1.2有色金属及非金属材料在汽车上的应用（课件）-《汽车机械基础》同步教学（电子工业出版社）

项目一 汽车常用材料的认识与选用 任务二 有色金属及非金属材料在汽车上的应用 汽车机械基础 任务学习目标 1．了解常用有色金属及非金属材料的类型。 2．熟悉铝及铝合金、铜及铜合金、轴承合金在汽车上的应用情况。 3．了解其他非金属材料的性能特点及其在汽车上的应用情况。 思政目标 1．培养爱国主义情怀，增强民族自豪感，增强责任意识； 2．培养学生正确的世界观和科学观，不畏劳苦，刻苦钻研； 3．内修外练，坚定理想信念，加强自身建设。 任务引入 有色金属因具有质量轻、导电性能好等特性，在现代汽车上的用量逐年增加。近年来，在轿车制造行业，采用铝、镁（镁合金轮毂如图 1-17 所示）、钛等轻金属替代钢铁材料，是轿车轻量化的一个重要手段。 图 1-17 镁合金轮毂 1．铝及铝合金 1）工业纯铝 目前铝是工业中用量最大的有色金属。纯铝是银白色金属，密度小（2.7g/cm3），大约是钢或铁密度的 1/3，导电性和导热性仅次于铜、银、金而居第四位，且价格较低，强度低（σb≈80MPa），塑性很高（δ=50%、ψ=80%），具有良好的加工性能和焊接性能，良好的抗大气腐蚀能力。 工业纯铝在汽车上的应用主要是作为空气压缩机垫圈、排气阀垫片、汽车铭牌等的材料。我国工业纯铝的牌号是用其纯度来编号的，如 L1、L2、L3 等，L 为“铝”字的拼音首字母，编号数字越大，纯度越低。例如，L1 的含铝量为 99.7%，杂质总量不大于 0.3%；L4 的含铝量为 99.4%，杂质总量不大于 0.6%。 一、有色金属在汽车上的应用 2）铝合金 纯铝的强度低，无法作为承受载荷的结构材料使用，因此，通常在铝中加入一定量的其他金属元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金用于制造承受载荷的结构零件，根据其成分和工艺特点，可分为变形铝合金（或称压力加工铝合金）和铸造铝合金两类。 （1）变形铝合金。 变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可以通过压力加工制成各种半成品，也可以焊接。它主要用于承受中等载荷或高载荷的构件，如发动机机架、飞机起落架等。常用的变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等。此类铝合金在汽车上应用不多。 （2）铸造铝合金。 铸造铝合金有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。铸造铝合金按主加合金元素的不同，可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金等。其中应用最广的是铝硅合金，俗称硅铝明，具有良好的铸造性能，广泛用于制造形状复杂的零件，如发动机活塞（见图 1-18）、气缸体、气缸套等。 一、有色金属在汽车上的应用 2）铝合金 纯铝的强度低，无法作为承受载荷的结构材料使用，因此，通常在铝中加入一定量的其他金属元素以制成具有较高强度的铝合金。铝合金用于制造承受载荷的结构零件，根据其成分和工艺特点，可分为变形铝合金（或称压力加工铝合金）和铸造铝合金两类。 （1）变形铝合金。 变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可以通过压力加工制成各种半成品，也可以焊接。它主要用于承受中等载荷或高载荷的构件，如发动机机架、飞机起落架等。常用的变形铝合金有防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及锻造铝合金等。此类铝合金在汽车上应用不多。 一、有色金属在汽车上的应用 （2）铸造铝合金。 铸造铝合金有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。铸造铝合金按主加合金元素的不同，可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金等。其中应用最广的是铝硅合金，俗称硅铝明，具有良好的铸造性能，广泛用于制造形状复杂的零件，如发动机活塞（见图 1-18）、气缸体、气缸套等。 一、有色金属在汽车上的应用 图 1-18 发动机活塞 铸造铝合金的牌号由“Z”加铝及主要合金元素符号组成，主要合金元素符号后跟有表示其名义百分含量的数字，如果合金元素的百分含量小于 1，一般不标数字，如ZAlSi7Mg。 铸造铝合金的代号用汉语拼音字母“ZL”（铸铝）与三个数字组成，ZL 后面第一个数字表示合金类别，1 表示铝硅合金，2、3、4 分别表示铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金。ZL 后第二、三位数字表示合金顺序号，顺序号不同，其化学成分也不同。例如，ZAlSi7Mg的代号为 ZL101。 一、有色金属在汽车上的应用 铸造铝合金在汽车上的应用包括：制造气缸体、曲轴箱、气缸盖、活塞、发动机架等，尤其是活塞几乎都用铝合金制造。我国应用铝硅合金 ZL108、ZL109、ZL111 比较多。另外，底盘上采用铝铸件的零件也不少，如离合器壳体（见图 1-19）、变速器壳等。 铸造铝合金在汽车上的应用情况见表 1-10。 一、有色金属在汽车上的应用 图 1-19 离合器壳体 2．铜及铜合金 1）纯铜 纯铜呈紫红色，故又称紫铜。纯铜的导电性和导热性仅次于金和银，是常用的导电、导热材料。纯铜强度低（230～240MPa）、硬度小（40～50HBS）、塑性好，易于冷、热压力加工，焊接性能良好。 纯铜的牌号有 T1、T2、T3 三种。“T”为“铜”字汉语拼音首字母，编号越大，纯度越低。纯铜可用来制造发动机的输油管、缸头垫、火花塞垫等。 一、有色金属在汽车上的应用 2）黄铜 工业上广泛采用的铜合金分为黄铜、青铜和白铜三类。其中应用较广的是黄铜。黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，具有良好的力学性能，易于加工成形，并且对大气、海水、淡水、蒸汽有相当高的耐腐蚀性。通常将铜锌二元合金称为普通黄铜，其牌号由“黄”字汉语拼音首字母“H”加数字组成，数字表示平均含铜量的百分数。例如，H62 表示含铜量为 62%，含锌量为 38%的普通黄铜。在普通黄铜中加入其他的合金元素所构成的合金，称为特殊黄铜。其牌号为 H+主加元素符号+含铜量+主加元素含量。例如，HSn70-1 表示含锡（主加元素）量为 1%、含铜量为 70%，其余为锌的锡黄铜。 黄铜在轿车上可用于转向节衬套（见图 1-20）、钢板弹簧衬套、轴套等耐磨件，也可用于散热器冷凝管、冷却管，还可用于装饰件、供水排水管、油管接头、制动三通接头、垫片和垫圈。黄铜在汽车上的应用情况见表 1-11。 一、有色金属在汽车上的应用 一、有色金属在汽车上的应用 图 1-20 转向节衬套 3．轴承合金 发动机的主轴承、曲柄销轴承、活塞销轴承及摇臂轴承等都是滑动轴承。用来制造滑动轴承中轴瓦内衬的合金，称为轴承合金。滑动轴承起支撑作用，而且在运转中轴与轴瓦之间有强烈的摩擦。由于轴是机器的重要零件，且造价高，更换难，且磨损不可避免，因此要求轴承合金具有高的疲劳强度、抗压强度、塑性和韧性；具有低的摩擦系数、良好的磨合性、抗咬合性及亲油性；具有良好的导热性、耐腐蚀性以及较小的膨胀系数；具有良好的工艺性能，即易于铸造和切削加工。 常用的滑动轴承合金主要有锡基轴承合金（如 ZChSnSb11-6、ZChSnSb8-4）、铅基轴承合金（如 ZChPbSn16-16-2）、铜基轴承合金（如 ZCuPb30）等。锡基轴承合金和铅基轴承合金又称巴氏合金，是应用广泛的轴承合金。图 1-21 所示为巴氏合金轴瓦。 一、有色金属在汽车上的应用 图 1-21 巴氏合金轴瓦 汽车上除大量使用金属材料外，非金属材料也得到越来越广泛的应用。常用的非金属材料包括有机高分子材料（塑料、橡胶、胶黏剂等）、无机非金属材料（陶瓷、玻璃）和复合材料。非金属材料有许多金属材料不具备的优点：高分子材料质轻、耐腐蚀、吸振、价廉；陶瓷硬度高、耐高温、耐腐蚀；复合材料则是一种新兴的、具有广阔发展前景的工程材料。 1．塑料 塑料是应用广泛的有机高分子材料，其主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂及阻燃剂等添加剂。合成树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，决定了塑料的基本属性，并起到黏结剂的作用；其他添加剂是为了弥补或改进塑料的某些性能。塑料具有质量轻、耐磨、吸振、耐腐蚀、绝缘、可以着色、易于加工成形等优点，因而得到了广泛应用，但塑料的不足之处是强度、刚度较低，耐热性差，易老化等。 二、非金属材料在汽车上的应用 1）塑料的类型及性能特点 按用途分，塑料可分为通用塑料和工程塑料。通用塑料是指用于制造日常用品、农用品等的塑料。这类塑料产量大，用途广、成形性好、价格便宜，因而应用广泛。工程塑料是指用于制造工程构件和机械零件的塑料。工程塑料主要有 ABS 塑料、聚甲醛和聚碳酸酯等。这类塑料强度、刚度较高，韧性、耐热性、耐腐蚀性较好，可用来代替金属材料制造机械结构件。 二、非金属材料在汽车上的应用 2）塑料在汽车上的应用 塑料在汽车上的应用越来越多，涉及汽车的内饰件、外装件、功能件，如保险杠、散热器格栅、仪表板、燃油箱等，用量约占全车质量的 9%。塑料在汽车上的应用见表 1-12。 二、非金属材料在汽车上的应用 2．橡胶 橡胶是以生橡胶（简称生胶）为主要原料，加入各种适量的配合剂制成的，属于黏弹性高分子材料，具有弹性模量低、弹性极限高、耐疲劳、易硫化黏结等性能；有些胶种还具有耐油、耐化学介质、耐高温及气密性好等性能。 1）橡胶的类型 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是指以天然橡胶为生胶形成的橡胶材料，属于通用橡胶，具有优良的弹性，较高的强度和优异的抗疲劳性、耐磨性、防水性、绝热性与电绝缘性，以及良好的加工性能。合成橡胶是以石油、天然气和煤等为原料，通过化学合成的方法制成的与天然橡胶性质相似的高分子材料。合成橡胶的原料来源丰富，成本低廉，其品种和数量较多，产量已超过天然橡胶。 按其性能和用途不同，橡胶又可分为通用橡胶和特种橡胶两大类。通用橡胶的性能与天然橡胶相似，物理性能和机械加工性能较好。特种橡胶，是指具有耐热、耐寒、耐油和耐化学腐蚀等特殊性能的橡胶，如硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等。 二、非金属材料在汽车上的应用 2）橡胶的主要特性 和其他材料相比较，橡胶的主要特性有以下几点：极高的弹性、良好的热塑性、良好的黏着性、良好的绝缘性。此外，橡胶还具有良好的耐腐蚀性、密封性和耐寒性等，但是橡胶的导热性能差，抗拉强度低，且容易老化。橡胶老化会出现变色、发黏、变硬、变脆及龟裂等现象。因此，在橡胶制品的使用中应避免其与酸、碱、油及有机溶剂接触，尽量避免受热、日晒和雨淋等。 二、非金属材料在汽车上的应用 3）橡胶在汽车上的应用 橡胶是在汽车上大量应用的一种重要材料。汽车上的橡胶零部件约有 300 种，广泛分布于汽车发动机及其附件，以及传动、转向、悬架、制动、电气仪表及车身等系统内。 橡胶在汽车上的应用见表 1-13。 提示：橡胶制品占轿车总质量的 3%～6%，现代轿车中橡胶用量最大的是轮胎，约占轿车中橡胶件总质量的 70%。 二、非金属材料在汽车上的应用 3．陶瓷 陶瓷是各种无机非金属材料的通称。陶瓷以天然或合成的化合物为原料，经处理、成形、干燥、烧结而成。陶瓷不仅仅是用来制造日用器皿的传统陶瓷材料，近年来随着陶瓷性能的不断改进，已发展成为金属材料和高分子材料以外的第三大类工程材料。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀性好、耐磨性好、抗压强度高等特点。目前它在汽车上得到了越来越多的应用。在汽车中应用的陶瓷材料主要有普通陶瓷、特种陶瓷。 二、非金属材料在汽车上的应用 普通陶瓷是以黏土、石英或长石等天然硅酸盐材料（含 SiO2的化合物）为原料，经过配制、烧结而制成的。这类陶瓷质地坚硬，耐腐蚀性好，不导电，易于加工成形，是应用广泛的传统材料。日用陶瓷、建筑陶瓷和化工陶瓷一般属于普通陶瓷。 汽车发动机的火花塞（见图 1-22）就是由普通陶瓷制成的。 二、非金属材料在汽车上的应用 图 1-22 火花塞 特种陶瓷，又称精细陶瓷，采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成。 特殊陶瓷一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，特种陶瓷分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等。特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。近年来，特种陶瓷在汽车上大量应用，它能大大提升汽车的可靠性。如氧化锆陶瓷氧传感器（见图 1-23）可靠性很高，在使用过程中力学性能优良，而且可以减少许多由于摩擦产生的热量，延长部件的使用寿命。 提示：氧传感器作为净化排气的部件，可用于测定排气中的 O2浓度，再将该测定值反馈给发动机进气及燃料供给系统，可促进内燃机的燃烧保持在充分燃烧状态。这样可以达到显著的节能效果。 二、非金属材料在汽车上的应用 图 1-23 氧化锆陶瓷氧传感器 4．复合材料 复合材料是由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料通过人工复合而制成的。它不仅具有各组成材料的优点，还可获得单一材料不具备的优越的综合性能。日常所见的人工复合材料很多，如钢筋混凝土就是用钢筋与石子、沙子、水泥等制成的复合材料，汽车轮胎是由人造纤维与橡胶复合而成的材料。复合材料主要应用在航空、航天工业中。近年来，随着汽车轻量化和高性能的发展趋势，复合材料在汽车上的应用日益增多。 复合材料种类很多，可分为高分子基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料；也可分为纤维增强复合材料、层状增强复合材料、颗粒状增强复合材料。目前，发展最快、应用较广的复合材料是纤维增强塑料，它包括玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。 二、非金属材料在汽车上的应用 1）玻璃纤维增强塑料 玻璃纤维增强塑料又称玻璃钢，是以玻璃纤维及制品为增强剂，以树脂为黏结剂而制成的。其强度、抗疲劳性、韧性都比塑料高很多，强度高于铝合金，耐腐蚀性、隔热性好，且成型工艺简单，成本低。玻璃钢用于零部件，可减轻汽车的自重，提高汽车的性能。目前玻璃钢在汽车上常用于仪表板、发动机罩、行李箱盖、保险杠（见图 1-24）、挡泥板等。以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为黏结剂制成的热塑性玻璃钢，具有较高的力学性能、耐热性能和抗老化性能，工艺性能也好，此类复合材料的强度达到或超过了某些金属，可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体、叶片等零件。 二、非金属材料在汽车上的应用 图 1-24 玻璃钢制成的汽车前后保险杠 2）碳纤维增强塑料 碳纤维增强塑料是以碳纤维或其织物为增强剂，以碳或石墨化的树脂作为基体而制成的。由于碳纤维比玻璃纤维具有更高的强度和刚度，且具有良好的耐疲劳性能，因此碳纤维增强塑料是比较理想的增强材料。碳纤维增强塑料的强度与钢相近，化学稳定性好，摩擦系数小，自润性与耐热性好，其综合性能优于玻璃钢。碳纤维增强塑料主要用于航天工业，它在汽车上可用于传动轴、钢板弹簧、保险杠、发动机挺杆等结构件。 目前碳纤维增强复合材料有碳纤维树脂、碳纤维金属、碳纤维陶瓷等，其中以碳纤维树脂应用最为广泛。 二、非金属材料在汽车上的应用 课后练习 1．关于黄铜的叙述，不正确的是 。 A．黄铜是铜锌合金 B．黄铜零件在大气、海水或有氨的介质中易发生季裂 C．黄铜易发生脱锌 D．单相黄铜强度高 2．关于巴氏合金的叙述，不正确的是 。 A．软基体组织上分布着硬质点 B．摩擦系数小、有良好的导热性和耐腐蚀性 C．疲劳强度低 D．无偏析现象 3．铅青铜 ZCuPb30 的含铜量为 。 A．30% B．50% C．70% D．90% 课后练习 4．有色金属与黑色金属相比较，具有哪些优良的性能? 5．根据其成分和工艺特点，铝合金分为哪两类?各有什么应用? 6．工业上铜合金分类有哪些?黄铜在汽车上的应用有哪些? 7．常用的滑动轴承合金主要有哪些?各有什么应用? 8．汽车常用的非金属材料有哪些?各具有什么特性? 9．工程上常用的非金属材料包括哪几类? 10．课外查阅资料，分析新型非金属材料在汽车上的应用前景。 思政元素 稀土是一组金属的简称，已知自然界中稀土矿物超过 200 种。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林，他从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀土元素。18 世纪发现的稀土矿物较少，当时只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物，历史上习惯地把这种氧化物称为“土”，因而得名稀土。稀土元素从 18 世纪末开始陆续被发现，共有 17 种，包括化学元素周期表中的 15 种镧系元素，几乎每隔 3～5 年，科学家就能够发现稀土的新用途，每六项发明中，就有一项离不开稀土。 稀土有“工业味精”“新材料之母”之称，广泛应用于尖端科技领域和军工领域。据工业和信息化部介绍，目前稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土储氢材料、稀土催化材料等功能材料已是先进装备制造业、新能源、新兴产业等高新技术产业不可缺少的原材料。 中国稀土矿藏丰富，是能够提供全部 17 种稀土金属的国家。 $$