有色金属与粉末冶金材料.docx

有色金属与粉末冶金材料金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要是指钢和铸铁。而把其余金属，如铝、铜、锌、镁、铅、钛、锡等及其合金统称为有色金属。与黑色金属相比，有色金属及其合金具有很多特别的力学、物理和化学性能。因此， 在空间技术、原子能、计算机等型工业部门中有色金属材料应用很广泛。例如，铝、镁、钛等金属及其合金，具有比密度小、比强度高的特点，在航天航空工业、汽车制造、船舶制造等方面应用格外广泛。银、铜、铝等金属，导电性能和导热性能优良，是电器工业和仪表工业不行缺少的材料。第一节 铝及铝合金一、工业纯铝1. 工业纯铝性能工业上使用的纯铝，一般指其纯度为99%99.99%。纯铝具有下述性能特点：（1） 纯铝的密度较小；熔点为 660；具有面心立方晶格；无同素异晶转变。（2） 纯铝的导电性、导热性很高，仅次于银、铜、金。（3） 纯铝是无磁性、无火花材料，而且反射性能好，既可反射可见光，也可反射紫外线。（4） 纯铝的强度很低，但塑性很高。通过加工硬化，可使纯铝的硬度提高，但塑性下降。（5） 在空气中，铝的外表可生成致密的氧化膜，在大气中具有良好的耐蚀性，但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。工业纯铝的主要用途是：代替贵重的铜合金，制作导线；配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。2. 工业纯铝分类工业纯铝分为纯铝和高纯铝两类。纯铝分未压力加工产品铸造纯铝及压力加工产 品变形铝两种。铸造纯铝牌号由“Z”和铝的化学元素符号及说明铝含量的数字组成，例如 ZA199.5 表示 wAl=99.5%的铸造纯铝；变形铝按GB/T164741996 规定，其牌号用四位Al字符体系的方法命名，即用1×××表示，牌号的最终两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面两位数字，牌号其次位的字母表示原始纯铝的改型状况，假设字母为A，则表示为原 始纯铝。例如，牌号1A30 的变形铝表示 w =99.30%的原始纯铝，假设为其他字母，则表示为原始纯铝的改型。按GB/T31901996 规定，我国变形铝的牌号有1A50、1A30 等，高纯铝的牌号有 1A99、1A97、1A93、1A90、1A85 等。二、铝合金1. 铝合金的分类铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金是将合金熔融铸成锭子后，再通过压力加工轧制、挤压、模锻等制成半成品或模锻件，故要求合金应有良好的塑性变形力气。铸造铝合金则是将熔融的合金直接铸成简洁的甚至是薄壁的成型件，故要求合金应具有良好的塑性变形力气。铸造铝合金则是将熔融的合金直接铸成外形简洁的甚至是薄壁的成型体，故要求合金应具有良好的铸造流淌性。铝合金一般都具有如图 8.1 所示的相图。2. 铝合金的强化图 8.1 铝合金分类示意图（1） 铝合金的时效强化：当加热到 相区，保温后在水中快冷，其强度、硬度并没有明显上升，而塑性却得到改善，这种热处理称为固溶淬火或固溶热处理。淬火后的铝合金，如在室温下停留相当长的时间，它的强度、硬度才显著提高，同时塑性则下降。淬火后，铝合金的强度和硬度随时间而发生显著提高的现象称为时效强化和时效硬化。室温下进展的时效称为自然时效，加热条件下进展的时效称为人工时效。（2） 铝合金的回归处理：将已经时效强化的铝合金，重加热到200270，经短时间保温，然后在水中急冷，使合金恢复到淬火状态的处理称为回归处理。经回归处理后合金与淬火的合金一样，仍能进展正常的自然时效。但每次回归处理后，其再时效后强度逐次下降。（3） 细化组织强化：通常有三种方法。转变冷却条件：铝合金特别是变形铝合金的塑性较好，在铝合金结晶过程中，假设实行一些强冷措施提高铸造的冷却速度，增大结晶的过冷度，结晶时一般不会开裂，但可以有效地细化晶粒，改善合金的性能。铸造铝合金的变质处理：铝硅系铸造合金具有优良的流淌性，并具有很小的收缩率， 铸造性能很好。最简洁的铝硅合金ZAlSi12ZL102含 w =11%13%，其铸态组织很粗，由 +SiSi组成，其中硅呈粗大针状，致使合金强度很低，仅为 130MPa。浇注前往液态合金中参与b变质剂，进展变质处理，获得 + +Si组织，并可以细化晶粒，提高其力学性能b可达 180MPa， 可达 6。图 8.4 ZALSi12 合金的铸态组织传统变质剂是钠盐的混合物。试验觉察，参与w =0.01% 0.014%即可到达抱负的变质Na效果，但为了防止沸腾和飞溅现象发生，通常实行钠盐进展变质处理。为确保良好的变质效果，一般参与变质剂的量占合金液的2%3%。变形铝合金的变质处理：在各类变形铝合金的连续铸造中，已广泛承受变质处理细化基体组织。生产应用说明，同时参与钛和硼，变质效果最好，其中钛的参与量为 w =0.0025%Ti0.05%，硼的参与量为w =0.0006%0.01%。B3. 铸造铝合金及其热处理铸造铝合金要求具有良好的铸造性能，因此，合金组织中应有适当数量的共晶体。铸造铝合金的合金元素含量一般高于变形铝合金。常用的铸 造铝合金中，合金元素总量约为8%25%。铸造铝合金有铝硅系、铝铜系、铝鎂系、铝锌系 四种，其中以铝硅系合金应用最广。国家标准 GB1173-1986 规定，铸造铝合金牌号由 Z铸 Al、主要合金元素的化学符号及其平均质量分数%组成。假设平均含量小于 1，一般不标数字，必要时可用一位小数表示。（1） 铝硅系铸造铝合金：又称为硅铝明，其特点是铸造性能好，线收缩小，流淌性好， 热裂倾向小，具有较高的抗蚀性和足够的强度。这类合金最常见的是ZL102，硅含量 w =10%13%，相当于共晶成分，铸造后几乎全部Si为+Si共晶体组织。它的最大优点是铸造性能好，但强度低，铸件致密度不高，经过 变质处理后可提高合金的力学性能。该合金不能进展热处理强化，主要在退火状态下使用。为了提高铝硅系合金的强度，满足较大负荷零件的要求，可在该合金成分根底上参与铜、锰、 镁、镍等元素，组成简洁硅铝明，这些元素通过固溶实现合金强化，并能使合金通过时效处 理进展强化。例如，ZL108 经过淬火和自然时效后，强度极限可提高到200260MPa，适用于强度和硬度要求较高的零件，如铸造内燃机活塞，因此也叫活塞材料。（2） 铝铜系铸造铝合金 这类合金的铜含量不低于 wCu=4%。由于铜在铝中有较大的溶解度，且随温度的转变而转变，因此这类合金可以通过时效强化提高强度，并且时效强化的效果能够保持到较高温度，使合金具有较高的热强性。由于合金中只含少量共晶体，故铸造性能不好，抗蚀性和比强度也较优质硅铝明低，此类合金主要用于制造在 200300条件下工作、要求较高强度的零件，如增压器的导风叶轮等。（3） 铝镁系铸造铝合金 这类合金有ZL301、ZL303 两种，其中应用最广的是ZL301。该类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，流淌性差，线收缩率大，铸造工艺简洁。它一般多用于制造承受冲击载荷，耐海水腐蚀， 外型不太简洁便于铸造的零件，如舰船零件。（4） 铝锌系铸造铝合金 与 ZL102 相类似，这类合金铸造性能很好，流淌性好，易布满铸型，但密度较大，耐蚀性差。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。4. 变形铝合金及其热处理变形铝合金可按其性能特点分为铝-锰系或铝-镁系、铝-铜-镁系、铝-铜-镁-锌系、铝- 铜-镁-硅系等。这些合金常经冶金厂加工成各种规格的板、带、线、管等型材供给。变形铝合金牌号用四位字符体系表示，牌号的第一、二、四位为数字，其次位为“A”字母。牌号中第一位数字是依主要合金元素Cu、Mn、Si、Mg、Mg Si、Zn 的挨次来表示变形2铝合金的组别。例如 2A××表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。最终两位数字用以标识同一组别中的不同铝合金。（1） 铝-锰或铝-镁系合金：这类合金又叫防锈铝，它们的时效强化效果较弱，一般只能用冷变形来提高强度。铝-锰系合金中 3A21 的 w =1%1.6 %。退火组织为 固溶体和在晶粒边界上少量的Mn+MnAl 共晶体，所以它的强度高于纯铝。由于 MnAL 相的电极电位与基体相近，所以有很66高的耐蚀性。铝-镁系合金镁在铝中溶解度较大在 451时可溶入w =15%，但为便于加工，避开形Mg成脆性很大的化合物，所以一般防锈铝中 w 8%。在实际生产条件下，由于它具有单相固Mg溶体，所以有好的耐蚀性。又由于固溶强化，所以比纯铝与3A21 有更高的强度。含镁量愈大，合金强度愈高。防锈铝的工艺特点是塑性及焊接性能好，常用拉延法制造各种高耐蚀性的薄板容器如油箱等、防锈蒙皮以及受力小、质轻、耐蚀的制品与构造件如管道、窗框、灯具等。（2） 铝-铜-镁系合金：这类合金又叫硬铝，是一种应用较广的可热处理强化的铝合金 。铜与镁能形成强化相 CuAl2 相及 CuMgAl2S 相，而 S 相是硬铝中主要的强化相，它在较高温度下不易聚拢，可以提高硬铝的耐热性。硬铝中如含铜、镁量多，则强度、硬度高，耐热性好可在 200以下工作，但塑性、韧性低。这类合金通过淬火时效可显著提高强度， b 可达 420MPa，其比强度与高强度钢相近， 故名硬铝。硬铝的耐蚀性远比纯铝差，更不耐海水腐蚀，尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性猛烈下 降。为此，须参与适量的锰，对硬铝板材还可承受外表包一层纯铝或包覆铝，以增加其耐蚀性，但在热处理后强度稍低。2A01铆钉硬铝有很好的塑性，大量用来制造铆钉。飞机上常用的铆钉材料为2A10， 它比 2A01 含铜量稍高，含镁量更低，塑性好，且孕育期长，还有较高的剪切强度。2A11标准硬铝既有相当高的硬度，又有足够的塑性，退火状态可进展冷弯、卷边、冲压。时效处理后又可大大提高其强度，常用来制外形较简洁、载荷较低的构造零件，在仪 器制造中也有广泛应用。2A12高强度硬铝经淬火后，具有中等塑性，成形时变形量不宜过大。由于孕育期较短，一般均承受自然时效。在时效和加工硬化状态下切削加工性能较好。可焊性差，一般只 适于点焊。2A12 合金经淬火自然时效后可获得高强度，因而是目前最重要的飞机构造材料， 广泛用于制造飞机翼肋、翼架等受力构件。2A12 硬铝还可用来制造 200以下工作的机械零件。（3） 铝-铜-镁-锌系合金 这类合金又叫超硬铝。其时效强化相除了有 及 S 相外，主要强化相还有MgZn 相及Al Mg Zn T 相。在铝合金中，超硬铝时效强化效果最好，2233强度最高，可达 600MPa，其比强度已相当于超高强度钢一般指 1400MPa 的钢，bb故名超硬铝。由于 MgZn 相的电极电位低，所以超硬铝的耐蚀性也较差，一般也要包铝常承受2w =0.09%1.0%的包覆铝作为保铝层，以提高耐蚀性。另外，耐热性也较差，工作温度超Zn过 120就会软化。目前应用最广的超硬铝合金是 7A04。常用于飞机上受力大的构造零件，如起落架、大梁等。在光学仪器中，用于要求重量轻而受力较大的构造零件。（4） 铝-铜-镁-硅系合金 这类合金又叫锻铝。其主要强化相有 相、S 相及Mg Si2相。力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高，更适于锻造，故名锻铝。由于其热塑性好，所以锻铝主要用作航空及仪表工业中各种外形简洁、要求比强度较高的锻件或模锻件，如各种叶轮、框架、支杆等。因锻铝的自然时效速率较慢，强化效果较低，故一般均承受淬火和人工时效。其次节 铜及铜合金一、工业纯铜1. 工业纯铜的性质纯铜又称紫铜，它的相对密度为8.96g/cm3，熔点为1083.4。纯铜的导电性和导热性 优良，仅次于银而居于其次位。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，强度不高，硬度很低，塑性极好，并有良好的低温韧性，可以进展冷、热压力加工。纯铜具有很好的化学稳定性，在大气、淡水及冷凝水中均有优良的抗蚀性。但在海水中的抗蚀性较差，易被腐蚀。纯铜在含有 CO 的湿空气中，外表将产生碱性碳酸盐的绿色薄膜，2又称铜绿。工业纯铜中常有 0.1%0.5%的杂质铝、铋、氧、硫、磷等，它们使铜的导电力气降低。另外，铅、铋杂质能与铜形成熔点很低的共晶体Cu+Pb和Cu+Bi，共晶温度分别为 326和 270。当铜进展热加工时，这些共晶体发生熔化，破坏了晶界的结合，而造成脆性裂开，这种现象叫热脆。相反，硫、氧也能与铜形成Cu+Cu S和Cu+Cu O共晶体，22它们的共晶温度分别为 1067和 1065，虽不会引起热脆性。但由于 Cu S 和Cu O 均为脆性22化合物，冷加工时易产生裂开，这种现象称为冷脆。铜的杂质是有规定的，我国工业纯铜有四个牌号，它们是T1w =99.95%，T2(w =99.90%), T3(w =99.70%), T4(w =99.50%)。CuCuCuCu纯铜只能以冷作硬化的方式进展强化。因此纯铜的热处理只限于再结晶软化退火。实际 退火温度一般选在 500700，温度过高会使铜发生猛烈氧化。退火铜应在水中快速冷却， 目的是为了爆脱在退火加热时形成的氧化皮，以得到纯洁的外表。2. 工业纯铜的用途纯铜主要用于导电、导热及兼有耐蚀性的器材，如电线、电缆、电刷、防磁器械、化工用传热或深冷设备等。纯铜是配制铜合金的原料，铜合金具有比纯铜好的强度及耐蚀性，是 电气仪表、化工、造船、航空、机械等工业部门中的重要材料。二、铜合金1. 铜合金的分类及牌号表示方法（1） 铜合金的分类 通常有以下两种分法：按化学成分 铜合金可分为黄铜、青铜及白铜铜镍合金三大类，在机器制造业中， 应用较广的是黄铜和青铜。黄铜是以锌为主要合金元素的铜-锌合金。其中不含其它合金元素的黄铜称一般黄铜或简洁黄铜，含有其它合金元素的黄铜称为特别黄铜或简洁黄铜。青铜是以除锌和镍以外的其它元素作为主要合金元素的铜合金。按其所含主要合金元素的种类可分为锡青铜、铅青铜、铝青铜、硅青铜等。按生产方法 铜合金可分为压力加工产品和铸造产品两类。（2） 铜合金牌号表示方法 有加工铜合金和铸造铜合金之分：加工铜合金 其牌号由数字和汉字组成，为便于使用，常以代号替代牌号。加工黄铜：一般加工黄铜代号表示方法为“H”+铜元素含量质量分数×100。例如，H68 表示w =68%、余量为锌的黄铜。特别加工黄铜代号表示方法为“H”+主加元素的化学符Cu号除锌以外+铜及各合金元素的含量质量分数×100。例如，HPb59-1 表示 w =59%，Cuw =1%、余量为锌的加工黄铜。Pb加工青铜：代号表示方法是“Q”“青”的汉语拼音字首+第一主加元素的化学符号及含量质量分数×100+其它合金元素含量质量分数×100。例如，QA15 表示 w =5%、余Al量为铜的加工铝青铜。铸造铜合金 铸造黄铜与铸造青铜的牌号表示方法一样，它是：“Z”+铜元素化学符号+主加元素的化学符号及含量质量分数×100+其它合金元素化学符号及含量质量分数×100。例如，ZCuZn38,表示 w =38%、余量为铜的铸造一般黄铜；ZCuSn10P1 表示 w =10%、ZnSnw =1%、余量为铜的铸造锡青铜。P2. 黄铜（1） 锌对黄铜性能的影响：一般黄铜的组织和性能受含锌量的影响。当锌含量小于 32%时，合金的组织由单相面心立方晶格的 固溶体构成，塑性好。而且随Zn 量的增加，强度和塑性均增加。图 8.5 黄铜含锌量与力学性能的关系当锌含量大于 32%后，合金组织中开头消灭 相。 相为以电子化合物 CuZn 为基体的固溶体，呈体心立方构造，塑性好，但在456468时发生有序化，转变为很脆的 相， 如图 8.7 所示。此时，合金的塑性随Zn 的增加开头下降，而强度照旧在上升，由于少量 相存在对强度并无不利的影响。当Zn 含量超过 45%之后， 相已占合金组织的大局部直至全部，其强度和塑性急剧下降。所以，工业黄铜中锌含量一般不超过47%。图 8.6 单相黄铜显微组织图 8.7 双相黄铜显微组织依据一般黄铜的退火组织可分为单相黄铜或 黄铜和双相黄铜或 + 黄铜。常用的单相黄铜有H80、H70 等，其塑性好，可进展冷、热加工。双相黄铜有H62、H59 等， 其室温组织为 + ，由于 相很脆，故不适于冷变形加工。但当加热使b¢ 转变为 后， 便可进展热变形加工。黄铜具有良好的耐海水和大气腐蚀的力气，并且单相黄铜优于双相黄铜。但经冷加工的黄铜制品存在剩余应力，假设处在潮湿大气和海水中，特别是在含氨的介质中，易发生应力腐蚀开裂，或称“季裂”。因此，冷加工后的制品要进展去应力退火。为了改善一般黄铜的某些性能，常参与一些其他合金元素，如 Al、Sn、Ni、Mn 等，这样可提高合金强度和耐蚀性，参与Si、Ph 等，可提高耐磨性并改善切削加工性能。（2） 常用的一般黄铜一般黄铜主要供压力加工用，按加工特点分为冷加工用 单相黄铜与热加工用 + 双相黄铜两类。H90及H80 等。 单相黄铜，有优良的耐蚀性、导热性和冷变形力气，并呈金黄色， 故有金色黄铜之称。常用于镀层、及制作艺术装饰品、奖章、散热器等。H68及 H70。 单相黄铜，按成分称为七三黄铜。它具有优良的冷、热塑性变形力气，适宜用冷冲压深拉延、弯曲等制造外形简洁而要求耐蚀的管、套类零件，如弹壳、波浪管等，故又有弹壳黄铜之称。H62及 H59。+ b¢ 双相黄铜，按成分称为六四黄铜。它的强度较高，并有确定的耐蚀性，广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的构造件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧及机器中的轴套等，是应用广泛的合金，有商业黄铜之称。（3） 特别黄铜 在一般黄铜根底上，再参与其它合金元素所组成的多元合金称为特别黄铜。常参与的元素有锡、铅、铝、硅、锰、铁等。特别黄铜也可依据参与的其次合金元素命名，如锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。合金元素参与黄铜后，一般或多或少地能提高其强度。参与锡、铝、锰、硅后还可提高耐蚀性与削减黄铜应力腐蚀裂开的倾向。某些元素的参与还可改善黄铜的工艺性能，如加硅 改善铸造性能，加铅改善切削加工性能等。3. 青铜青铜是人类应用最早的一种合金，原指铜锡合金。现在工业上把以铝、硅、铅、铍、锰、钛等为主加元素的铜基合金均称为青铜，分别称为铝青铜、铍青铜、硅青铜等，铜锡合金称为锡青铜。依据生产方式不同，青铜分为压力加工青铜和铸造青铜两类，其牌号、化学成分、力学性能及主要用途如表 8.7 所示。（1） 锡青铜 锡含量低于 8%的锡青铜称为压力加工锡青铜，锡含量大于10%的锡青铜称为铸造锡青铜。在有用锡青铜的成分范围内，合金的液相线与固相线之间温度间隔大，这就使得锡青铜在铸造性能上具有流淌性差，偏析倾向大及易形成分散缩孔等特点。锡青铜铸造因极易形成分散缩孔而收缩率小，能够获得完全符合铸模外形的铸件，适合铸造外形简洁的零件，但铸件的致密程度较低，假设制成容器在高压下易漏水。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。锡青铜中还可以参与其它合金元素以改善性能。例如，参与锌可以提高流淌性，并可以通过固溶强化作用提高合金强度。参与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。参与磷，可以提高合金的流淌性，并生成Cu3P 硬质点，提高合金的耐磨性。（2） 铝青铜 铝青铜是以铝为主加元素的铜合金，一般铝含量为 5%10%。铝青铜的力学性能和耐磨性均高于黄铜和锡青铜，它的结晶温度范围小，不易产生化学成分偏析，而 且流淌性好，分散缩孔倾向小，易获得致密铸件，但收缩率大，铸造时应在工艺上实行相应的措施。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。为了进一步提高铝青铜的强度和耐蚀性，可添加适量的铁、锰、镍元素。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。（3） 铍青铜 铍青铜一般铍含量为 1.7%2.5%。铍青铜可以进展淬火时效强化，淬火后得到单相固溶体组织，塑性好，可以进展冷变形和切削加工，制成零件后再进展人工时 效处理，获得很高的强度和硬度，超过其它全部的铜合金。铍青铜的弹性极限、疲乏极限都很高，耐磨性、抗蚀性、导热性、导电性和低温性能也格外好，此外，尚具有无磁性、冲击时不产生火花等特性。在工艺方面，它承受冷热压力加工的力气很好，铸造性能也好。但铍青铜价格昂贵。铍青铜主要用来制作周密仪器、仪表的重要弹簧、膜片和其它弹性元件，钟表齿轮，还 可以制造高速、高温、高压下工作的轴承、衬套、齿轮等耐磨零件，也可以用来制造换向开关、电接触器等。铍青铜一般是淬火状态供给，用它制成零件后可不再淬火而直接进展时效 处理。第三节 滑动轴承合金滑动轴承是指支承轴和其他转动或摇摆零件的支承件。它是由轴承体和轴瓦两局部构成的。轴瓦可以直接由耐磨合金制成，也可在铜体上浇铸一层耐磨合金内衬制成。用来制造轴瓦及其内衬的合金，称为轴承合金。滑动轴承支承着轴进展工作。当轴旋转时，轴与轴瓦之间产生相互摩擦和磨损，轴对轴承施有周期性交变载荷，有时还伴有冲击等。滑动轴承的根本作用是将轴准确地定位，并在载荷作用下支承轴颈而不被破坏，因此，对滑动轴承的材料有很高要求。一、滑动轴承合金的性能要求（1） 具有良好的减摩性 良好的减摩性应综合表达以下性能：摩擦系数低。磨合性跑合性好 磨合性是指在不长的工作时间后，轴承与轴能自动吻合，使载荷均匀作用在工作面上，避开局部磨损。这就要求轴承材料硬度低、塑性好。同时还可使外界落入轴承间的较硬杂质陷入软基体中，削减对轴的磨损。抗咬合性好 这是指摩擦条件不良时，轴承材料不致与轴粘着或焊合。（2） 具有足够的力学性能 滑动轴承合金要有较高的抗压强度和疲乏强度，并能抵抗冲击和振动。（3） 滑动轴承合金还应具有良好的导热性、小的热膨胀系数、良好的耐蚀性和铸造性能。二、滑动轴承合金的组织特征为满足上述要求，轴承合金的成分和组织应具备如下特点。（1） 轴承材料基体应与钢铁互溶性小因轴颈材料多为钢铁，为削减轴瓦与轴颈的粘 着性和擦伤性，轴承材料的基体应承受对钢铁互溶性小的金属，即与金属铁的晶体类型、晶 格常数、电化学性能等差异大的金属，如锡、铅、铝、铜、锌等。这些金属与钢铁配对运动时，与钢铁不易互溶或形成化合物。（2） 轴承合金组织应软硬兼备 金相组织应由多个相组成，如软基体上分布着硬质点，或硬基体上嵌镶软颗粒。图 8.8 轴承抱负外表示意图机器运转时，软的基体很快被磨损而凹陷下去，削减了轴与轴瓦的接触面积，硬的质点 比较抗磨便凸出在基体上，这时凸起的硬质点支撑轴所施加的压力，而凹坑能储存润滑油， 可降低轴和轴瓦之间的摩擦系数，削减轴颈和轴瓦的磨损。同时，软基体具有抗冲击、抗振 和较好的磨合力气。此外，软基体具有良好的嵌镶力气，润滑油中的杂质和金属碎粒能够嵌入轴瓦内而不致划伤轴颈外表。硬基体上分布软质点的组织，也可到达同样的目的，该组织类型的轴瓦具有较大的承载力气，但磨合力气较差。三、常用的滑动轴承合金滑动轴承的材料主要是有色金属。常用的有锡基轴承合金、铅基轴承合金、铜基轴承合金、铝基轴承合金等。轴承合金牌号表示方法为“Z”“铸”字汉语拼音的字首+基体元素与主加元素的化学符号+主加元素的含量质量分数×100+辅加元素的化学符号+辅加元素的含量质量分数×100。例如：ZSnSb8Cu4 为铸造锡基轴承合金，主加元素锑的质量分数为8%，辅加元素铜的质量分数为 4%，余量为锡。ZPbSb15Sn5 为铸造铅基轴承合金，主加元素锑的质量分数为15，辅加元素锡的质量分数为 5%，余量为铅。1. 锡基轴承合金与铅基轴承合金巴氏合金（1） 锡基轴承合金锡基巴氏合金 它是以锡为基体元素，参与锑、铜等元素组成的合金。其显微组织如图 8.9 所示。图中暗色基体是锑溶入锡所形成的 固溶体硬度为 24 30HBS，作为软基体；硬质点是以化合物SnSb 为基体的 固溶体硬度为110HBS，呈白色方块状以及化合物 Cu Sn呈白色星状和化合物 Cu Sn呈白色针状或粒状。化合物 Cu Sn3653和 Cu Sn 首先从液相中析出，其密度与液相接近，可形成均匀的骨架，防止密度较小的 相65上浮，以削减合金的比密度偏析。锡基轴承合金摩擦系数小，塑性和导热性好，是优良的减摩材料，常用作重要的轴承， 如汽轮机、发动机、压气机等巨型机器的高速轴承。它的主要缺点是疲乏强度较低，且锡较稀有，因此这种轴承合金价格最贵。图 8.9ZSnSb11Cu6 铸造锡基轴承的显微组织图 8.10ZPbSb16Sn16Cu2 铸造铅基轴承的显微组织（2） 铅基轴承合金铅基巴氏合金 它是铅-锑为基体的合金。参与锡能形成 SnSb硬质点，并能大量溶入铅中而强化基体，故可提高铅基合金的强度和耐磨性。加铜可形成Cu Sb 硬质点，并防止比密度偏析。铅基轴承合金的显微组织如图 8.10 所示，黑色软基体为2 + 共晶体硬度为 78HBS， 相是锑溶入铅所形成的固溶体， 相是以 SnSb 化合物为基的含铅的固溶体。硬质点是初生的 相白色方块状及化合物Cu Sb白色针状2或晶状。铅基轴承合金的强度、塑性、韧性及导热性、耐蚀性均较锡基合金低，且摩擦系数较大， 但价格较廉价。因此，铅基轴承合金常用来制造承受中、低载荷的中速轴承。如汽车、拖拉机的曲轴，连杆轴承及电动机轴承。无论是锡基还是铅基轴承合金，它们的强度都比较低 =6090MPa,不能承受大的b压力，故需将其镶铸在钢的轴瓦一般为 08 号钢冲压成形上，形成一层薄而均匀的内衬， 才能发挥作用。这种工艺称为“挂衬”，挂衬后就形成所谓双金属轴承。2. 铜基轴承合金有很多种铸造青铜和铸造黄铜均可用作轴承合金，其中应用最多的是锡青铜和铅青铜。铅青铜中常用的有ZCuPb30，铅含量 w =30%，其余为铜。铅不溶于铜中，其室温显微组Pb织为 Cu+Pb，铜为硬基体，颗粒状铅为软质点，是硬基体上分布软质点的轴承合金，这类合金可以制造承受高速、重载的重要轴承，如航空发动机、高速柴油机等轴承。锡青铜中常用ZCuSn10P1，其成分为 w =10%，w =1%，其余为 w 。室温组织为 + +Cu P,SnPCu3 固溶体为软基体， 相及Cu3P 为硬质点，该合金硬度高，适合制造高速、重载的汽轮机、压缩机等机械上的轴承。铜基轴承合金的优点是承载力气大，耐疲乏性能好，使用温度高，优良的耐磨性和导热性，它的缺点主要是顺应性和嵌镶性较差，对轴颈的相对磨损较大。3. 铝基轴承合金铝基轴承合金密度小，导热性好、疲乏强度高，价格低廉，广泛应用于高速负荷条件下工作的轴承上。按化学成分可分为铝锡系Al-20%Sn-1%Cu、铝锑系Al-4%Sb-0.5%Mg和铝石墨系Al-8Si 合金基体+3%6%石墨三类。铝锡系铝基轴承合金具有疲乏强度高、耐热性和耐磨性良好等优点，因此适宜制造高速、重载条件下工作的轴承。铝锑系铝基轴承合金适用于载荷不超过20MPa、滑动线速度不大于10m/s 工作条件下的轴承。铝石墨系轴承合金具有优良的自润滑作用和减震作用以及耐高温性能，适用于制造活塞和机床主轴的轴承。4. 多层轴承合金多层轴承合金是一种复合减磨材料。它综合了各种减磨材料的优点，弥补其单一合金的 缺乏，从而组成两层或三层减磨合金材料，以满足现代机器高速、重载、大批量生产的要求。 例如，将锡锑合金、铅锑合金、铜铅合金、铝基合金等之一与低碳钢带一起轧制，复合而成双金属。为了进一步改善顺应性、嵌镶性及耐蚀性，可在双层减磨合金外表上再镀上一层软 且薄的镀层，这就构成了具有更好减磨性及耐磨性的三层减磨材料。这种多层合金的特点都 是利用增加钢背和削减减磨合金层的厚度以提高疲乏强度，承受镀层来提高外表性能。除上述轴承合金外，珠光体灰铸铁也常用作滑动轴承的材料。它的显微组织是由硬基体珠光体与软质点石墨构成，石墨还有润滑作用。铸铁轴承可承受较大的压力，价格低廉，但磨擦系数较大，导热性低，故只适宜于制作低速v2m/s的不重要轴承。第四节 粉末冶金材料粉末冶金是制取金属粉末，承受成形和烧结等工序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，它属于冶金学的一个分支。粉末冶金法既是制取具有特别性能金属材料的方法，也是一种周密的无切屑或少切屑的加工方法。它可使压制品到达或极接近于零件要求的外形、尺寸精度与外表粗糙度，使生产率和材料利用率大为提高，并可削减切削加工用的机床和生产占地面积。本节仅介绍粉末冶金材料的制取及常用的粉末冶金材料。材料成形工艺根底书中将介绍粉末冶金成形技术。一、粉末冶金材料的生产1. 金属粉末的制取金属粉末可以是纯金属粉末，也可以是合金、化合物或复合金属粉末，其制造方法很多， 常用的有以下几种：（1） 机械方法 对于脆性材料通常承受球磨机裂开制粉。另外一种应用较广的方法是雾化法，它是使溶化的液态金属从雾化塔上部的小孔中流出，同时喷入高压气体，在气流的机械力和急冷作用下，液态金属被雾化、冷凝成细小粒状的金属粉末，落入雾化塔下的盛粉桶中。（2） 物理方法 常用蒸汽冷凝法，马上金属蒸汽冷凝而制取金属粉末。例如，将锌、铅等的金属蒸汽冷凝便可获得相应的金属粉末。（3） 化学方法 常用的化学方法有复原法、电触法等。复原法是从固态金属氧化物或金属化合物中复原制取金属或合金粉末。它是最常用的金属粉末生产方法之一，方法简洁，生产费用较低。如铁粉和钨粉，便是由氧化铁粉和氧化钨粉通过复原法生产的。铁粉生产常用固体碳将其氧化物复原，钨粉生产常用高温氢气将其氧化物复原。电解法是从金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。它的本钱要比复原法和雾化法高得多， 因此，仅在特别性能高纯度、高密度、高压缩性要求时才使用。值得指出的是：金属粉末的各种性能均与制粉方法有亲热关系。2. 金属粉末的筛分混合筛分的目的是使粉料中的各组元均匀化。在筛分时，假设粉末越细，那么同样重量粉末的外表积就越大，外表能也越大，烧结后的制品密度和力学性能也越高，但本钱也越高。粉末应按要求的粒度组成与协作进展混合。在各组成成分的密度相差较大且均匀程度要 求较高的状况下，常承受湿混。例如，在粉末中参与大量酒精，以防止粉末氧化。为改善粉末的成形性与可塑性，还常在粉料中参与增塑剂，铁基制品常用的增塑剂是硬脂酸锌。为便 于压制成形和脱模，也常在粉料中参与润滑剂。二、常用的粉末冶金材料粉末冶金材料牌号承受汉语拼音字母 F和阿拉伯数字组成的六位符号体系来表示。“F”表示粉末冶金材料，后面数字与字母分别表示材料的类别和材料的状态或特性。1. 烧结减摩材料在烧结减摩材料中最常用的是多孔轴承，它是将粉末压制成轴承后，再浸在润滑油中， 由于粉末冶金材料的多孔性，在毛细现象作用下，可吸附大量润滑油一般含油率为12% 30%，故又称为含油轴承。工作时由于轴承发热，使金属粉末膨胀，孔隙容积缩小。再加上轴旋转时带动轴承间隙中的空气层，降低磨擦外表的静压强，在粉末孔隙内外形成压力差， 迫使润滑油被抽到工作外表。停顿工作后，润滑油又渗入孔隙中。故含油轴承有自动润滑的 作用。它一般用作中速、轻载荷的轴承，特别适宜不能常常加油的轴承，如纺织机械、食品机械、家用电器电扇、电唱机等轴承，在汽车、拖拉机、机床中也广泛应用。常用的多孔轴承有两类：（1） 铁基多孔轴承 常用的有铁-石墨w为 0.5%3%烧结合金和铁-硫w为 0.5%石墨S1%-石墨w 石墨为 1%2%烧结合金。前者硬度为30110HBS，组织是珠光本40%+铁素体+渗碳体5%+石墨+孔隙。后者硬度为 3570HBS，除有与前者一样的几种组织外，还有硫化物。组织中石墨或硫化物起固体润滑剂作用，能改善减摩性能，石墨还能吸附很多润滑油，形成胶体状高效能的润滑剂，进一步改善磨擦条件。（2） 铜基多孔轴承 常用的是 ZCuSn5Pb5Zn5 青铜粉末与石墨粉末制成。硬度为 20 40HBS，它的成分与ZCuSn5Pb5Zn5 锡青铜相近，但其中有0.3%2%的石墨质量分数，组织是 固溶体+石墨+铅+孔隙。它有较好的导热性、耐蚀性、抗咬合性，但承压力气较铁基多孔轴承小，常用于纺织机械、周密机械、仪表中。近年来，消灭了铝基多孔轴承。铝的摩擦系数比青铜小，故工作时温升也低，且铝粉价 格比青铜粉低，因此在某些场合，铝基多孔轴承会渐渐代替铜基多孔轴承而得到广泛使用。2. 烧结铁基构造材料烧结钢该材料是以碳钢粉末或合金钢粉末为主要原料，并承受粉末冶金方法制造成的金属材料或直接制成烧构造造零件。这类材料制造构造零件的优点是：制品的精度较高、外表光滑径向精度24 级、外表粗糙度Ra=1.60.20，不需或只需少量切削加工。制品还可以通过热处理强化来提高耐磨性，主要用淬火+低温回火以及渗碳淬火+低温回火。制品多孔，可浸渍润滑油，改善磨擦条件，削减磨损，并有减振、消音的作用。用碳钢粉末制造的合金，含碳量低的，可制造受力小的零件或渗碳件、焊接件。碳含量较高的，淬火后可制造要求有确定强度或耐磨的零件。用合金钢粉末制的合金，其中常有 Cu、Mo、B、Mn、Ni、Cr、Si、P 等合金元素。它们可强化基体，提高淬透性，参与铜还可提高耐蚀性。合金钢粉末合金淬火后 b 可达 500800MPa，硬度4050HRC，可制造受力较大的烧构造造件，如液压泵齿轮、电钻齿轮等。如制造长轴类、薄壳类及外形特别简洁的构造零件，则不适宜承受粉末合金材料。3. 烧结摩擦材料机器上的制动器与离合器大量使用磨擦材料。它们都是利用材料相互间的摩擦力传递能量的，尤其是在制动时，制动器要吸取大量的动能，使摩擦外表温度急剧上升可达 1000左右，故摩擦材料极易磨损。因此，对摩擦材料性能的要求是：较大的摩擦系数；较好的耐磨性；良