深度了解有色金属及合金,机械设计有色金属及合金

除钢铁材料以外的其他金属统称为非铁合金（俗称有色金属）。粉末冶金材料是指通过粉末冶金方法制得的材料。

一、铝及铝合金

（一）工业纯铝

工业中使用的纯铝是银白色的轻金属，熔点为660℃，密度为2.7g／cm3。纯铝的导电性、导热性好，仅次于金、银和铜，室温下，纯铝的电导率约为铜的64%。纯铝在大气中有良好的耐蚀性。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。纯铝的强度、硬度很低（σb＝80～100MPa，20HBS），但塑性很高（δ＝50%，ψ＝80%）。通过冷变形强化可提高纯铝的强度（σb＝150～250MPa），但塑性有所降低（ψ＝50%～60%）。

工业纯铝的纯度为98.0%～99.0%，含有铁、硅等杂质，杂质含量越多，其电导性、导热性、耐蚀性及塑性越差。

工业纯铝分为铸造纯铝和变形纯铝两种。根据GB／T8063—2017规定，铸造纯铝牌号由“铸”的汉语拼音字首“Z”和铝的元素符号“Al”及表示铝含量的数字组成，例如ZAl99.5表示wAl＝99.5%的铸造纯铝；根据GB／T16474—2011规定，变形纯铝及铝合金的牌号用四位字符体系的方法表示，即用1×××表示，牌号的最后两位数字表示最低铝百分含量×100后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，表示原始纯铝或原始合金，例如，牌号1A30的变形纯铝表示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。我国变形铝的牌号有1A50、1A30等。工业高度纯铝的旧牌号以LG1、LG2、…、LG5（对应的新牌号为1A85、1A90、…、1A99）表示，“LG”是“铝高”的汉语拼音字首，LG后面数字越大，纯度越高。高纯铝的牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85等。

工业纯铝主要用于制作电线、电缆、器皿及配制合金等。

（二）铝合金

铝合金的比强度（强度与密度之比）高，耐蚀性和切削加工性好，得到了广泛应用。

铝合金按结晶成分分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金塑性较高，适于压力加工；铸造铝合金熔点低，流动性好，适于铸造。

1.形变铝合金

（1）不能热处理强化的铝合金。

这类合金主要指Al-Mn系、Al-Mg系合金，其特点是有很好的耐蚀性，故常称为防锈铝合金。这类合金还具有良好的塑性和焊接性能，但强度较低，切削加工性能较差，只有通过冷加工变形才能使其强化。防锈铝合金代号用LF（“铝防”汉语拼音字首）及顺序号表示，如LF5等。防锈铝合金主要用于制作需要弯曲或冷拉伸的高耐蚀性容器，以及受力小、耐蚀的制品与结构件。

（2）能热处理强化的铝合金。

①硬铝合金。这类铝合金是Al-Cu-Mg系合金，加入铜和镁的目的是使之形成强化相。合金通过固溶热处理和时效处理可显著提高强度，σb可达420MPa，故称硬铝。硬铝的耐蚀性差，尤其不耐海水腐蚀。为此，常采用包纯铝方法提高板材的耐蚀性，但在热处理后强度较低。硬铝合金的代号用LY（“铝硬”汉语拼音字首）及顺序号表示，如LY1、LY11、LY12等。

LY1称铆钉硬铝，有较高的剪切强度，塑性好，主要用于制作铆钉。LY11称标准硬铝，强度较高、塑性较好，退火后冲压性能好，应用较广，主要用于形状较复杂、载荷较轻的结构件。LY12是高强度硬铝，强度、硬度高，塑性、焊接性较差，主要用于高强度结构件，例如飞机翼肋、翼梁等。

②超硬铝合金。这类铝合金是Al-Cu-Mg-Zn系合金。超硬铝合金时效硬化效果最好，强度、硬度高于硬铝，故称超硬铝。但耐蚀性较差，且温度大于120℃时就会软化。超硬铝合金的代号用LC（“铝超”汉语拼音字首）及顺序号表示，如LC4、LC6等。超硬铝合金主要用作要求重量轻、受力较大的结构件，如飞机大梁、起落架、桁架等。

③锻铝合金。这类铝合金大多是Al-Cu-Mg-Si系合金。其力学性能与硬铝相近，但热塑性及耐蚀性较高，适于锻造，故称锻铝。锻铝合金代号用LD（“铝锻”汉语拼音字首）及顺序号表示，如LD5、LD10等。锻铝合金主要用作航空及仪表工业中形状复杂、比强度较高的锻件，以及在300℃～200℃以下工作的结构件。例如，叶轮、框架、支架、活塞、气缸头等。

根据GB／T16474—2011《变形铝及铝合金牌号表示方法》和GB／T3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》的规定，变形铝合金及铝合金采用四位数字体系牌号和四位字符体系牌号，两种牌号的区别仅在牌号的第二位。牌号第一位数字表示铝及铝合金的组别，用1、2、3、4、5、6、7、8、9分别代表纯铝及以铜、锰、硅、镁、镁和硅、锌等其他元素为主要合金元素的铝合金及备用合金组；第二位数字或字母表示纯铝或铝合金的改型情况，数字0或字母A表示原始纯铝和原始合金，1～9或B～Y表示改型情况；牌号最后两位数字用以标识同一组中不同的铝合金，纯铝则表示最低铝百分含量中小数点后面的两位。

2.铸造铝合金

铸造铝合金有良好的铸造性能，可浇注成各种形状复杂的铸件。铸造铝合金的种类很多，主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四类。

铸造铝合金的代号用ZL（“铸铝”汉语拼音字首）及三位数字表示。第一位数字表示主要合金类别，分别用“1、2、3、4”表示铝—硅系、铝—铜系、铝—镁系、铝—锌系合金；第二、三位数字表示顺序号，如ZL102、ZM01等。

铸造铝合金的牌号由Z和基体元素化学符号、主要元素化学符号以及表示合金元素平均含量百分数的数字组成。优质合金在牌号后面标注A，压铸合金在牌号前面冠以字母“YZ”。例如：ZAlSi12表示ωSi＝12%的铸造铝合金。

①铝硅合金。Al-Si系铸造铝合金通常称硅铝明。这类合金有优良的铸造性能（如流动性好，收缩及热裂倾向小），一定的强度和良好的耐蚀性，广泛用于制造质量轻、形状复杂、耐蚀，但强度要求不高、温度在200℃的铸件，如内燃机活塞、气缸体、油泵壳体等。常用代号有ZL101、ZL102、ZL103、ZL104、ZL105等。

②铝铜合金。这类合金的wCu＝4%～14%。由于铜在铝中有较大的溶解度，且随温度发生变化，因此可进行时效硬化。铝铜合金耐热性好，但铸造性能和耐蚀性差，主要用来制造要求较高强度或高温下不受冲击的零件，如内燃机气缸头、活塞等。常用代号有ZL201、ZL202、ZL203等。

③铝镁合金。这类合金密度小（＜2.55g／cm3）、耐蚀性好、强度高、铸造性能差、耐热性低，时效硬化效果很小，主要用于制造在腐蚀性介质中工作的零件，如氨用泵体、船舰配件等。常用代号有ZL301、ZL303等。

④铝锌合金。这类合金铸造性能好，经变质处理和时效处理后强度较高，价格便宜，但耐蚀性、耐热性差。其主要用于制造结构形状复杂的零件，如汽车、仪表、飞机、日用品等。常用代号有ZL401、ZL402等。

二、铜及铜合金

（一）工业纯铜(www.xing528.com)

工业纯铜又称紫铜，密度为8.9g／cm3，熔点为1083℃。纯铜导电性、导热性优良，耐蚀性和塑性很好（δ＝40%～50%），但强度较低（σb＝230～250MPa），硬度很低（30～40HBS），不能热处理强化，只能通过冷变形强化，但塑性降低。例如，当变形度为50%时，强度为σb＝400～430MPa，硬度为100～200HBS，塑性下降至δ＝1%～2%。

工业纯铜的纯度为99.95%～99.5%，主要杂质有铅、铋、氧、硫、磷等，杂质含量越多，其电导性越差，并易产生热脆和冷脆。工业纯铜的代号用T（“铜”的汉语拼音字首）及顺序号（数字）表示，共有三个代号：T1、T2、T3，其后数字越大，纯度越低。纯铜广泛用于制造电线、电缆、电刷、铜管及配制合金，不宜制造受力的结构件。

（二）铜合金

铜合金是以铜为主要元素，加入少量其他元素形成的合金。铜合金比工业纯铜的强度高，且具有许多优良的物理化学性能，常用作工程结构材料。铜合金按化学成分不同分为黄铜、青铜和白铜；按生产方法不同分为压力加工铜合金和铸造铜合金。常用的铜合金是黄铜和青铜。

1.黄铜

黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金。按其化学成分不同分为普通黄铜和特殊黄铜；按生产方法不同分为压力加工黄铜和铸造黄铜。

（1）普通黄铜。普通黄铜是铜和锌组成的二元合金。加入锌可提高合金的强度、硬度和塑性，还可改善铸造性能。当wZn＜32%时，合金强度增加，塑性有所改善，适于冷变形加工；当wZn＝32%～45%时，随含锌量增加强度继续增加，塑性开始下降，不宜冷变形加工，但高温下塑性好，可进行热变形加工；当wZn＞45%时，强度、塑性急剧下降，脆性很大，无实用意义。

当黄铜wZn＜7%时，耐海水和大气腐蚀性好，但当wZn＞7%时，经冷变形加工后有残留应力存在，在海水或潮湿的大气中，易产生应力腐蚀开裂（亦称季裂）。

压力加工普通黄铜的牌号用H（“黄”的汉语拼音字首）及数字表示，其数字表示铜平均含量的百分数。例如，H68表示平均含铜量为68%，其余为锌含量的普通黄铜。

常用单相黄铜H70、H68，强度较高，冷、热变形能力好，适于用冲压法制造形状复杂、要求耐蚀的零件，如弹壳、冷凝器、造纸用管、散热器外壳等；H62、H59，强度较高，有一定耐蚀性，不适宜冷变形加工，可进行热变形加工，广泛用于制造热轧、热压零件，如销钉、铆钉、螺母、导管、焊接件等。

铸造黄铜的牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜、合金元素符号及该元素平均含量的百分数组成。如ZCuZn38为平均含锌量为38%，其余为铜含量的铸造黄铜。铸造黄铜的熔点低于纯铜，铸造性能好，且组织致密，主要用于制作一般结构件和耐蚀件，如端盖、阀座、手柄座、螺母等。

（2）特殊黄铜。在普通黄铜中加入硅、锡、铝、铅、锰、铁等合金元素所形成的合金称为特殊黄铜，相应的称这些特殊黄铜为硅黄铜、锡黄铜、铝黄铜等。加入的合金元素均可提高黄铜的强度，锡、铝、锰、硅还可提高耐蚀性和减少应力腐蚀破裂的倾向；铅可改善黄铜的切削加工性能和提高耐磨性；硅可改善铸造性能；铁可细化晶粒。

特殊黄铜分为压力加工和铸造用两种。压力加工特殊黄铜的牌号依次由H（“黄”字汉语拼音字首）、主加合金元素符号、铜平均含量的百分数、合金元素平均含量的百分数组成。例如，HSn62－1表示平均含锡量为1%、含铜量Cu为62%，其余为锌含量的锡黄铜。铸造特殊黄铜的牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜和合金元素符号、合金元素平均含量的百分数组成。例如，ZCuZn31Al2为平均含锌量为31%、含铝量为2%，其余为铜含量的铸造铝黄铜。

2.白铜

白铜是以镍为主加元素的铜合金，因色白而得名。按照化学成分的不同，可分为普通白铜和特殊白铜。

（1）普通白铜。通常含镍量小于50%的铜合金称为普通白铜，具有优良的塑性，还具有很好的耐蚀性、耐热性和特殊的电性能。因此，普通白铜主要制作在蒸汽、海水中工作的精密机械零件、钱币和电器元件等。

普通白铜的牌号用“B＋数字”表示。B是“白”字汉语拼音字首，数字表示平均含铜量的百分数。如B19表示平均含镍为19%、含铜为81%的普通白铜。

（2）特殊白铜。特殊白铜是在普通白铜中加入锌、铝、铁、锰等元素而组成的合金。加入合金元素能改善白铜的力学性能、工艺性能和电热性能，以及某些特殊性能。特殊白铜用于制作耐蚀、耐寒的高强度零件、精密电阻、医疗器械和弹簧等。

特殊白铜的牌号用“B＋主加元素符号＋数字”表示，“主加元素符号”与“数字”之间用“—”隔开。数字依次表示镍和加入元素平均含量的百分数，如BMn3－12表示含镍3%、含锰12%、含铜85%的锰白铜。

3.青铜

除黄铜和白铜以外的其他铜合金称为青铜，其中含锡元素的称为锡青铜，不含锡元素的称为无锡青铜（也称特殊青铜）。常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜等。按生产方式，青铜可分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

青铜的牌号依次由Q（“青”的汉语拼音字首）、主加元素符号及其平均含量的百分数、其他元素平均含量百分数组成。例如，QSn4－3表示平均含锡量为4%、含锌量为3%，其余为铜含量的锡青铜。若是铸造用青铜，其牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜及合金元素符号、合金元素平均含量百分数组成。例如，ZCuSn10Zn2表示平均含锡量为10%、含锌量为2%，其余为铜含量的铸造锡青铜。

（1）锡青铜。以锡为主要添加元素的铜基合金称为锡青铜。当wSn＜7%时，合金有良好的塑性。随含锡量增加，强度、塑性增加，适宜压力加工；当7%≤wSn≤20%时，随着含锡量的增加，合金的强度增高，塑性急剧下降，故适宜铸造；当wSn＞20%时，合金变脆，强度显著降低，无实用价值。因此，工业用锡青铜一般wSn＝3%～14%。

锡青铜的耐磨性好，对大气、淡水、海水等的抗蚀性比纯铜和黄铜高，无磁性，无冷脆现象，但对酸类和氨水的抗蚀性差。

压力加工锡青铜适于制造仪表上要求耐磨、耐蚀的零件，以及弹性零件、抗磁零件等，如QSn4－3适于制造弹性元件、化工机械耐磨零件和抗磁零件，QSn4－4－4适于制造航空、汽车和拖拉机用承受摩擦的零件（如轴承）。铸造锡青铜流动性差，易产生成分偏析、分散缩孔，使铸件致密性不高，但收缩小，故适宜制造形状复杂、外形尺寸要求严格、致密性要求不高的耐磨、耐蚀件，如ZCuSn3Zn11Pb4适合制造海水、淡水和蒸汽中、压力小于2.5MPa的阀门和管配件，ZCuSn5Pb5Zn5适于制造在较高负荷、中等滑动速度下工作的耐磨、耐蚀零件（如轴瓦、轴套、齿轮、蜗轮、蒸汽管、活塞、离合器等）。

（2）铝青铜。以铝为主要添加元素的铜合金称为铝青铜，一般wAl＝8.5%～11%。它具有高的耐蚀性、耐热性、硬度、耐磨性、韧性和强度。铸造铝青铜流动性好，偏析和分散缩孔小，故能获得致密的铸件，但收缩率大。当wAl＝5%～7%时，塑性好，适于冷变形加工；当wAl为10%左右时，强度最高，一般为铸造铝青铜。

压力加工铝青铜用于制造仪器中要求耐蚀的零件和弹性元件，如QAl5适于制造弹簧，QAl10－1.5适于制造船舶用高强度耐蚀零件（如齿轮、轴承）；铸造铝青铜常用于制造要求有较高强度和耐磨性的摩擦零件。若加入合金元素锰、铁，可进一步提高铝青铜的强度和耐磨性，如ZCuAl9Mn2适于制造耐蚀、耐磨件及在＜250℃工作的管配件、要求气密性高的铸件，ZCuAl8Mn13Fe3适于制造重型机械用轴套和要求强度高、耐磨、耐压零件，如衬套、法兰、阀体、泵体等。

（3）铍青铜。以铍为主要添加元素的铜合金称为铍青铜，一般wBe＝1.7%～2.5%。铍青铜经固溶热处理和时效后具有高的强度、硬度和弹性极限。另外，还具有良好的耐蚀性、电导性、热导性和工艺性，无磁性，耐寒，受冲击不产生火花等优点，可进行冷、热加工和铸造成形，主要用于制造仪器、仪表中的重要弹性元件和耐蚀、耐磨零件，如QBe2用于制造钟表齿轮、弹簧、航海罗盘、电焊机电极、防爆工具等。但铍青铜成本高，应用受限。