钛合金热处理.doc

第十三章 有色金属及合金
内容提要：
有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料。
1．铝及铝合金；
2．钛及钛合金；
3．铜及铜合金；
4．轴承合金。
基本要求：
掌握和了解各种有色金属的牌号、成分、性能和用途。
13.1铝及铝合金
13.1.1铅及铝合金的性能特点及分类编号
纯铝：纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低(660.4℃), 导电、导热性能优良。
耐大气腐蚀，易于加工成形 。
具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。
1 铝合金及其特点
铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。
①比强度高（>>高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。
②突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。
③良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。
2 铝合金分类及分类编号
13.1.2铝合金的强化
1 形变强化
2沉淀强化
3 固溶强化和时效强化：
13.1.3变形铝合金
变形铝及铝合金牌号表示方法：根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:
· 防锈铝合金：LF+序号
· 硬铝合金： LY +序号
· 超硬铝合金：LC +序号
· 锻铝合金： LD +序号
常用变形铝合金
1 防锈铝合金：主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。
Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。
防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。
2 硬铝合金：主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.
3 超硬铝合金:属Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。时效强化效果超过硬铝合金。热态塑性好，但耐蚀性差。常用合金有 LC4 (7A04 )、LC9 (7A09 )等，主要用于工作温度较低、受力较大的结构件, 如飞机大梁、起落架等.
d 锻铝合金:Al-Cu-Mg-Si系合金 可锻性好，力学性能高，用于形状复杂的锻件和模锻件，如喷气发动机压气机叶轮、导风轮等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝合金 常用牌号有LD7 (2A70)、LD8(2A80)、LD9(2A90)等 。用于制造150 ~225℃下工作的零件，如压气机叶片、超音速飞机蒙皮等。
•不可时效强化的铝合金： 防锈铝（F以左），单相固溶体，强度低、压力加工性能好；用其优良的耐蚀性能。牌号标记LF。
•可时效强化的变形铝合金： 硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD）。固溶时效提高性能。
13.1.4铸造铝合金
具有共晶转变的合金，铸造性能良好。包括：
· Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号
· Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号
· Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号
· Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号
1 Al-Si系铸造铝合金:又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明. 在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和a固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次a固溶体组织，以提高性能。加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。
2 Al-Cu系铸造铝合金:这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。
3 Al-Mg系铸造铝合金:这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)等.主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。
4 Al-Zn系铸造铝合金:这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。
13.2钛及钛合金
13.2.1纯钛
纯钛密度小，熔点高。882.5℃发生同素异构转变b-Ti⇌a-Ti, 由体心立方b-Ti转变为密排六方a-Ti.纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。纯钛主要用于 350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。
13.2.2钛的合金化
纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。按退火组织，钛合金可分为a型钛合金、b型钛合金和a+b型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示 。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3为工业纯钛。
1 a型钛合金：主加元素为铝，还有锡、硼等。不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相a固溶体。强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。常用牌号有TA5、TA7等。主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。
2 b型钛合金：加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，组织为b相基体上分布着细小的a相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。b型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。
3 a+b型钛合金：加入的合金元素有铝、钒、 钼 铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。a+b型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为a+b+时效析出的针状a。a+b型钛合金主要用于制造400℃以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.
13. 2. 3工业用钛合金
13.2.4钛合金的热处理
13.3铜及铜合金
13.3.1纯铜
铜和铜合金的特点
①较好的理化性能
导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。
②良好的加工性
易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。
③某些特有性能
优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等），高的σe和σ-1（铍青铜，弹性元件）。
④色泽美观
13.3.2黄铜
主要Cu—Zn合金
•类别：普通黄铜(Cu—Zn)；特殊黄铜(加工黄铜、铸造黄铜)，是在Cu-Zn基础上再加Ni、Pb、Al等，较高强度和耐蚀性。
•典型牌号： H96(加工黄铜)，HPb60—1(特殊黄铜)，ZH(铸造黄铜)。
13.3.3青铜
主要为Cu—Sn合金
•压力加工青铜：锡青铜（Sn2%～5%）、铝青铜（Al4%～8%）及铍青铜。 仪器仪表元件，耐蚀场合的耐磨件、抗磁件等。
•铸造青铜： 有共晶体（Sn 9%～11%、Al9%～11%），蜗轮、齿轮（减摩耐蚀）。
13.4轴承合金
13.4.1轴承合金的性能要求
制造滑动轴承的轴瓦及其内衬的耐磨合金称为轴承合金。滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑作用的重要部件，由轴承体和轴瓦两部分组成。与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。
1 组织性能要求:当轴高速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。
2 对轴承合金的性能要求： ⑴ 足够的强韧性，以承受轴颈施加的交变冲击载荷。⑵ 较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合。⑶ 较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。
为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点或硬的基体上分布着软的质点。当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油和轴与轴瓦间的磨合，而硬的质点 (基体)则支撑着轴颈，起承载和耐磨作用。软基体 (或质点)还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用, 以避免擦伤轴颈。
13.4.2锡基轴承合金
以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金，熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。
典型牌号为ZSnSb11Cu6。(其组织为a基体+白亮块状SnSb+星状Cu3Sn)
锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过 150 ℃，价格高。广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和内燃机等大型机器的高速轴瓦。
13.4.3铅基轴承合金
是以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，也是软基体硬质点型轴承合金。
典型牌号为ZPbSb16Sn16Cu2。
铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。常用于低速、低载条件下工作的设备,如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。
锡基和铅基轴承合金强度比较低，为提高其承载能力和使用寿命，生产上常采用离心浇注法，将它们镶铸在低碳钢轴瓦上，形成一层薄而均匀的内衬，成为双金属轴承。
13.4.4铝基轴承合金
1 Al-Sb轴承合金
2 Al-Sn轴承合金
习题
1． 铸造铝合金（如Al-Si合金）为何要进行变质处理？
2． 以Al-Cu合金为例，说明时效硬化的基本过程及影响时效硬化过程的因素。
3． 铝合金能象钢一样进行马氏体相变强化吗？可以通过渗碳、氮化的方式表面强化吗？为什么？
4． 铝合金的自然时效与人工时效有什么区别？选用自然时效或人工时效的原则是什么？
5． 铜合金的性能有何特点？铜合金在工业上的主要用途是什么？
6． 哪些合金元素常用来制造复杂黄铜？这些合金元素在黄铜中存在的形态是怎样的？
7． 锡青铜属于什么合金？为什么工业用锡青铜的含锡量一般不超过14%？
8． 轴承合金在性能上有何要求？在组织上有何特点？
9． 试比较钛合金的热处理强化方式与钢、铝合金的热处理强化方式的异同。