第六章 有色金属及其合金
我们通常把铁基合金（钢铁）称为黑色金属，铁基合金以外的金属称为有色金属。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的机械、物理和化学性能，是现代工业中不可缺少的金属材料。它们的种类很多，本章仅简单介绍较常用的几种，如铝、铜等。
6.1 铝及其合金
铝及铝合金有下列特性：
⑴比重小、比强度高 纯铝的比重只有2.72g/cm3，故其合金的比重（约2.5～2.88）也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到与低合金高强钢相近的强度，因此比强度要比一般高强钢高得多。⑵有优良的物理、化学性能 铝的导电性好仅次于银、铜和金，在室温时的导电率约为铜的64％。铝资源丰富，成本较低。铝及铝合金有相当好的抗大气腐蚀能力，其磁化率极低，接近于非铁磁性材料。⑶加工性能良好 铝及铝合金（退火状态）的塑性很好，可以冷成形。切削性能也很好。超高强铝合金成形后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好。
由于上述优点，铝及铝合金在电气工程、航空及宇航工业、一般机械和轻工业中都有广泛的用途。
6.1.1 纯铝
纯铝是一种银白色的金属，熔点(与其纯度有关，99.996％时)为660.24℃，具有面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝中含有Fe、Si、Cu、Zn等杂质元素，使性能略微降低。纯铝材料按纯度可分为三类。
⑴高纯铝 纯度为99.93～99.99％，牌号有L01、L02、L03、L04等四种，编号越大，纯度越高。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。
⑵工业高纯铝 纯度为98.85～99.9％，牌号有L0、L00等，用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。
⑶工业纯铝 纯度为98.0～99.0％，牌号有L1、L2、L3、L4、L5等五种，编号越大，纯度越低。工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金。
工业纯铝的抗拉强度和硬度很低，分别（铸态）为90～120MPa,24～32HBS,不能作为结构材料使用。但其塑性极高，延伸率?（退火）为32～40％ ，断面收缩率?（退火）为70～90％。能通过各种压力加工制成型材。
6.1.2 铝合金
铝中加入合金元素(Si、Cu、Mg、Zn、Mn等)后，就形成了铝合金, 除了保留纯铝的低密度、良好的导电性和导热性等优点外，通过合金化和其他工艺方法，可获得较高的强度，并保持良好的加工性能。许多铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。因此铝合金可用于
制造承受较大载荷的机器零件和构件。 图6.1 铝合金分类示意图
6.1.2.1 铝合金的分类
根据铝合金的成分和工艺特点，可将其分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其分类方法是根据二元铝合金相图（如图6.1）而确定的。图中成分为D?点左边的铝合金，加热到高温时能形成单相固溶体，具有良好的塑性，适于变形加工，称为变形铝合金。成分位于F
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点左边的变形铝合金，在加热冷却过中，?固溶体不发生成分的改变，不能通过热处理手段来强化，称为不可热处理强化的变形铝合金。成分位于F和D?之间的铝合金，在一定的温度区间内改变条件，会析出第二相提高强度，称为可热处理强化的形变铝合金。成分位于D?点以右的合金，组织里有共晶组织，液态金属流动性较好，适于铸造成形，称为铸造铝合金。
6.1.2.2 铝合金的热处理特点
铝合金是通过时效处理来改变性能的。 下面以Al?Cu合金二元相图为例来说明（如图6.2）。 将成分位于D?F之间的Al?Cu合金加热到?相区，经保温得到单相?固溶体，然后迅速水冷，在室温就得到了过饱和的?固溶体，它的强度和硬度变化不大，但塑性却较高，这个过程类似于钢的淬火，可以称为铝合金的淬火处理。过炮和的
?固溶体是不稳定的，有降低溶解度、析出第二相 图6.2 Al-Cu合金相图
、过渡到稳定状态的趋势。因此在室温下放置或低温加热时，析出细小弥散的第二相能有效地强化铝合金，使强度、硬度明显升高，塑性下降，这种现象称为时效或时效硬化。在室温下进行的时效称为自然时效，在加热条件下进行的时效称为人工时效。
例如，含4％Cu的Al?Cu合金(如图6.2)加热到550℃保温一段时间淬火并在水中快冷时，?相（CuAl2）来不及析出，得到的是过饱和的?固溶体，强度仅为250MPa，在室温下放置，随时间延长合金的强度逐渐升高，4～5天以后，强度可升至 400MPa。淬火后开始放置数小时内，合金的强度基本不变化，这段时间称为孕育期。时效时间超过孕育期后，强度迅速升高。所以一般均在孕育期内对铝合金进行铆接、弯曲、矫直、卷边等冷变形成形。
自然时效后的铝合金，在230～250℃短时间（几秒至几分种）加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置，则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回归。一切能时效硬化的合金都有回归现象。回归现象在实际生产中具有重要意义。时效后的铝合金可在回归处理后的软化状态进行各种冷变形。例如，利用这种现象，可随时进行飞机的铆接和修理等。
6.1.2.3 变形铝合金
根据化学成分和性能的不同，变形铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金四类，详见表6.1。变形铝合金代号以汉语拼音字首+顺序号表示，如LF、LY、LC、LD分别代表防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。
表6.1变形铝合金主要牌号及用途 类别 牌号 用 途 类别 牌号 用 途 LF5 中载零件、铆钉、焊接油箱、油管等 防锈 同上 铝合 LF11 金 LF21 管道、容器、铆钉及轻载零件及制品 硬 LY1 中等强度、工作温度不超过100℃的铆钉 铝 LY11 中等强度构件和零件、如骨架、螺旋桨叶片铆钉 合 金 LY12 高强度的构件及150℃以下工作的零件，如骨架、梁、铆钉 主要受力构件及高载荷零件，如飞机大梁，LC4 超硬 加强框、起落架 铝合 同上 金 LC6 锻 LD5 形状复杂和中等强度的锻件及模锻件 铝 LD7 高温工作的复杂锻件和结构件、内燃机活塞 合 金 LD10 高载荷锻件和模锻件 ⑴防锈铝合金 主加合金元素是Mn和Mg，锻造退火后得到单相固溶体组织，塑性、耐蚀性良好。Mn的主要作用是提高耐蚀能力，还有固溶强化作用。Mg在固溶强化的同时能降低合金的密度，减轻零件的结构重量。防锈铝合金不能通过热处理来强化，只能采用冷变形产生加工硬化。常用的防锈铝合金有LF5、LF21等，广泛应用于航空工业，也可用于经压延、焊接加工的耐蚀零件，如管道、油箱、铆钉等。
⑵硬铝合金 主要合金元素是Cu和Mg，并加入少量的Mn构成Al?Cu?Mg?Mn多元合金系。Cu和Mg在时效过程中可形成强化相CuAl2（?相）和CuMgAl2（S相），S相
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可以提高合金的耐热性。Mn主要是提高耐蚀性，也有一定的固溶强化和增进耐热性的作用，常用的硬铝合金有LY1、LY11、LY12、LY13等。
①低强度硬铝—Mg和Cu的含量较低，而且Cu/Mg比值较高，强度低，塑性高。采用淬火和自然时效可以强化，时效速度较慢。适于作铆钉，故又称铆钉硬铝。有LY1、LY10等。
②标准硬铝—Mg和Cu的含量较高，Cu/Mg比值较高，强度和塑性在硬铝合金中属中等水平，故又称中强度硬铝。合金淬火和退火后有较高的塑性，可进行压力加工。时效处理后能提高切削加工性能。适于作飞机螺旋桨叶片、铆钉等，有LY11等。
③高强度硬铝—Mg和Cu的含量高，Cu/Mg比值较低，强度和硬度高，塑性低，变形加工能力差，有较好的耐热性。适于作航空模锻件和重要的销轴等，有LY12等。
硬铝合金有两个特点值得注意：其一耐蚀差，尤其是在海水等环境中。其二淬火加热温度区间狭窄，如LY11的为 505～510℃，LY12的为 495～503℃。加热温度稍低，固溶体中Mg和Cu等溶入量较少，淬火时效处理后强化效果较差；加热温度稍高，存在较多低熔点组成物的晶界会熔化。因此，实际操作时要把淬火加热温度严格地控制在工艺范围内。
⑶超硬铝合金 是Al?Cu?Mg?Zn系合金。时效过程除了析出?相和S相外，还能析出强化作用更大的MgZn（?相）相和Al2Mg3Zn3（?相）。经时效处理后，可得到铝合金中的最高强度。超硬铝合金热塑性较好，但是耐蚀性较差，也可以通过包铝的方法加以改善。
常用的超硬铝有LC4、LC6等，主要用作要求质量轻受力大的重要构件，如飞机大梁、起落架、隔板等。
⑷锻铝合金 有Al?Cu?Mg?Si系普通锻铝合金及Al?Cu?Mg?Ni?Fe系耐热锻铝合金，共同的特点是热塑性、耐蚀性较好，经锻造后可制造形状复杂的大型锻件和模锻件。
普通锻铝合金包括LD2、LD5、LD6、LD10等，主要强化相为Mg2Si。LD2的抗蚀性接近防锈铝，LD普通锻铝合金可用于离心压缩机叶轮、导风轮等。 10的强度与硬铝相近。
耐热锻铝合金包括LD8、LD9等，顺序号越大，耐热性越差。主要耐热强化相7、LD为Al9FeNi，适于制作工作在150～225℃的叶片、叶轮等。
6.1.2.4 铸造铝合金
根据化学成分的不同，铸造铝合金可分为Al?Si系、Al?Cu系、Al?Mg系、Al?Zn系四大类，详见表6.2。
表6.2常用铸造铝合金牌号及用途
类别 牌号 ZAlSi7Mg ZAlSi12 铝 硅 ZAlSi5Cu1Mg 合 金 ZAlSi12Cu1Mg1Ni1 铝 铜 合 金 铝 镁 合 金 铝锌 合金 ZalCu5Mn ZalCu10 ZAlMg10 ZAlMg5Si1 ZalZn11Si7 ZalZn6Mg ZL107 ZL109 ZL110 ZL201 ZL202 ZL203 ZL301 ZL302 ZL303 ZL401 ZL402 结构形状复杂的汽车、飞机、仪器仪表零件，也可制造日用品 强度和硬度较高的零件 较高温度下工作的零件，如活塞等 活塞及高温下工作的零件 砂型铸造工作温度为175～300℃的零件，如内燃机气缸头、活塞等 高温下工作不受冲击的零件 中等载荷、形状比较简单的零件 大气或海水中工作的零件，承受冲击载荷、外形不太复杂的零件，如舰船配件、氨用泵体等 ZL105 形状复杂工作温度为250℃以下的零件，如风冷发动机气缸头、机匣、油泵壳体等 ZAlSi9Mg 代号 ZL101 ZL102 ZL104 用 途 形状复杂的零件，如飞机、仪器零件等 仪表、抽水机壳体等外型复杂件 形状复杂工作温度为200℃以下的零件，如电动机壳体、汽缸体等 铸造铝合金代号以汉语拼音字母字首（ZL表示“铸铝”）+三位数字表示，第一位数字1、
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2、3、4分别代表Al?Si、Al?Cu、Al?Mg、Al?Zn系，后两位数字是合金的顺序号。如ZL102代表顺序号为 2的 Al?Si系铸造合金。
⑴Al?Si系铸造铝合金 Al?Si系铸造铝合金通称硅铝明，根据合金元素的种类和组元数目的不同，可分为简单硅铝明（Al?Si二元合金）和特殊硅铝明（Al?Si?Mg系、Al?Si?Cu?Mg系等）。
Al?Si二元合金相图见图6.3。硅含量为10～13％的简单硅铝明（ZL102）铸造后几乎可全部得到共晶组织，具有良好的流动性、较小的热裂倾向。二元Al?Si共晶组织由?固溶体+粗大的针状硅晶体组成，铸件因针状硅晶体的存在，强度和塑性都很差，脆性较大，不能应用。工业上常通过变质处理来改变共晶组织的形态，在浇注前向820～850℃的合金液中投人质量为合金液2～3％的变质剂（一般为钠盐混合物：23NaF＋13NaCl），十余分钟后浇注，可使组织明显细化，得到树枝状的初生?固溶体+细小均匀
的共晶体，强度和塑性得到了显著的提高。 图6.3 Al-Si二元合金相图
经变质处理后的ZL102不但铸造性能良好，还具有良好的耐热、抗蚀和焊接性。但是强度较低，而且不能通过淬火时效强化。ZL102多用作形状复杂受力不大的零件，如仪表、水泵壳体等。
为了提高强度，拓宽硅铝明的用途，在Al?Si二元合金基础上加入铜、镁、锌等合金元素，就得到了特殊硅铝明。合金元素加入除了形成CuAl2（?相）、Mg2Si（?相）、CuMgAl2（S相）等强化相以外，还能进行淬火时效强化，明显提高强度，常用特殊硅铝明有ZL101、ZL104等，可用作飞机仪表零件、气缸体等。
⑵Al?Cu系铸造铝合金 Al?Cu合金的强度和耐热性都比较好，但是组织中共晶体较少，铸造性能较差，热裂、疏松的倾向较大，耐蚀性也较差。常用的Al?Cu铸造合金有ZL201、ZL202、ZL203等，可用作内燃机气缸头、活塞、增压器的导风轮等。
⑶Al?Mg系铸造铝合金 Al?Mg合金有较高的强度，良好的耐蚀性和机加工性，密度很小（为2.55g/cm3，比纯铝还轻），但是铸造性、耐热性较差，可进行时效处理，常用的Al?Mg合金有ZL301、ZL302等，可用作为腐蚀和冲击条件下服役的零件，如船舶零件，氨用泵体等。
⑷Al?Zn系铸造铝合金 Al?Zn合金铸造性能优良，价格低廉。铸态下有“自行淬火”现象，锌原子被固溶在过饱和固溶体中。经变质和时效处理后，有较高的强度，但是耐蚀性较差，热裂倾向较大。常用Al?Zn合金有ZL401、ZL402等，可用于机动车辆发动机零件及形状复杂的仪表零件。
6.2 铜及其合金
铜及铜合金有下列特性:
⑴优异的物理、化学性能 纯铜导电性、导热性极佳，铜合金的导电、导热性也很好。铜及铜合金对大气和水的抗蚀能力很高。铜是抗磁性物质。⑵良好的加工性能 铜及其某些合金塑性很好；容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能。⑶某些特殊机械性能 例如优良的减磨性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），高的弹性极限和疲劳极限（如铍青铜等）。⑷色泽美观。
铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。
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但铜的储量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料，只有在特殊需要的情况下，例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。
6.2.1 纯铜
纯铜呈玫瑰红色，因其表面在空气中氧化形成一层紫红色的氧化物而常称紫铜，密度8.94g/cm3，熔点为1083℃，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。纯铜是人类最早使用的金属，也是迄今为止得到最广泛应用的金属材料之一。纯铜强度较低，在各种冷热加工条件下有很好的变形能力，不能通过热处理强化，但是能通过冷变形加工硬化。
微量杂质Bi、Pb、S等会与Cu形成低熔点共晶组织导致“热脆”，如形成熔点为270℃的（Cu+Bi）和熔点为326℃的（Cu+Pb）共晶体，并且分布在晶界上，在正常的热加工温度820～860℃下，晶界早期熔化，发生晶间断裂。硫和氧则易与铜形成脆性化合物Cu2S和Cu2O，冷加工时破裂断开，导致“冷脆”。
工业纯铜中铜的含量为99.5～99.95％，其牌号以“铜”的汉语拼音字首“T”+顺序号表示，如T1、T2、T3、T4，顺序数字越大，纯度越低，见表6.3。
表6.3工业纯铜的牌号、成分及用途
纯度牌号 一号铜 二号铜 三号铜 四号铜 代号 (％) T1 T2 T3 T4 99.95 99.90 99.70 99.50 Bi 0.002 0.002 0.002 0.003 Pb 0.005 0.005 0.01 0.05 (％) 0.05 0.1 0.3 0.5 导电材料和配制高纯度合金 导电材料，制作电线、电缆等 铜材、电气开关、垫圈、铆钉、油管等 铜材、电气开关、垫圈、铆钉、油管等 杂质(％) 杂质总量 用 途 6.2.2 铜的合金化和铜合金的分类及编号 6.2.2.1 铜的合金化 纯铜的强度较低，不能直接用作为结构材料，虽然可以通过加工硬化提高其强度和硬度，但是塑性会急剧下降，延伸率仅为变形前（??50％）的4％左右。而且，导电性也大为降低。因此，为了保持其高塑性等特性，对Cu实行合金化是提高其强度的有效途径。
根据合金元素的结构、性能、特点以及它们与Cu原子的相互作用情况，Cu的合金化可通过以下形式达到强化的目的。
⑴固溶强化 Cu与近20种元素有一定的互溶能力，可形成二元合金Cu?Me。从合金元素的储量、价格、溶解度及对合金性能的影响等诸方面因素考虑，在铜中的固溶度为10％左右的Zn、Al、Sn、Mn、Ni等适合作为产生固溶强化效应的合金元素，可将铜的强度由240MPa提高到650MPa。
⑵时效强化 Be、Si、Al、Ni等元素在Cu中的固溶度随温度下降会急剧减小，它们形成的铜合金可进行淬火时效强化。
Be含量为 2％的Cu合金经淬火时效处理后，强度可高达1400MPa。
⑶过剩相强化 Cu中的合金元素超过极限溶解度以后，会析出过剩相，使合金的强度提高。过剩相多为脆性化合物，数量较少时，对塑性影响不太大；数量较多时，会使强度和塑性同时急剧降低。
6.2.2.2 铜合金的分类及编号
根据合金元素的不同，铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三大类。
⑴黄铜的分类与编号 黄铜是以Zn为主加元素的铜合金，黄铜具有较高的强度和塑性，良好的导电性、导热性和铸造工艺性能，耐蚀性与纯铜相近。黄铜价格低廉，色泽明亮美丽。
按化学成分可分为普通黄铜及特殊黄铜（或复杂黄铜）；按生产方式可分为压力加工黄铜及铸造黄铜。
普通黄铜的牌号以“黄”的汉语拼音字首“H”+数字表示，数字表示铜的含量，如H62表示含Cu量为62％，其余为Zn的普通黄铜。
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有色金属及其合金.
