第5章 航空工程非铁合金.pdf

崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 目 录 0303 钛及钛合金 0606 滑动轴承合金 0101 铝及铝合金 0202 铜及铜合金 0404 镁及镁合金 0505 镍及镍合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.1工业纯铝 铝是一种具有银白色光泽的金属，熔点为660，密度为2.7g/cm3，约为纯铜的1/3。其导电性、导热性仅次于银和铜居第三位。可用来制造导线、电缆等各种导电制品和散热元件。在大气和淡水中抗腐蚀性能好（因为其表面易形成致密的氧化铝膜，能阻止内部金属的进一步氧化），铝与浓硝酸、有机酸及食品基本不起反应。但其氧化膜在碱和盐溶液的耐蚀性低，在热硝酸和硫酸中也极易溶解。铝呈面心立方结构，强度低，塑性高，可进行各种冷、热加工，能轧制成很薄的铝箔和冷拔成极细的丝，焊接性能良好。工业纯铝不能热处理强化，可通过冷变形提高强度，惟一的热处理形式是退火。退火板材的Rm=80100MPa，ReL=3050MPa，A=35%40%。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.2铝合金的分类（1）变形铝合金 位于相图（图5.1）中D点以左成分的合金，加热时能形成单相固溶体，其塑性较高，适用于压力加工，故称为变形铝合金。（2）铸造合金 位于相图（图5.1）中D点以右成分的合金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，其高温强度也较高，可以防止热裂现象，故适于铸造，称之为铸造铝合金。图5.1 铝合金分类示意图-变形铝合金 -热处理不可强化铝合金-热处理可强化铝合金 -铸造铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.3变形铝及铝合金 变形铝及铝合金采用国际四位数字体系牌号可直接引用，未命名为国际四位数字体系牌号的应采用四位字符体系命名。铝含量不低于99.00%时为纯铝，其牌号用1系列表示。当最低铝百分含量精确到0.01%时，四位字符体系牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况。如果第二位字母为A，则表示原始纯铝；如果BY的其他字母，则表示为原始纯铝的改型，与原始纯铝相比，其元素含量略有改变。1.变形铝及铝合金的牌号 变形铝合金牌号用2系9系表示。四位字符体系牌号第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母（C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外）。第一位数字表示铝及铝合金的组别，后两位数字没有特殊意义。除改型合金外，铝合金组别按主要合金元素（6系按Mg2Si）来确定。主要合金元素指极限含量算术平均值为最大的合金元素。当有一个以上的合金元素极限含量算术平均值同为最大时，应按Cu、Mn、Si、Mg、Mg2Si、Zn、其它元素的顺序来确定合金组别。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 变形铝牌号表示方法 变形铝合金牌号表示方法 5.1.3变形铝及铝合金 1.变形铝及铝合金的牌号 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 变形铝合金的旧牌号采用汉语拼音字母加顺序号表示，防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金牌号分别为“LF”（防锈）、“LY”（硬铝）、“LC”（超硬）、“LD”（锻铝）。表5.2 变形铝合金的新旧牌号对照 5.1.3变形铝及铝合金 1.变形铝及铝合金的牌号 组别组别 牌号系列牌号系列 纯铝（铝含量不小于99.00%）1 以铜为主要合金元素的铝合金 2 以锰为主要合金元素的铝合金 3 以硅为主要合金元素的铝合金 4 以镁为主要合金元素的铝合金 5 以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相铝合金 6 以锌为主要合金元素的铝合金 7 以其他为主要合金元素的铝合金 8 备用合金组 9 旧牌号旧牌号 新牌号新牌号 旧牌号旧牌号 新牌号新牌号 LF21 3A21 LC3 7A03 LF2 5A02 LC4 7A04 LF3 5A03 LC9 7A09 LF6 5A06 LD2 6A02 LY1 2A01 LD5 2A50 LY2 2A02 LD6 2B50 LY6 2A06 LD7 2A70 LY10 2A10 LD8 2A80 LY11 2A11 LD9 2A90 LY12 2A12 LD10 2A14 LY16 2A16 表5.1 铝及铝合金的组别 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.常用的变形铝合金（1）2系合金 2铝合金是Al-Cu系可热处理强化的铝合金，包括Al-Cu-Mg-（Mn）、Al-Cu-Mg-Fe-Ni、Al-Cu-Mn和Al-Cu-Mg-Si四系。合金的特点是强度高，通常称为硬铝合金。其耐热性能和加工性能良好，但耐蚀性不如大多数其他铝合金，在一定条件下会产生晶间腐蚀，因此，板材往往需要包覆一层纯铝或对芯板有电化学保护的铝合金，以提高其耐腐蚀性能。2524-T3是一种高损伤容限型铝合金，F-35选用该材料制造蒙皮，B777飞机则大量选用该合金制造机身蒙皮和后舱壁。（2）3系合金 3合金是Al-Mn系不可热处理强化的铝合金。Mn既能提高合金力学性能，又不使耐蚀性下降。添加少量Cu有利于将点腐蚀变为全面腐蚀。3合金有很好的塑性好，焊接性能好，耐蚀性接近于纯铝。5.1.3变形铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.常用的变形铝合金（3）4系合金 4铝合金是A1-Si系合金，该系合金大多数属于不可热处理强化铝合金。该系合金熔点低，熔体流动性好，易补缩，并且不会使最终产品产生脆性，主要用作铝合金焊接材料，如钎焊板、焊条和焊丝等。添加少量Mg、Cu和Ni有助于提高硬度和高温强度，用于制造活塞和高温工作零件。含Si量4.5%6.5%之间的合金经阳极化后呈灰色，适宜制作建筑材料及装饰件。（4）5系合金 5系合金是Al-Mg系不可热处理强化的铝合金。该系合金密度小，强度和韧性较好，耐大气和海水腐蚀性能优良。一般含Mg量控制在2%9%之间，以保持合金的塑性和可焊性。含Mg量超过9%，压力加工困难。添加少量Mn、Cr能改善合金的抗蚀性与可焊接性，还有一定的强化作用；Ti、V一般用来细化晶粒；Be可减少合金热加工过程中的氧化倾向。5.1.3变形铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.常用的变形铝合金（5）6系合金 6属于可热处理强化铝合金。合金强度中等，耐蚀性好，无应力腐蚀倾向，焊接性能良好，焊接区腐蚀性能不变。加入Cu使合金的室温强度和耐热性明显增加，塑性有所降低，耐蚀性变差。6系合金应用最广的是6061和6063，主要产品为挤压型材，广泛用作建筑型材。（6）7系合金 7合金系A1-Zn系可热处理强化铝合金，包括A1-Zn、Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu合金。Al-Zn-Mg合金具有良好的热变形性能，淬火范围较宽，在适当的热处理条件下可获得较高强度，焊接性能良好，是高强可焊铝合金；Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基础上添加Cu发展起来的，强度高于2，一般称为超高强度铝合金。屈强比、比强度高，塑性和高温强度较低，宜做常温下使用的结构件。7050具有极高的强度及抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀的性能。常用于飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件。7150和7055合金是在7050合金基础上改进的两种新型高强铝合金，主要用于制造翼梁、龙骨梁、长桁、座椅滑轨等。5.1.3变形铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表5.3 部分变形铝合金的牌号及应用 5.1.3变形铝及铝合金 牌号牌号 应用应用 2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品 2014 高强度与高硬度的场合，如飞机重型锻件、厚板 2618 高温下工作的锻件，如内燃机活塞，航空发动机汽缸、汽缸盖、轮盘等 2A11 飞机中等强度的结构件、螺旋桨叶片、铆钉等 2A70 高温下工作的航空发动机活塞、导风轮、轮盘等 3003 适用于要求可塑性、可焊性良好，抗蚀性较高的低载荷零件 3A21 塑性好、焊接性能良好，用于要求深冲压、受力不大的零件，如油箱、油管、铆钉等 4032 耐热性、耐磨性良好，热胀系数小，用于制作活塞、汽缸头等 4043 熔点低、流动性好、耐蚀性好，可做铝合金焊接材料。经阳极化后呈灰色，适宜制作建筑材料及装饰件 5052 中等强度，具有良好的塑性、抗蚀性、焊接性、疲劳强度，用于制造飞机油箱、油管等 5A05 受力零件，焊接油箱、油管，飞机蒙皮骨架等 6061 中等强度，具有良好的可塑性、可焊接性和耐蚀性，特别是无应力腐蚀开裂倾向，可制作卡车、铁道车辆、集装箱、家具等用的管、棒、型材。可阳极氧化着色，也可涂漆上珐琅，适应作建筑装饰材料。6101 公共汽车、地铁用高强度棒材、高强度母线、导电体与散热装置等 6A02 飞机发动机零件，形状复杂的锻件与模锻件，要求有高塑性和高抗蚀性的机械零件 7005 用于制造既要求高强度又要求高断裂韧性的焊接结构，如交通运输车辆的桁架、杆件、容器；大型热交换器以及焊接后不能进行固熔处理的部件；还可用于制造体育器材，如网球拍与垒球棒 7050 具有极高的强度及抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂的性能。常用于飞机结构件用于中厚板挤压件、自由锻打件与模锻件。7A04 结构中主要受力件，如飞机大梁、桁架、蒙皮、起落架等 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铸造纯铝的牌号表示方法按GB/T8063-2017规定进行。牌号由铸造代号“Z”、Al元素符号及Al的名义含量的数字组成。如ZAl99.5。1.铸造铝及铝合金的牌号 5.1.4铸造铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铸造铝合金牌号由“Z”和基体金属的元素符号、主要合金元素符号以及表明合金元素名义含量的数字组成。当合金元素多于2个时，合金牌号中应列出足以表明合金主要特性的元素符号及其名义含量的数字。合金元素符号按其名义含量递减的次序排列。当名义含量相等时，则按元素符号字母顺序排列。1.铸造铝及铝合金的牌号 5.1.4铸造铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铸造铝合金的代号按GB/T 1173-2013 规定进行。其代号是由表示铸铝的汉语拼音字母“ZL”及其后面的三个阿拉伯数字组成。ZL后面第一位数字表示合金的系列，其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金，ZL后面第二、三位数字表示合金的顺序号。优质合金在其代号后附加字母“A”。如ZL102。1.铸造铝及铝合金的牌号 5.1.4铸造铝及铝合金 铸造铝合金牌号也可采用国际上通用四位数字标记法。第一位数字代表合金系。中间两位数字表示不同合金，小数点后的数字代表产品形式，0为铸件，1为铸锭。四位数字前的字母表示合金改型。如356.0、A356.0。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）铝-硅系 在Al-Si系铸造铝合金中，仅含有Si（通常含10%13%Si）的铝合金称为简单硅铝明，代号为ZL102。成分位于共晶点附近，铸造性能好，铸造后几乎全部为（+Si）共晶体组织。主要缺点是强度低，且不能热处理强化。由于ZL102铸造后的组织为粗大的针状共晶硅，使合金的强度和塑性都很低，因此，在合金中铸造过程加入变质剂以细化组织，改善合金的力学性能。简单硅铝明可用于制造形状复杂但承受载荷较小的铸件，如仪表外壳。为了进一步提高铝硅系合金的强度，满足较大负荷零件的要求，合金中常加入铜、锰、镁等元素，由此得到的铸造铝硅合金称为复杂硅铝明。通过固溶+时效处理，形成时效强化相，进一步提高合金的力学性能。复杂硅铝明用于制造形状复杂的承受低、中等载荷的铸件，如内燃机活塞。2.常用铸造铝合金 5.1.4铸造铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）铝-铜系 Al-Cu系铸造铝合金具有较高的强度和耐热性，耐蚀性差，铸造性能不好，有热裂倾向。由于铜在铝中有较大的溶解度，且随温度的改变而改变，因此可进行热处理强化。这类合金主要用于制造在较高温度下工作且要求较高强度的零件。ZL201是典型的铸造铝合金，可用于300以下工作的形状简单的铸件，如活塞、增压器的导风叶轮。2.常用铸造铝合金 5.1.4铸造铝及铝合金（3）铝-镁系 Al-Mg系铸造合金的特点是密度小，强度高，比其它铸造铝合金耐蚀性好。但铸造性能不如铝硅合金好，流动性差，线收缩率大，铸造工艺复杂。多用于制造承受冲击载荷，耐海水腐蚀，外型不太复杂便于铸造的零件，如舰船零件。常用有ZL301、ZL303两种，其中应用最广的是ZL301。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）铝-锌系 Al-Zn系铸造合金铸造性能很好，强度较高，焊接和切削加工性能好，价格低廉，但密度较大，耐蚀性较差。由于在铸造条件下锌原子很难从过饱和固溶体中析出，因而合金铸造冷却时能够自行淬火，经自然时效后就有较高的强度。该合金可以在不经热处理的铸态下直接使用，常用于汽车、拖拉机发动机的零件。常用有ZL401、ZL402。2.常用铸造铝合金 5.1.4铸造铝及铝合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表5.4 部分铸造铝合金的牌号、机械性能及用途（GB/T 1173-2013）5.1.4铸造铝及铝合金 类别 牌号 代号 铸造方法 合金 状态 力学性能（）用途 Rm(MPa)A(%)HBW Al-Si合金 ZAlSi7Mg ZL101 JB T4 185 4 50 形状复杂的零件，如飞机、仪器零件、抽水机壳体 J、JB T5 205 2 60 SB、RB、KB T5 195 2 60 SB、RB、KB T6 225 1 70 SB、RB、KB T7 195 2 60 ZAlSi12 ZL102 SB、JB、RB、KB T2 135 4 50 仪表、抽水机壳等形状复杂零件 ZAlSi9Mg ZL104 SB、JB、RB、KB T6 230 2 70 形状复杂工作温度为200以下的零件，如电动机壳体、汽缸体 J、JB T6 240 2 70 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表5.4 部分铸造铝合金的牌号、机械性能及用途（续）5.1.4铸造铝及铝合金 类别 牌号 代号 铸造方法 合金 状态 力学性能（）用途 Rm(MPa)A(%)HBW Al-Cu合金 ZAlCu5Mn ZL201 S、J、R、K T4 295 8 70 工作温度在175300的零件，如内燃机汽缸头、活塞 S、J、R、K T5 335 4 90 S T7 315 2 80 ZAlCu4 ZL203 S、R、K T4 195 6 60 需有高强度、高塑性的零件以及工作温度不超过200并要求切削性能好的小零件 J T4 205 6 60 S、R、K T5 215 3 70 J T5 225 3 70 Al-Mg合金 ZAlMg10 ZL301 S、J、R T4 280 9 60 大气或海水中工作的零件，承受冲击载荷、外形不大复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等 Al-Zn合金 ZAlZn11Si7 ZL401 S、R、K T1 195 2 80 压力铸造零件，工作温度不超过200的结构形状复杂的汽车、飞机零件 J T1 245 1.5 90 注：S：砂型铸造，J：金属型铸造，R：熔模铸造，K：壳型铸造，B：变质处理。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）固溶强化 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，起到固溶强化的作用。根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或高浓度的固溶体型合金时，不仅能获得较高的强度，而且还能保持良好的塑性，压力加工性能优良。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的极限溶解度，因此具有较大的固溶强化效果。（2）时效强化 在固溶度随温度降低而减小的合金中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体，此时合金的强度、硬度并没有明显升高，这种热处理称为固溶处理。过饱和固溶体在一定温度下，随着时间的延长，析出第二相而使合金的强度、硬度将显著升高，这一过程称为时效强化。室温下的时效称为自然时效，加热条件下的时效称为人工时效。5.1.5铝合金的强化 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）过剩相强化 如果铝中加入合金元素的数量超过了极限溶解度，固溶加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称为过剩相。在铝合金中，这些过剩相通常是硬而脆的金属间化合物。它们在合金中其阻碍位错运动的作用，使强度和硬度升高，塑性和韧性下降。在生产中常常采用这种方式来强化铸造铝合金和耐热铝合金。（4）细化组织强化及变质处理 细化组织包括细化铝合金固溶体和过剩相组织。铸造铝合金中常加入变质剂来细化合金组织，提高强度和塑性。变质处理对于热处理不能强化或强化效果不大的铝合金，具有特别重要的意义，如ZL102加入23%的变质剂进行变质处理，组织细化，可显著提高塑性和强度。变形铝合金中加入微量的Ti、Zr、Be及RE能形成难熔化合物，在结晶过程中作为形核中心，起到细化晶粒作用，提高合金强度和塑性。5.1.5铝合金的强化 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.6铝合金在飞机上的应用 表5.5 不同时期飞机选材结构比例 机型 服役时间 铝合金/%钛合金/%钢/%复合材料/%其他/%F-14 1974 39 24 17 1 19 F-15 1976 36 27 6 2 29 F-16 1978 83 2 5 3 7 F/A-18A/B 1980 50 12 15 9.5 13.5 F/A-18C/D 1986 50 13 16 10 11 F/A-18E/F 2002 29 15 14 23 19 F-22 2005 15 38.8 5 24 17.2 B-1 1986 41 21 9 29 0 B-2 1991 19 26 6 38 11 C-17 1992 69.3 10.3 12.3 8.1 0 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.6铝合金在飞机上的应用 表5.5 不同时期飞机选材结构比例（续）机型 服役时间 铝合金/%钛合金/%钢/%复合材料/%其他/%B747 1970 81 4 13 1 1 B757 1983 78 6 12 3 1 B767 1982 80 2 14 3 1 B777 1995 70 7 10 10 3 A320 1988 76.5 4.5 13.5 5.5 0 A340 1993 75 6 8 8 3 A380 2007 60 10 4 25 1 B787 2011 20 15 10 50 5 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.1.6铝合金在飞机上的应用 表5.6 铝合金在B777上的应用 序号 应用部位 选用材料及状态 1 上翼面蒙皮 7055-T7751 2 翼梁、长桁、龙骨、座椅滑轨 7150-T77511 3 长桁 7055-T77511 4 机翼前缘壁板、起落架舱门 玻璃-碳/环氧混杂复合材料 5 锻件 7150-T77 6 襟翼滑轨、起落架轮托架 Ti-10-2-3 7 机身蒙皮 C-188-T3 8 地板梁、尾翼翼盒 T800/3900-2 9 起落架 高强度钢 10 轮胎 Michelin AIR X子午线轮胎 11 尾喷管、尾椎、后整流罩 21S 12 刹车片 碳-碳复合材料 13 雷达天线罩 S-2玻纤环氧复合材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铜及铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.2.1纯铜及其合金化 纯铜呈玫红色，表面氧化后呈紫红色，故俗称紫铜，它的相对密度为8.94g/cm3，熔点为1083，具有面心立方晶格结构，无同素异构转变。纯铜的导电性和导热性优良，仅次于银，居于第二位。化学稳定性好，在大气、淡水及非氧化性酸中均有优良的抗蚀性，但在海水中的抗蚀性较差，在氧化性酸、盐中易被腐蚀。纯铜在含有CO2的湿空气中，表面将产生碱性碳酸盐的绿色薄膜，又称铜绿。纯铜强度不高，硬度很低，不宜直接作为结构材料。纯铜主要用于制作导电、导热元件及配制铜合金。铜具有抗磁性，用于制造抗磁干扰的仪器、仪表零件，如罗盘、航空仪表等。纯铜的主要杂质有Pb、Bi、O、S、As、P等，它们都将降低纯铜的导电性。1.纯铜 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 纯铜一般指纯度高于99.70%工业用金属铜。纯铜牌号以“T+顺序号”或“T+第一主添加元素化学符号+各添加元素含量（数字间以“-”隔开）”命名。如T2表示铜含量99.90%的二号纯铜；TAg0.1-0.01表示银含量为0.08%0.12%、磷含量为0.004%0.012%的银铜。无氧铜是指不含氧化亚铜亦不含任何脱氧剂残留物的铜。以“TU+顺序号”命名，如TU00、TU0、TU1等。以Ag和Zr脱氧而制得的无氧铜分别用TUAg及TUZr表示，如TU00Ag0.06、TUAg0.03、TUZr0.15。弥散强化铜是指加入超细的弥散相粒子以获得强化效果的铜，如TUAl0.12表示加入超细的Al2O3粒子获得弥散无氧铜。脱氧铜不含氧化亚铜，但含有一定的金属或非金属脱氧剂（如P、Li、B、Ca）的铜。磷脱氧铜是最常用的脱氧铜，以“TP+顺序号”命名。无氧铜及脱氧铜的特点是含氧量极低，无“氢脆”现象。有更高的导电性、导热性、耐蚀性、可焊性、塑性，主要用于电真空件。5.2.1纯铜及其合金化 1.纯铜 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.2.1纯铜及其合金化 2.铜的合金化 以铜为基体金属，主要由铜和锌组成的合金，称为黄铜。黄铜可含有或不含有其他合金元素。不含用其他合金元素的黄铜称为简单黄铜（或称普通黄铜）；含有其他合金元素的黄铜称为复杂黄铜（或称特殊黄铜），或依据第二合金元素命名，如镍黄铜、铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、锰黄铜、铁黄铜、硅黄铜等。当含有其他合金元素时，锌含量应占优势，超过其他任一合金元素；镍含量不超过6.5%；锡含量不超过3.0%；其他合金元素含量不做规定。黄铜（1）加工铜合金 微合金化铜与高铜合金 含有少量特意加入的某些元素，以获得特定性能的铜称为微合金化铜。铜含量一般不低于99.3%。以铜为基体金属，加入一种或几种微量元素以获得某些预定特性的合金称为高铜合金。用于冷、热压力加工的高铜，铜含量一般在96.0%99.3%的范围内。牌号以“T+顺序号”或“T+第一主添加元素化学符号+各添加元素含量（数字间以“-”隔开）”命名。用于铸造的高铜，一般铜含量大于94%。高铜合金的牌号与微合金化铜的牌号表示方法相同。如TCr1-0.15表示铬含量为0.50%1.5%、锆含量为0.05%0.25%的铬铜。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 青铜 以铜为基体金属，除锌和镍以外，其他元素为主添加元素的合金，称为青铜。根据主添加元素不同，可分为锡青铜、铝青铜、铬青铜、锰青铜、硅青铜等。青铜中可含有或不含有主添加元素以外的其他合金元素。当含有其他合金元素时，主添加元素含量应占优势，超过其他任一合金元素。硅青铜中，镍含量可大于硅含量，但不应大于5%。锡青铜中，当锡含量在3.0%以上时，锌含量可等于或大于锡含量，但不应大于10%。青铜以“Q+第一主添加元素的化学符号+各添加元素的含量（数字间以“-”隔开）”命名。例如含锡6.0%7.0%，磷0.10%0.25%的锡磷青铜表示为QSn6.5-0.1。5.2.1纯铜及其合金化 2.铜的合金化（1）加工铜合金 普通黄铜以“H+铜含量”命名，例如，铜含量为63.5%68.0%的普通黄铜表示为H65。特殊黄铜以“H+第二主加元素的化学符号+铜含量+除锌以外的各添加元素含量（数字间以“-”隔开）”命名。例如，铅含量为0.8%1.9%，铜含量为57.0%60.0%的铅黄铜表示为HPb59-1。黄铜 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 以铜为基体金属，主要由铜和镍组成的合金，称为白铜。白铜中可含有或不含有其他合金元素。不含有其他合金元素的白铜称为简单白铜；含有其他合金元素的白铜称为复杂白铜，或依据第二合金元素命名，如铁白铜、锰白铜、铝白铜、锌白铜等。当含有其他合金元素时，镍含量应占优势，超过其他任一合金元素，但当镍含量小于4%时，锰含量可以超过镍含量。普通白铜以“B+镍含量”命名，如B30表示镍（含钴）含量为29%33%的白铜。复杂黄铜以“B+第二主添加元素化学符号+镍含量+各添加元素含量（数字间以“-”隔开）”命名。如BFe10-1-1表示镍含量为9.0%11.0%、铁含量为为1.0%1.5%、锰含量为为0.5%1.0%的铁白铜。白铜 5.2.1纯铜及其合金化 2.铜的合金化（1）加工铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 铸造铜及铜合金牌号表示方法应符合GB/T 8063-2017的规定。铸造有色合金牌号由“Z”和基体金属的元素符号、主要合金元素符号以及表明合金元素名义含量的数字组成，如ZCuSn3Zn8Pb6Ni1。采用合金中主要元素的质量分数命名，如3-8-6-1锡青铜、38黄铜、25-6-3-3铅黄铜等。根据GB/T 29091-2012，在加工铜及铜合金牌号的命名方法的基础上，牌号的最前冠以“铸造”一词汉语拼音的第一个大写字母“Z”，如ZH62。5.2.1纯铜及其合金化 2.铜的合金化（2）铸造铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.黄铜 黄铜具有良好的力学性能，易加工成形，并对大气、海水有相当好的抗蚀能力，而且价格比较低。当锌含量小于30%时，抗拉强度和断后伸长率均增大。锌含量30%32%范围时，断后伸长率达到最大值。之后，塑性急剧下降。当锌含量超过47%时，强度和塑性均很低，已无实用价值。5.2.2常用铜合金 单相黄铜（黄铜）塑性好，可进行冷、热加工，并具有良好的焊接性能。其中H70、H68称为三七黄铜，常用作弹壳，故又称弹壳黄铜。两相黄铜（+黄铜）的强度比单相黄铜高，在室温下塑性较差，只宜进行热轧或热冲压成型。常用的有H62、H59等，可用作散热器、机械、电器零件。图5.3 Zn含量对黄铜力学性能的影响 黄铜的耐蚀性与纯铜相近，在大气和淡水中是稳定的，在海水耐蚀性稍差。黄铜的主要腐蚀形式是“脱锌”和“季裂”。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.黄铜 在普通黄铜基础上，加入锡、铅、铝、锰、硅、铁等合金元素构成三元、四元、甚至五元合金，即为特殊黄铜。锡黄铜加入锡主要用于提高黄铜的耐蚀性，广泛用于船舶零件。铝黄铜加入铝主要用于提高黄铜的强度、硬度和耐磨性。铅黄铜加入铅主要用于提高黄铜的切削加工性和耐磨性。锰黄铜加入锰主要用于提高黄铜的力学性能和耐热性，同时也提高在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。硅黄铜加入硅主要用于提高黄铜的力学性能和耐磨性，同时也提高铸造性能和耐蚀性。5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表5.7黄铜的牌号、主要特性及用途 类别类别 牌号牌号 主要特性主要特性 用途用途 普 通 黄 铜 H95 强度比紫铜高，导热、导电性好，在大气和淡水中有高的耐蚀性，且有良好的塑性，易于冷、热压力加工，易于焊接、锻造和镀锡，无应力腐蚀破裂倾向。在一般机械制造中用作导管、冷凝管、散热器管、散热片、汽车水箱带以及导电零件等。H68 有良好的塑性和较高的强度，切削加工性能好，易焊接，但在冷作硬化状态下有季裂倾向。用于复杂的冷冲件和深冲件，如散热器外壳、导管、波纹管、弹壳、垫片、雷管等。H62 有良好的力学性能，热态下塑性好，冷态下塑性也可以，切削性好，易焊接，耐蚀性好，但在冷作硬化状态下有季裂倾向。用于的受力零件，如销钉、铆钉、垫圈、螺母、导管、气压表弹簧、筛网、散热器零件等。1.黄铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 类别类别 牌号牌号 主要特性主要特性 用途用途 特 殊 黄 铜 HSn62-1 在海水中有高的耐蚀性，有良好的力学性能，冷加工时有冷脆性，只适用于热压加工，切削性好，易焊接，但有季裂倾向。用作海水或汽油接触的船舶零件或其它零件。HPb59-1 切削性好，有良好的力学性能，能承受冷、热压力加工，易焊接，对一般腐蚀有良好的稳定性，但有季裂倾向。适于以热冲压和切削加工制作的各种结构零件，如螺钉、垫圈、垫片、衬套、螺母、喷嘴等。HMn58-2 在海水和过热蒸汽、氯化物中有高的耐蚀性，但有季裂倾向；力学性能良好，导热导电性低，易于在热态下进行压力加工，冷态下压力加工性尚可。用于腐蚀条件下工作的重要零件和弱电流工业用零件。HA177-2 有高的强度和硬度，塑性良好，可在热态冷态下进行压力加工，对海水及盐水有良好的耐蚀性，并耐冲击腐蚀，但有脱锌及季裂倾向。在船舶和海滨热电站中用作冷凝管以及其它耐蚀零件。铸 造 黄 铜 ZCuZn40Mn3Fe1（40-3-1锰黄铜）有高的力学性能,良好的铸造性能和可切削性能，在空气、淡水和海水中耐蚀性较好，有应力腐蚀开裂倾向。轮廓不复杂的重要零件，海轮上在以下工作的管配件、螺旋桨等大型铸件。ZCuZn25Al6Fe3Mn3（25-6-3-3铝黄铜）有很高的力学性能，铸造性能良好，耐蚀性较好，有季裂倾向，可以焊接。适用高强、耐磨零件，如螺母、螺杆、耐磨板、滑块和蜗轮、衬套等。ZCuZn16Si4（16-4铝黄铜）具有较高的力学性能和良好的耐蚀性，铸造性能好；流动性高，铸件组织致密，气密性好。接触海水工作的管配件以及水泵、叶轮、旋塞和在空气、淡水、油、燃料，以及工作压力4.5MPa、250以下蒸气中工作的铸件。表5.7黄铜的牌号、主要特性及用途（续）1.黄铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.青铜 以铜为基体金属，除锌和镍以外，其他元素为主添加元素的合金，称为青铜（1）锡青铜 以锡为主要合金元素的铜合金。当锡的质量分数小于6%时，合金呈单相固溶体，强度随锡含量的增加显著提高，塑性变化不大，适宜进行冷、热压力加工。当锡含量超过6%，组织中可能出现（+）共析体，相是一个硬而脆的相，虽然强度继续升高，但塑性却急剧下降，已不适宜压力加工，只适合铸造。当锡的质量分数超过20%时，不仅塑性极低，且强度急剧降低，工业上无实用价值，以前只用来铸钟。工业用锡青铜锡的质量分数一般为3%14%。图5.4 含锡量与铸造锡青铜力学性能关系曲线 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.青铜（1）锡青铜 锡青铜在大气、海水、淡水以及水蒸气中抗蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。锡青铜的结晶温度范围很宽，流动性差，易形成树枝状偏析和分散缩孔，收缩率很小，有利于获得接近铸型的铸件。但铸件的致密性差，在高压下易渗漏。锡青铜中还可以加入其它合金元素以改善性能。例如，加入锌可以提高流动性，并可以通过固溶强化作用提高合金强度。加入铅可以使合金的组织中存在软而细小的黑灰色铅夹杂物，提高锡青铜的耐磨性和切削加工性。加入磷，可以提高合金的流动性，并生成Cu3P硬质点，提高合金的耐磨性。5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）铝青铜 以铝为主加元素的铜合金。铝青铜的强度和耐磨性均高于黄铜和锡青铜。当铝含量小于8%时，组织为单相固溶体，随着铝含量的增加，强度提高，塑性良好，适于冷、热变形加工。当铝含量大于8%时，塑性强烈降低，原因是组织中出现了含脆性相的共析体，能承受热压力加工，主要用挤压法获得制品。铝的质量分数一般为5%10%。铝青铜的结晶温度范围小，不易产生成分偏析，而且流动性好，分散缩孔倾向小，易获得致密铸件，但收缩率大。铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性。在过热蒸汽中，铝青铜的耐蚀性差。铝青铜可制造齿轮、轴套、蜗轮等高强度、耐磨的零件以及弹簧和其它耐蚀元件。图5.5 含铝量与铝青铜力学性能关系曲线 2.青铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表5.8 常用青铜的牌号、主要特性和用途 类别类别 牌号牌号 主要特性主要特性 用途用途 锡青铜 QSn4-3 耐磨性和弹性高，抗磁性良好，冷热加工性能好；在硬态下，可切削性好，易焊接，在大气，淡水和海水中耐蚀性好。用于制作弹簧及其他弹性元件、化工设备上的耐蚀零件、及耐磨零件、抗磁零件和造纸工业用的刮刀。QSn4-4-4 有高的减摩性和良好的可加工性，易于焊接，在大气、淡水中具有良好耐蚀性，只能在冷态下进行加工，因含铅，热加工时易引起热脆。用于制作在摩擦条件下工作的轴承、卷边轴套、衬套、圆盘以及衬套的内垫等。QSn6.5-0.1 有高的强度、弹性、耐磨性和抗磁性，冷热加工性能好，可焊接，可切削性良好，在大气、淡水中耐蚀。用于制作弹簧和导电性好的弹簧接触片，精密仪器中的耐磨零件和抗磁零件，如齿轮、电刷盒、振动片、接触器等。铝青铜 QA15 有较高的强度、弹性和耐磨性，在大气、淡水、海水和某些酸中耐蚀性高，可电焊、气焊、不易钎焊，冷热加工性能好。重要用途的弹簧和弹性元件。QAl10-4-4 强度高，耐热性能好，减摩性良好，在大气、淡水和海水中抗蚀性很好，热态下压力加工良好，可热处理强化，可焊接，不易钎焊，可切削性尚好。高强度耐磨件及500以下工作的零件。2.青铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 类别类别 牌号牌号 主要特性主要特性 用途用途 硅青铜 QSi1-3 具有高的强度，相当好的耐磨性，能热处理强化，淬火回火后强度和硬度大大提高，在大气、淡水和海水中有较高的耐蚀性，焊接性和切削性良好。用于制造在300以下，润滑不良、单位压力不大的工作条件下的摩擦零件，如发动机排气和进气门的导向套，以及在腐蚀介质中工作的结构零件。QSi3-1 有高的强度、弹性和耐磨性，塑性好，低温下仍不变脆；焊接性能好；在大气、淡水和海水中的耐蚀性高，冷热加工性能好，不能热处理强化。用于制作在腐蚀介质中工作的各种零件，弹簧和弹簧零件，以及蜗杆、蜗轮齿轮、轴套、制动销和杆类耐磨零件。铸造 青铜 ZCuSn5Pb5Zn5（5-5-5锡青铜）耐磨性和耐蚀性好，易加工，铸造性能和气密性较好。在较高负荷，中等滑动速度下工作的耐磨耐腐蚀零件，如轴瓦、衬套、缸套、活塞离合器、泵件压盖以及蜗轮等。ZCuSn10Pl（10-1锡青铜）硬度高、耐磨性较好，不易产生咬死现象，在大气和淡水中有良好的耐蚀性。可用于高负荷（20MPa以下）和高速度（8m/s）下工作的耐磨零件，如连杆衬套、齿轮、蜗轮等。ZCuPb30（30铅青铜）有良好的自润滑性能，易切削，铸造性能差，易产生比重偏析。要求高滑动速度的双金属轴瓦，减磨零件等。ZCuAl10Fe3（10-3铝青铜）具有高的力学性能，耐磨性和耐蚀性能好，可以焊接，不易钎焊，大型铸件700空冷可以防止变脆。要求强度高、耐磨、耐蚀的重要铸件，如轴套、螺母、蜗轮以及250以下工作的管配件。表5.8 常用青铜的牌号、主要特性和用途 2.青铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 以铍为主加元素形成的铜合金称为铍铜（原国家标准称为铍青铜）。铍含量一般在0.2%2.1%之间，典型牌号TBe2（旧牌号QBe2），可热处理强化。经固溶时效处理后，其强度和硬度远远超过其他铜合金，与高强度合金钢相当。铍铜不仅具有高的强度、硬度、弹性极限、疲劳极限、耐磨性和耐蚀性，而且导电、导热性和耐寒性好。铍铜无磁性，受冲击时不产生火花。其缺点是价格太贵，生产过程中有毒。铍铜常用来制造各种精密仪表的弹性元件及有特殊要求的耐磨件，此外，还可用于制作各种转向开关、接触件、焊接用电极、防爆工具和精密模具等。3.铍铜 5.2.2常用铜合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 钛及钛合金 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 5.3.1 纯钛及其合金化 钛是银白色金属，密度为4.5g/cm3，熔点为1668。纯钛具有同素异构转变，在882以下为密排六方晶格结构的-Ti；在882以上直到熔点时为体心立方晶格结构的-Ti。高纯钛的塑性很好，强度不高。微量杂质即能使钛的强度、硬度显著升高，塑性、韧性急剧降低。工业纯钛中常含有氢、氧、碳、铁等杂质元素，实际上是钛与杂质元素