第三节 有色金属及合金和非金属

通常把铁及其合金（钢和铁）称为黑色金属，而把非铁金属及其合金称为有色金属，也称为非铁金属。有色金属的种类很多，其产量和使用虽不及黑色金属，但是由于它们具有许多特殊的性能，如高的导电性和导热性、较低的密度和熔化温度、良好的力学性能和工艺性能。因此，也是现代工业生产中不可缺少的结构材料。常用的有色金属有铜及其合金、铝及其合金和轴承合金等。

一、铜及其合金

1.纯铜

纯铜呈紫红色，故又称紫铜。纯铜的导电性和导热性仅次于金和银，是最常用的导电、导热材料。它的塑性非常好，易于冷、热压力加工。在大气及淡水中有良好的抗腐蚀性能，因此纯铜得到广泛应用。但它的储藏量少，使用受到一定限制。目前铜及其合金主要用在电气、仪表和造船工业等方面。

纯铜中常含有0.05%～0.30%的杂质（主要有铅、铋、氧、硫和磷等），它们对铜的力学性能和工艺性能有很大的影响，尤其是铅和铋的危害最大。

2.铜合金

工业上广泛采用的是铜合金。常用的铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。

（1）黄铜。黄铜是以锌为主要元素加入的铜合金。按照化学成分的不同黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是铜和锌的合金。当锌小于39%时，即为单相黄铜，其塑性很好，适用于冷、热变形加工；当锌大于39%时，即为双相黄铜，其强度高，热状态下塑性良好，适用于热变形加工。当锌含量大于45%以后，强度开始剧烈下降，在生产中已无实用价值。

普通黄铜的代号用“H”加数字组成（如H90等），数字表示平均含铜量。铸造黄铜的牌号表示方法用“ZCu+主加元素符号+主加元素含量+其他加入元素符号和含量”组成。如ZCuZn38、ZCuZn40Mn2等。

特殊黄铜是在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的合金。常加入的合金元素有锡、硅、锰、铝等，分别称为锡黄铜、硅黄铜、锰黄铜……加入铅虽然使黄铜的力学性能恶化，但能改善切削加工性能。硅能增加黄铜的强度和硬度，与铅一起能增加黄铜的耐磨性。锡增加了黄铜的强度和在海水中的抗腐蚀性，因此锡黄铜也称为海军黄铜。特殊黄铜的代号表示方法为“H+元素符号+数字-数字”，如HPb59-1表示含铜59%、铅1%的铅黄铜。

（2）青铜。除了黄铜和白铜（铜和镍合金）外，所有的铜基合金都称为青铜。按照主添加元素种类分为锡青铜、铝青铜、硅青铜等。和黄铜一样，青铜也可分为压力加工青铜和铸造青铜两类。

青铜的代号表示方法为“Q+主添加元素符号和含量+其它加入元素和含量—数字”组成，例如QSn4—3表示含锡4%、含锌3%、其余为铜的锡青铜。铸造青铜的牌号表示方法和铸造黄铜的牌号表示方法相同。

二、铝及其合金

1.纯铝

铝是银白色的金属，是自然界储存量最丰富的金属元素。铝及其合金具有许多优良性能：①铝的密度只有2.72g/cm²，是一种轻型金属；②纯铝的导电性好，仅次于金、银、铜；③铝及铝合金具有较好的抗大气腐蚀能力；④铝及其合金具有较好的加工工艺性能。它的塑性好，可以冷、热变形加工，并可通过热变形强化，提高铝合金的强度。

因此，铝及其合金广泛用于电气工程、航天部门和汽车等机械制造部门。纯铝中常见的杂质是铁和硅，杂质越多，纯铝的导电性、耐腐蚀性及塑性越低。工业纯铝按杂质的含量分为一号铝、二号铝、……分别用L1、L2、…表示。

2.铝合金

纯铝的强度很低（σ_b=80～100N/mm²），加入适量硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，形成铝合金。再经过冷变形和热处理，则强度可以明显提高。

常用的铝合金有变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金可分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝等。

防锈铝属于铝—锰系和铝—镁系合金。这类铝合金具有适中的强度和良好的塑性、良好的耐腐蚀性。其不能通过热处理来进行强化，只能通过冷变形来提高其强度。用“LF”作代号。

硬铝是铝—铜—镁系合金。这类铝合金通过淬火、时效处理可以显著提高强度，σ_b=400N/mm²。由于密度小，强度和密度的比值较高，故称硬铝。硬铝抗腐蚀性较差。用“LY”作代号。

超硬铝是在硬铝的基础上加入锌形成的铝—铜—镁—锌系合金。超硬铝经过淬火、人工时效处理，σ_b=600N/mm²，比硬铝还高，故称超硬铝。超硬铝抗腐蚀性较差，一般表面要包一层纯铝，以增加抗氧化腐蚀性。用“LC”作代号。

锻铝是铝—铜—镁—硅系合金。其力学性能同硬铝相近，有良好的热塑性和耐腐蚀性，适合于锻造，故称锻铝。这类合金通过人工时效处理，使材料获得最佳强化效果。用“LD”作代号。

三、轴承合金

轴承合金是用来制造滑动轴承的材料。滑动轴承是机床、汽车、拖拉机和水轮发电机组上的重要零件。轴承支撑着轴，当轴旋转时在轴和轴瓦之间必然造成摩擦，并承受轴颈传递的周期性载荷。因此，轴承合金应具有以下性能：①足够的强度和硬度，以承受轴颈较大的压力；②高的耐磨性、低的摩擦系数，以减少轴颈的磨损；③足够的塑性和韧性、较高的疲劳强度，以承受轴颈的交变载荷，并抵抗冲击和振动；④良好的导热性和耐腐蚀性，以利于热量的散发和抵抗润滑油的腐蚀；⑤良好的跑合性，使其与轴颈能较快地紧密配合；⑥轴颈和轴瓦之间易形成油膜，以减少摩擦，从而减少轴颈和轴瓦的磨损。

常用的轴承合金有锡基轴承合金、铅基轴承合金、和铝基轴承合金三种。

1.锡基轴承合金（锡基巴氏合金）

锡基轴承合金是以锡为基，加入Sb、Cu等元素组成的合金。这种合金具有适中的硬度、低的摩擦系数，有较好的塑性和韧性、良好的导热性和耐腐蚀性等优点。由于锡是稀有昂贵金属，因此妨碍了它的广泛应用。这类合金的代号用“Zch”+基体元素和主加元素符号+主加辅助元素符号及含量。如ZchSnSb11—6为锡基轴承合金，Sb的含量为11%，附加元素Cu的含量为6%，其余为锡。

2.铅基轴承合金（铅基巴氏合金）

铅基轴承合金通常是以铅锑为基，加入锡、铜等元素组成的轴承合金。这类合金的强度、硬度、韧性均低于锡基轴承合金，且摩擦系数较大，故只用于中等负荷的轴承。由于价格便宜，在可能的情况下，应尽量代替锡基轴承合金。它的代号表示方法与锡基轴承合金相同。如ZchPbSb16—16—2，其中Pb为基本元素，Sb的含量为16%（主加元素）、Sn的含量为16%、Cu的含量为2%，其余为铅。

3.铝基轴承合金

目前采用的铝基轴承合金有铝锑镁轴承合金和高锡铝基轴承合金。这类合金并不直接浇铸成型，而是采用铝基轴承合金带与低碳钢带复合扎制而成。铝锑镁轴承合金是以铝为基，加入锑和镁元素组成的合金。由于镁的加入改善了合金的塑性和韧性，提高了屈服强度。目前已大量应用在低速柴油机的轴承上。

高锡铝基轴承合金以铝为基，加入锡和铜所组成的合金。由于在合金中加入了铜，使轴承合金具有高的疲劳强度、良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性。这种合金目前已在汽车、拖拉机、内燃机上推广使用。

四、粉末冶金材料

粉末冶金材料也称多孔质金属材料，是由金属粉末和石墨在高温下烧结制成的一种多孔金属合金材料。使用前将轴瓦在热油中浸泡，几小时后则各微小孔穴中充满润滑油，工作时由于润滑油自动渗出，起润滑作用，可以长期在不供油的状态下工作。这种材料的强度和韧性较低，适用于中低速、载荷较小且平稳的、不需要经常添加润滑油的场合。常用的材料有铁—石墨、青铜—石墨两种。

五、非金属材料

非金属材料主要包括塑料、尼龙、石墨、硬木、橡胶等。这些材料成本低廉，具有摩擦系数较小、足够的抗压强度与疲劳强度、良好的耐磨性和跑合性、良好的抗胶合和耐腐蚀性等，遇水具有自润滑能力，但导热性较差。一般可用于低速、轻载的医药和食品等机械中的轴承。

酚醛塑料抗胶合性能好，强度高，耐磨、耐酸，但导热性差。尼龙材料耐磨，工作时无噪音，应用比较多。聚四氟乙烯自润滑性能好，耐腐蚀，适用温度范围广，但强度低。碳-石墨自润滑性能好，耐高温，耐腐蚀，但嵌藏性差。

橡胶轴瓦具有较大的弹性，对振动的轴具有吸振和减振的作用，能直接用水润滑，但在高温下或长期浸泡在水中容易老化，遇酸碱物质易发生化学反应，对轴存在腐蚀现象。在水泵、水轮机中应用广泛。