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文檔簡介
1、=== 第9章 常用之非鐵金屬材料 ===,9-1 銅及銅合金9-2 鋁及鋁合金9-3 鉛、錫、鋅及其合金9-4 其他,9-1 銅及銅合金,銅(Copper,Cu)是人類所熟悉的金屬之一,其最重要的性質(zhì)為導電性高,質(zhì)地柔軟,延展性大等,所以常被用來當做電線及管件的主要材料,如圖9-1 所示。大部分的銅是由銅礦經(jīng)過冶煉而得,銅礦中若含銅量在2~3%時,就有開採的價值,比鐵礦類來得經(jīng)濟。一般依所含成分不同,可將銅礦分為兩種:1
2、.含硫化物的銅礦,例如:黃銅礦(Chalcopyrites,CuFeS2)、輝銅礦(Chalcocite,Cu2S)及硫砷銅礦(Enargite Cu3(As Sb)S4)等。2.含氧化物的銅礦,例如:赤銅礦(Cuprite,Cu2O)、孔雀石(Malachite (CuCO3)2.Cu(OH)2)及黑銅礦(Tenorite,CuO)等。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.冶煉含硫化物的銅礦時,先將銅礦打碎後與熔劑依比例放
3、入鼓風爐中熔煉,在1250℃左右的爐溫下,銅礦石熔融後形成含銅與鐵的硫化物(Cu2S.FeS),即得所謂的鑌銅(Matte),如反應(yīng)式(9-1)。由於鑌銅的比重大而沉入爐底與爐渣分離,鑌銅的含銅量約為30~50%。,9-1 銅及銅合金,其次,再將此熔融的鑌銅(硫化亞銅)送入轉(zhuǎn)爐中,以強風吹入,使空氣中的氧與硫、鐵等結(jié)合並除去氧化物;鑌銅中的FeS 會先被氧化,其鐵成分形成熔渣,如反應(yīng)式(9-2),之後Cu2S中的S被氧化,而留下熔融
4、狀態(tài)的銅,如反應(yīng)式(9-3)、(9-4),此時的銅稱為粗銅或泡銅(Blister copper)。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,2.冶煉含氧化物的銅礦時,以銅礦和焦炭共同置入鼓風爐中加熱,粗銅即被還原而析出,可得純度達97~99%銅。其化學反應(yīng)式為:,9-1 銅及銅合金,礦石經(jīng)焙燒而成氧化銅,同時產(chǎn)生之SO2可製造硫酸。稀硫酸可溶解氧化銅並成為硫酸銅,再加入廢鐵即可得到沉澱銅(Cement copper)。其化學反應(yīng)式為
5、,9-1 銅及銅合金,無論是粗銅或沉澱銅都必須再經(jīng)過電解精煉的過程,方可得到高純度的銅。粗銅的電解,如圖9-2 所示,粗銅作為陽極板,純銅片作為陰極板,陰極板與陽極板以交錯且間隔之方式排列,飽和的硫酸銅溶液作為電解質(zhì)。當電流通過時,粗銅從陽極溶解而聚積於陰極板上,陰極板上塗有一層石墨,以使得聚積於純銅片上的銅易於剝離,經(jīng)過電解精煉後的銅,稱為電解銅(Electrolytic copper),其純度約在99.95~99.96%之間。,
6、9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,反射爐煉銅法之流程,如圖9-3 所示。黃銅礦經(jīng)鍛燒後送入反射爐中產(chǎn)生鑌銅,再將熔融的鑌銅熔液置於轉(zhuǎn)爐中,將其中的雜質(zhì)、SO2及O2等氧化物除去,使得Cu2O還原成粗銅,此種銅稱為韌煉銅(Tough pitch coper)。韌煉銅熔解時若加入磷予以脫氧可得到脫氧銅(Deoxidized copper)。最後,視需要將粗銅送入精煉爐產(chǎn)生純銅。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅之主要物理性質(zhì)
7、,如表9-1 所示,可知銅的比重較鋼為大,且其結(jié)晶格子型式為FCC;導電度為58Ω-mm2/m,而電阻係數(shù)為0.01724Ω-mm2/m。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅為紫紅色有光澤的金屬且為熱與電的良導體,質(zhì)地軟而堅韌,但強度小,熔點很高。氧的含量在0.03~0.05%時,銅的導電度最大。磷、砷等雜質(zhì),固溶於銅中,將降低銅的導電度,鉛及硫等並不固溶於銅中,對銅的導電度影響較小。,9-1 銅及銅合金,純銅的延展性僅
8、次於金與銀,可以製成管、薄板及細線。銅在常溫加工時,容易硬化而變脆,如加熱於600~700℃,約30分鐘即可退火而軟化。若將銅加熱至750~850℃可避免高溫硬化,如圖9-4 所示,銅在常溫加工時,其硬度、抗拉強度與伸長率隨加工度變化之情形。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,純銅為紫紅色的金屬,在乾燥空氣中,不易起變化。但在潮濕空氣中與二氧化碳作用時,銅的表面容易生成一層綠色的鹼性碳酸銅,俗稱銅綠,銅綠可
9、保護銅不再繼續(xù)被氧化,置於清水中不易起作用。銅中的氧及不純物含量越少,則銅的耐蝕性愈大,而銅中氧的含量若少於0.003%(又稱為無氧銅)時,對酸類具有耐蝕性,韌煉銅(含0.04%之氧)可溶於高溫濃硫酸及濃硝酸中。,9-1 銅及銅合金,銅的最大用途為製造電線及電纜。硬拉銅線一般用於輸電線、電車線及天線;退火軟銅線用於電纜、電機用線、屋內(nèi)電線等,純銅的機械性質(zhì),如表9-2 所示。,9-1 銅及銅合金,黃銅是銅和鋅的合金,黃銅的表面一般均
10、為光亮的黃色或金黃色,容易加工,常用的黃銅,含鋅量大都在30~40%之間。黃銅的顏色可隨含鋅量的改變而不同。而鋅含量對黃銅之機械性質(zhì)影響很大,如圖9-5所示,並說明如下:,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度鋅含量約35%以前,抗拉強度一直小幅穩(wěn)定的增加,35~43%之間,抗拉強度急速增大到最高點,以後又急速減小。2.伸長率鋅含量約在10%時,伸長率略小,然後隨著含鋅量的增加而增大,含鋅量達30%時具有最大的
11、伸長率,超過30%以後,伸長率又急速地減小。,9-1 銅及銅合金,3.硬度硬度在含40%鋅量以後,開始急遽的增大。一般金屬的機械性質(zhì)是當抗拉強度增大時,伸長率會減小,而黃銅在含鋅量約10 30%時,伸長率與抗拉強度卻同時增大,這是黃銅的特性之一。,9-1 銅及銅合金,常溫加工後的黃銅材料,如:銅管、桿或條等,在使用或貯存的過程中,容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂,這種現(xiàn)象稱為季裂(Season crack)。其原因為材料加工應(yīng)力,以及材料
12、長期受到潮濕和高溫所造成,為了防止季裂發(fā)生,通常是將黃銅加熱至250~300 ℃退火約30 分鐘,以除去內(nèi)部應(yīng)力,或表面施以防蝕處理。黃銅在大氣中不易被腐蝕,因此可保持光澤美麗的外表。,9-1 銅及銅合金,但黃銅對酸鹼抵抗力弱,對海水的耐蝕較強,當黃銅被腐蝕時,多是因為鋅被溶解而消失,此種現(xiàn)象稱之為脫鋅(Dezincification)。黃銅依照用途通??煞殖扇悾?1)鑄造黃銅;(2)鍛造黃銅;(3)特殊黃銅,茲分述如下:,9-
13、1 銅及銅合金,(1)鑄造黃銅(Cast brass)黃銅鑄件,以含鋅量30~40%使用最普遍,除含銅、鋅外,還加入少量其他元素,如鉛、錫等。鑄造黃銅主要用在煤氣管、自來水管接頭與閥體(如圖9-6 所示)、機械鑄件、建築裝飾等方面,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,(2)鍛造黃銅(Wrought brass)黃銅由預(yù)鑄銅塊經(jīng)冷熱輾壓或抽拉、擠製等方法,可製成銅板、銅帶、銅管或銅絲等。鍛造黃銅種類很多,最常見有三種: 七三黃銅;
14、 二一黃銅; 六四黃銅。說明如下:Ⅰ.七三黃銅:含銅量約為70%,其餘為鋅,延展性大,適合於常溫加工。槍砲的彈殼(如圖9-7 所示),多以此種黃銅製造,故又名彈殼黃銅。,9-1 銅及銅合金,Ⅱ.二一黃銅:含銅量約為65%??估瓘姸容^七三黃銅小,而伸長率較大。它具有優(yōu)良的常溫加工性能,可抽拉或冷壓製造銅桿、銅線、銅片、銅管、木螺釘及彈簧等,因其顏色為黃色,故又稱之為黃黃銅。Ⅲ六四黃銅:含銅量約為60%,其餘為鋅,適用於高溫加工。
15、主要用途為製成冷暖氣管、銅片、線、桿等,含60% 銅及40%鋅之黃銅又稱為孟慈合金(Muntzmetal),發(fā)現(xiàn)者為英國人孟慈,因而得名。它能耐海水侵蝕,可作為船舶的外皮。,9-1 銅及銅合金,(3)特殊黃銅(Special brass)特殊黃銅是銅中除含鋅元素外,還加入其他元素如鉛、錫、鋁、錳、矽、鎳及鐵等。其目的在改良黃銅的切削性、耐蝕性及機械性質(zhì)等,分述如下:Ⅰ.加鉛特殊黃銅(Lead brass):黃銅中含鉛量約在0.5
16、3%。黃銅中含鉛可降低抗拉強度、伸長率及增加切削性。木螺釘、鐘錶之齒輪、螺桿等通常含2 3%之鉛。,9-1 銅及銅合金,Ⅱ.加錫特殊黃銅(Tin brass):黃銅中含錫量約0.75 1%,可增強黃銅的耐蝕性,尤其是它可抵抗海水的侵蝕。七三黃銅中加入1%錫稱為海軍合金(Admiralty metal),六四黃銅中加入0.75%的錫稱為海軍黃銅(Naval brass),海軍合金主要用來製造船舶中的管子,例如:冷卻管、加熱管等。海軍黃銅
17、常用於船舶零件的製造,如螺旋槳軸等。,9-1 銅及銅合金,Ⅲ.加鋁特殊黃銅(Aluminium brass):黃銅中加入鋁,可增加耐蝕性。含76%銅、22%錫、2%鋁之鋁黃銅,其耐蝕性較海軍黃銅為優(yōu),適合於常溫及高溫加工。,9-1 銅及銅合金,Ⅳ.高強度黃銅(High tension brass):黃銅中加入錳、鋁、錫等,可增加耐蝕性和強度,加入鐵可使晶粒變細,增加硬度以改善機械性質(zhì)。因其具有最高強度(抗拉強度450N/mm2
18、以上)而得名。適合於高溫加工及鑄造,可製造高強度及耐蝕性之機件。,9-1 銅及銅合金,銲接用合金主要用作結(jié)合的材料,將熔點較低之銲接用合金加熱並融入欲接合的母材之間。若母材不熔化,僅銲接用合金熔化者,稱為軟銲(Soldering),其銲接溫度在427℃以下,一般以錫充當銲料故亦稱錫銲。若母材之局部與銲接用合金互熔者,稱為硬銲,銲接溫度在427℃以上,一般以銅充當銲料故亦稱銅銲。,9-1 銅及銅合金,硬銲合金通常係指銅鋅合金而言,如
19、表9-3 所示。,9-1 銅及銅合金,硬銲於銲接時常以硼砂作為清潔劑,以除去表面之氧化物並增加熔液流動性。常用於碳化鎢刀片、管接頭、電氣零件(如圖9-8 所示)等之接合。,9-1 銅及銅合金,青銅是銅和錫的合金,它具有鑄造容易、強度大、流動性良好、導電性佳以及耐腐蝕、耐磨耗等特點。它可以作為優(yōu)良的鑄造用銅合金,也可以加以鍛造,其色澤也隨著含錫量的不同而改變。完全退火狀態(tài)的青銅其機械性質(zhì),如圖9-9 所示,說明如下:,9-1 銅及銅合
20、金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度:抗拉強度隨含錫量的增加而增大,於17~20%間達到最大值後,當含量超過20%後,其抗拉強度大幅降低。2.伸長率:含3~4% 錫時伸長率最大,以後隨含錫量的增加,其伸長率顯著減??;含25%錫幾乎無伸長率。3.硬度:含錫量低於5%時,青銅的硬度呈緩慢增加趨勢,至15%以後則急速增大。,9-1 銅及銅合金,一般而言青銅加工性較黃銅差,但鑄造性佳,熔液流動性良好,鑄件收縮率很小,故多用為鑄物。青銅依
21、照其用途一般可分成下列數(shù)種:1.機械用青銅機械用青銅俗稱砲銅(Gunmetal)。昔日曾以含錫量10%左右的青銅鑄造砲身,因而得名。現(xiàn)在的機械用青銅除含10%錫外,另加入2%的鋅,可增大機械強度及延展性,耐蝕耐磨性亦甚為良好。它的主要用途是製造齒輪、閥、螺旋槳及其他抗蝕耐磨機件等,用途很廣。,9-1 銅及銅合金,2.軸承用青銅軸承用青銅(Bearing bronze)含錫量約在12~15%,此種含錫量的青銅組織,適用於鐵路車箱
22、車軸等低速度重負荷的軸承。作為高速回轉(zhuǎn)的軸承則另含5~30%鉛。3.硬幣用青銅作為硬幣用的青銅(Coinage bronze),含錫量約在4~10%,延展性良好,鑄造性亦甚優(yōu)異。,9-1 銅及銅合金,4.鐘用青銅鐘用青銅(Bell bronze)主要為鑄鐘用,常用於寺廟及教堂之鐘銅,如圖9-10 所示。,9-1 銅及銅合金,5.鑄像用青銅鑄像用青銅(Statuary bronze)含80~90%銅、2~8%錫、1~12%鋅、1
23、~3% 鉛,主要用於製造青銅器(如圖9-11 所示)、銅像及傢飾用青銅。有時含鋅量可提高,使熔液流動性良好,因此鑄件表面紋路清晰,含鉛量增加可使青銅之雕刻、加工更容易。,9-1 銅及銅合金,6.鏡銅鏡銅(Speculum metal)成分銅佔2/3、錫佔1/3,古代用以製鏡,若加入少量的鎳及砷可以製造科學儀器。7.特殊青銅特殊青銅是於銅中加入鋁、磷、矽、錳、鎳及其他元素以改良材料性質(zhì),使用途更為廣泛。各種特殊青銅分別說明如下:,
24、9-1 銅及銅合金,(1)鋁青銅銅與鋁的合金稱為鋁青銅(Aluminium bronze),鋁的含量約8~12%,其餘為銅。鋁青銅在耐蝕、耐磨、耐熱及耐疲勞性方面,要較黃銅及青銅為優(yōu)。但在可鑄性、加工性及熔接性方面卻較黃銅為差,可加入鐵、鎳、錳等元素加以改良。鋁青銅極適合製造耐海水與耐酸性的機械零件,如船舶、抽水機零件等。內(nèi)燃機內(nèi)之耐熱性機件也常以鋁青銅製成,9~12.5%鋁之鋁青銅加入鐵、鎳、錳及鋅等之合金,稱為H.B.合金,
25、它是高強度的耐蝕合金,常作為飛機零件。,9-1 銅及銅合金,(2)磷青銅(Phosphorus bronze)青銅中加磷可除去合金中之氧元素,以改善品質(zhì)。磷量增加時,可與銅化合形成Cu3P 的極硬化合物,此種磷青銅耐磨性頗佳,它可用來作為軸承以及機械零件的材料。,9-1 銅及銅合金,(3)矽青銅矽青銅(Silicon bronze)係銅-矽合金,銅中含矽可除去銅中之氧元素,並可增加銅的強度及導電率。它的機械性質(zhì)與磷青銅相似,耐酸
26、、耐蝕、熔接性均佳,含3% 矽、1% 錫、0.1%鎘的矽青銅稱為砷合金,它被用來製造軋延板,耐蝕性強,為化工最常用之材料。,9-1 銅及銅合金,(4)錳青銅前述之高強度黃銅屬於第一類錳青銅(Manganese bronze),含錳量較低,約在1.5~3%,此處之錳青銅屬第二類,錳含量可達20%,此類合金之特性為加工容易,強度大,尤其在高溫時仍能保持其強度,故可作為高溫機械的零件。錳青銅的電阻溫度係數(shù)近於零,是標準電阻及精密儀器
27、的材料。含71%銅、20%錳及9% 鋁之合金稱為哈斯勒合金(Heusler alloy)是一種強磁性合金。,9-1 銅及銅合金,(5)鎳青銅(Nickel bronze)銅鎳合金中加入適量之鋁、矽、鋅及錳等成為回火硬化性銅合金,其耐蝕性佳,高溫時強度不變,適合製造熱機零件。,9-1 銅及銅合金,(6)鈹青銅鈹青銅(Beryllium bronze)中鈹含量約在1~3%,此種合金具回火硬化性,將鈹青銅先於800 ℃淬火,再於350 ℃
28、回火3 小時,其抗拉強度可達1000N/mm2 以上,硬度亦大為提高。鈹青銅耐熱、耐蝕及耐疲勞性都很好,它適合製造彈簧及作為電工用材料。它也可以加入鎳、錫、鈷、鉻等元素,使材料的機械性質(zhì)更為良好。,9-1 銅及銅合金,(7)銅鉛軸承合金軸承用合金必須具備耐高速回轉(zhuǎn)及耐大壓力的特性,普通的青銅可耐大壓力,但不適於高速回轉(zhuǎn),銅中加鉛可增加韌性及潤滑性,是一種優(yōu)良的軸承合金。含20~40% 鉛的銅鉛合金,稱為Kelmet 合金,它要
29、比巴氏合金(Babbitt metal)更能耐高速、高壓及高溫。它用來製造軸承,在轉(zhuǎn)動時,不會發(fā)生與軸膠執(zhí)(Seizure)或黏著的缺點。,9-1 銅及銅合金,銅鎳又稱白銅,含鎳量5~30%且加工容易。但是退火時若加熱太快則易生龜裂,此謂之火裂(Fire cracking)現(xiàn)象。銅鎳能抵抗大氣、海水、有機酸及鹼類之侵蝕,耐熱及耐疲勞性亦佳,可製錢幣、彈簧、耐蝕及電熱材料(如圖9-12 所示)。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅
30、合金,康史登銅含44~46%鎳、54~56%銅,其電阻之溫度係數(shù)接近於零,常用於電氣儀表之零件,同時可和銅或鐵配合構(gòu)成熱電偶,以測定金屬受熱之溫度。,9-2 鋁及鋁合金,地表上的金屬元素,以鋁Aluminium)的存量最多。鋁的特點是重量輕(比重2.7),純鋁的強度低(抗拉強度約為90N/mm2),不適宜以純金屬的方式製造構(gòu)造材料。通常加入其他元素構(gòu)成輕合金(Light alloy)以改良其機械性質(zhì)。鋁的熔點為660℃,因此熔鋁
31、操作較簡單,且密度為2.7g/cm3僅約為鐵的三分之一,已成為輕金屬材料中最重要的材料。,9-2 鋁及鋁合金,鋁礦石主要來源有水礬土(Bauxite,Al2O3.2H2O)、冰晶石(Cryolite AlF3.3NaF)等。工業(yè)上主要是以水礬土為煉鋁原料,用水礬土煉鋁的過程相當複雜,其主要步驟簡要說明如下:1.首先是將水礬土壓碎成粉末,加入氫氧化鈉(NaOH)熱熔液而生成鋁酸鈉( NaAlO2)。然後將鋁酸鈉以水沖淡而析出氫氧化鋁Al
32、(OH)3,再將Al(OH)3放入旋轉(zhuǎn)窯中焙燒而得粉狀的氧化鋁(Al2O3)。,9-2 鋁及鋁合金,2.將Al2O3放入冰晶石溶液中熔化後,在980℃高溫中進行電解,如圖9-13 所示。鋁被析出而沉於電解槽底部(陰極)。熔融的鋁熔液最後被引導出電解槽鑄成鋁錠。電解所得鋁純度約在99.5~99.8%之間,內(nèi)含鐵、矽、銅等雜質(zhì)。如再經(jīng)精製後,可得純度99.9~99.99%之純鋁,其化學反應(yīng)如下:,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9
33、-2 鋁及鋁合金,鋁為銀白色的金屬,質(zhì)輕且富延展性,是熱與電的優(yōu)良導體。如表9-4 所示,為鋁的物理性質(zhì)。,9-2 鋁及鋁合金,鋁的純度愈高,則抗拉強度愈小而伸長率愈大。常溫加工的鋁易生加工硬化,其強度與硬度增加而伸長率顯著降低。將常溫加工而硬化的鋁加熱至250~300℃後,退火約30分鐘,可因退火而軟化,其機械性質(zhì),如表9-5 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,鋁在空氣中或清水中不易被腐蝕,這是因為鋁表面容易與氧作用
34、生成耐蝕性高的Al2O3薄膜,以保護內(nèi)部不再繼續(xù)被氧化的緣故。鋁不易被有機酸類如醋酸或乳酸等侵蝕,但容易被稀薄無機酸類腐蝕,尤以氯化氫對鋁的作用最強,硫酸及硝酸次之,在鹼性環(huán)境中也非常容易受到侵蝕。,9-2 鋁及鋁合金,鋁的純度愈高其耐蝕性愈好,當含鐵與矽等不純物時會產(chǎn)生游離的FeAl3及矽,這些游離物與鋁起電化作用而產(chǎn)生腐蝕。鋁若施以表面硬化處理,如陽極氧化法(Anodic Oxidation)時,可防止受大氣鏽蝕且強度與耐蝕性增
35、高很多,在家電及建築裝潢方面用途很廣。,9-2 鋁及鋁合金,純鋁由於強度低,不適合鑄造或作為結(jié)構(gòu)材料。大部分的純鋁用來製成鋁合金,純鋁的用途說明如下:1.電力輸送線現(xiàn)今的電力輸送線,大部分使用銅線,少部分使用鋁線。鋁的導電度約為銅的65%,若鋁的截面積增大1.6 倍,其導電度就等於銅,而重量及價格都低於銅,頗為經(jīng)濟,但鋁線易因伸長而斷裂,並不適於電桿間距過大的架空輸電線。若使用鋼心鋁纜則可改善此缺點,以高強度鍍鋅鋼線為軸心,周圍用
36、鋁線緊密絞合而成。,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁箔利用鋁優(yōu)良的延展性可製成厚0.15mm 以下的鋁箔,製箔用鋁純度需高,並經(jīng)退火以得良好折疊性,它不具毒性,可代替錫箔用於食品及香煙的包裝材料,如圖9-14 所示。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁粉及鋁熱劑(Thermit)鋁粉易於燃燒而生高熱,它與氧化鐵或其他金屬氧化物以氧化作用的方式,產(chǎn)生的混合物,稱為鋁熱劑,例如:鋁粉1 份配合氧化鐵3 份混合後,為最常用的鋁熱劑,鋁粉可製炸藥,加入油
37、漆內(nèi)可防鏽,而銀色塗料係塗料中加入鋁粉。,9-2 鋁及鋁合金,鑄造用鋁合金主要的添加元素為銅、鎂、矽、鎳。鋁合金因熔點低,常用以鑄造零件,其鑄造係採砂?;蚪饘倌#鼇硪喽鄴裼脡鸿T法鑄造。依據(jù)主要的構(gòu)成元素,可將鑄造用鋁合金分成:(1)鋁銅系合金;(2)鋁鎂系合金;(3)鋁矽系合金;(4)鋁銅鎂鎳系合金。分別說明如下:,9-2 鋁及鋁合金,1.鋁銅系合金如圖9-15 所示,為鋁銅合金平衡圖,鋁銅系合金其可鑄性、切削性及機械性質(zhì)均佳。
38、此系合金含銅量通常不超出10%,鋁銅合金因具高溫脆性,故常於合金中加入少量的鐵及鈦以改善此一缺點。美國之Alcoa(美國鋁業(yè)公司Aluminium Company of America之簡稱)195 含4.5%銅為鋁銅合金之代表,係砂模鑄造用合金,Alcoa112 含7.0% 銅、1.7% 鋅係砂模及金屬模鑄造用合金,汽車輪圈、飛機輪圈、傳動部分之箱殼及機器零件等常以鋁銅合金鑄造。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁鎂
39、系合金鋁中加鎂後耐蝕性甚佳,機械性質(zhì)亦良好,此系合金含鎂量在10%以下,含3.8% 鎂在Alcoa 編號為214 合金用於製造食品貯運裝置、烹調(diào)用具、化工材料等,含10% 鎂在Alcoa 為220 合金,強度甚佳,常用於飛機零件、汽車車體等方面。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁矽系合金如圖9-16 所示,為鋁矽合金的平衡圖,此系合金適於砂模及金屬模之鑄造又稱為鑄鋁。鋁中之矽的固溶度,在577℃共晶溫度時約為1.65%;在300℃時約為0
40、.1%;常溫則降至0.05%以下,共晶組成為11.6%矽。如於合金熔液中加入0.05~1% 鈉,共晶點將如圖9-16 的虛線所示,向右移動至13.5%矽,同時,共晶溫度因過冷而降低10~15℃,此現(xiàn)象可使共晶矽的形狀由針狀或平板狀,變?yōu)槔w維狀,進而改善機械性質(zhì),經(jīng)過改良處理後的合金稱為改良合金(Modified alloy)。,9-2 鋁及鋁合金,含矽量12%係壓鑄用合金,強度高,用於薄截面形狀複雜的錢品、牙醫(yī)用具及儀器外殼等。如
41、圖9-17 所示,為鋁矽合金於不同含矽量時的鑄造結(jié)晶組織圖。由圖9-17 中可知,含矽量愈多,矽的顆粒尺寸有愈大的現(xiàn)象。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,4.鋁銅鎂鎳系合金此系合金因含鎳而具有高溫強度,故又稱為耐熱鋁合金,常用以鑄造飛機及汽車之活塞或汽缸蓋。此系重要的合金為英國之Y 合金及RR 合金,說明如下:,9-2 鋁及鋁合金,(1)Y合金為英國NPL(National Physical Labo
42、ratory)之Rosenhair 氏在第一次世界大戰(zhàn)時研究成功者,其成分為4%銅、2%鎳、1.5%鎂,美國稱為Alcoa442 合金。Y 合金所製造的活塞在高溫時仍具相當強度且重量又輕,故Y 合金可製作耐高溫的零件。,9-2 鋁及鋁合金,(2)RR合金為英國Rolls-Royce 汽車工廠所研究成功者。含0.5~5%銅、0.1~5.0%鎂、0.2~1.5%鎳、0.2~5.0% 矽、0.6~1.5%鐵、< 0.5%鈦。鎳與鈦均可
43、增加合金之高溫強度,是常用的活塞合金之一。,9-2 鋁及鋁合金,鍛造用鋁合金是先將合金鑄成鋁錠,然後施以輾壓、拉伸、擠延、鍛製等機械加工過程而製成各種線材、板、管、桿及特殊型材之鋁合金。鍛造用鋁合金一般分成二大類:(1)耐蝕性鋁合金;(2)高強度鋁合金。其合金編號(CNS2068-H3021)如表9-6 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,1.耐蝕性鋁合金耐蝕性鋁合金主要的添加元素是錳、鎂、矽。包括:(1)鋁錳系合金;
44、(2)鋁錳鎂系合金;(3)鋁鎂系合金;(4)鋁鎂矽系合金。(1)鋁錳系合金鋁錳系合金含1.0~1.5% 錳,耐蝕性接近純鋁,其退火強度亦與純鋁相當。但經(jīng)加工硬化後,其強度增大很多,銲接性與加工成形均為優(yōu)良。常用於造船、汽車車體、化學及食品業(yè)等。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁錳鎂系合金鋁錳系合金中加入少量的鎂(通常約含1%鎂),而構(gòu)成鋁錳鎂合金,耐蝕性、熔接性及加工成形均為優(yōu)良。(3)鋁鎂系合金鋁鎂系合金含鎂約在3~7%,鋁
45、中含鎂可增加強度與耐蝕性。其強度較鋁錳鎂系合金稍大,而耐蝕性接近純鋁,此系合金通常加入微量的鉻使耐蝕性更好,主要用途為,船舶、建築、裝潢、化學及食品容器等。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁鎂矽系合金鋁中含矽可增加時效硬化性,鋁鎂矽系合金具優(yōu)秀的熔接與加工成形性,其耐蝕性亦佳,此系合金常軋延成棒、板或鍛造成形,適於船舶及車輛零件。,9-2 鋁及鋁合金,2.高強度鋁合金高強度鋁合金主要的添加元素是銅,此合金大多含有銅的成分,銅可增加鋁合金
46、強度,但耐蝕性較差。鋁夾板(Alclad sheet)是以高強度鋁合金為心部材料,外皮包覆一層耐蝕鋁合金所構(gòu)成,如此既耐蝕,強度也夠。高強度鋁合金,依據(jù)主要組成化學成分之不同可分為:(1)鋁銅系合金;(2)鋁銅鎂錳系合金;(3)鋁銅矽錳系合金;(4)鋁矽系合金;(5)鋁鋅鎂系合金。分別說明如下:,9-2 鋁及鋁合金,(1)鋁銅系合金鋁銅合金含銅量約在4~6%之間,含5~6% 銅的鋁銅合金強度最大,經(jīng)施行人工時效後,抗拉強度可達36
47、0 N/mm2,加入鉛及鉍可改善切削性,飛機構(gòu)件常用鋁銅系合金製造。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁銅鎂錳系合金杜拉鋁(Duralumin)是高強度鋁合金中最具代表性者。在美國將杜拉鋁通稱Dural,屬於2017 合金,標準成分為4.0%銅、0.5% 鎂、0.5% 錳及少量的鐵、矽、鉻、鋅等。杜拉鋁是一種時效硬化性合金,熔點650℃。杜拉鋁的鑄錠可在450℃左右施行軋延、鍛造或擠壓加工,至於它的熱處理一般是加熱至505℃左右,約1
48、小時後於水中冷卻,再於常溫下放置4~5 日就起時效硬化,抗拉強度可達400N/mm2,接近軟鋼的強度。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁的比重2.77,標準組成為4%銅、0.5%鎂、0.5%錳、其餘為鋁,是既輕且強度高的合金,是輸電線與天線及航空工業(yè)零件的重要材料。杜拉鋁的缺點是對海水的耐蝕性低,當它接觸海水或曝露於含鹽分的空氣中時,常易引起粒間腐蝕而降低其機械性質(zhì)。預(yù)防腐蝕的方法,其一是可製成鋁夾板,即以杜拉鋁為心部,外表包覆12
49、30 純鋁,其二是於表面施以陽極氧化處理。杜拉鋁銲接性不良,當它作為飛機構(gòu)件時,以鉚釘接合較為理想。,9-2 鋁及鋁合金,超杜拉鋁(Super duralumin)是一種增加杜拉鋁中的鎂含量而得更優(yōu)良機械性質(zhì)的鋁合金。超杜拉鋁在英國為RR 合金,日本編為SD 合金,美國為2024 合金;2024 合金的標準成分為4% 銅、1.5% 鎂、0.7% 錳及微量的鐵、矽。一般於490 500℃進行固溶處理約1 小時,然後淬火於冷水中,再經(jīng)5
50、~7 日常溫時效後,抗拉強度可達450~500N/mm2。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁常用於航空工業(yè)作為飛機等航空器的構(gòu)造材料,鉚釘、鑄造活塞、腳踏車零件(如圖9-18 所示)及一般構(gòu)造用材也使用之,如表9-7 及表9-8 所示,說明超杜拉鋁的化學成分、熱處理及機械性質(zhì)。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,(3)鋁銅矽錳系合金Lautal合金即為美國的2025 合金,其標準成分為4.5% 銅、0.8%矽、0.
51、8% 錳、其餘為鋁。固溶處理後經(jīng)人工時效,可得350~380N/mm2的抗拉強度,它適合鍛造而不適於熔接,可作為杜拉鋁的代替品。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁矽系合金鋁矽合金屬於耐熱高強度鋁合金,鍛造與耐熱性均甚優(yōu)良,施以熱處理後具高溫強度,是專門製造活塞與氣缸蓋的材料,故此系合金又稱活塞合金。,9-2 鋁及鋁合金,(5)鋁鋅鎂系合金美國的7075 合金含5.6% 鋅、2.5% 鎂、1.6% 銅、0.3% 鉻,於時效硬化過程中因析出
52、MgZn2化合物而使抗拉強度高達550~600N/mm2,故又名為超強度杜拉鋁。此合金常因內(nèi)部殘留應(yīng)力而生季裂現(xiàn)象。若於合金中加入少量鉻或錳就可改善此缺點。,9-2 鋁及鋁合金,如圖9-19 所示,為一鋁銅系平衡狀態(tài)圖,在548℃時,銅在鋁中的溶解度最大約為5.7%。當溫度逐漸降低時,銅的溶解度變小,在300℃時約僅0.45%而已,這個隨溫度下降而溶解度減低的現(xiàn)象為析出硬化之基本條件。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,一般而言,
53、固溶體的強度要比純金屬大,因此鋁固溶其他元素時,強度會增加。當含5%銅的鋁銅合金,在548℃時之組織為均質(zhì)的α 固溶體,隨著溫度的緩緩下降, α 固溶體沿著ab 線析出(CuAl2)相而生成α+θ 的二相組織。,9-2 鋁及鋁合金,但是合金如從高溫急冷(淬火)時,由於冷卻速度太快,以致無法立刻析出,成為過飽和的固溶體組織。此種由高溫急冷而形成過飽和固溶體的熱處理,稱為固溶處理(Solution treatment)。,9-2 鋁及鋁合金
54、,這種過飽和固溶體組織並不安定,若將它長時間置於常溫環(huán)境中時,θ 會慢慢析出而變成強硬安定的α+θ 組織。此種由過飽和固溶析出一種組織而達強化的現(xiàn)象稱為析出硬化(Precipitation hardening),在常溫時的析出硬化過程較為緩慢,稱為自然時效(Natural aging)。,9-2 鋁及鋁合金,假若把溫度提高到160℃左右回火,則可以促進硬化作用的加速進行,這叫做人工時效(Artificial aging),上面所述各種
55、藉時效而強化之現(xiàn)象,通稱為時效硬化(Age hardening)。,9-2 鋁及鋁合金,鋁合金淬火時會產(chǎn)生過飽和的固溶體,最常用的淬火液是冷水,有時也使用較溫和的淬火液,如熱水、沸水等以消除殘留應(yīng)力。鋁合金的淬火溫度通常在500~550℃之間視其成分而異,重要的是從爐內(nèi)取出到放入淬火液之時間愈短愈好(勿超過60 秒),否則溫度太低時析出現(xiàn)象會急速地發(fā)生。淬火後的鋁合金質(zhì)地柔軟,可立即加工。,9-2 鋁及鋁合金,退火的目的在於消除內(nèi)部
56、殘留應(yīng)力及降低強度,以便進行下一步的加工,鋁合金的退火溫度以340℃為宜,加熱時間約1 小時,在爐中緩緩冷卻。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅(Zinc,Zn)為六方晶系之結(jié)晶(HCP),故較立方晶系之金屬難以常溫加工。鑄造後,加熱並經(jīng)高溫加工將其鑄造之組織破壞後則易於加工,再結(jié)晶溫度較低,約在100~200℃處即起軟化。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅色青白,25℃時之比重為7.13,熔點為419.47℃,導電度為標準銅之28.2
57、7%。高純度之鋅有優(yōu)良的耐蝕性,在常溫大氣中可保持光澤,鑄造溫度為435~485℃。以電解法精製而成之電解鋅純度可達99.92~99.99%。一般純度在99.8~99.5%者,其主要雜質(zhì)為鉛、鐵、鎘,亦可能有微量錫、銅、砷、銻、矽、硫及碳等存在。作為壓鑄用之鋅,其純度需在99.99%以上,否則將減低其耐蝕性。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅之主要用途為鍍鋅原料,即鍍鋅鐵皮(或稱白鐵皮),其他尚可作為壓鑄用鋅合金及合金材料、乾電池的
58、電極材料、印刷用鋅版,而氯化鋅可作為木材防腐蝕劑及軟銲的銲劑等。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅合金主要用於軸承製品及壓鑄用材料。,鋅基軸承合金以鋅為主要成分元素,其他尚含有適量的錫、銅、鋁及鉛等。此類合金的抗拉強度很大,且為巴氏合金3~4 倍。主要缺點為衝壓抵抗性差,故不適合震動的場合。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,一般而言,此類軸承合金僅適用於高速、無震動且負荷固定的場合,如高速工具機及電動機的軸承,如圖9-20 所示。,9-3
59、 鉛、錫、鋅及其合金,在壓鑄品中,以鋅基合金製品為最多。鋅基合金熔點低,適合壓鑄,它的壓鑄品強度僅次於銅合金,熔液流動性良好,極薄之截面亦可壓鑄,尺寸精確且價格低廉。由於具備以上特點,故為主要的壓鑄用合金,鋅基合金壓鑄品若與濕氣或水蒸汽長期接觸時表面容易被腐蝕,可先施予表面防蝕處理以預(yù)防之。合金內(nèi)雜質(zhì)有錫、鉛、鎘等,如含量超過時,容易引起晶粒間腐蝕,故常於合金中加入適量的鎂以阻止粒間腐蝕發(fā)生,如表9-9 所示,為壓鑄用鋅基合金的
60、成分與機械性質(zhì)。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,壓鑄用鋅基合金的主要用途諸如:汽機車上的化油器(如圖9-21 所示)、喇叭、速率表外框、玩具、家庭用具等,用途甚廣。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛(Lead,Pb)為人類最早使用的金屬之一。主要是由方鉛礦(Galena,PbS)提煉而得,鉛的純度約在98.5~99.99%之間。結(jié)晶型式為FCC,比重為11.34,斷面為青白色並有光澤,熔點為327.4℃,沸點
61、為740℃,硬度小,抗拉強度低但延展性大。在常溫下容易彎曲與捶打,同時對X光線及原子輻射線具有特殊的遮斷能力。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,純鉛的耐蝕性甚大,在含CO2的潮濕空氣中表面容易形成一層暗灰色的碳酸鉛以保護內(nèi)部不再被腐蝕。鉛對人體容易造成中毒,所以,食品容器、餐具或玩具內(nèi)含鉛量不可超過10%,與食物直接接觸部分的含鉛量應(yīng)在5%以下。鉛中若含有2~3%之銻者稱為硬鉛(Hard lead),它可作為電纜之包覆層,以防電纜潮
62、濕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛的用途還包括:(1)製造各種合金,如軸承合金、易熔合金等。(2)黃色、白色、藍色油漆的原料,如:氧化鉛(PbO)為黃色原料;鹼式碳酸鉛為白色原料;鹼式硫酸鉛為藍色原料。(3)製造顏料鉛丹(Pb3O4)。(4)四乙基鉛為汽油抗爆劑(Anti-knock compounds)。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,(5)衛(wèi)生水管與化工管路。(6)鉛蓄電池之鉛板。(7)鉛可增進切削性。(8
63、)X 射線護具及隔音設(shè)備。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫(Tin,Sn)為應(yīng)用甚早的金屬,主要是由錫石(Cassiterite,SnO2)提煉而得。錫的純度一般在99.75~99.9%,雜質(zhì)包含鐵、砷、銻等。錫為銀白色具光澤的金屬,由於錫有三種不同的結(jié)晶格子,因此具有三種同素異形體,如表9-10 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,由表中α 錫之同素變態(tài)點為18℃,但是實際上β → α變態(tài)之發(fā)生較18℃要低
64、很多。由於α 錫比β 錫比重小,故當發(fā)生β → α變態(tài)時體積會膨脹,使整體粉碎或局部突出。故於-40℃之冬天,錫器可能會突然崩壞而變成粉末,原因即在於此,此種變態(tài)通稱為錫瘟(Tin-pest)。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,工業(yè)用錫稱白錫或β 錫,存在於18~180℃,質(zhì)軟富延展性。比重7.3、熔點232℃。在100℃左右,錫之延展性最大,可輾成錫箔,但加熱至200℃時卻容易變脆。錫被彎曲時,由於雙晶之形成而發(fā)出聲音,稱為錫鳴(Tin
65、 cry)。錫在大氣中不受氧化,表面仍保有光澤,對一般化學品具抗蝕性。錫能抵抗有機酸的侵蝕,故罐頭容器常以鍍錫鐵皮製造。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫的主要用途有下列數(shù)項:(1)製造合金。如:青銅、易熔合金、巴氏合金等。(2)製錫箔。錫在100℃時延展性最大,故可輾成錫箔,它用來包裹糖果、香煙與揮發(fā)性香料等。(3)製造馬口鐵。馬口鐵又稱鍍錫鐵片。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金又稱易熔合金(Fusible all
66、oy),主要由鉛、錫、鉍、鎘等四種低熔點金屬構(gòu)成,其中鉍的含量較多。低熔點合金的熔點隨各構(gòu)成元素含量之不同而異,約在60~113℃。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金其用途頗為廣泛,說明如下:1.利用低溫熔解之特性,可製造保險絲、鍋爐安全易熔塞、自動火災(zāi)警報器等。2.欲檢驗鍛?;蛩苣z模之形狀及精密度時,以低熔點合金鍛造或鑄造後再加以檢驗之。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.薄管彎曲時,管內(nèi)裝入低熔點合金,以避免彎管時之變
67、形,事後將管子低溫加熱即可將填料熔化取出。4.作為銲接電子線路之低溫銲料頗為適合。5.作為子彈彈頭內(nèi)的填充料等。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承合金(Bearingmetal)常黏貼於與轉(zhuǎn)軸接觸之襯套上,如圖9-22所示,優(yōu)良的軸承合金須具備下列條件:1.適當?shù)挠捕燃袄箯姸取?.具有韌性以耐震動與衝擊力量。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.傳熱或散熱須快速。4.鑄造及加工容易。5.耐蝕性佳以抵抗?jié)櫥瑒┲兴犷愔?/p>
68、蝕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承合金之組織,一般是在柔軟的基地內(nèi)有硬質(zhì)的結(jié)晶粒均勻分布內(nèi)部。使用時軟質(zhì)部分因受摩擦而凹陷,以儲存潤滑劑,硬質(zhì)部分因此變得突出以承受重荷,其化學成分與用途,如表9-11 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承用合金中,最普遍而常用者有二種:(1)錫基軸承合金;(2)鉛基軸承合金。(1)錫基軸承合金錫基軸承合金中最具代表性者為巴氏合金(
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