1.2.4 非鐵金屬材料

非鐵金屬材料是指除鋼、鑄鐵外的其他金屬的總稱。它的種類很多，主要有銅（Cu）、鋁（Al）、鈦（Ti）、鎂（Mg）、鎢（W）、鉬（Mo）等金屬及其合金。非鐵金屬材料冶煉較困難，成本較高，其產(chǎn)量和使用量遠(yuǎn)不如鋼鐵材料多，但非鐵金屬材料具有鋼鐵材料所不具備的某些特殊的物理、化學(xué)性能，因此它已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的材料。下面簡(jiǎn)要介紹工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的鋁合金、銅合金、軸承合金、鈦合金及硬質(zhì)合金。

1.鋁及其合金

（1）工業(yè)純鋁（簡(jiǎn)稱純鋁）純鋁是目前工業(yè)中用量最大的非鐵金屬材料，工業(yè)中使用的純鋁純度為98%～99.97%。純鋁的密度較小，僅為2.72g/cm3；導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較高，僅次于銀、銅、金；在大氣中鋁有良好的耐大氣腐蝕性能，但不耐酸、堿、鹽的腐蝕；純鋁的強(qiáng)度低、塑性高、無鐵磁性，可通過冷、熱變形加工制成各種型材。

純鋁可分為變形純鋁和鑄造純鋁兩種。變形純鋁及鋁合金的牌號(hào)表示方法見表1-12。

例如，變形純鋁的牌號(hào)1A30表示鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99.30%的原始變形純鋁；1060表示鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于99.60%，對(duì)雜質(zhì)極限含量無特殊控制的變形純鋁。

（2）鋁合金 在鋁中加入適量的Cu、Si、Mg、Zn、Mn等合金元素，通過固溶強(qiáng)化等方法得到的合金稱為鋁合金。鋁合金有較高強(qiáng)度，但仍保持純鋁密度較小、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性良好等特性，一些鋁合金還可經(jīng)冷變形強(qiáng)化或熱處理進(jìn)一步提高強(qiáng)度，用來制造承受一定載荷的機(jī)械零件。

1）鋁合金的分類。常用的鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。變形鋁合金具有良好的塑性，適于壓力加工；鑄造鋁合金熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好，適于鑄造成型。

①變形鋁合金。變形鋁合金按其性能特點(diǎn)和用途可分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁及鍛鋁四種，其牌號(hào)表示方法見表1-12。常見變形鋁合金的牌號(hào)、特點(diǎn)及用途見表1-13。

②鑄造鋁合金。鑄造鋁合金按主加元素的不同分為四個(gè)類別：鋁硅合金（代號(hào)為ZL1××）、鋁銅合金（代號(hào)為ZL2××）、鋁鎂合金（代號(hào)為ZL3××）和鋁鋅合金（代號(hào)為ZL4××）。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鑄造鋁合金的牌號(hào)由“ZAl+合金元素符號(hào)+數(shù)字”組成，其中“ZAl”表示鑄鋁，數(shù)字是該合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，ZAlSi12——表示硅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的鑄造鋁合金。

常用鑄造鋁合金的牌號(hào)、成分、力學(xué)性能及用途可查閱GB/T 1173―2013《鑄造鋁合金》。

2）鋁合金的熱處理。鋁合金熱處理的原理與鋼不同，因?yàn)殇X合金沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以不能像鋼那樣通過馬氏體相變強(qiáng)化。鋁合金加熱后可獲得單相固溶體組織，在固態(tài)下有固溶度的變化，因此可采用淬火+時(shí)效處理（稱為固溶時(shí)效處理）的方法來強(qiáng)化。鋁合金淬火后硬度并不高，必須在室溫放置一段時(shí)間后，強(qiáng)度和硬度才能顯著提高，這種現(xiàn)象稱“時(shí)效硬化”。

2.銅及其合金

（1）工業(yè)純銅（簡(jiǎn)稱純銅）純銅的熔點(diǎn)為1083℃，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好（僅次于銀），在大氣中和淡水中的耐蝕性良好，并具有抗磁性。純銅的強(qiáng)度、硬度不高，塑性、韌性、焊接性良好，可通過冷、熱變形加工制成電氣工業(yè)用的各種型材（如電線、電纜、銅管等）、通信器材，以及抗磁、防磁儀器等。

純銅的牌號(hào)按雜質(zhì)含量分為T1、T2和T3三種，其中“T”是“銅”字漢語拼音字首，其后的數(shù)字越大，表示銅的純度越低。例如，T1中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.95%；T2中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.90%。

（2）銅合金 在銅中加入適量的硅、鋅、鋁等元素，經(jīng)合金化處理后得到銅合金。按化學(xué)成分的不同，銅合金分為黃銅、白銅和青銅。按生產(chǎn)方式的不同，銅合金分為加工銅合金和鑄造銅合金。工業(yè)上應(yīng)用最多的是黃銅和青銅。

1）黃銅。黃銅是以鋅（Zn）為主加元素的銅合金，因其呈金黃色而得名。黃銅按其成分不同，分為普通黃銅和特殊黃銅。普通黃銅按生產(chǎn)方式的不同，分為加工黃銅和鑄造黃銅。加工黃銅的牌號(hào)用“H+數(shù)字”表示。其中，“H”是漢字“黃”的拼音字首；“數(shù)字”是銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，H68表示銅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%，其他成分為鋅元素的普通黃銅。

鑄造黃銅的牌號(hào)用“ZCu+合金元素符號(hào)+數(shù)字”表示。其中，“ZCu”表示“鑄銅”；“數(shù)字”表示該合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，ZCuZn38表示鋅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，其他成分為銅元素的鑄造黃銅。

2）青銅。青銅是除黃銅、白銅（銅鎳合金）以外的其他銅合金。按生產(chǎn)方式的不同，可分為加工青銅和鑄造青銅。

①加工青銅的牌號(hào)用“Q+第一個(gè)主加元素符號(hào)+數(shù)字-數(shù)字”表示。其中“Q”是漢字“青”的拼音字首；第一組“數(shù)字”是第一個(gè)主加元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；第二組“數(shù)字”是其他合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，QSn4-3表示w_Sn=4%，其他合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，其余成分為銅元素的加工青銅。常用加工銅合金的牌號(hào)及用途見表1-14。

②鑄造青銅的牌號(hào)用“ZCu+合金元素符號(hào)+數(shù)字”表示，其中“ZCu”表示“鑄銅”；“數(shù)字”表示該合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，ZCuSn10Zn1（也可寫成ZQSn10-1）表示w_Sn=10%，w_Zn=1%，其余成分為銅元素的鑄造錫青銅。常用鑄造銅合金的牌號(hào)及用途見表1-15。

3.軸承合金

軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩種，制造滾動(dòng)軸承的材料一般是滾動(dòng)軸承鋼（如GCr15等），而滑動(dòng)軸承通常采用軸承合金制造。常用的軸承合金有錫基與鉛基兩種。

（1）錫基軸承合金 該合金又稱錫基巴氏合金，是以錫為基礎(chǔ)，加入銻、銅等元素組成的合金。這種合金具有良好的減摩性、耐蝕性、導(dǎo)熱性和韌性，但疲勞極限較低，其工作溫度不能超過150℃。錫基軸承合金價(jià)格較貴，常用于重要的軸承，如汽輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等大型機(jī)器的高速軸承。

（2）鉛基軸承合金 該合金又稱鉛基巴氏合金，是以鉛-銻為基礎(chǔ)，加入錫、銅等元素組成的合金。鉛基軸承合金的硬度、強(qiáng)度、韌性均比錫基合金低，且摩擦系數(shù)較大，但價(jià)格較便宜，常用于低速、低負(fù)荷或靜載下工作的中等負(fù)荷的軸承，如汽車、拖拉機(jī)曲軸軸承，其工作溫度一般不超過120℃。

4.鈦及其合金

純鈦是一種灰白色金屬，密度小（4.507g/cm3），熔點(diǎn)高（1688℃）。純鈦的強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性好，具有良好的加工性能，切削加工性能與不銹鋼接近。純鈦及鈦合金耐蝕性好，遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。純鈦的性能受雜質(zhì)影響很大，少量雜質(zhì)即可顯著提高其強(qiáng)度。純鈦主要用于在350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油工業(yè)用的熱交換器、反應(yīng)器、艦船零部件，常見牌號(hào)有TA1、TA2、TA3、TA4，數(shù)字編號(hào)越大，純度越低。

純鈦加入合金元素得到鈦合金。幾乎所有鈦合金中都含有鋁，因?yàn)殇X能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度。工業(yè)用鈦合金按其組織可分為三類：α鈦合金、β鈦合金和（α+β）鈦合金，并分別用TA、TB、TC加數(shù)字編號(hào)來表示。鈦合金大量用于航空工業(yè)，有“空間金屬”之稱；在造船工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)也有廣泛應(yīng)用。此外，由于鈦合金與人體有很好的相容性，因此鈦合金還可用于人造骨等。

5.硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（如WC、TiC、TaC等）和金屬黏結(jié)劑（如Co、Ni等），經(jīng)高壓成形并在1500℃左右的高溫下燒結(jié)而成的粉末冶金材料。硬質(zhì)合金的硬度高達(dá)86～93HRA，耐磨性優(yōu)良，熱硬性好（可達(dá)1000℃），缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低、脆性大、怕振動(dòng)、怕沖擊、制造工藝性差。硬質(zhì)合金一般用于切削刀具，主要有三類：

（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金（YG/K）該類合金如YG3、YG6、YG8等，用于切削鑄鐵等脆性材料。

（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金（YT/P）該類合金如YT30、YT15、YT5等，用于切削各類鋼件。

（3）鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金（YW/M）該類合金如YW1、YW2，用于切削不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料。