第9章有色金属及其合金 合金中加入铜和镁是为了形成强化相CuAl2)和S( CuNeAl2),含有少量的锰是为了提高抗 蚀性能,而对时效强化不起作用。 硬铝具有相当高的强度和硬度,经自然时效后强度达到380MPa~490MPa(原始强度 为290MPa~300MPa,提高25%~30%,硬度也明显提高(由70HB~85HB提高到12OHB)。 与此同时仍能保持足够的塑性。常用的硬铝合金有以下几类。 ①铆钉硬铝(如LY1、LY0等):合金中含铜量较低,固溶处理后冷态下塑性较好。 效强化速度慢。故可利用孕育期进行铆接,然后以自然时效提高强度。主要用作铆钉 ②标准硬铝(如LYI):含有中等数量的合金元素,通过淬火与自然时效可获得好的 强化效果。常利用退火后良好的塑性进行冷冲、冷弯、轧压等工艺,以制成锻材、轧衬或 冲压件等半成品。标准硬铝还用作大型铆钉、螺旋桨叶片等重要构件。 ③高强度硬铝(如LY2,LY6):是合金元素含量较高的一类硬铝。在这类合金中,镁 的含量较LYll高(约1.5%),故强化相含量高,因而具有更高的强度和硬度,自然时效后σ 可达500MPa。但承受塑性加工能力较低,可以制作航空模锻件和重要的销轴等。 硬铝合金有两个重要特性在使用或加工时必须注意。 ①抗蚀性差:特别在海水中尤甚。因此需要防护的硬铝部件,其外部都包一层高纯度 铝,制成包铝硬铝材,但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低。 ②固溶处理温度范围很窄:LY11为505℃~510℃,LY12为495℃~503℃,低于此 温度范围固溶处理,固溶体的过饱和度不足,不能发挥最大的时效效果:超过此温度范围 则容易产生晶界熔化。 3.超硬铝合金 -Zn-MgCu系合金是变形铝合金中强度最高的一类铝合金。因其强度高达588MPa 686MPa,超过硬铝合金,故此而得名。LC4、LC6等属于这类合金。由于铝合金中加入锌, 除时效强化相θ和S相外,尚有强化效果很大的MgZn4(相)及(A12Mg2Zn(T相)。 经过适当的固溶处理和120℃左右的人工时效之后,超硬铝的抗拉强度可达600MPa, δ为12%。这类铝合金的缺点也是抗蚀性差,一般也需包覆一层纯铝。其优点是有良好的 焊接性能。该类超硬铝合金可用作受力较大,又要求结构较轻的零件,如飞机的大梁与起 落架等。 4.锻造铝合金 锻造铝合金包括A1Si-MgCu合金和A1Cu-NiFe合金,常用的锻造铝合金有LD2、 LD5、LD0等。它们含合金元素种类多,但含量少。锻造铝合金通常采用固溶处理和人工 时效的方法强化。它们的热塑性优良,故锻造性能甚佳,且力学性能也较好。这类合金主 要用于承受载荷的模锻件以及一些形状复杂的锻件 91.5铸造铝合金 很多重要的零件是用铸造的方法生产的,一方面因为这些零件形状复杂,用其他方法 (如锻造)不易制造:另一方面由于零件体积庞大,用其他方法生产也不经济。 常用铸造铝合金有Al-Si系、A1Cu系、A-Mg系和A-Zn系四大类,其牌号用ZL和 后面加三位数字表示。常用铸造铝合金的牌号、成分及性能见表9-3
第 9 章 有色金属及其合金 ·187· ·187· 合金中加入铜和镁是为了形成强化相 θ(CuAl2)和 S(CuMgAl2)，含有少量的锰是为了提高抗 蚀性能，而对时效强化不起作用。 硬铝具有相当高的强度和硬度，经自然时效后强度达到 380 MPa～490 MPa(原始强度 为 290 MPa～300 MPa)，提高 25%～30%，硬度也明显提高(由 70HB～85HB 提高到 l20HB)。 与此同时仍能保持足够的塑性。常用的硬铝合金有以下几类。 ① 铆钉硬铝(如 LYl、LYl0 等)：合金中含铜量较低，固溶处理后冷态下塑性较好。时 效强化速度慢。故可利用孕育期进行铆接，然后以自然时效提高强度。主要用作铆钉。 ② 标准硬铝(如 LY11)：含有中等数量的合金元素，通过淬火与自然时效可获得好的 强化效果。常利用退火后良好的塑性进行冷冲、冷弯、轧压等工艺，以制成锻材、轧衬或 冲压件等半成品。标准硬铝还用作大型铆钉、螺旋桨叶片等重要构件。 ③ 高强度硬铝(如 LYl2，LY6)：是合金元素含量较高的一类硬铝。在这类合金中，镁 的含量较 LY1l 高(约 1.5%)，故强化相含量高，因而具有更高的强度和硬度，自然时效后σ b 可达 500 MPa。但承受塑性加工能力较低，可以制作航空模锻件和重要的销轴等。 硬铝合金有两个重要特性在使用或加工时必须注意。 ① 抗蚀性差：特别在海水中尤甚。因此需要防护的硬铝部件，其外部都包一层高纯度 铝，制成包铝硬铝材，但是包铝的硬铝热处理后强度较未包铝的为低。 ② 固溶处理温度范围很窄：LY11 为 505℃～510℃，LY12 为 495℃～503℃，低于此 温度范围固溶处理，固溶体的过饱和度不足，不能发挥最大的时效效果；超过此温度范围， 则容易产生晶界熔化。 3. 超硬铝合金 A1-Zn-Mg-Cu 系合金是变形铝合金中强度最高的一类铝合金。因其强度高达 588MPa～ 686MPa，超过硬铝合金，故此而得名。LC4、LC6 等属于这类合金。由于铝合金中加入锌， 除时效强化相 θ 和 S 相外，尚有强化效果很大的 MgZn2( η相)及(A12Mg2Zn3(T 相)。 经过适当的固溶处理和 120℃左右的人工时效之后，超硬铝的抗拉强度可达 600MPa， δ 为 12%。这类铝合金的缺点也是抗蚀性差，一般也需包覆一层纯铝。其优点是有良好的 焊接性能。该类超硬铝合金可用作受力较大，又要求结构较轻的零件，如飞机的大梁与起 落架等。 4. 锻造铝合金 锻造铝合金包括 A1-Si-Mg-Cu 合金和 A1-Cu-Ni-Fe 合金，常用的锻造铝合金有 LD2、 LD5、LDl0 等。它们含合金元素种类多，但含量少。锻造铝合金通常采用固溶处理和人工 时效的方法强化。它们的热塑性优良，故锻造性能甚佳，且力学性能也较好。这类合金主 要用于承受载荷的模锻件以及一些形状复杂的锻件。 9.1.5 铸造铝合金 很多重要的零件是用铸造的方法生产的，一方面因为这些零件形状复杂，用其他方法 (如锻造)不易制造；另一方面由于零件体积庞大，用其他方法生产也不经济。 常用铸造铝合金有 A1-Si 系、A1-Cu 系、Al-Mg 系和 Al-Zn 系四大类，其牌号用 ZL 和 后面加三位数字表示。常用铸造铝合金的牌号、成分及性能见表 9-3
188· 金属学与热处理 对于铸造铝合金,除了要求必要的力学性能和耐蚀性外,还应具有良好的铸造性能 在铸造铝合金中,铸造性能和力学性能配合最佳的是A1-Si合金,又称硅铝明 1.Al-Si铸造合金 简单的A-Si铸造合金,牌号为ZL102,含s=10%13%。如图94所示A-Si相图中 可知,该成分正是共晶成分,因而具有良好的铸造性能(熔点低、流动性好,收缩小)。 =10%-13% 硅铝明 AI11.6 图94A-Si相图 ZL102铸造后的组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体,加上少量的板块状 初晶硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的存在,合金的力学性能不高,ob不超过140MPa 伸长率δ<3%。为此,通过细化组织,以提高强度和塑性。通常采用变质处理,即浇注前 在合金熔液中加入2%~3%的变质剂(钠盐混合物),可使共晶组织细化。且变质处理后的组 织是由初生a固溶体与均匀细小的(a+Si)共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的 ZL102合金的抗拉强度a达180MPa,伸长率可达8%。 简单硅铝明的铸造性能、焊接性能均较好,抗蚀性及耐热性尚可。尽管经变质处理后 可以提高力学性能,但由于硅在铝中的固溶度变化不大,且硅在铝中的扩散速度很快,极 易从固溶体中析出,并聚集长大,时效处理时不能起强化作用。故简单硅铝明强度不高, 仅用于制造形状复杂且受力不大的铸件或薄壁零件,如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳 体等。 为了提高二元铝硅合金的力学性能,常加入Cu、Mg等合金元素,形成时效强化相 并通过热处理强化,进一步提高力学性能。表9-3所示的ZL104、ZL05、ZL10等合金, 在时效后均可获得较高的力学性能,可用作高载荷的发动机零件以及较高温度下工作的铸 件。在ZL109中,由于镁、铜同时加入,出现三种强化相(CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg),合 金时效强化效果很好,并且还使合金的高温强度有所提高,常用作发动机的活塞,有活塞 合金之称。用这类合金制作活塞,不仅结构轻便,铸造性能好,且又耐磨、耐蚀、耐热,膨 胀系数又小,目前在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上应用甚广 如前所述,铸造铝合金除A1-Si系之外,还有A1-Cu、A-Mg、A1-Zn等系列,但由于 所含共晶组织的相对量较少,铸造性能较差,但却各具不同的特点。A1-Cu合金的典型牌 号为ZL20。由于铜和锰的加入,所形成固溶体的溶解度变化较大,经时效后,可成为铸 铝中强度最高的一类,在300℃以下能保持较高的强度。A1-Mg系合金的典型牌号为ZL30l 这类合金具有优良的耐蚀性,又因镁的加入,密度特别小,但铸件中疏松现象严重,常用
·188· 金属学与热处理 ·188· 对于铸造铝合金，除了要求必要的力学性能和耐蚀性外，还应具有良好的铸造性能。 在铸造铝合金中，铸造性能和力学性能配合最佳的是 A1-Si 合金，又称硅铝明。 1. Al-Si 铸造合金 简单的 Al-Si 铸造合金，牌号为 ZL102，含 wSi=l0%～13%。如图 9.4 所示 Al-Si 相图中 可知，该成分正是共晶成分，因而具有良好的铸造性能(熔点低、流动性好，收缩小)。 图 9.4 Al-Si 相图 ZL102 铸造后的组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体，加上少量的板块状 初晶硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的存在，合金的力学性能不高，σb 不超过 140 MPa。 伸长率δ ＜3%。为此，通过细化组织，以提高强度和塑性。通常采用变质处理，即浇注前 在合金熔液中加入 2%～3%的变质剂(钠盐混合物)，可使共晶组织细化。且变质处理后的组 织是由初生 α 固溶体与均匀细小的( α +Si)共晶体所组成的亚共晶组织。因而变质处理后的 ZL102 合金的抗拉强度 σb达 180 MPa，伸长率可达 8%。 简单硅铝明的铸造性能、焊接性能均较好，抗蚀性及耐热性尚可。尽管经变质处理后 可以提高力学性能，但由于硅在铝中的固溶度变化不大，且硅在铝中的扩散速度很快，极 易从固溶体中析出，并聚集长大，时效处理时不能起强化作用。故简单硅铝明强度不高， 仅用于制造形状复杂且受力不大的铸件或薄壁零件，如压铸成形的仪表壳体、抽水机壳 体等。 为了提高二元铝硅合金的力学性能，常加入 Cu、Mg 等合金元素，形成时效强化相。 并通过热处理强化，进一步提高力学性能。表 9-3 所示的 ZL104、ZLl05、ZLl10 等合金， 在时效后均可获得较高的力学性能，可用作高载荷的发动机零件以及较高温度下工作的铸 件。在 ZL109 中，由于镁、铜同时加入，出现三种强化相(CuAl2、Mg2Si、Al2CuMg)，合 金时效强化效果很好，并且还使合金的高温强度有所提高，常用作发动机的活塞，有活塞 合金之称。用这类合金制作活塞,不仅结构轻便，铸造性能好，且又耐磨、耐蚀、耐热，膨 胀系数又小，目前在汽车、拖拉机及各种内燃机的发动机上应用甚广。 如前所述，铸造铝合金除 A1-Si 系之外，还有 A1-Cu、A1-Mg、A1-Zn 等系列, 但由于 所含共晶组织的相对量较少，铸造性能较差，但却各具不同的特点。A1-Cu 合金的典型牌 号为 ZL20l。由于铜和锰的加入，所形成固溶体的溶解度变化较大，经时效后，可成为铸 铝中强度最高的一类，在 300℃以下能保持较高的强度。A1-Mg 系合金的典型牌号为 ZL30l。 这类合金具有优良的耐蚀性，又因镁的加入，密度特别小，但铸件中疏松现象严重，常用
第9章有色金属及其合金 作在海水中承载的铝合金铸件。还因其切削加工后具有高的光洁度,适宜作承受中等载荷 的光学仪器零件 表9-3铸造铝合金的牌号、成分、力学性能和用途 主要成分/% 力学性能 牌号 状态σ 应用举例 Mn其他 ZL10160~8.0 0.2~0.4 T51210260形状复杂的中等负荷 110零件 ZL10210.0~130 1n2|140450|形状复杂的低负荷零 以下工作的 高气密性零件 ZL10480~10 0.7~0.302~0.5 T61240270200℃以下工作的汽缸 ZL054.5~5510~1.5035~06 T5200170225℃以下工作的风冷 T52400.570发动机的汽缸头、油泵 壳体等 L10670~851.0~2.00.2~06102~0.6 T6250190在较高温度下工作的 ZL109110~1300.5~1.50.8-1.5 T1|2000.590在较高温度下工作的 ZL1104.0~60|5.0~8.002~0.5 80在较高温度下工作的 零件如活塞等 175℃~300℃以下工 05~0.35T5340490作的零件 ZL203 4.0~5.0 T510370中等负荷形状简单的 ZL301 9.5~11.5 T42809|60能承受较大振动载荷 的零件 ZL30208~13 1~0.4 耐腐蚀的低载荷零件 注:T1人工时效;T2退火:T4固溶处理;T5固溶处理+部分人工时效:T6固溶处理+完全人工时效 92铜及其合金 铜及其合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛应用。 但铜的储量较小,价格昂贵,属于应该节约使用的材料。铜及其合金中,有80%是以加工 成各种形状供应的,而且50%以上的铜及其合金制品是作为导电材料使用的
第 9 章 有色金属及其合金 ·189· ·189· 作在海水中承载的铝合金铸件。还因其切削加工后具有高的光洁度，适宜作承受中等载荷 的光学仪器零件。 表 9-3 铸造铝合金的牌号、成分、力学性能和用途 主要成分/% 力学性能 牌号 Si Cu Mg Mn 其他 状态 σ b /MPa δ /% HB 应用举例 ZL101 6.0～8.0 0.2～0.4 T5 T6 210 230 2 1 60 70 形状复杂的中等负荷 零件 ZL102 10.0～13.0 T2 T2 140 150 4 3 50 50 形状复杂的低负荷零 件 200℃以下工作的 高气密性零件 ZL104 8.0～ 10.5 0.17～0.3 0.2～0.5 T6 T6 240 230 2 2 70 70 200℃以下工作的汽缸 体、机体等 ZL105 4.5～5.5 1.0～1.5 0.35～0.6 T5 T5 200 240 1 0.5 70 70 225℃以下工作的风冷 发动机的汽缸头、油泵 壳体等 ZL106 7.0～8.5 1.0～2.0 0.2～0.6 0.2～0.6 T6 250 1 90 在较高温度下工作的 零件 ZL109 11.0～13.0 0.5～1.5 0.8～1.5 Ni 0.5～1.5 T1 T6 200 250 0.5 — 90 100 在较高温度下工作的 零件如活塞等 ZL110 4.0～6.0 5.0～8.0 0.2～0.5 T1 150 80 在较高温度下工作的 零件如活塞等 ZL201 4.5～5.3 0.6～1.0 Ti 0.15～0.35 T4 T5 300 340 8 4 70 90 175℃～300℃以下工 作的零件 ZL203 4.0～5.0 T5 220 3 70 中等负荷形状简单的 零件 ZL301 9.5～11.5 T4 280 9 60 能承受较大振动载荷 的零件 ZL302 0.8～1.3 4.5～5.5 0.1～0.4 150 1 55 耐腐蚀的低载荷零件 注：T1 人工时效；T2 退火；T4 固溶处理；T5 固溶处理+部分人工时效；T6 固溶处理+完全人工时效。 9.2 铜及其合金 铜及其合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛应用。 但铜的储量较小，价格昂贵，属于应该节约使用的材料。铜及其合金中，有 80%是以加工 成各种形状供应的，而且 50%以上的铜及其合金制品是作为导电材料使用的
金属学与热处理 921纯铜 铜外观呈紫红色,故又称紫铜,是人类最早使用的金属之一。铜的密度为89×10kg/m3, 熔点为1083℃。纯铜的导电、导热性优良,仅次于银而居第二位,在电气工业及动力机械 工业中获得广泛的应用。铜具有抗磁性,因而用于制造抗磁性干扰的仪器、仪表零件,如 罗盘、航空仪器和瞄准器等零件。纯铜具有面心立方晶格,无同素异构转变,具有良好的 塑性,可以进行冷、热加工。 纯铜在大气、淡水或非氧化性酸液中,具有很高的化学稳定性,但在海水中抗蚀性较 差,在氧化性酸、盐中极易被腐蚀。 纯铜的强度极低,退火态a为250MPa~270MPa,6为35%~45%。经强烈冷加工后, a为392MPa~441MPa,δ下降为1%~3% 工业纯铜按氧的含量和生产方法的不同可分为如下三种。 l)韧铜 含氧量为002%~0.1%的纯铜,用符号“T”加数字表示,常有T1、T2、T3、T4等, 其中顺序号越大,纯度越低。∏、T2主要用作导电材料和熔制高纯度铜合金,T4用作一般 铜材。 2)无氧铜 这种铜是在碳和还原性气体保护下进行熔炼和铸造的,含氧量极低,不大于0.003% 牌号有TUl、TU2,“U”表示无氧,1号和2号无氧铜主要用于电真空器件。 3)脱氧铜 用磷或锰脱氧的铜,分别称为磷脱氧铜或锰脱氧铜,用符号TUP或TUM表示,前者 主要用于焊接结构方面,后者主要用于真空器件方面。用真空去氧得到的无氧铜,称真空 铜(TK) 922铜的合金化 纯铜强度不高,用加工硬化方法虽可提高铜的强度,但塑性大大下降。因此常用合金 化来获得强度较高的铜合金,作为结构材料。加入合金元素使铜的强度提高,主要通过以 下方式 ①固溶强化:最常用的固溶强化元素为Zn、Si、Al、Ni等,形成置换固溶体。 ②热处理强化:Be、Si等元素在铜中的溶解度随温度的降低而减小。因而,合金元 素加入铜中后,可使合金具有时效强化的性能 ③过剩相强化:当合金元素超过最大溶解度后,便会出现过剩相。过剩相多为硬而脆 的金属间化合物。数量少时,可使强度提高,塑性降低;数量多时,会使强度和塑性同时 92.3黄铜 以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜(Cu-Zn合金)。黄铜具有优良的力学性能,易 于加工成形,并对大气有相当好的耐蚀性,且色泽美观,因而在工业上应用广泛
·190· 金属学与热处理 ·190· 9.2.1 纯铜 纯铜外观呈紫红色，故又称紫铜，是人类最早使用的金属之一。铜的密度为 8.9×103 kg/m3 ， 熔点为 1083℃。纯铜的导电、导热性优良，仅次于银而居第二位，在电气工业及动力机械 工业中获得广泛的应用。铜具有抗磁性，因而用于制造抗磁性干扰的仪器、仪表零件，如 罗盘、航空仪器和瞄准器等零件。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，具有良好的 塑性，可以进行冷、热加工。 纯铜在大气、淡水或非氧化性酸液中，具有很高的化学稳定性，但在海水中抗蚀性较 差，在氧化性酸、盐中极易被腐蚀。 纯铜的强度极低，退火态 σb为 250 MPa～270 MPa，δ 为 35%～45%。经强烈冷加工后， σb为 392 MPa～441 MPa，δ 下降为 1%～3%。 工业纯铜按氧的含量和生产方法的不同可分为如下三种。 1) 韧铜 含氧量为 0.02%～0.1%的纯铜，用符号“T”加数字表示，常有 T1、T2、T3、T4 等， 其中顺序号越大，纯度越低。Tl、T2 主要用作导电材料和熔制高纯度铜合金，T4 用作一般 铜材。 2) 无氧铜 这种铜是在碳和还原性气体保护下进行熔炼和铸造的，含氧量极低，不大于 0.003%。 牌号有 TUl、TU2，“U”表示无氧，1 号和 2 号无氧铜主要用于电真空器件。 3) 脱氧铜 用磷或锰脱氧的铜，分别称为磷脱氧铜或锰脱氧铜，用符号 TUP 或 TUMn 表示，前者 主要用于焊接结构方面，后者主要用于真空器件方面。用真空去氧得到的无氧铜，称真空 铜(TK)。 9.2.2 铜的合金化 纯铜强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但塑性大大下降。因此常用合金 化来获得强度较高的铜合金，作为结构材料。加入合金元素使铜的强度提高，主要通过以 下方式。 ① 固溶强化：最常用的固溶强化元素为 Zn、Si、Al、Ni 等，形成置换固溶体。 ② 热处理强化：Be、Si 等元素在铜中的溶解度随温度的降低而减小。因而，合金元 素加入铜中后，可使合金具有时效强化的性能。 ③ 过剩相强化：当合金元素超过最大溶解度后，便会出现过剩相。过剩相多为硬而脆 的金属间化合物。数量少时，可使强度提高，塑性降低；数量多时，会使强度和塑性同时 降低。 9.2.3 黄铜 以锌作为主要合金元素的铜合金称为黄铜(Cu-Zn 合金)。黄铜具有优良的力学性能，易 于加工成形，并对大气有相当好的耐蚀性，且色泽美观，因而在工业上应用广泛