1.2.4 非铁金属材料
非铁金属材料是指除钢、铸铁外的其他金属的总称。它的种类很多，主要有铜（Cu）、铝（Al）、钛（Ti）、镁（Mg）、钨（W）、钼（Mo）等金属及其合金。非铁金属材料冶炼较困难，成本较高，其产量和使用量远不如钢铁材料多，但非铁金属材料具有钢铁材料所不具备的某些特殊的物理、化学性能，因此它已成为现代工业中不可缺少的材料。下面简要介绍工业生产中广泛使用的铝合金、铜合金、轴承合金、钛合金及硬质合金。
1.铝及其合金
（1）工业纯铝（简称纯铝）纯铝是目前工业中用量最大的非铁金属材料，工业中使用的纯铝纯度为98%～99.97%。纯铝的密度较小，仅为2.72g/cm3；导电性和导热性较高，仅次于银、铜、金；在大气中铝有良好的耐大气腐蚀性能，但不耐酸、碱、盐的腐蚀；纯铝的强度低、塑性高、无铁磁性，可通过冷、热变形加工制成各种型材。
纯铝可分为变形纯铝和铸造纯铝两种。变形纯铝及铝合金的牌号表示方法见表1-12。
表1-12 变形纯铝及铝合金的牌号表示方法（摘自GB/T 16474―2011）
注：1.牌号中的第一位数字表示铝及铝合金的组别。
2.第二位为字母时表示原始纯铝或铝合金的改型情况（字母为A表示原始纯铝或原始合金，改型则用字母B～Y表示）；第二位为数字时表示合金元素或杂质极限含量的控制情况。
3.牌号的最后两位数字用来标识同一组中的不同铝合金，但若第一位数字为1时，则最后两位表示铝的纯度为99.××%。
例如，变形纯铝的牌号1A30表示铝的质量分数不低于99.30%的原始变形纯铝；1060表示铝的质量分数不低于99.60%，对杂质极限含量无特殊控制的变形纯铝。
（2）铝合金 在铝中加入适量的Cu、Si、Mg、Zn、Mn等合金元素，通过固溶强化等方法得到的合金称为铝合金。铝合金有较高强度，但仍保持纯铝密度较小、导电性和导热性良好等特性，一些铝合金还可经冷变形强化或热处理进一步提高强度，用来制造承受一定载荷的机械零件。
1）铝合金的分类。常用的铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金具有良好的塑性，适于压力加工；铸造铝合金熔点低、流动性好，适于铸造成型。
①变形铝合金。变形铝合金按其性能特点和用途可分为防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝四种，其牌号表示方法见表1-12。常见变形铝合金的牌号、特点及用途见表1-13。
表1-13 常见变形铝合金的牌号、特点及用途
②铸造铝合金。铸造铝合金按主加元素的不同分为四个类别：铝硅合金（代号为ZL1××）、铝铜合金（代号为ZL2××）、铝镁合金（代号为ZL3××）和铝锌合金（代号为ZL4××）。按国家标准规定，铸造铝合金的牌号由“ZAl+合金元素符号+数字”组成，其中“ZAl”表示铸铝，数字是该合金元素的质量分数。例如，ZAlSi12——表示硅的平均质量分数为12%的铸造铝合金。
常用铸造铝合金的牌号、成分、力学性能及用途可查阅GB/T 1173―2013《铸造铝合金》。
2）铝合金的热处理。铝合金热处理的原理与钢不同，因为铝合金没有同素异构转变，所以不能像钢那样通过马氏体相变强化。铝合金加热后可获得单相固溶体组织，在固态下有固溶度的变化，因此可采用淬火+时效处理（称为固溶时效处理）的方法来强化。铝合金淬火后硬度并不高，必须在室温放置一段时间后，强度和硬度才能显著提高，这种现象称“时效硬化”。
2.铜及其合金
（1）工业纯铜（简称纯铜）纯铜的熔点为1083℃，导电性和导热性好（仅次于银），在大气中和淡水中的耐蚀性良好，并具有抗磁性。纯铜的强度、硬度不高，塑性、韧性、焊接性良好，可通过冷、热变形加工制成电气工业用的各种型材（如电线、电缆、铜管等）、通信器材，以及抗磁、防磁仪器等。
微课：有色金属的种类及应用
纯铜的牌号按杂质含量分为T1、T2和T3三种，其中“T”是“铜”字汉语拼音字首，其后的数字越大，表示铜的纯度越低。例如，T1中铜的质量分数为99.95%；T2中铜的质量分数为99.90%。
（2）铜合金 在铜中加入适量的硅、锌、铝等元素，经合金化处理后得到铜合金。按化学成分的不同，铜合金分为黄铜、白铜和青铜。按生产方式的不同，铜合金分为加工铜合金和铸造铜合金。工业上应用最多的是黄铜和青铜。
1）黄铜。黄铜是以锌（Zn）为主加元素的铜合金，因其呈金黄色而得名。黄铜按其成分不同，分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜按生产方式的不同，分为加工黄铜和铸造黄铜。加工黄铜的牌号用“H+数字”表示。其中，“H”是汉字“黄”的拼音字首；“数字”是铜元素的质量分数。例如，H68表示铜的平均质量分数为68%，其他成分为锌元素的普通黄铜。
铸造黄铜的牌号用“ZCu+合金元素符号+数字”表示。其中，“ZCu”表示“铸铜”；“数字”表示该合金元素的质量分数。例如，ZCuZn38表示锌的平均质量分数为38%，其他成分为铜元素的铸造黄铜。
2）青铜。青铜是除黄铜、白铜（铜镍合金）以外的其他铜合金。按生产方式的不同，可分为加工青铜和铸造青铜。
①加工青铜的牌号用“Q+第一个主加元素符号+数字-数字”表示。其中“Q”是汉字“青”的拼音字首；第一组“数字”是第一个主加元素的质量分数；第二组“数字”是其他合金元素的质量分数。例如，QSn4-3表示wSn=4%，其他合金元素的质量分数为3%，其余成分为铜元素的加工青铜。常用加工铜合金的牌号及用途见表1-14。
②铸造青铜的牌号用“ZCu+合金元素符号+数字”表示，其中“ZCu”表示“铸铜”；“数字”表示该合金元素的质量分数。例如，ZCuSn10Zn1（也可写成ZQSn10-1）表示wSn=10%，wZn=1%，其余成分为铜元素的铸造锡青铜。常用铸造铜合金的牌号及用途见表1-15。
表1-14 常用加工铜合金的牌号及用途
表1-15 常用铸造铜合金的牌号及用途
（续）
3.轴承合金
轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两种，制造滚动轴承的材料一般是滚动轴承钢（如GCr15等），而滑动轴承通常采用轴承合金制造。常用的轴承合金有锡基与铅基两种。
（1）锡基轴承合金 该合金又称锡基巴氏合金，是以锡为基础，加入锑、铜等元素组成的合金。这种合金具有良好的减摩性、耐蚀性、导热性和韧性，但疲劳极限较低，其工作温度不能超过150℃。锡基轴承合金价格较贵，常用于重要的轴承，如汽轮机、发动机、内燃机等大型机器的高速轴承。
（2）铅基轴承合金 该合金又称铅基巴氏合金，是以铅-锑为基础，加入锡、铜等元素组成的合金。铅基轴承合金的硬度、强度、韧性均比锡基合金低，且摩擦系数较大，但价格较便宜，常用于低速、低负荷或静载下工作的中等负荷的轴承，如汽车、拖拉机曲轴轴承，其工作温度一般不超过120℃。
4.钛及其合金
纯钛是一种灰白色金属，密度小（4.507g/cm3），熔点高（1688℃）。纯钛的强度低，比强度高，塑性、低温韧性好，具有良好的加工性能，切削加工性能与不锈钢接近。纯钛及钛合金耐蚀性好，远优于不锈钢。纯钛的性能受杂质影响很大，少量杂质即可显著提高其强度。纯钛主要用于在350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油工业用的热交换器、反应器、舰船零部件，常见牌号有TA1、TA2、TA3、TA4，数字编号越大，纯度越低。
纯钛加入合金元素得到钛合金。几乎所有钛合金中都含有铝，因为铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度。工业用钛合金按其组织可分为三类：α钛合金、β钛合金和（α+β）钛合金，并分别用TA、TB、TC加数字编号来表示。钛合金大量用于航空工业，有“空间金属”之称；在造船工业、化学工业、机械工业也有广泛应用。此外，由于钛合金与人体有很好的相容性，因此钛合金还可用于人造骨等。
5.硬质合金
硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC等）和金属黏结剂（如Co、Ni等），经高压成形并在1500℃左右的高温下烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金的硬度高达86～93HRA，耐磨性优良，热硬性好（可达1000℃），缺点是抗弯强度低、脆性大、怕振动、怕冲击、制造工艺性差。硬质合金一般用于切削刀具，主要有三类：
（1）钨钴类硬质合金（YG/K）该类合金如YG3、YG6、YG8等，用于切削铸铁等脆性材料。
（2）钨钛钴类硬质合金（YT/P）该类合金如YT30、YT15、YT5等，用于切削各类钢件。
（3）钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW/M）该类合金如YW1、YW2，用于切削不锈钢、耐热钢等难加工材料。