非铁基金属材料的特点和应用

任务介绍

非铁基金属材料即非铁合金材料。通常把铁和铁碳合金称为黑色金属，把黑色金属以外的金属及其合金称为非铁合金。与钢铁材料相比，非铁基金属材料价格高，产量低，但由于其具有许多优良的特性，容易满足汽车上某些零件的特殊要求，成为不可缺少的汽车材料，常用的非铁合金主要有铝、铜及其合金。随着汽车工业的不断发展，对减少排放污染的要求逐年提高，非铁基金属在汽车上的应用越来越广泛，钛、镁、锌等合金的应用也越来越受到重视， 在汽车上的用量也越来越多。

学习目标

1.掌握铝、铜及其合金的应用。

2.了解钛、镁、锌及其合金的应用。

相关知识

一、铝及铝合金

纯铝是银白色金属，熔点为675℃，密度小，为2.72g/cm3，仅为铁的1/3；导电、导热性较好，抗大气腐蚀性好，但不耐酸、碱和盐；塑性好，可压力加工成各种型材；无铁磁性，即磁化率极低。纯铝主要用来替代贵金属制电线，配制各种铝合金，或用于要求质轻、导热或耐大气腐蚀但抗拉强度要求不高的场合。纯铝因其强度低、切削加工性差、可焊性差等特点，在汽车工业中使用较少。而铝合金因其具有强度高、质量小等优点，在汽车行业得到广泛应用。铝合金就是在铝中加入适量的硅（Si）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）等元素后组成的合金。按其成分和工艺特点，铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两类。

1.变形铝合金

变形铝合金的特点是塑性好，可进行冷热状态下的压力加工，一般分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等。防锈铝属于铝-锰系和铝-镁系合金，其强度适中，塑性、韧性优良，耐蚀性好，具有较好的抛光性，光泽可长期保持，主要用于制造耐蚀性好的容器及汽车装饰，以及受力小的结构件、铆钉等。硬铝分铝-铜-镁和铝-铜-锰两类合金。这类合金通过淬火、时效处理可以显著提高强度。因其密度小，强度与密度的比值较高，故名硬铝，常用于制作铆钉、蒙皮等。硬铝的耐蚀性比纯铝差，故常在表面包一层纯铝，以提高其耐蚀性。超硬铝是在硬铝中再加入锌形成的铝-铜-镁-锌系合金。经淬火、时效处理，其硬度超过硬铝，故称为超硬铝。其耐蚀性较差，一般表面要包一层纯铝，以增加抗蚀能力。超硬铝主要用于制作飞机上的一些构件。

2.铸造铝合金

铸造铝合金简称铸铝，其种类很多，常用的有铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系和铝-锌系等合金。铝-硅系合金是最常用的铸造铝合金，俗称硅铝。这种合金有着优良的铸造性能，同时具有密度小、抗蚀能力好、力学性能较好等优点，所以广泛用来制造形状复杂、要求有较高强度和耐蚀性的零件。铸铝的牌号用“ZL”及3位数字表示。其中，第一位表示铝合金的类别（1表示铝-硅系、2表示铝-铜系，3表示铝-镁系，4表示铝-锌系）；第二、三位表示合金的顺序号，如ZL102、ZL401。

汽车上应用的铝合金以铸铝为主，发动机部分气缸体是大尺寸的铝铸件。另外，采用铝铸件的还有曲轴箱、气缸盖、活塞、滤清器、发动机架等。另外，底盘上采用铝铸件的零件也较多，如离合器壳、变速器壳等；车轮毂也有用铝合金铸造的。

二、铜及铜合金

纯铜呈紫红色，又称紫铜，具有良好的导电性、导热性、耐蚀性和塑性，但纯铜的强度不高，硬度较低，且价格高，故一般不直接制作各种构件；常用的是铜合金。在汽车上只有个别场合应用纯铜，如气缸垫、进排气管垫、轴承垫片、某些管接头、制动管、散热管、油管和电气接头等。

常用的铜合金可分为黄铜（铜锌合金）、青铜（铜锡合金）和白铜（铜镍合金）3类，下面仅介绍前两种合金。

1.黄铜

黄铜是以锌为主加元素的铜合金。按化学成分的不同，黄铜又分为普通黄铜和特殊黄铜。

普通黄铜仅由铜和锌两种元素组成。其牌号用“黄”字的汉语拼音首字母“H”加数字表示。其中，数字表示铜的质量分数的百分数，其余为锌。例如，H68表示铜的质量分数为68％，其余为锌的普通黄铜。普通黄铜常用来制作汽车上的散热器分水管、汽油滤清器滤芯、化油器零件、管接头、垫圈、螺钉等。

在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的合金称为特殊黄铜。常加入的合金元素有锡、硅、锰、铅和铝等，分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。

特殊黄铜的牌号用“H+元素符号+若干组数字”表示。其中，第一组数字表示铜的质量分数的百分数，第二组表示主加元素的质量分数的百分数，数字用半字线分隔。例如，HPb59-1表示含铜59％、铅1％，其余为锌的铅黄铜。

特殊黄铜在汽车上用于耐磨损的零件，如转向节衬套、钢板弹簧衬套、离合器与制动蹄支轴衬套，也可用于制作散热器冷凝器、冷却管，还可用于制作装饰件、供水排水管等。

2.青铜

除黄铜和白铜（铜和镍的合金）外，所有的铜基合金都称为青铜。按化学成分的不同，青铜可分为锡青铜和无锡青铜。根据加工工艺和用途的不同，青铜可分为加工青铜和铸造青铜。

锡青铜是以锡作为主加元素的铜合金。它有良好的强度、硬度、耐腐蚀性和铸造性。它的铸造收缩率是合金和非铁合金中最小的。因此，它适用于铸造形状复杂、壁厚较大的零件，常用作轴承材料。其牌号由“青”字的汉语拼音首字母“Q”和几组数字组成。其中，第一组数字为主加元素质量分数的百分数，后几组数字为其他添加元素质量分数的百分数。例如，QSn4-4-2.5表示锡的质量分数约4％，含锌约4％，含铅约2.5％的锡青铜。锡的价格较高，所以出现了在铜中不加锡元素，而是添加铝、镍、锰、硅、铍、铅等元素，这些青铜称为无锡青铜或特殊青铜。无锡青铜具有高的强度、耐磨性及良好的耐蚀性，有的无锡青铜还有高的导电性、导热性和热强性，因而是锡青铜很好的代用品。

锡青铜用作水箱盖出水阀弹簧等弹性件，也可用作发动机摇臂衬套、连杆衬套、轴套垫及轴承垫等耐磨件。无锡青铜各有特点，应用也不同，如硅青铜可制作弹簧，铝青铜可制作轴套、齿轮、蜗轮，铅青铜可制作轴承、曲轴止推垫圈。

三、轴承合金

轴承是机器上的重要零件，是支承轴并保证其正常运转的零件。目前，机器中使用的轴承有滚动轴承和滑动轴承两类。在滑动轴承中，用于制造轴瓦和内衬的合金材料称为轴承合金。

轴承合金的牌号用“轴”字汉语拼音首字母“Z”加基本元素符号与主加元素符号及其质量分数的百分数表示。例如，ZSnSb4Cu4，Cu后的4表示平均铜的质量分数为4％，Sb后的4表示平均锑的质量分数为4％，ZS”表示锡基轴承合金。

1.轴承合金性能的要求

对轴承合金性能的要求：足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位压力；足够的塑性、韧性、疲劳强度，以承受轴颈的周期性载荷，并抵抗冲击和振动；良好的磨合能力，使其与轴能较快地紧密配合；高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，并能保留润滑油，减轻磨损；良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数，防止摩擦升温而发生咬合。

2.锡基和铅基轴承合金

这两类轴承合金广泛应用于汽车，统称为巴氏合金，均系低熔点合金，牌号为“ZCh+基体元素符号+主加元素符号+主加元素百分含量+辅加元素百分含量”。其中，“Z”“CH”为“铸”“承”两个汉语拼音字母的首字母。

（1）锡基轴承合金

特点：这种合金具有良好的减摩性、导热性、耐蚀性和韧性、膨胀系数小。

缺点：抗拉强度及疲劳强度较低，工作温度不高于150℃，且锡稀缺，价高。

适用：制作重要的轴承和轴瓦，如发动机、压缩机等高速轴承。

（2）铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

特点：这种合金硬度、强度、韧性均较锡基轴承合金好。(www.xing528.com)

缺点：摩擦因数较大，工作温度不能超过120℃。

适用：其价格低廉，常用于制造受中低载荷的中速轴承，如汽车、工程机中的曲轴轴系、连杆轴承及电动机轴。

3.铜基轴承合金（铅青铜）

铜基轴承合金常用牌号为ZQPb30的铅青铜，含铅量为27％～33％，余量为含铜量。其属于硬基体软质点组织。

优点：与巴氏合金比，承载能力大、抗拉强度高、具有良好的耐磨性，能在较高的温度（如300℃）下工作，价格低。

缺点：铅加入后使抗拉强度下降，铜和铅密度相差大，易偏析，抗蚀能力下降。

应用：用于高温高压下工作的轴承，如航空发动机、变速柴油机和轴承等。

4.铝基轴承合金

铝基轴承合金为新型减摩材料，具有密度小、导热性好、疲劳及抗拉强度高、耐蚀性好、原料丰富、价低等优点。但其膨胀系数大，运转易咬合，故主要用于在高温、高负荷下工作的轴承 。

任务小结

1）铝及铝合金：铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

2）铜合金：铜合金可分为黄铜（锌为主加元素的铜合金）、白铜（铜和镍的合金）、青铜（除黄铜和白铜外所有的铜基合金）。

3）巴氏合金：锡基和铅基轴承合金，这两类轴承合金广泛应用于汽车，通称为巴氏合金。

拓展提高

其他合金材料

1.锌合金

以锌为基加入其他元素组成的合金。常加的合金元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等。锌合金熔点低，流动性好，易熔焊、钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔；但易发生自然时效引起尺寸变化。锌合金通常采用熔融法制备，压铸或压力加工成材。按制造工艺，锌合金可分为铸造锌合金和变形锌合金。

锌合金的主要添加元素有铝、铜和镁等。锌合金按加工工艺可分为形变锌合金与铸造锌合金两类。铸造锌合金流动性和耐蚀性较好，适用于压铸仪表、汽车零件外壳等。

锌合金的特点有密度大；铸造性能好，可以压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑；可进行表面处理，如电镀、喷涂、喷漆；融化与压铸时不吸铁，不腐蚀压型，不粘模；有很好的常温力学性能和耐磨性；熔点低，在385℃熔化，容易压铸成型。目前，应用最广的锌合金是ZZnA14Cu1Mg，其主要用于压铸大尺寸、高强度、高耐蚀性零件，如汽车机油泵体，仪器、仪表外壳及零件等。

2.钛合金

钛是银白色金属，外观似钢，熔点达1677℃，属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，远高于铜、锌、锡、铅等常见金属。

工业纯钛热膨胀系数小、导热性差、塑性好、强度低、容易加工成形。钛具有同素异构现象，在882℃以下为密排六方结构的α-Ti，882℃以上为体心立方结构的β-Ti。

纯钛力学性能好、可塑性好、易于加工，如有杂质，特别是氧、氮、碳会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。

钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行恢复。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱侵蚀。特别是钛在海水中稳定，将钛或钛合金放入海水中一段时间取出后，其仍光亮如初，性能远优于不锈钢。

钛的另一重要特性是密度小，为4.508g/cm3。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。

液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如铝、钒、锆、锡、硅、钼和锰等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。例如，钛-铝-锡合金有很高的热稳定性，可在相当高的温度下长时间工作；以钛-铝-钒合金为代表的超塑性合金，可以50％～150％地伸长加工成形，其最大伸长可达到2000％，而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30％。

由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称。钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通信设备及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。但是，钛及钛合金的加工条件复杂、成本较高，在很大程度上限制了其应用。

3.镁及镁合金

镁的密度为1.74g/cm3，具有很高的化学活性，易在空气中形成疏松多孔的氧化膜。其电极电位低、耐蚀性很差。镁为密排六方晶格，强度和塑性不高，一般不直接用作结构材料。工业纯镁的牌号用“Mg+序列号”表示，如Mg1称为1号纯镁，Mg2称为2号纯镁。

在镁中加入铝、锌、锰等合金元素后可形成镁合金。合金元素的质量分数一般为铝为0.2％～9.2％，锌为0.2％～6.0％，锰为0.1％～2.5％。经热处理后（固溶时效处理），其硬度可达300～350 HBS。

镁合金的密度很小，比铝小1/3，但比强度高于铝合金；疲劳强度极高，能承受较大的冲击载荷；耐蚀性好（特别耐煤油、汽油等矿物油和碱类的腐蚀），有良好的切削加工性能。镁合金在航空、无线电通信、仪表等行业获得了广泛的应用。同时，镁合金是最有发展前景的汽车与工程机械轻量化材料之一，用镁合金替代铝合金制造汽车零部件，在当前汽车生产中已逐步实现。

镁合金根据加工方法分为变形镁合金（压力加工镁合金）和铸造镁合金两类。

镁是实际应用中最轻的金属，其吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好，很适合制造汽车零件。镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用，镁压铸件的生产效率比铝高30％～50％。新开发的无孔压铸法可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。

镁铸件在汽车上的最早应用实例是车轮。另外，在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速器壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上的支架相比，镁制件质量可减轻65％；与传统的钢制转向盘轮芯相比，镁制件质量可减轻45％；与全铝气缸盖相比，镁制件质量可减轻30％；与传统的钢冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体镁铸件质量可减轻40％，同时其刚性也得以改善。

镁基复合材料的研究也有一定的进展，以SiC颗粒为增强体，采用液态搅拌技术得到的镁基复合材具有很好的性能且生产成本较低。在AZ91合金中加入25％的SiC颗粒增强的复合材料，与基体合相比，抗拉强度提高23％，屈服强度提高47％，弹性模量提高72％。

4.粉末冶金

粉末冶金是以金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为金属陶瓷法。

粉末冶金在完成金属材料冶炼的同时，可获得形状大小合乎要求的机械零件，是一种精密的无屑或少屑加工方法，不仅能节约材料、简化加工、节省工时，还能获得传统材料所不具备的某些特殊性能。常用的粉末冶金材料有含油轴承材料与硬质合金。