第五章 非铁金属
非铁金属是指除钢铁材料（铁及其合金）以外的所有金属材料的总称。这类材料由于具有密度小、导电导热性好、耐腐蚀性强、色泽美观等特殊性能，在工程材料中占据重要地位。
5.1 分类
根据金属的特性和用途，非铁金属可分为：
- 轻金属：密度小于4.5g/cm³（铝、镁、钛等）。
- 重金属：密度大于4.5g/cm³（铜、铅、锌、镍等）。
- 贵金属：金、银、铂等。
- 稀有金属：钨、钼、钽、铌等。
- 放射性金属：铀、钍等。
5.2 铝及铝合金
5.2.1 纯铝
- 基本特性：
- 外观：银白色金属。
- 密度：2.7g/cm³，约为钢的1/3。
- 导电性：约为纯铜的60%。
- 导热性：约为纯铜的50%。
- 耐蚀性：良好（表面易形成致密氧化膜Al₂O₃）。
- 纯度分类：
- 高纯度铝：纯度可达99.99%以上，用于科研、电子工业。
- 工业纯铝 (牌号：1XXX系列)：纯度99.0%-99.85%。
- 常见牌号：
1A93(wAl=99.93%)。 - 用途：电线电缆、电子元件、CPU散热器、化工设备。
5.2.2 铝合金
通过加入合金元素显著提高强度，同时保持铝的优良特性。
5.2.2.1 分类体系
| 大类 | 小类 | 主要合金系 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 变形铝合金 | 防锈铝 (LF) | Al-Mn系、Al-Mg系 | 耐腐蚀性好，焊接性好，中等强度 | 压力锅、易拉罐、汽车油箱、建筑装饰板 |
| - | 硬铝 (LY) | Al-Cu-Mg系 | 强度高，耐热性较好，时效强化明显 | 飞机蒙皮、铆钉、机械零件 |
| - | 超硬铝 (LC) | Al-Cu-Mg-Zn系 | 极高的强度(Rm可达600MPa) | 飞机结构件、航天器构件、高载荷零件 |
| - | 锻铝 (LD) | Al-Cu-Mg-Si系 | 锻造性能好，综合性能良好 | 复杂锻件、仪器零件、中等载荷结构件 |
| 铸造铝合金 | 铝硅系 (ZAlSi) | Al-Si系 | 铸造性能优良，耐腐蚀性良好 | 各种壳体、箱体、仪表零件、汽车发动机零件 |
| - | 铝铜系 (ZAlCu) | Al-Cu系 | 强度较高，耐热性好 | 内燃机气缸、活塞、高温工作零件 |
| - | 铝镁系 (ZAlMg) | Al-Mg系 | 耐腐蚀性优异，密度小 | 海洋环境零件、氨用泵体、螺旋桨 |
| - | 铝锌系 (ZAlZn) | Al-Zn系 | 强度较高，切削加工性好 | 门把手、医用床配件、刹车器 |
5.3 铜及铜合金
5.3.1 纯铜（紫铜）
- 基本特性：
- 外观：玫瑰红色至紫红色。
- 密度：8.96g/cm³。
- 导电/导热性：优良（仅次于银）。
- 耐腐蚀性：在大气、淡水中良好。
- 工业纯铜分类 (牌号：T+顺序号)：
T1：高纯铜 (wCu≥99.95%)。T2：工业纯铜 (wCu≥99.90%)。T3：普通纯铜 (wCu≥99.70%)。- 特殊纯铜：
TU0、TU1、TU2（无氧铜）。
- 主要用途：电线电缆、电器开关、空调蒸发器、化工热交换器。
5.3.2 铜合金主要类型
5.3.2.1 黄铜（以锌为主要合金元素）
- 普通黄铜 (二元合金)：
- 牌号：
H+ 铜的质量分数。 - 典型牌号：
H80：金黄铜，装饰品。H70：“三七黄铜”，弹性和强度均好。H62：“四六黄铜”，强度高，价格低。
- 牌号：
- 复杂黄铜 (加入其他元素)：
- 铅黄铜 (如HPb59-1)：改善切削性，用于销、轴套。
- 硅黄铜 (如HSi80-3)：提高强度和耐蚀性，用于水管接头。
- 锡黄铜 (海军黄铜)：显著提高耐海水腐蚀性，用于螺旋桨、船舶阀门。
5.3.2.2 白铜（以镍为主要合金元素）
- 特点：表面光亮，耐腐蚀，机械性能优良。
- 牌号：
B+ 镍和钴的质量分数。例：B19(w(Ni+Co)=19%)。 - 应用：精密仪表耐蚀零件、电阻器、热电偶、焊机零件。
5.3.2.3 青铜（除黄铜和白铜外的所有铜合金）
- 锡青铜：
- 特点：铸造性好，减摩抗腐蚀。
- 牌号：
Q+ 主加元素符号 + 质量分数。例：QSn10。 - 应用：弹性垫圈、轴承、轴瓦、蜗轮。
- 特殊青铜 (无锡青铜)：
- 铝青铜 (如QAl7)：高强度、耐磨、耐蚀、耐热，用于齿轮、轴套。
- 铍青铜 (如QBe5)：极高的强度硬度、良好导电导热性，用于钟表齿轮、电接触器、航空航天精密零件。
5.4 滑动轴承合金（了解内容）
5.4.1 轴承合金基本要求
足够的强度和硬度、良好的减摩性和耐磨性、一定的塑性、良好的导热性、耐腐蚀性、良好的铸造和加工性。
5.4.2 轴承合金组织结构类型
| 类型 | 结构特点 | 工作原理 | 典型合金 |
|---|---|---|---|
| 软基体硬质点型 | 较软的基体上分布着硬质点 | 软基体易磨凹存油，硬质点支撑载荷 | 锡基、铅基轴承合金 |
| 硬基体软质点型 | 较硬的基体上分布着软质点 | 硬基体支承载荷，软质点提供润滑 | 铜基、铝基轴承合金 |
5.4.3 常见滑动轴承合金
| 类型 | 典型牌号 | 性能特点 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| 锡基轴承合金 | ZSnSb11Cu6 | 硬度适中，减摩性好，塑韧性足，耐蚀导热性好，膨胀系数小，工作温度≤150℃ | 涡轮压缩机、汽车发动机曲轴轴承、高速重载轴承 |
| 铅基轴承合金 | ZPbSb15Sn10 | 性能略低于锡基，价格低廉，耐冲击性较差 | 中低载荷、中低速度的轴承（汽车曲轴、连杆轴承） |
| 铜基轴承合金 | ZCuPb30 | 高承载能力，导热性好，抗疲劳性优良，价格较锡基低 | 大功率柴油机、重型机械、高温高速轴承 |
| 铝基轴承合金 | ZAlSn6Cu1Ni1 | 密度小，导热性好，耐腐蚀，足够的强度和硬度 | 飞机发动机轴承、大功率汽轮机轴承、大型柴油机轴承 |
5.4.4 轴承合金选用原则
载荷大小、滑动速度、工作温度、腐蚀环境、成本考虑。
5.5 其他重要非铁金属（了解内容）
| 材料 | 主要特点 | 应用领域 |
|---|---|---|
| 钛及钛合金 | 密度小(4.5g/cm³)，高强度、耐腐蚀、耐高温 | 航空航天、化工设备、医疗器械 |
| 镁及镁合金 | 密度最小(1.74g/cm³)的结构金属，减震性好 | 汽车零件、航空航天、电子产品 |
| 锌及锌合金 | 铸造性好，耐蚀性良好 | 压铸件、电池外壳、保护涂层 |
| 镍及镍合金 | 耐高温、耐腐蚀 | 化工设备、高温合金、电池材料 |
5.5.1 硬质合金
- 主要成分：
- 硬质相：WC（碳化钨）、TiC（碳化钛）等，提供极高硬度和耐磨性。
- 黏结相：Co（钴）、Ni（镍）等，提供韧性。
- 制备方法：粉末冶金法。
- 性能特点：极高的硬度和耐磨性、良好的红硬性（高温硬度保持能力）、高弹性模量、低热膨胀系数。
- 应用领域：切削刀具、模具材料、耐磨零件、量具。