有色金属与粉末冶金材料.doc

1、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许多特殊的力学、物理和化学性能。因此，在空间技术、原子能、计算机等新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十分广泛。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可缺少的材料。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

2、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，铝的表面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

3、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表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，其牌号用四位字符体系的方法命名，即用 1表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量中小数点后面两位数字，牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况，如果字母为 A，则表示为原始纯铝。例如，牌号 1A30 的变形铝表示 wAl =99.30%的原始纯铝，若为其他字母，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、1

4、A30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能力。铸造铝合金则是将熔融的合金直接铸成复杂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能力。铸造铝合金则是将熔融的合金直接铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型体，故要求合金应具有良好的铸造流动性。铝合金一般都具有如图 8.1 所示的相图。 图 8.1 铝合金分类示意图2铝合金的强化（1）铝合金的时效强化：当加热到 相区，保温后在

5、水中快冷，其强度、硬度并没有明显升高，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。室温下进行的时效称为自然时效，加热条件下进行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，重新加热到 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新淬火的合金一样，仍能进行正常的自然时效。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

6、方法。改变冷却条件：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，若采取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动性，并具有很小的收缩率，铸造性能很好。最简单的铝硅合金 ZAlSi12（ZL102）含 wSi=11%13%，其铸态组织很粗，由（+Si）组成，其中硅呈粗大针状，致使合金强度很低， b仅为 130MPa。浇注前往液态合金中加入变质剂，进行变质处理，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 ZAL

7、Si12 合金的铸态组织传统变质剂是钠盐的混合物。试验发现，加入 wNa=0.01% 0.014%即可达到理想的变质效果，但为了防止沸腾和飞溅现象发生，通常采取钠盐进行变质处理。为确保良好的变质效果，一般加入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，已广泛采用变质处理细化基体组织。生产应用表明，同时加入钛和硼，变质效果最好，其中钛的加入量为wTi=0.0025%0.05%，硼的加入量为 wB=0.0006%0.01%。 3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

8、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。如果平均含量小于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，流动性好，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 wSi=10%13%，相当于共晶成分，铸造后几乎全部为（+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

9、过变质处理后可提高合金的力学性能。该合金不能进行热处理强化，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，可在该合金成分基础上加入铜、锰、镁、镍等元素，组成复杂硅铝明，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行强化。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，且随温度的改变而改变，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

10、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，流动性差，线收缩率大，铸造工艺复杂。它一般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。（4）铝锌系铸造铝合金 与 ZL102 相类似，这类合金铸造性能很好，流动性好，易充满铸型，但密度较大，耐蚀性差。由于在铸造条件

11、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、管等型材供应。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，第二位为“A”字母。牌号中第一位数字是依主要合金元素 Cu、Mn、Si、Mg、Mg 2Si、Zn 的顺序来表示变形铝合金的组别。例如 2A表示以铜为主要合金元素的变形铝合金。最后两位数字用以

12、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 wMn=1%1.6 %。退火组织为 固溶体和在晶粒边界上少量的（+MnAl 6）共晶体，所以它的强度高于纯铝。由于 MnAL6相的电极电位与基体相近，所以有很高的耐蚀性。铝-镁系合金镁在铝中溶解度较大（在 451时可溶入 wMg=15%） ，但为便于加工，避免形成脆性很大的化合物，所以一般防锈铝中 wMg8%。在实际生产条件下，由于它具有单相固溶体，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

13、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、耐蚀的制品与结构件（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 CuMgAl2（S 相） ，而 S 相是硬铝中主要的强化相，它在较高温度下不易聚集，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

14、，更不耐海水腐蚀，尤其是硬铝中的铜会导致其抗蚀性剧烈下降。为此，须加入适量的锰，对硬铝板材还可采用表面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，退火状态可进行冷弯、卷边、冲压。时效处理后又可大大提高其强度，常用来制形状较复杂、载荷较低的结构零件，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，一般均采用

15、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结构材料，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 MgZn2（ 相）及 Al2Mg3Zn3（T 相） 。在铝合金中，超硬铝时效强化效果最好，强度最高， b可达 600MPa，其比强度已相当于超高强度钢（一般指 b1400MPa 的钢） ，故名超硬铝。由于 MgZn2相的电极电位低，所以超硬铝的耐蚀性也较差，

16、一般也要包铝（常采用wZn=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结构零件，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结构零件。（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Mg2Si（ 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形状复杂、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，故一般均采用

17、淬火和人工时效。第二节 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，仅次于银而居于第二位。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，可以进行冷、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 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。工业纯铜中常有 0.1%0.5%的杂质（铝、铋、氧、硫、磷等） ，它们使铜的导电能力降低。另外，铅、铋杂质能与铜形成熔点很低的共晶体（

18、Cu+Pb）和（Cu+Bi） ，共晶温度分别为 326和 270。当铜进行热加工时，这些共晶体发生熔化，破坏了晶界的结合，而造成脆性破裂，这种现象叫热脆。相反，硫、氧也能与铜形成（Cu+Cu 2S）和（Cu+Cu 2O）共晶体，它们的共晶温度分别为 1067和 1065，虽不会引起热脆性。但由于 Cu2S 和 Cu2O均为脆性化合物，冷加工时易产生破裂，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 T1（ wCu=99.95%） ，T2( wCu=99.90%), T3(wCu=99.70%), T4(wCu=99.50%)。纯铜只能以冷作硬化的方式进行强化。因此纯铜的

19、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强烈氧化。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，以得到纯洁的表面。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 通常有下列两种分法：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

20、元素的铜-锌合金。其中不含其它合金元素的黄铜称普通黄铜（或简单黄铜） ，含有其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜（或复杂黄铜） 。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：普通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 wCu=68%、余量为锌的黄铜。特殊加工黄铜代号表示方法为“H”+主加元素的化学符号

21、（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wCu=59%， wPb =1%、余量为锌的加工黄铜。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wAl=5%、余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相同，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 wZn=38%、余量为铜的铸造普通黄铜；ZCuSn10P1 表示

22、wSn=10%、 wP=1%、余量为铜的铸造锡青铜。2黄铜（1）锌对黄铜性能的影响：普通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，合金组织中开始出现 相。 相为以电子化合物 CuZn 为基体的固溶体，呈体心立方结构，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 的增加开始下降，而强度仍然在上升，因为少量 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

23、合金组织的大部分直至全部，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 双相黄铜显微组织根据普通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，可进行冷、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 转变为 后，便可进行热变形加工。黄铜具有良好的耐海水和大气腐蚀的能力，并且单相黄铜优于双相黄铜。但经冷加工的黄铜制品存在残余应力，如果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”

24、。因此，冷加工后的制品要进行去应力退火。为了改善普通黄铜的某些性能，常加入一些其他合金元素，如 Al、Sn、Ni、Mn 等，这样可提高合金强度和耐蚀性，加入 Si、Ph 等，可提高耐磨性并改善切削加工性能。（2）常用的普通黄铜普通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、导热性和冷变形能力，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、热塑性变形能力，适宜用冷冲压（深拉延、弯曲等）制造形状复杂而要

25、求耐蚀的管、套类零件，如弹壳、波纹管等，故又有弹壳黄铜之称。H62（及 H59） 。+ 双相黄铜，按成分称为六四黄铜。它的强度较高，并有一定的耐蚀性，广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，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）特殊黄铜 在普通黄铜基础上，再加入其它合金元素所组成的多元合金称为特殊黄铜。常加入的元素有锡、铅、铝、硅、锰、铁等。特殊黄铜也可依据加入的第二合金元素命名，如锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。合金元素加入黄铜后，一般或多或少地能提高其强度。加入锡、铝、锰、硅后还可提高耐蚀性与减少黄铜应力腐蚀破裂的倾向。某些元素的加入还可改

26、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。按照生产方式不同，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。在实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动性差，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

27、成分散缩孔而收缩率小，能够获得完全符合铸模形状的铸件，适合铸造形状复杂的零件，但铸件的致密程度较低，若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。（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，

28、它的结晶温度范围小，不易产生化学成分偏析，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，铸造时应在工艺上采取相应的措施。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%。铍青铜可以进行淬火时效强化，淬火后得到单相 固溶体组织，塑性好，可以进行冷变形和切削加工，制成零件后再进行人工时效处理，获得很高的强度和硬度，超过其它所有的铜合金。铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很

29、高，耐磨性、抗蚀性、导热性、导电性和低温性能也非常好，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能力很好，铸造性能也好。但铍青铜价格昂贵。铍青铜主要用来制作精密仪器、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应，用它制成零件后可不再淬火而直接进行时效处理。第三节 滑动轴承合金滑动轴承是指支承轴和其他转动或摆动零件的支承件。它是由轴承体和轴瓦两部分构成的。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

30、的合金，称为轴承合金。滑动轴承支承着轴进行工作。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。滑动轴承的基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体现以下性能：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，避免局部磨损。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，减少对轴的磨损。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

31、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劳强度，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，为减少轴瓦与轴颈的粘着性和擦伤性，轴承材料的基体应采用对钢铁互溶性小的金属，即与金属铁的晶体类型、晶格常数、电化学性能等差别大的金属，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

32、基体上嵌镶软颗粒。图 8.8 轴承理想表面示意图机器运转时，软的基体很快被磨损而凹陷下去，减少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，减少轴颈和轴瓦的磨损。同时，软基体具有抗冲击、抗振和较好的磨合能力。此外，软基体具有良好的嵌镶能力，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表面。硬基体上分布软质点的组织，也可达到同样的目的，该组织类型的轴瓦具有较大的承载能力，但磨合能力较差。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

33、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，加入锑、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

34、固溶体（硬度为2430HBS） ，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 Cu3Sn（呈白色星状）和化合物 Cu6Sn5（呈白色针状或粒状） 。化合物 Cu3Sn 和 Cu6Sn5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 相上浮，以减少合金的比密度偏析。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。它的主要缺点是疲劳强度较低，且锡较稀少，因此这种轴承合金价格最贵。图 8.9 ZSnSb11Cu6铸造锡基轴承的显微组织图 8.1

35、0 ZPbSb16Sn16Cu2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。加入锡能形成 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Cu2Sb 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（+）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 Cu2Sb（白色针状或晶状） 。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，但价格较便宜。因此，铅基轴承

36、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（ b=6090MPa）,不能承受大的压力，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铜基轴承合金有许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 wPb=30%，其余为铜。铅不溶于铜中，其室温显微组织为 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

37、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 wSn=10%， wP =1%，其余为 wCu。室温组织为+Cu 3P, 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能力大，耐疲劳性能好，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、疲劳强度高，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%S

38、b-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劳强度高、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，弥补其单一合金的不足，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

39、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，可在双层减磨合金表面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减少减磨合金层的厚度以提高疲劳强度，采用镀层来提高表面性能。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，采用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

40、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殊性能金属材料的方法，也是一种精密的无切屑或少切屑的加工方法。它可使压制品达到或极接近于零件要求的形状、尺寸精度与表面粗糙度，使生产率和材料利用率大为提高，并可减少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。材料成形工艺基础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 对于脆性材料通常采用球磨机破碎制粉。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

41、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，即将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 常用的化学方法有还原法、电触法等。还原法是从固态金属氧化物或金属化合物中还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，方法简单，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还原法生产的。铁粉生产常用固体碳将其氧化物还原，钨粉生产常用高温氢气将其氧化物还原。电解法是从金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。它的成本要比还原法

42、和雾化法高得多，因此，仅在特殊性能（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密切关系。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，如果粉末越细，那么同样重量粉末的表面积就越大，表面能也越大，烧结后的制品密度和力学性能也越高，但成本也越高。粉末应按要求的粒度组成与配合进行混合。在各组成成分的密度相差较大且均匀程度要求较高的情况下，常采用湿混。例如，在粉末中加入大量酒精，以防止粉末氧化。为改善粉末的成形性与可塑性，还常在粉料中加入增塑剂，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，也常在粉料中加入润滑剂。二、常用的粉末冶

43、金材料粉末冶金材料牌号采用汉语拼音字母（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，降低磨擦表面的静压强，在粉末孔隙内外形成压力差，迫使润滑油被抽到工作表面。停止工作后，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

44、荷的轴承，特别适宜不能经常加油的轴承，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 石墨 为 0.5%3%）烧结合金和铁-硫（ wS为0.5%1%）-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，除有与前者相同的几种组织外，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

45、 常用的是 ZCuSn5Pb5Zn5 青铜粉末与石墨粉末制成。硬度为2040HBS，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，但承压能力较铁基多孔轴承小，常用于纺织机械、精密机械、仪表中。近年来，出现了铝基多孔轴承。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，铝基多孔轴承会逐渐代替铜基多孔轴承而得到广泛使用。2烧结铁基结构材料（烧结钢）该材料是以碳钢粉末或合金钢粉末为主要原料，并采用粉末冶金方法制造成的金属材料或直接制成烧结结构零件。这类材料制

46、造结构零件的优点是：制品的精度较高、表面光洁（径向精度 24 级、表面粗糙度 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，减少磨损，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一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，加入铜还可提高耐蚀性。合金钢粉末合金淬火后 b可达 500800MPa，硬度 4

47、050HRC，可制造受力较大的烧结结构件，如液压泵齿轮、电钻齿轮等。如制造长轴类、薄壳类及形状特别复杂的结构零件，则不适宜采用粉末合金材料。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，制动器要吸收大量的动能，使摩擦表面温度急剧上升（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；良好的磨合性、抗咬合性；足够的强度，以能承受较高的工作压力及速度。 摩擦材料通常由强度高、导热性好、熔点高的金属（如用铁、铜）作为基体，并加入能提高摩擦系数的摩擦组分（如 Al2O3、SiO 2及石

48、棉等） ，以及能抗咬合、提高减摩性的润滑组分（如铅、锡、石墨、二硫化钼等）的粉末冶金材料。因此，它能较好地满足使用性能的要求。其中铜基烧结磨擦材料常用于汽车、拖拉机、锻压机床的离合器与制动器。而铁基的多用于各种高速重载机器的制动器。与烧结摩擦材料相互摩擦的对偶件，一般用淬火钢或铸铁。4硬质合金硬质合金是以碳化钨（WC）或碳化钨与碳化钛（TiC）等高熔点、高硬度的碳化物为基体，并加入钴（或镍）作为粘结剂的一种粉末冶金材料。（1）硬质合金的性能特点 硬质合金的性能特点主要有以下两个方面：硬度高、红硬性高、耐磨性好 由于硬质合金是以高硬度、高耐磨、极为稳定的碳化物为基体，在常温下，硬度可达 8693

49、HRA（相当于 6981HRC） ，红硬性可达9001000。故硬质合金刀具在使用时，其切削速度、耐磨性与寿命都比高速钢有显著提高。这是硬质合金最突出的优点。抗压强度高 抗压强度可达 6000MPa，高于高速钢，但抗弯强度较低，只有高速钢的 1/31/2 左右。硬质合金弹性模量很高，约为高速钢的 23 倍。但它的韧性很差，AK=24.8J,约为淬火钢的 30%50%。另外，硬质合金还具有良好的耐蚀性（抗大气、酸、碱等）与抗氧化性。硬质合金主要用来制造高速切削刃具和切削硬而韧的材料的刃具。此外，它也用来制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件（如磨床顶尖等） 。（2）常用的硬质合金 常用的硬质合金按成分与性能特点可分为三类，其代号、成分与性能如表 8.12 所示。钨钴类硬质合金 它的主要化学成分为碳化钨及钴。其代号用“硬” 、 “钴”两字汉语拼音的字首“YG”加