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非铁金属
镁合金和钛合金
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
1. 纯镁的性能、牌号及用途
镁是地壳中含量比较丰富的金属之一，仅次于铝和铁居第三位。镁的使用和发展几乎与铝同时，但纯镁的化学性质很活泼，给镁的冶炼带来很大困难，因此纯镁在工业上的应用比铝晚。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
纯镁具有金属光泽，呈银白色，其晶格结构是密排六方晶格。纯镁的熔点是650℃，密度是1.74g/cm3，是最轻的非铁金属、纯镁耐蚀性很差，在空气中容易氧化，尤其在高温时，氧化反应放出的热量不能及时散失，很容易在空气中燃烧。纯镁在室温和低温时的塑性较差（其A11.3约为10%），在高温时的塑性较好，可进行热变形加工。纯镁具有较高的比强度（抗拉强度与密度的比值），切削加工性能比钢铁材料好，能够进行高速切削，抗冲击能力强，尺寸稳定性好
纯镁的牌号有三个，分别是1号纯镁、2号纯镁和3号纯镁。纯镁主要用于制造合金以及作为保护其他金属的牺牲阳极。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
2. 镁合金的性能、分类、牌号及用途
镁合金是以镁为基体加入其他元素组成的合金。镁合金中主要加入的元素有铝（AI）、锌（Zn）、锰（Mn）、铈（Ce）、钍（Th）以及少量的锆（Zr）或镉（Cd）等。
镁合金密度（约为1.8g/cm'）小，仅比塑料的密度略大，比铝合金的密度略小。镁合金的比强度比铝合金高，因此在不降低零部件强度的条件下，镁合金零部件可减轻质量；镁合金的减振性好，承受冲击载荷的能力比铝合金高，是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金受到冲击载荷时，冲击吸收能量比铝合金多一半，因此镁合金具有良好的减振和降噪性能；镁合金具有良好的散热性、电磁屏蔽性能和防辐射性能，因此使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序；镁合金的熔点比铝合金熔点略低，其压铸成形性能好。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
镁合金包括变形镁合金和铸造镁合金两大类。目前，在工业中应用较广泛的镁合金主要有4个系列：AZ系列（Mg-Al-Zn）、AM系列（Mg-Al-Mn）、AS系列（Mg-Al-Si）和AE系列（Mg-Al-RE）。
根据国家标准GB/T5153-2016《变形镁及镁合金牌号和化学成分》的规定，镁合金牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号（元素代号应符合表1的规定），其后的数字表示其最主要的合金组成元素的大致含量，最后面的英文字母为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
表1 元素代号
元素代号 元素名称 元素代号 元素名称
A 铝（Al） M 锰（Mn）
B 铋（Bi） N 镍（Ni）
C 铜（Cu） P 铅（Pb）
D 镉（Cd） Q 银（Ag）
E 稀土（RE） R 铬（Cr）
F 铁（Fe） S 硅（Si）
G 钙（Ca） T 锡（Sn）
H 钍（Th） V 钆（Gd）
J 锶（Sr） W 钇（Y）
K 锆（Zr） Y 锑（Sb）
L 锂（Li） Z 锌（Zn）
示例：
A——标识代号
Z——表示Zn的含量（质量分数）大致为1%
4——表示Al的含量（质量分数）大致为4%
1——代表名义含量（质量分数）次高的合金元素“Zn”
M——代表名义含量（质量分数）最高的合金元素“Al”
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
镁合金的热处理方式与铝合金基本相同，常用的热处理工艺主要有铸造或锻造后的直接人工时效、退火。淬火（但不时效）、淬火加入工时效等，具体工艺规范可根据镁合金的化学成分特点及性能要求来确定。
目前美合金中使用最广泛的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。镁合金主要用于航空、航天、国防、交通运输及化工等领域。镁合金是航空、航天领域不可缺少的材料，可用于制造飞机轮毂、摇臂、襟翼和舱门等活动零件。在国防建设方面，镁合金是减轻武器装备质量，实现武器装备轻量化，提高武器装备各项战术性能的理想结构材料。例如，直升机、歼击机、火箭、导弹等都要大量使用镁合金制造机身及内部零件；用镁合金制造子弹壳可使单兵子弹负载增加1倍。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
在交通运输工具制造方面，镁合金可用于制造离合器壳体、阀盖、仪表板、变速器箱体、曲轴箱、发动机前盖、气缸盖、汽车方向盘（图1）、转向支架、刹车支架、座椅框架（图2）、车镜支架及分配支架等。在手机、笔记本电脑、数码相机机身制造方面，镁合金可用于制造液晶屏幕的支承框架和背面的壳体。
相对于开发应用比较成熟、历史悠久的钢铁材料以及铝及铝合金、铜及铜合金等来说，镁合金的开发和应用还只是刚刚兴起，随着科技的发展，镁合金的应用领域将会不断扩大。
一、镁及镁合金的性能、分类、牌号和用途
图1 汽车方向盘 图2 座椅框架
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
钛及钛合金自20世纪50年代投入生产后，应用日益广泛。由于钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐高温和耐腐蚀等优点，且矿产资源丰富，所以钛及钛合金现已成为航空航天、化工、造船、机电、医疗卫生和国防等领域的重要结构材料。
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
1. 纯钛的性能、牌号和用途
纯钛呈银白色，密度为4.508g/cm3，熔点为1677℃，体膨胀率小，塑性好，强度低，容易加工成形。钛与氧和氮的亲和力较大，非常容易与氧和氮结合形成一层致密的氧化物和氮化物薄膜，其稳定性高于铝及不锈钢生成的氧化膜，故在许多介质中钛的耐蚀性比不锈钢更优良，尤其是耐海水腐蚀的能力非常突出。
工业纯钛（加工钛）的牌号用“TA+顺序号”表示，如TA2表示2号工业纯钛。工业纯钛的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4，顺序号越大，杂质含量越多。
纯钛在航空航天领域用于制造飞机骨架、蒙皮和发动机部件，在化工领域用于制造热交换器、泵体和搅拌器等，在造船领域用于制造海水净化装置及舰船零部件。
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
2. 加工钛合金的分类、牌号和用途
为了提高纯钛在室温时的强度和在高温下的耐热性等，常加入铝、锆、钼、钒、锰、铬、铁等合金元素，以得到不同类型的钛合金。加工钛合金按其使用组织状态的不同可分为α型钛合金、β型钛合金和（α+β）型钛合金
（1）加工钛合金的分类
加工钛合金的牌号用“T+合金类别代号+顺序号”表示。“T”是“钛”字汉语拼音字首，合金类别代号分别用A、B、C表示α型钛合金、β型钛合金、（α+β）型钛合金。例如，TA7表示7号α型钛合金，TB2表示2号β型钛合金，TC4表示4号（α+β）型钛合金。
（2）加工钛合金的牌号
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
α型钛合金（如TA7）一般用于制造使用温度不超过500℃的零件，如航空发动机压气机叶片和管道、导弹的燃料缸、超音速飞机的涡轮机匣及火箭、飞船的高压低温容器等。
β型钛合金（如TB2）一般用于制造使用温度在350℃以下的结构零件和紧固件，如压气机叶片、轴、轮盘及航空航天结构件等。
（α+β）型钛合金（如TC4）一般用于制造使用温度在400℃以下和在低温下工作的结构零件，如火箭发动机（图3）外壳、航空发动机压气机叶片以及火箭和导弹的液氢燃料箱部件等。（α+β）型钛合金可以满足各种不同用途的要求，是目前应用最广泛的一种钛合金。
（3）加工钛合金的用途
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
钛及钛合金是一种很有发展前途的新型金属材料。我国钛金属矿产资源丰富，储量居世界前列，目前已形成了完整的钛金属生产体系。常用的钛合金有TA5、TA6、TA7、TB2、TB3、TB4、TC3、TC4及TC10等
图3 火箭发动机
二、钛及钛合金的性能、分类、牌号和用途
金属骄子-钛
德国化学家M. H. 克拉普罗特（1743-1817年）1795年在金刚石里发现了一种新元素，他根据希腊神话中泰坦神族（Titanen）的名字给这种新元素取名为钛（Titanium）。钛具有许多优良性能，是金属中的佼佼者，钛合金具有特殊的记忆功能和储氢功能。记忆功能是指钛镍合金在一定温度下具有自动恢复原形的本领。人们利用钛镍合金的记忆功能制成了可以自动展开的人造卫星钛线、航空用记忆铆钉、飞行器用管接头以及骨关节、牙齿和脊椎矫正器等。
职业常识
滑动轴承合金的分类、牌号性能和用途
滑动轴承合金的分类、牌号性能和用途
滑动轴承合金是用于制造滑动轴承内衬或轴瓦的铸造合金。滑动轴承（图1）一般由轴承体和轴瓦组成，广泛应用于机床、汽车发动机、各类连杆、大型电动机等动力设备。为了确保轴的磨损量最小，需要在滑动轴承内侧浇注或轧制一层耐磨和减摩的滑动轴承合金，形成均匀的内衬。
一、滑动轴承合金的分类和牌号
滑动轴承合金有锡基、铅基、铜基、铝基等滑动轴承合金。滑动轴承合金牌号由“Z+基体金属元素符号+主添加合金元索符号+数字+辅添加合金元素符号+数字"组成，其中“Z”是“铸”字汉语拼音字首。
例如，ZSnSb11Cu6表示平均锑的质量分数为11%，平均铜的质量分数为6%、平均锡的质量分数为83%的锡基滑动轴承合金。
图1 滑动轴承
一、滑动轴承合金的分类和牌号
去错了地方的法国士兵
锡（Sn）是稀有金属之一，具有熔点低、耐腐蚀等特性，在－16℃以下温度时会由白色金属性的β-锡变成灰色粉末状非金属性的α-锡。在拿破仑对俄国的战争（图2）中，由于俄国的冬季特别寒冷（－30℃），而当时法国士兵的大衣纽扣是采用锡金属制作的，严寒导致法国士兵的大衣纽扣逐步变成粉状，使法国士兵深受寒冷的袭扰，大大影响了法国士兵的战斗力。
职业常识
一、滑动轴承合金的分类和牌号
图2 拿破仑对俄国的战争
二、滑动轴承合金的性能和用途
它是以锡为基体，加入锑、铜等元素形成的滑动轴承合金。锡基滑动轴承合金具有适中的硬度、低的摩擦系数、较好的塑性和韧性、优良的导热性和耐蚀性，但由于锡是稀有金属，故锡基滑动轴承合金成本较高，常用于制造重要的滑动轴承，如汽轮机、发动机和压缩机等高速滑动轴承，常用锡基滑动轴承合金有ZSnSb8Cu4、ZSnSb11Cu6和ZSnSb4Cu4等。
①锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）
二、滑动轴承合金的性能和用途
它是指以铅为基体，加入锑、锡、铜等元素组成的滑动轴承合金。铅基滑动轴承合金的强度、硬度、韧性均低于锡基滑动轴承合金，摩擦系数较大，故适用于中等载荷的低俗轴承。如汽车、拖拉机、轮船的曲轴滑动轴承以及电动机、空压机、减速器的滑动轴承等。铅基滑动轴承合金价格低廉，应尽量用它来代替锡基滑动轴承合金。常用的铅基滑动轴承合金有ZPbSb16Sn16Cu2、ZPbSb15Sn10等
②铅基滑动轴承合金（铅基巴氏合金）
二、滑动轴承合金的性能和用途
以铜合金作为滑动轴承合金材料的合金称为铜基滑动轴承合金，如锡青铜、铅青铜、铝青铜及铍青铜等均可作为滑动轴承合金材料。铜基滑动轴承合金可以承受较大的压力。常用的ZCuPb30铸造铅青铜具有良好的耐磨性、高的导热性（为锡基滑动轴承合金的6倍）及疲劳强度，并能在较高温度（300~320℃）下工作。它广泛用于制造在高速、重载荷下工作的发动机滑动轴承，如航空发动机、大功率汽轮机及柴油机等高速机器的主滑动轴承和连杆滑动轴承。
③铜基滑动轴承合金
二、滑动轴承合金的性能和用途
它是指以铝为基体元素，加入锑、锡或镁等合金元素形成的滑动轴承合金。与锡基、铅基滑动轴承合金相比，铝基滑动轴承合金具有原料丰富、价格低廉、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好等优点，广泛用于制造高速重载汽车、拖拉机及柴油机的滑动轴承。它的主要缺点是线膨胀系数较大，运转时易与轴咬合，尤其在冷启动时危险性更大。常用的铝基滑动轴承合金有铝锑镁滑动轴承合金和铝锡滑动轴承合金，如高锡铝基滑动轴承合金ZAISn6CuINil。
④铝基滑动轴承合金
二、滑动轴承合金的性能和用途
关注重金属
说起铅、汞、镉、铬等重金属，大多数人觉得很遥远，但它们正悄悄地给人们的生活带来负面影响。例如，墙壁、家具、玩具上的油漆等散发出含铅的气体，一些化妆品、染发剂、釉彩碗碟、爆米花炉膛、皮蛋等的含铅量超标。制作霓虹灯等需要汞作为放电气体，这些灯一旦破碎，所含的汞将污染环境。另外，废旧电池中也含有铅、汞、镉、铬等重金属。因此，必须要关注重金属，以免它们对环境造成严重污染。
职业常识
常用的滑动轴承合金
常用的滑动轴承合金
能满足制作轴瓦的材料很多，但最理想的是以锡或铅为基轴承合金（也叫巴氏合金），另外还有铜基、铝基轴承合金。
一、锡基轴承合金（锡基巴氏合金）
锡基轴承合金是以锡为基础，加入锑、铜等元素组成的合金。
其优点是具有良好的塑性、导热性和耐蚀性，而且摩擦系数和膨胀系数小，适合于制作重要轴承，如汽轮机、发动机和压气机等大型机器的高速轴瓦。
缺点是疲劳强度低，工作温度较低（不高于150℃），这种轴承合金价最较贵，如ZChSnSb11—6，“ZCh”是“轴承”的汉语拼音字母，读作“轴承”。
二、铅基轴承合金（铅基巴氏合金）
是以铅为基体，加入锑、锡、铜等合金元素组成的合金。铅基轴承合金的强度、硬度、导热性和耐蚀性均比锡基轴承合金低，而且摩擦系数较大，但价格便宜。适合于制造中、低载荷的轴瓦，如汽车、拖拉机曲轴轴承、铁路车辆轴承等，如ZChPbSb16—16—2。
三、铜基轴承合金
铜基轴承合金通常有锡青铜与铅青铜。
铜基轴承合金具有高的疲劳强度和承载能力，优良的耐磨性，良好的导热性，摩擦系数低，能在250℃以下正常工作。适合于制造高速、重载下工作的轴承，如高速柴油机、航空发动机轴承等。常用牌号是ZCuSn10P1、ZCuPb30。
常用的国产LTHAl65-6-4-3-1黄铜和日本的JISCAC304C黄铜。实验证明，国产的这个比日本的性能好，特别耐磨。
四、铝基轴承合金
铝基轴承合金是以铝为基础，加入锡等元素组成的合金。这种合金的优点是导热性、耐蚀性、疲劳强度和高温强度均高，而且价格便宜。缺点是膨胀系数较大，抗咬合性差。目前以高锡铝基轴承合金应用最广泛。适合于制造高速(13m/s)、重载（3200MPa）的发动机轴承。常用牌号为ZAlSn6Cu1Ni1。
硬质合金的性能、分类、牌号和用途
硬质合金的性能、分类、牌号和用途
随着现代工业的飞速发展，机械切削加工对刀具材料、模具材料等提出了更高的要求。例如，用于高速切削的高速钢刀具，其热硬性已不能满足更高的使用要求。此外，一些生产中使用的冷冲模，即使是采用合金工具钢制造，其耐磨性也显得不足。因此，更为优良的新型材料——硬质合金便应运而生。
一、硬质合金的性能、特点
硬质合金是由作为主要组元的一种或几种难熔金属碳化物和金属黏结剂烧结面成的材料难熔金属碳化物以碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）等粉末为主要成分，金属黏结剂主要以钴（Co）粉末为主，混合均匀后，放入压模中压制成形，最后经高温（1400~1500℃）烧结后形成硬质合金。
硬质合金的硬度（最高可达92HRA）高于高速钢（63~70HRC）；热硬性高，在800~1000℃时，其硬度仍可保持60HRC以上，且热硬性远高于高速钢（在500~650℃）耐磨性好，其耐磨性要比高速钢高15~20倍。这是因为组成硬质合金的主要成分WC、TiC、TaC和NbC都具有很高的硬度、耐磨性和热稳定性。这些特点使得硬质合金刀具的切削速度比高速钢刀具高4~10倍，刀具寿命提高5~80倍。
一、硬质合金的性能、特点
硬质合金的抗压强度高（比高速钢高，可达6000MPa），但抗弯强度低（只有高速钢的1/3~1/2）；冲击吸收能量较低，仅为1.6~4.8J，为淬火钢的30%~50%；线膨胀系数小，导热性差。此外，硬质合金还具有良好的耐蚀性、抗氧化性和热膨胀系数比钢小等特点。
二、硬质合金的分类、牌号和用途
硬质合金按用途不同可分为切削工具用硬质合金，地质、矿山工具用硬质合金以及耐磨零件用硬质合金。下面主要介绍切削工具用硬质合金的分类、牌号和用途。
根据国家标准GB/T18376.1-2008规定，切削工具用硬质合金牌号按使用领域的不同可分为P、M、K、N、S、H六类，各个类别为满足不同的使用要求，以及根据切削工具用硬质合金材料的耐磨性和韧性的不同，将切削工具用硬质合金分成若干个组，并用01、10、20等两位数字表示组号，如P01、P10、P20、P30、P40、M01、M10、M20、M30、M40、K01、K10、K20、K30、K40、N01、N10、N20、N30、S01、S10、S20、S30、H01、H10、H20、H30必要时，可在两个组号之间插人一个补充组号，用05、15、25等表示。切削工具用硬质合金的类别和使用领域见表1。
二、硬质合金的分类、牌号和用途
表1 切削工具用硬质合金的类别和使用领域（摘自GB/T18376.1-2008）
类别 使用领域
P 长切屑材料附加工，如钢、铸钢、长切屑可锻铸铁等的加工
M 使用合金、不锈钢、铸钢、锰钢、可锻铸铁、合金钢、合金铸铁等的加工
K 短切屑材料的加工，如铸铁、硬铸铁、短切屑可锻铸铁、灰铸铁等的加工
N 非铁金属、非金属材料的加工，如铝、镁、塑料、木材等的加工
S 耐热和优质合金材料的加工，如耐热钢，含镍、钴、钛的各类合金材料的加工
H 硬切削材料的加工，如淬硬钢、冷硬铸铁等材料的加工
二、硬质合金的分类、牌号和用途
使用硬质合金可以大幅度地提高工具和零件的使用寿命，降低消耗，提高生产率和产品质量。但由于硬质合金中含有大量的W、Co、Ti、Ni、Mo、Ta、Nb等贵重金属，价格较贵，所以应节约使用。
二、硬质合金的分类、牌号和用途
穿甲弹
穿甲弹（图1）主要靠弹九命中目标时的大动能和本身的高强度击穿钢甲。俗话说，“打铁先得自身硬”，要击穿目标的装甲，没有一副硬朗的身子骨是不行的。因此，穿甲弹的弹丸一般都采用比坦克装甲硬得多的硬质合金材料制造。穿甲弹是坦克、装甲车辆的克星。当然，对付混凝土工事，它也照样当仁不让。发射时，弹丸在膛内高温高压气体作用下，一触及目标，就会把钢甲表面打个凹坑，并且将凹坑底面的钢甲像冲塞子一样给顶出去。
这时弹丸头部虽然已经破裂，而弹体在强大惯性力的冲击下仍会继续前冲。当撞击力达到一定数值时，穿甲弹中的引信被触发点燃，随即引起弹丸装药爆炸。这时在每平方厘米面积上可产生相当于数十吨至数百吨的高压，从而破坏武器装备。
生活常识
二、硬质合金的分类、牌号和用途
了解重金属污染的危害，针对废旧电池处理谈谈如何从自身做起，保护妤水资源和土地不被污染。
在机械制造中，硬质合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具及耐磨零件。由于硬质合金的导热性很差，在室温下几乎没有塑性，所以在磨削和焊接时；急热和急冷都会形成很大的热应力，甚至产生表面裂纹。另外，由于硬质合金硬度高、脆性大，一般不能用切削方法进行加工，只能采用特种加工（如电火花加工、线切割等）或专门的砂轮磨削。硬质合金刀片通常采用钎焊、黏结或机械装夹方法固定在刀杆或模具体上使用。另外，在采矿、采煤、石油和地质钻探等行业，也使用硬质合金制造凿岩用的钎头和钻头等。
实践与思考
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