第4章

汽車用有色金屬及其合金●汽車應(yīng)用材料第4章

汽車用有色金屬及其合金【知識點】熟悉常用有色金屬的分類、性能、牌號及應(yīng)用?！炯寄茳c】了解汽車常用有色金屬的性能要求；熟悉汽車上使用的有色金屬的識別；學會汽車常用零部件選用有色金屬的方法和應(yīng)用。第4章

汽車用有色金屬及其合金汽車上常用的有色金屬主要有鋁、銅及其合金和滑動軸承合金。近年來鈦、鎂、鋅及其合金和粉末冶金材料的應(yīng)用也日趨廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把黑色金屬以外的其他金屬稱為有色金屬。有色金屬具有特殊的電、磁、熱性能和耐腐蝕性、高的比強度(強度／密度)，它是實現(xiàn)汽車輕量化的理想材料，因而在現(xiàn)代汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。4.1.1純鋁4.1.1.1純鋁的特性及應(yīng)用純鋁的主要用途是代替貴重的銅制作導線、電纜、電器元件等，還可制作質(zhì)輕、導熱、耐大氣腐蝕的器具及包覆材料。在汽車上常用于制作墊片、內(nèi)外裝飾件和銘牌等。工業(yè)純鋁導電性好，僅次于銀、銅和金，居第四位；其導熱性是鐵的三倍；由于鋁的表面能生成一層致密的氧化鋁薄膜，可以阻止鋁進一步氧化，因此其抗大氣腐蝕性能好，但對酸、堿、鹽的耐蝕性較差。純鋁具有極好的塑性(A＝30%～50%，Z＝80%)，容易加工成各種絲、線、棒、箔、片等型材。但純鋁強度、硬度很低(Rm=70～100MPa，20HBS)，焊接性能較差，一般不適宜制作各種結(jié)構(gòu)件。4.1.1純鋁4.1.1.2純鋁的牌號鋁的含量不低于99.00%時為純鋁，其牌號用1×××表示。牌號的最后兩位數(shù)字表示最低鋁百分含量，牌號的第二位字母表示原始純鋁的改型，如果是字母為A，則表示原始純鋁，如果是B～Y的其他字母，則表示為原始純鋁的改型，如牌號1A60的鋁板，表示其最低鋁的百分含量應(yīng)為99.60%的原始純鋁。4.1.2鋁合金鋁合金在汽車上的應(yīng)用日趨廣泛，不僅可用于制造活塞、汽缸體、汽缸蓋、連桿和進氣歧管等發(fā)動機零件，還可用于制造輪轂、離合器殼、轉(zhuǎn)向器殼和變速器拔叉等底盤零件，甚至車身、車架等也開始采用鋁合金制造。常見鋁合金制造的汽車零件如圖4-1所示。圖4-1常見鋁合金制造的汽車零件4.1.2鋁合金4.1.2.1變形鋁合金變形鋁合金的塑性好，變形抗力小，適合通過壓力加工成型，通常在冶金廠加工成各種規(guī)格的型材，用于各種汽車零件的制造。按其化學成分與主要性能特點，變形鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四種，其中防銹鋁是不能熱處理強化的鋁合金。變形鋁合金4.1.2鋁合金4.1.2鋁合金4.1.2.2鑄造鋁合金1.Al-Si系鑄造鋁合金2.Al-Cu系鑄造鋁合金3.Al-Mg系鑄造鋁合金4.Al-Zn系鑄造鋁合金4.1.2鋁合金4.1.3鋁及鋁合金在汽車上的應(yīng)用鋁具有比強度高、耐腐蝕性優(yōu)良、適合多種成型方法、較易再生利用等優(yōu)點，是汽車工業(yè)應(yīng)用較多的金屬材料，特別是能源、環(huán)境、安全等方面的原因使對汽車輕量化的要求越來越迫切，使用輕量化材料是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑，而鋁是應(yīng)用得比較成熟的輕量化材料。近20年來，鋁在汽車上的用量和在汽車材料構(gòu)成中所占份額都有明顯的增加。由鋁合金制造的零件已經(jīng)遍及汽車的發(fā)動機、底盤、車身等各個部分。汽車上應(yīng)用的鋁合金以鑄造鋁合金為主，主要用于活塞、汽缸蓋、汽缸體等零件。與鑄鐵比，鋁的導熱性能約高三倍，因而適于制造需要散熱的熱交換器零件上。此外鑄造鋁合金還用于制造離合器殼體、變速箱殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向器殼體、搖臂蓋、正時齒輪殼體等殼體類零件，發(fā)動機部件，以及保險杠、車輪、發(fā)動機框架、轉(zhuǎn)向節(jié)液壓泵體、制動鉗、油缸及制動盤等非發(fā)動機結(jié)構(gòu)件，且今后有進一步擴大應(yīng)用的趨勢。發(fā)動機部件用鋁合金制造輕量化效果最為明顯，一般可減重30%以上。4.2銅及銅合金銅是人類歷史上應(yīng)用最早的金屬，也是至今應(yīng)用最廣的有色金屬之一。銅及銅合金具有優(yōu)良的導電性、導熱性，較強的抗大氣腐蝕性和一定的力學性能，優(yōu)良的減摩性和耐磨性并具有良好的加工性能，被廣泛地應(yīng)用在電氣、儀表、汽車、造船及機械制造工業(yè)中。據(jù)統(tǒng)計，一輛載貨汽車需用20kg左右的銅。汽車上使用的銅主要是純銅、黃銅和青銅。4.2.1純銅4.2.1.1純銅的特性及應(yīng)用工業(yè)用純銅的含銅量高于99.95%，呈玫瑰紅色。當表面生成氧化銅后，呈紫色，故又稱紫銅。純銅密度為8

96g/cm3，熔點為1083℃，具有優(yōu)良的導電性和導熱性，很高的化學穩(wěn)定性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。但強度不高(Rm＝230～250MPa)，硬度很低(40～50HBS)，塑性很好(A＝45%～55%)。經(jīng)冷塑性變形后，抗拉強度Rm可提高到400～500MPa，但伸長率A急劇下降到2%左右。由于工業(yè)純銅強度、硬度低，不宜作受力的結(jié)構(gòu)材料。在汽車上的應(yīng)用主要是利用其導電性，制作電線、電纜和電氣接頭等電氣元件；利用其導熱性制作散熱器等導熱元件。此外，純銅還可用于制作汽缸墊、進（排）氣管墊、軸承襯墊和油管等。4.2.1純銅4.2.1.2純銅的牌號工業(yè)純銅按雜質(zhì)含量分為T1、T2、T3、T4四個牌號，其中T是“銅”字漢語拼音字首，數(shù)字表示順序號，數(shù)字越大則純度越低。4.2.2銅合金4.2.2銅合金4.2.2銅合金4.2.2銅合金4.2.2銅合金4.2.2銅合金4.2.3銅和銅合金在汽車上的應(yīng)用銅和銅合金在汽車上主要用于制作散熱器、制動系統(tǒng)管路、液壓裝置、齒輪、軸承、剎車摩擦片、電器元件、墊圈以及各種接頭、配件和飾件等。其中H68用于散熱器夾片、散熱器本體主片、暖風散熱器主片等；HPb59-1用于化油器配制針、制動閥閥座、曲軸箱通風閥座、儲氣筒放水閥本體及安全閥座等；ZCuPb30用于曲軸軸瓦、曲軸止推墊圈等；QSn4-4-2.5用于活塞銷襯套、發(fā)動機搖臂襯套等；ZCuSn5Pb5Zn5用于離心式潤滑油濾清器上、下軸承。圖4-2汽車散熱器4.3滑動軸承合金軸承是重要的機械零件，有滾動軸承和滑動軸承兩類?；瑒虞S承合金是制造滑動軸承的軸瓦及內(nèi)襯的材料。汽車發(fā)動機中曲軸軸承、連桿軸承、凸輪軸軸承等都采用滑動軸承。常見的軸瓦結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3常見的軸瓦結(jié)構(gòu)4.3.1滑動軸承合金的特點及分類4.3.1.1滑動軸承合金的特點與要求當軸在軸承中旋轉(zhuǎn)時，軸承表面不僅要承受一定的交變荷載，而且還與軸發(fā)生強烈的摩擦。為了減少軸的磨損，保證軸承正常工作，滑動軸承合金應(yīng)具有以下性能：足夠的強度、硬度和耐磨性；足夠的塑性和韌性；較小的摩擦系數(shù)和高度磨合能力；良好的導熱性、抗腐蝕性和低的膨脹系數(shù)等。為了滿足以上要求，滑動軸承合金理想的組織應(yīng)該是軟基體上分布硬質(zhì)點，或者在硬基體上分布軟質(zhì)點。若組織是軟基體上分布硬質(zhì)點，當軸運轉(zhuǎn)時軟基體受磨損而凹陷，硬質(zhì)點將凸出于基體上支撐著軸頸，使軸和軸瓦的接觸面積減小，而凹坑能儲存潤滑油，降低軸和軸瓦之間的摩擦系數(shù)，減少軸和軸承的磨損。另外，軟基體能承受沖擊和振動，使軸和軸瓦能很好的磨合，還能起嵌藏外來硬質(zhì)點的作用，以保證軸頸不被擦傷。圖4-4所示為滑動軸承合金的組織示意圖。4.3.1滑動軸承合金的特點及分類圖4-4滑動軸承合金的組織示意圖4.3.1滑動軸承合金的特點及分類4.3.1.2滑動軸承合金的分類及牌號常用的滑動軸承合金有錫基軸承合金、鉛基軸承合金、鋁基軸承合金、銅基軸承合金等?；瑒虞S承合金一般在鑄態(tài)下工作，其牌號以“鑄”字漢語拼音字首Z開頭，表示方法為“Z+基本元素符號+主加元素符號+主加元素含量+輔加元素符號+輔加元素含量……”。例如，ZSnSb12Pb10Cu4即表示含Sb為12％、含Pb為10%、含Cu為4％的錫基軸承合金。4.3.2常用滑動軸承合金4.3.2.1錫基軸承合金(錫基巴氏合金)概念錫基軸承合金也稱為錫基巴氏合金。它是以錫為基礎(chǔ)合金，輔加適量的銻、銅、鉛等元素而形成的一種軟基體硬質(zhì)點類型的滑動軸承合金。最常用的牌號是ZSnSb11Cu6。4.3.2常用滑動軸承合金錫基軸承合金的摩擦系數(shù)和膨脹系數(shù)小，塑性和導熱性好，適于制作最重要的軸承，如汽輪機、發(fā)動機和壓氣機等大型機器的高速軸瓦。但錫基軸承合金的疲勞強度較低，許用溫度也較低(不高于150℃)。常用錫基軸承合金的牌號及用途見表4-5。4.3.2常用滑動軸承合金4.3.2.2鉛基軸承合全概念鉛基軸承合金也稱為鉛基巴氏合金，是以Pb為基礎(chǔ)合金，輔加銻、銅、錫等元素而形成的一種軟基體硬質(zhì)點類型的滑動軸承合金。常用牌號是ZPbSb16Cu2。4.3.2常用滑動軸承合金鉛基軸承合金的鑄造性能和耐磨性較好(但比錫基軸承合金低)，價格較便宜，可用于制造中、低荷載的軸瓦。例如，汽車、拖拉機曲軸的軸承等。常用鉛基軸承合金的牌號及用途見表4-6。4.3.2常用滑動軸承合金4.3.2.3銅基軸承合金銅基軸承合金包括鉛青銅、錫青銅等，常用合金牌號為ZCuPb30、ZCuSn10Pb1等。ZCuPb30是硬基體Cu上分布軟質(zhì)點的軸承合金，潤滑性能好，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，鉛青銅還具有良好的耐沖擊能力和疲勞強度，并能長期工作在較高的溫度(250℃～320℃)下，導熱性優(yōu)異。常用于高荷載、高速度的滑動軸承，如航空發(fā)動機、高速柴油機軸承等。鉛青銅的強度較低，實際使用時也常和鉛基巴氏合金一樣在鋼軸瓦上澆鑄成內(nèi)襯，進一步發(fā)揮其特性。ZCuSn10Pb1是在軟基體上分布硬質(zhì)點的軸承合金。這類合金具有高強度，耐磨性好，適宜制造中速及受較大固定荷載的軸承，如電動機、泵、機床用軸瓦，也可用于高速柴油機軸承。4.3.2常用滑動軸承合金4.3.2.4鋁基軸承合金鋁基軸承合金是以鋁為基本元素，加入適量的銻、銅、錫等元素組成的合金。鋁基軸承合金分為高錫鋁基軸承合金、低錫鋁基軸承合金和鋁鎂銻軸承合金等，其中20高錫鋁基軸承合金是目前汽車上廣泛應(yīng)用的軸承合金，它是以鋁為基體，加入20%的錫和1%的銅組成的合金，是一種新型的減磨材料，具有較高的承載能力、良好的耐磨性和導熱性，價格較低等優(yōu)點，可以替代錫基軸承合金，用于制造曲軸軸瓦和連桿軸瓦。但它的線膨脹系數(shù)大，運行時容易與軸咬合，裝配時應(yīng)留較大的間隙，以防止軸頸被擦傷。4.4.1鈦及鈦合金4.4.1.1純鈦純鈦是銀白色金屬，密度為4.5g/cm3，熔點高達1688℃，是一種高熔點的輕金屬。鈦有兩種同素異構(gòu)體，在882.5℃以上為體心立方晶格的β-Ti，882

5℃以下為密排六方晶格的α-Ti。純鈦塑性好、強度低，容易加工成型，可制成細絲和薄片。在大氣和海水中有優(yōu)良的耐蝕性，在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，鈦的抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼。4.4.1鈦及鈦合金4.4.1.1純鈦鈦的性能受雜質(zhì)的影響很大，少量的雜質(zhì)就會使鈦的強度激增，塑性顯著下降。工業(yè)純鈦中常存雜質(zhì)有N、H、O、Fe、Mg等。根據(jù)雜質(zhì)含量，工業(yè)純鈦有三個等級牌號TA1、TA2、TA3，“T”為“鈦”字漢語拼音字首，其后順序數(shù)字越大，表示純度越低。工業(yè)純鈦因其密度小和耐腐性，因此是航空航天、船舶、化工等工業(yè)中常用的結(jié)構(gòu)材料。常用于制作350℃以下工作、強度要求不高的零件及沖壓件，如飛機蒙皮、構(gòu)架、隔熱板，石油化工用熱交換器、海水凈化裝置及船艦零部件。4.4.1鈦及鈦合金4.4.1.2鈦合金純鈦的強度很低，價格昂貴，為提高其強度，常在鈦中加入合金元素制成鈦合金。按其組織類型的不同，鈦合金分為α型鈦合金、β型鈦合金和α＋β型鈦合金。其代號分別用TA、TB、TC加序號表示。4.4.1鈦及鈦合金1.α型鈦合金鈦中加入鋁、硼等元素獲得α型鈦合金。α型鈦合金的室溫強度低于β型鈦合金和α＋β型鈦合金，但高溫(500℃～600℃)強度比它們的高，并且組織穩(wěn)定，抗氧化性和抗蠕變性好，焊接性能也很好。α型鈦合金不能淬火強化，主要依靠固溶強化，熱處理只進行退火(變形后的消除應(yīng)力退火或消除加工硬化的再結(jié)晶退火)。α型鈦合金的典型的牌號是TA7，使用溫度不超過500℃，主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片和管道，導彈的燃料缸，超音速飛機的渦輪機匣及火箭、飛船的高壓低溫容器等。4.4.1鈦及鈦合金2.β型鈦合金1鈦中加入鉬、鉻、釩、錳等元素得到β型鈦合金。β型鈦合金有較高的強度、優(yōu)良的沖壓性能，并可通過淬火和時效進行強化。2β型鈦合金的典型牌號為TB1，一般在350℃以下使用，適于制造壓氣機葉片、軸、輪盤等重載的回轉(zhuǎn)件，以及飛機構(gòu)件等。4.4.1鈦及鈦合金3.α＋β型鈦合金α＋β型鈦合金塑性好，高溫強度高，耐腐蝕，具有良好的低溫工作性能，并可通過淬火和時效進行強化，熱處理后強度可提高50%～100%。TC4是典型的α＋β型鈦合金，由于強度高，塑性好，在400℃時組織穩(wěn)定，蠕變強度較高，低溫時有良好的韌性，并有良好的抗海水腐蝕及抗熱鹽腐蝕的能力，所以適于制造在400℃以下長期工作的零件，對高溫強度有一定要求的發(fā)動機零件，以及在低溫下使用的火箭、導彈的液氫燃料箱部件等。鈦合金適于制造汽車發(fā)動機氣門彈簧、氣門和發(fā)動機連桿等，在底盤部件主要為彈簧、半軸和緊固件等。用鈦合金制造板簧與用抗拉強度達2100MPa的高強度鋼相比，可降低自重20%。鈦和鈦合金由于其價格高，應(yīng)用受到一定的限制。所以降低成本是未來鈦合金的研制和生產(chǎn)工藝開發(fā)的重點。4.4.2鎂及鎂合金4.4.2.1純鎂純鎂是銀白色金屬，密度為1.74g/cm3，相當于鋁的2/3，是工業(yè)用金屬中密度最小的。純鎂具有很高的化學活性，耐腐蝕性很差，強度和塑性均較低，一般不直接用作結(jié)構(gòu)材料。4.4.2鎂及鎂合金4.4.2.2鎂合金純鎂的力學性能較低，實際應(yīng)用時，一般在純鎂中加入一些合金元素，制成鎂合金。鎂合金中通過加入合金元素，產(chǎn)生固溶強化、時效強化及細晶強化作用，以提高鎂合金的力學性能、抗腐蝕性能和耐熱性能。鎂合金中常加入的合金元素有鋁、鋅、錳、鋯及稀土元素等。鋁和鋅可起固溶強化作用，錳可改善耐熱性和耐蝕性。鎂合金經(jīng)熱處理后(固溶+時效)，強度可達300~500MPa，比強度高于鋁合金。另外，鎂合金減振性好，切削加工性優(yōu)良。但鎂合金耐蝕性差，常常需要采取保護措施。4.4.2