比重2.7g/cm3，无同素异 晶转变。其特点是密度小，导电性和导热性好、抗蚀性 好。工业纯铝具有极好的塑性，延伸率达到30—50%， 断面收缩率达到80%，可进行各种加工、制成板材、箔 材、线材、带材及型材，但是强度过低，适用于制造电 缆、电器零件、装饰件及日常生活用品。
8.1.2 铝合金分类及时效强化
1.铝合金分类
铝合金常用： AL-Si AL-Cu AL-Mg AL-Mn 等合金系。
2. 铝合金的时效强化（热处理原理）
钢
淬火 马氏体强化 固溶强化 回火 塑韧化 碳化物析出
铝合金
淬火 固溶处理 仅造成过饱和 无强化效果
时效强化 第2相析出时强化
固溶 处理
将铝合金加热到固溶化温度， 保温一定时间，迅速淬入水中 造成过饱和强化。
高铁铝硅合金铸造组织
铝硅活塞合金铸造组织
高硅活塞合金铸造 （热处理前）
高硅活塞合金铸造 （热处理后）
铝镁合金铸造组织
铝铜合金铸造组织
8.2 铜及其合金
铜及合金是应用广泛的有色金属之一，它 具有以下特点： （1）优异的物理、化学性能（2）良好的加 工性（3）某些特殊机械性能（4）色泽美观
Al-Mn ZL401 ZAl
发动机活塞常用铝合金制造，初始使用灰铸铁， 1911年开始研制铝合金。1920年Al-Cu-Ni-Mg系活 塞研制成功投入使用，汽油机活塞11-16m/s、柴油 机活塞6-8.5m/s。活塞常见破坏有强制振动、穴蚀、 敲缸等。 现在有四大系列，Al-Cu-Si系列（Lautal）；AlCu-Ni-Mg（Y合金）；Al-Si-Ni-Mg（Lo-Ex合金）； 过共晶Al-Si系（高硅合金）
3
θ``相成分达到CuAl2，形成过渡 相θ`，此时尚未完全从母相中脱 离出来，强化达到峰值
4
从θ`相过渡到稳定的θ相，完全脱
离母相，晶格畸变消失，强化效果
开始下降。
凡是具有时效强化的合金均有“回归”现象，即将 时 效强化后的铝合金，加热至230－250℃、短时间保温 （几秒或几分），迅速入水冷却，时效强化效果将消 除，合金又重新软化，又可继续进行加工。如再在室温 下放置，则又能发生正常的自然时效，回归现象可进行 多次。
钛的珍贵性在于比重小，强度高。钛比铁强韧 的多，比重却仅为铁的一半多点，而且不会生锈；
钛比铝的比重大不足2倍，但是强度是铝的3倍，而
且耐热性远高于铝。
钛合金的性能更加优良，钛合金的比强度（强度/ 密度）是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，镁合金的1.6
倍。比强度是目前工业金属中最高的。钛合金在540℃
HB180，用作弹簧、轴承衬、轴瓦等。
• Sn10－14％为铸造锡青铜，强度、塑性较低， HB90，用作这速中载轴承等耐磨件。
中间
3、白铜（Cu-Ni合金）
白色
铜镍 合金
CU-Zn-Ni合金
8.3 钛合金
钛及其钛合金具有密度小，比强度高、
耐高温、耐腐蚀以及良好低温韧性等优点，
同时资源丰富，应用广泛。但是目前钛及钛
合金加工条件复杂，成本较昂贵。
•
钛属于难熔稀有金属，熔点1672℃。 1790年发现钛元素，20世纪40年代末 才建立钛生产工业。工业上采用镁或钠 从金红石和钛铁矿中还原四氯化钛。这 样的金属钛呈疏松多孔的海绵状，称为 海绵钛。再经自耗熔炼变成金属钛后再 加工或铸造。
攀 枝 花 钛 矿
金红石 钛 铁 矿
第8章 有色金属及其合金
Contents
1
8.1 铝及其合金
2
3 4 5
8.2 铜及其合金
8.3钛及其合金 8.4 轴承合金 8.5 粉末冶金与硬质合金
8.1 铝及其合金
1、密度小，比强度高。2.7g/cm3
铝及铝合金 的特点：
2、有优良的物理、化学性能 导电性仅次
于银、铜、金。耐大气腐蚀，磁化率低。
黃銅為銅和鋅的合金，金屬光澤由 隨鋅含量增加由橙紅色轉為黃色。
黄
铜 退
火
组 织Hale Waihona Puke Baidu
2000年 悉尼 奥运会 火炬
1980年 莫斯科 奥运会
火炬
2、青铜（Cu-Sn合金）
铸造、退火条件下，Sn<5％，α单相锡青铜，f.c.c， 塑性好，因铜原子析出困难，α相呈树枝状。Sn>5％，
（α＋δ）共析体锡青铜，有一定强度、硬度、塑性，
锡基轴承合金组织
剖分式轴瓦
8.4.3 铅基 轴承合金（巴氏合金）
铅基：ZCHPbSb16Sn16Cu2 16％锑16％锡2％铜，软基体为（α＋β）共 晶体HB6-8，硬质点为SNSb化合物，HB30，加 入铜的作用同上。性能：没有Sn基巴氏合金好，
但铸造性能好，适用于中低速轴承，静载工作轴
承，如汽车、拖拉机曲轴轴承。可在轴瓦内衬上
钛在含氧环境中生成薄而坚固的氧化物薄膜，氧化
膜与基体结合牢固，破坏后能够自愈，耐氧化溶液和氯
化物溶液的腐蚀，最突出的是耐工业腐蚀气氛及海水腐
蚀。在海洋环境中腐蚀速率9.03×10-5mm/年； 钛合金具有良好的耐应力腐蚀的能力，还具有耐淡 水和海水的腐蚀疲劳性能。在静止海水中数年仍非常光 亮。钛合金在海水中的腐蚀性能优于不锈钢。
表面淬火感应线圈 薄壁紫铜管 紫铜管接头
紫铜镇尺
紫铜香炉（大明宣德年制款）
8.2 .2 铜合金
1 黄铜（Cu-Zn合金）压力加工黄铜和铸造黄铜 压力加工黄铜： H68、H70、H80等即七三黄铜（Cu70%,Zn30% 左右），为单相黄铜（Zn<39%），塑性好（Zn32% 时延伸率最高），深冲性能好，适于冷冲、冷拉板材、 线材等，有弹壳黄铜之称，也可热加工； H62、H59等即六四黄铜，强度较好（Zn39-45时 抗拉强度最高），塑性差，在456℃，塑性好，只适 合热加工，常用作铆钉、螺帽、垫圈等。
钛及合金在工业生产和飞机业中应用有30多 年历史，目前飞机和发动机制造部门仍是使用大 户。逐渐民用化，尤其是在海洋工程中的应用。 影响钛合金使用的主要问题是价格昂贵，这是目 前研究和开发的关键。
钛合金生产 钛合金锻造模拟
钛合金板、棒、线材
各种钛合金零件
钛合金与我们的生活
8.4 轴承合金
常用轴承：滚动轴承，承载能力较低，
的比强度高于钢，这种优点首先应用于航空发动机。钛
合金又能抗住200℃低温而不破坏。钛合金是现代超音
速飞机、火箭、导弹和航天飞机等可缺少的材料。
美国F14A和F15A飞机用钛及其它材料的比 重：钛合金25％；铝合金35％37.5％；钢17％
5.5％；复合材料1.2％；其它30.2%。
钛合金作为耐热和耐蚀材料，在许多情况
加涂耐磨层，比较经济实用。
铅基轴承合金组织
整体式轴瓦
8.4 .4 铜基轴承合金 锡青铜ZCuSn10P1，显微组织
α +δ+Cu3P。 α固溶体为软基体，δ和Cu3P为
硬质点。该合金强度高，适合高速度、高载荷 的柴油机轴承。 铅青铜ZCuPb30，硬基体软质点类型。 可制造大载荷、高速度的重要轴承，如航空发
晶格畸变加剧，合金强度、硬 度开始升高
自然时效：原子扩散能力 不足常进行1、2阶段
2
在富铜区中形成Cu原子有序化析出 过渡相θ``相，此时θ``仍与α相共格， 在脱离共格过程中造成晶格畸形， 位错运动受阻，宏观强度、硬度进 一步提高提高
人工时效：加热，原子扩散能 力强，第1、2阶段时间很短， 可直接加入第3、4阶段
一般机械采用滑动轴承。轴承合金是制
造滑动轴承的轴瓦及内衬的材料。轴承
支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生
摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷
8.4.1 滑动轴承合金的性能要求与组织
滑动轴承性能要求： 在常温和工作温度下，有一定的承载能力和 疲劳强度，有足够的塑、韧性，使轴与轴瓦之 间配合良好，低的摩擦系数，良好的导热性， 低的膨胀系数，良好的耐蚀性，以防止温升和 轴咬合。 与轴配合基本原则：保轴不保瓦。
8.1.3 形变铝合金
铝合金型材
铝合金铆钉
螺钉
8.1.4 铸造铝合金
Al-Si合金，Si10－13％，其共晶点为11.6%Si， 铸造性能好，但共晶组织粗大，加热变质剂，使 相图共晶点左移、获得初晶α相＋细化共晶体
ZAL102变质 前
ZAL102变质后
常用铸造铝合金 Al-Si ZL101 ZAl Al-Cu ZL201 ZAl Al-Mg ZL301 ZAl
疲劳强度较高，耐磨、耐蚀性较好。锡青铜机械性能随
Sn含量变化，Sn量增加，其强度增加。
Sn>7％，出现δ相，塑性下降。 青铜加入铅、铝等还可构成铅青铜、铝青铜等多种 青铜。
• Sn>20％后，塑性、强度明显下降，失去应用价值。 锡青铜在大气和海水中耐蚀性较好。工业用锡青铜
Sn3－14％。
• Sn5－7％为压力加工青铜，强度较高，塑性较好
动机、高速柴油机的轴承。
锡青铜、轴承套轴瓦