机械工程材料 第6章 非铁金属材料.ppt

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1、1,机械工程材料,Mechanical Engineering Materials,2,第6章 非铁金属材料,本章目录 6.1铝及铝合金 6.1.1 工业纯铝 6.1.2铝合金及其应用 6.2铜及铜合金 6.2.1工业纯铜 6.2.2铜合金及其应用 6.3钛及钛合金 6.3.1工业纯钛 6.3.2钛合金及其应用 6.4 滑动轴承合金 6.4.1 滑动轴承合金的工作条件及性能要求 6.4.2 滑动轴承合金的组织特征 6.4.3常用的滑动轴承合金 6.5 粉末冶金材料 6.5.1 粉末冶金材料的生产 6.5.2 常用的粉末冶金材料,3,6.1 铝及铝合金,6.1.1 工业纯铝 1. 纯铝的主要特性

2、 铝的熔点为660.4 ,密度低,铝的导电性和导热性好 ;铝的化学活泼性极高 ;铝的无磁性 ;在淡水、食物中也具有很好的耐蚀性. 纯铝的强度低，b仅为70Mpa，可进行冷热压力加工,可通过冷加工强化或加入合金元素及其热处理强化. 纯铝中的主要杂质是Fe和Si，其次尚有Cu、Zn、Mn、Ni、Ti等 .,4,2. 纯铝的牌号及应用 工业纯铝 纯度为98.0%99.0% ,字母“L”表示，数字越大，纯度越低, 如：L1、L2、L3. 。 用途：L1、L2、L3：用于高导电体、电缆、导电机件和防腐机械。 L4、L5、L6：用于器皿、管材、棒材、型材和铆钉等。 L7：用于日用品。 工业高纯铝 纯度为9

3、9.9099.99的铝 。 用途：用作电解电容器用的阳极箔、电容器引线、集成电路导线、真空蒸发材料、超导体的稳定导体、磁盘合金和高断裂韧性铝合金的基体金属。,6.1.1 工业纯铝,5,一、铝合金的分类,6.1.2 铝合金及其应用,图1-2 晶格参数,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两类.,铝合金分类示意图,6,二、铝合金的强化途径,可热处理强化变形铝合金的热处理方法：固溶处理 + 时效。 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。,时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化

4、相的热处理。,7,二、铝合金的强化途径,在室温下进行的时效称自然时效；在加热条件下进行的时效称人工时效。 时效强化效果与加热温度和保温时间有关。 温度一定时，随时效时间延长，时效曲线上出现峰值，,超过峰值时间，析出相聚集长大，强度下降，为过时效。随时效温度提高，峰值强度下降，出现峰值的时间提前。,8,二、铝合金的强化途径,9,三、常用铝合金牌号、性能及用途,1、变形铝合金 变形铝及铝合金牌号表示方法 根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。,GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为: 防锈铝合金： LF+序号 硬铝合金： LY +

5、序号 超硬铝合金： LC +序号 锻铝合金： LD +序号,10,铝合金波纹管,LD31铝合金型材,11, 常用热处理不强化变形铝合金 防锈铝合金 主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。 Mn和Mg主要作用是,提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。 防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。 不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。,卫星天线（LF2）,常用热处理不强化变形铝合金,12,常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。 常用的Al-Mg系合金有

6、LF5（ 5A05 ），其密度比纯铝小，,强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。,汽化器(热交换管为LF21),常用热处理不强化变形铝合金,13,热处理强化的变形铝合金, 硬铝合金 主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。 可进行时效强化，也可进行变形强化。 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。,常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.,14,热处理强化的变形铝合金, 超硬铝合金 属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。 时效强化效果

7、超过硬铝合金. 热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.,飞机主起落架,15, 锻铝合金 Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等.,热处理强化的变形铝合金,压气机叶片,Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 225下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。,16,2、铸造铝合金 包括： Al- Si系： 代号为ZL

8、1+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号,铸造铝合金, Al-Si系铸造铝合金 又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明.,17,在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。,Al-Si系铸造铝合金,18,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。 Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，

9、具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。,Al-Si系铸造铝合金,19, Al-Cu系铸造铝合金 这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。,汽缸头,Al-Cu系铸造铝合金,20,Al-Mg系铸造铝合金, Al-Mg系铸造铝合金 这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,鼓风机密封件等(ZL102、3

10、01),常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等. 主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,21,Al-Zn系铸造铝合金, Al-Zn系铸造铝合金 这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等. 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,大型空压机活塞(ZL401),22,6.2.1 铜及铜合金,6.2.1 工业纯铜,一、铜及铜合金性能特点 纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同 素异

11、构转变，无磁性。 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。 二、工业纯铜的牌号及应用 工业纯铜 ：用“T”作为铜的汉语拼音字头，数字表示顺序号。数字越大，纯度越低。 无氧铜：用 “T”和“W”加上序号表示，如TW1、TW2。 在TW后加脱氧剂化学元素符号表示，如TWP、TWMn。,23,铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性. 铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。,24,6.2.2 铜合金及其应用,二、黄铜 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。 按工

12、艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。,25,1、普通黄铜 铜与锌的二元合金称为普通黄铜。 加工普通黄铜的牌号为：H (黄) + 表示铜平均百分含量的数字，如H68。 从铜锌合金相图可以看出黄铜有 和+ 两种组织,分别称单相黄铜和两相黄铜。,普通黄铜,26,普通黄铜的显微组织,普通黄铜,27,普通黄铜,单相黄铜塑性好。 常用牌号有H80、H70、 H 68。 适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。 两相黄铜热塑性好, 强度高. 常用牌号有H59、H62。 适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。,28,2、特殊黄铜 在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊

13、黄铜。 加工特殊黄铜的牌号为： H(黄)+主加元素符号(Zn除外)+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量, 如HPb59-1. 特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,特殊黄铜,29,常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。 主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,特殊黄铜,30,青 铜,三、青铜 除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量 如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn). 常用青铜

14、有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。,青铜制品,31,锡 青 铜,1、锡青铜 是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。 锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,32,常用牌号有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,33,铝 青 铜,2、铝青铜 以铝为主加元素的铜合金，铝含量为511%。 强度、硬度、耐,大型水力发电设备中的抗磨环,磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和

15、锡青铜，铸造性能好，但焊接性能差。 常用牌号有QAl5、QAl7、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2等。 主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。,34,铍 青 铜,3、铍青铜 以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。 具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵.,常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。 用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件.,铍青铜制品,35,白 铜,四、白铜 以镍为主要合金元素的铜合金称白铜。分普通白铜和特

16、殊白铜。,普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。 普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。 常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械,仪表零件及冷凝器,蒸馏器,热交换器等.,白铜件,36,特殊白铜是在普通白铜基础上添加Zn、Mn、Al等元素形成的，分别称锌白铜、锰白铜、铝白铜等。 其耐蚀性、强度和塑性高，成本低。 常用牌号如BMn40-1.5(康铜)、BMn43-0.5(考铜)。 用于制造精密机械、仪表零件及医疗器械等。,37,6.3 钛及钛合金,一、工业纯钛 纯钛密度小，熔点高。882.5发生同素异构转变-Ti-Ti,

17、 由体心立方-Ti转变为密排六方-Ti. 纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。,美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造,38,纯钛主要用于 350以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。,39,二、钛合金 纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.,按退火组织，钛合金可分为型钛合金、型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0TA3为工业纯钛。,钛合金泵,40,1、型钛合金 主加元素为铝，还有锡、硼等。 不能热处理强化，通常

18、在退火状态下使用,组织为单相固溶体. 强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越.,41,常用牌号有TA5、TA7等 主要用于制造500以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。,-Ti合金组织,42,2、型钛合金 加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。 经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。 这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。,43,型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。 主要用于350以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。,44,3、+型钛合金 加入的合金元素有铝、

19、钒、 钼 铬等。 可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。,钛合金列管式换热器,45,+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为+时效析出的针状。,46,+型钛合金主要用于制造400以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.,47,6.4 轴承合金,6.4 轴承合金,制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑,作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。 与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。,48,

20、一、组织性能要求 当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。 对轴承合金的性能要求： 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷. 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合。 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。,49,为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点. 当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油.,和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用. 软基体 (或质点)还能起嵌藏

21、外来硬杂质颗粒的作用, 以避免擦伤轴颈。,50,二、常用轴承合金 工业上常用的是锡基、铅基轴承合金, 又称巴氏合金。,1、锡基轴承合金 是以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。,典型牌号为ZSnSb11Cu6。 (其组织为基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn),ZSnSb11Cu6合金的显微组织,51,锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过 150 ，价格高。,巴氏合金轴瓦,广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。,52,2、铅基轴承合金 是以铅为

22、主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。 典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2。,ZPbSb16Sn16Cu2合金的显微组织 (+)共晶基体+方块状SnSb+针状Cu3Sn,53,铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。,常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。,54,锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。,55,6.5 粉末冶金材料,粉末冶金（P/M）是一种制取金属粉末，以及采用成形

23、和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。 基本过程:,采用PM技术制备材料/产品的优点： 成形体的致密度可控；多孔材料 晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析 近型成形，原材料利用率高95%，切削加工仅4050% 材料组元可控，利于制备复合材料 制备难熔金属、陶瓷材料与核材料,56,粉末冶金零件,57,6.5.1、粉末成形与烧结 （1）成形过程,58,（2）烧结： 粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下(0.67-0.8k熔点)的热处理,目的在于通过颗粒间的冶金结合提高其强度。,烧结过程,59,（3) 粉末冶金致密化工艺,1. 常规压制-烧结工艺,2. 常见的全密实

24、工艺,(1) 粉末锻造（P/F）,（2）金属注射成形（MIM）,（3）热等静压（HIP）,（4）热压,60,6.5.2 常用的粉末冶金材料,1. 硬质合金,硬质合金是指由一种或多种难熔金属的碳化物（如碳化钨、碳化钛等）作为硬质相，用金属粘结剂作为粘结相，经粉末冶金技术制造出来的材料。,（1）WC-Co硬质合金：主要用于加工铸件、非铁金属和非金属材料。 （2）WC-TiC-Co硬质合金 ：适合加工塑性材料如钢材。,61,2. 粉末冶金轴承 烧结金属轴承是指以金属和金属或非金属复合材料使用粉末冶金法制造的滑动轴承，以及钢背-烧结合金双金属轴承。 (1)青铜 ： 青铜耐蚀性极好，延展性足以容许打桩及

25、抗振动负载。 典型应用有：分马力电机、办公机械、农具、计算机及机床。 （2）Fe与Fe-C ： 可用作中等荷载的轴承材料。,62,(3)铁-铜 将铜混合于铁中以改进强度与硬度。铁-铜合金往往用于需要兼有结构与轴承特性的应用。 (4)铁-铜-碳 碳的添加量为0.3%0.9%时 ，可大大强化铁-铜合金 。这种合金具有高的耐磨性与高的抗压强度。 (5)铁-青铜 在青铜中加入40%60%铁可减低原材料费用。为了自润滑，轴承一般含有0.5%1.3%石墨。在轻-中等荷载和中等-高速应用中，诸如分马力电机和器械中，可用它们作为青铜的经济替代品。 (6)铁-石墨 将石墨与铁粉相混合，烧结到低的化合碳含量，从而

26、使大部分石墨可用作润滑剂。为改进自润滑性，可将轴承含浸以油。这种轴承还具有优异的阻尼特性且运转平静。,63,3 粉末冶金摩擦材料 粉末冶金摩擦材料的成分是由三部分组成：（1）基体组元，其中基本组元保证材料的承受能力、热稳定性和耐磨性，它占摩擦材料质量的50%90%。辅助组元则是用来改善基本组元的性能；（2）润滑组元，一般用石墨和铅，也可用铋代替铅，它一般占摩擦材料质量的5%25%，有利于材料的抗卡性能和抗粘结性能，提高材料的耐磨性。（3）摩擦组元，多用二氧化硅、石棉、碳化硅、三氧化二铝、氮化硅等。其作用是可以提高摩擦材料的摩擦系数和耐磨性，防止焊接。,64,粉末冶金摩擦材料分类： （1）铜基：

27、铜基摩擦材料工艺性能好，摩擦系数稳定，抗粘结、抗卡滞性能好。 （2）铁基：摩擦材料在高温高负荷下能显示出更良好的摩擦性能，机械强度高，可在4001100范围内使用。,65,4. 粉末冶金非铁金属机械零件 （1）烧结铜及铜合金 常用的烧结铜基合金有青铜（铜-锡）和黄铜（铜-锌），还有铜-镍-锌、铜-镍、铜-铝等合金系。铜基材料具有耐腐蚀的特点，有一定的强度和韧性，较容易进行加工，采用一般的压制烧结工艺即可生产。 烧结铜基合金多用于制造含油轴承、摩擦材料、电器接点才材料及发汗材料的渗透金属，作为高密度机械零件常用于制作小型齿轮、凸轮、垫圈、螺母等，也可用粉末轧制的方法生产带材。,66,（2）铝烧结制品 铝基材料与铁基、铜基材料的性能相近，但质量轻，节约能源。铝烧结制品与其压铸件相比尺寸精度高、组织均匀，粉末锻造铝基材料的抗拉强度和屈服强度均高于普通铝锻件。铝烧结材料可用做精密机械零件、多孔含油轴承和过滤材料，在交通运输、仪器仪表、家庭用具、宇宙飞行等方面均有应用。,67,（3）烧结钛及钛合金 钛的密度小、强度高、耐蚀性好、使用温度范围广（540-253）。钛基航空结构材料多用于热锻、热等静压、热压、热挤压、粉末轧制等热成形工艺，以增加制品的密度，改善制品的性能。典型的钛基合金为Ti-6Al-4V，用于制造飞机机架配件。,