易切削合金

由金屬與另一種(或幾種)金屬或非金屬所組成的具有金屬通性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一，在商朝(距今3000多年前)青銅(銅錫合金)工藝就已非常發達；公元前6世紀左右(春秋晚期)已鍛打(還進行過熱處理)出鋒利的劍(鋼製品)。

根據結構的不同，合金主要類型是：

(1)混合物合金（共熔混合物），當液態合金凝固時，構成合金的各組分分別結晶而成的合金，如焊錫、鉍鎘合金等；

(2)固熔體合金，當液態合金凝固時形成固溶體的合金，如金銀合金等；

(3)金屬互化物合金，各組分相互形成化合物的合金，如銅、鋅組成的黃銅（β-黃銅、γ-黃銅和ε-黃銅）等。

合金的許多性能優於純金屬，故在應用材料中大多使用合金(參看鐵合金、不鏽鋼)。各類型合金都有以下通性：

(1)多數合金熔點低於其組分中任一種組成金屬的熔點

(2)硬度比其組分中任一金屬的硬度大；

(3)合金的導電性和導熱性低於任一組分金屬。利用合金的這一特性，可以製造高電阻和高熱阻材料。還可製造有特殊性能的材料，如在鐵中摻入15%鉻和9%鎳得到一種耐腐蝕的不鏽鋼，適用於化學工業。

(4)有的抗腐蝕能力強(如不鏽鋼)

(1)鋼鐵

鋼鐵是鐵與C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所組成的合金。其中除Fe外，C的含量對鋼鐵的機械性能起着主要作用，故統稱為鐵碳合金。它是工程技術中最重要、用量最大的金屬材料。

按含碳量不同，鐵碳合金分為鋼與生鐵兩大類，鋼是含碳量為0.03%～2%的鐵碳合金。碳鋼是最常用的普通鋼，冶煉方便、加工容易、價格低廉，而且在多數情況下能滿足使用要求，所以應用十分普遍。按含碳量不同，碳鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨含碳量升高，碳鋼的硬度增加、韌性下降。合金鋼又叫特種鋼，在碳鋼的基礎上加入一種或多種合金元素，使鋼的組織結構和性能發生變化，從而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性，等等。經常加入鋼中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。我國合金鋼的資源相當豐富，除Cr、Co不足，Mn品位較低外，W、Mo、V、Ti和稀土金屬儲量都很高。21世紀初，合金鋼在鋼的總產量中的比例將有大幅度增長。

含碳量2%～4.3%的鐵碳合金稱生鐵。生鐵硬而脆，但耐壓耐磨。根據生鐵中碳存在的形態不同又可分為白口鐵、灰口鐵和球墨鑄鐵。白口鐵中碳以Fe3C形態分佈，斷口呈銀白色，質硬而脆，不能進行機械加工，是鍊鋼的原料，故又稱鍊鋼生鐵。碳以片狀石墨形態分佈的稱灰口鐵，斷口呈銀灰色，易切削，易鑄，耐磨。若碳以球狀石墨分佈則稱球墨鑄鐵，其機械性能、加工性能接近於鋼。在鑄鐵中加入特種合金元素可得特種鑄鐵，如加入Cr，耐磨性可大幅度提高，在特種條件下有十分重要的應用。

(2)鋁合金

鋁是分佈較廣的元素，在地殼中含量僅次於氧和硅，是金屬中含量最高的。純鋁密度較低，為2.7g/cm3，有良好的導熱、導電性(僅次於Au、Ag、Cu)，延展性好、塑性高，可進行各種機械加工。鋁的化學性質活潑，在空氣中迅速氧化形成一層緻密、牢固的氧化膜，因而具有良好的耐蝕性。但純鋁的強度低，只有通過合金化才能得到可作結構材料使用的各種鋁合金。鋁合金的突出特點是密度小、強度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蝕性，良好的塑性和較高的強度，稱為防鏽鋁合金，用於製造油箱、容器、管道、鉚釘等。硬鋁合金的強度較防鏽鋁合金高，但防蝕性能有所下降，這類合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近開發的高強度硬鋁，強度進一步提高，而密度比普通硬鋁減小15%，且能擠壓成型，可用作摩托車骨架和輪圈等構件。Al-Li合金可製作飛機零件和承受載重的高級運動器材。

目前高強度鋁合金廣泛應用於製造飛機、艦艇和載重汽車等，可增加它們的載重量以及提高運行速度，並具有抗海水侵蝕，避磁性等特點。

(3)銅合金

純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，有極好的導熱、導電性，其導電性僅次於銀而居金屬的第二位。銅具有優良的化學穩定性和耐蝕性能，是優良的電工用金屬材料。

工業中廣泛使用的銅合金有黃銅、青銅和白銅等。Cu與Zn的合金稱黃銅，其中Cu佔60%～90%、Zn佔40%～10%，有優良的導熱性和耐腐蝕性，可用作各種儀器零件。再如在黃銅中加入少量Sn，稱為海軍黃銅，具有很好的抗海水腐蝕的能力。在黃銅中加入少量的有潤滑作用的Pb，可用作滑動軸承材料。青銅是人類使用歷史最久的金屬材料，它是Cu、Sn合金。錫的加入明顯地提高了銅的強度，並使其塑性得到改善，抗腐蝕性增強，因此錫青銅常用於製造齒輪等耐磨零部件和耐蝕配件。Sn較貴，目前已大量用Al、Si、Mn來代替Sn而得到一系列青銅合金。鋁青銅的耐蝕性比錫青銅還好。鈹青銅是強度最高的銅合金，它無磁性又有優異的抗腐蝕性能，是可與鋼相競爭的彈簧材料。白銅是Cu-Ni合金，有優異的耐蝕性和高的電阻，故可用作苛刻腐蝕條件下工作的零部件和電阻器的材料。

（4）鋅合金

以鋅為基加入其他元素組成的合金。常加的合金元素有鋁、銅、鎂、鎘、鉛、鈦等。鋅合金熔點低，流動性好，易熔焊，釺焊和塑性加工，在大氣中耐腐蝕，殘廢料便於回收和重熔；但蠕變強度低，易發生自然時效引起尺寸變化。熔融法制備，壓鑄或壓力加工成材。按製造工藝可分為鑄造鋅合金和變形鋅合金。鋅合金的主要添加元素有鋁,銅和鎂等.鋅合金按加工工藝可分為形變與鑄造鋅合金兩類.鑄造鋅合金流動性和耐腐蝕性較好,適用於壓鑄儀表,汽車零件外殼等。

（5）鉛錫合金

鉛錫合金按用途分為：

①鉛基或錫基軸承合金。與鉛基軸承合金統稱為巴氏合金。含銻3%～15%，銅3%～10%，有的合金品種還含有10%的鉛。銻、銅用以提高合金的強度和硬度。其摩擦係數小，有良好的韌性、導熱性和耐蝕性，主要用以製造滑動軸承。

②鉛錫焊料。以錫鉛合金為主，有的錫焊料還含少量的銻。含鉛38.1%的錫合金俗稱焊錫，熔點約183℃，用於電器儀表工業中元件的焊接，以及汽車散熱器、熱交換器、食品和飲料容器的密封等。

③鉛錫合金塗層。利用錫合金的抗蝕性能，將其塗敷於各種電氣元件表面，既具有保護性，又具有裝飾性。常用的有錫鉛系、錫鎳系塗層等。

④鉛錫合金（包括鉛錫合金，無鉛錫合金）可以用來生產製作各種精美合金飾品、合金工藝品，如戒指、項鍊、手鐲、耳環、胸針、紐扣、領帶夾、帽飾、工藝擺飾、合金相框、宗教徽志、微型塑像、紀念品等。

鉛錫合金（用作合金飾品、合金工藝品材料）的特點

1.鉛錫合金性能穩定，熔點低，流動性好，收縮性小。

2.鉛錫合金晶粒幼細，韌性良好，軟硬適宜，表面光滑，無砂洞，無疵點，無裂紋，磨光及電鍍效果好。

3.鉛錫合金離心鑄造性能好，韌性強，可以鑄造形狀複雜、薄壁的精密件，鑄件表面光滑。

4.鉛錫合金產品可進行表面處理：電鍍、噴塗、噴漆。

5.鉛錫合金晶體結構緻密,在原料方面確保鑄件尺寸公差小,表面精美,後處理瑕疵少.

目前工業上應用的合金種類數以千計，現只簡要地介紹其中幾大類。

(1)耐蝕合金

金屬材料在腐蝕性介質中所具有的抵抗介質侵蝕的能力，稱金屬的耐蝕性。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一：

①熱力學穩定性高的金屬。通常可用其標準電極電勢來判斷，其數值較正者穩定性較高；較負者則穩定性較低。耐蝕性好的貴金屬，如Pt、Au、Ag、Cu等就屬於這一類。

②易於鈍化的金屬。不少金屬可在氧化性介質中形成具有保護作用的緻密氧化膜，這種現象稱為鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。

③表面能生成難溶的和保護性能良好的腐蝕產物膜的金屬。這種情況只有在金屬處於特定的腐蝕介質中才出現，例如，Pb和Al在H2SO4溶液中，Fe在H3PO4溶液中，Mo在鹽酸中以及Zn在大氣中等。

因此，工業上根據上述原理，採用合金化方法獲得一系列耐蝕合金，一般有相應的三種方法：

①提高金屬或合金的熱力學穩定性，即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學穩定性高的合金元素，使形成固溶體以及提高合金的電極電勢，增強其耐蝕性。例如在Cu中加Au，在Ni中加入Cu、Cr等，即屬此類。不過這種大量加入貴金屬的辦法，在工業結構材料中的應用是有限的。

②加入易鈍化合金元素，如Cr、Ni、Mo等，可提高基體金屬的耐蝕性。在鋼中加入適量的Cr，即可製得鉻系不鏽鋼。實驗證明，在不鏽鋼中，含Cr量一般應大於13%時才能起抗蝕作用，Cr含量越高，其耐蝕性越好。這類不鏽鋼在氧化介質中有很好的抗蝕性，但在非氧化性介質如稀硫酸和鹽酸中，耐蝕性較差。這是因為非氧化性酸不易使合金生成氧化膜，同時對氧化膜還有溶解作用。

③加入能促使合金表面生成緻密的腐蝕產物保護膜的合金元素，是製取耐蝕合金的又一途徑。例如，鋼能耐大氣腐蝕是由於其表面形成結構緻密的化合物羥基氧化鐵[FeOx·(OH)23-2x]，它能起保護作用。鋼中加入Cu與P或P與Cr均可促進這種保護膜的生成，由此可用Cu、P或P、Cr製成耐大氣腐蝕的低合金鋼。金屬腐蝕是工業上危害最大的自發過程，因此耐蝕合金的開發與應用，有重大的社會意義和經濟價值。

(2)耐熱合金

這類合金又稱高温合金，它對於在高温條件下的工業部門和應用技術領域有着重大的意義。

一般説，金屬材料的熔點越高，其可使用的温度限度越高。這是因為隨着温度的升高，金屬材料的機械性能顯著下降，氧化腐蝕的趨勢相應增大，因此，一般的金屬材料都只能在500℃～600℃下長期工作。能在高於700℃的高温下工作的金屬通稱耐熱合金。“耐熱”是指其在高温下能保持足夠強度和良好的抗氧化性。提高鋼鐵抗氧化性的途徑有兩條：一是在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，或者在鋼的表面進行Cr、Si、Al合金化處理。它們在氧化性氣氛中可很快生成一層緻密的氧化膜，並牢固地附在鋼的表面，從而有效地阻止氧化的繼續進行。二是用各種方法在鋼鐵表面形成高熔點的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温塗層。利用合金方法，除鐵基耐熱合金外，還可製得鎳基、鉬基、鈮基和鎢基耐熱合金，它們在高温下具有良好的機械性能和化學穩定性。其中鎳基合金是最優的超耐熱金屬材料，組織中基體是Ni?Cr?Co的固溶體和Ni3Al金屬化合物，經處理後，其使用温度可達1000℃～1100℃。

（3）鈦合金

鈦是週期表中第IVB類元素，外觀似鋼，熔點達1672℃，屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富，遠高於Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區發現的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸，接近國外探明鈦儲量的總和。純鈦機械性能強，可塑性好，易於加工，如有雜質，特別是O、N、C等元素存在，會提高鈦的強度和硬度，但會降低其塑性，增加脆性。

鈦是容易鈍化的金屬，且在含氧環境中，其鈍化膜在受到破壞後還能自行癒合。因此，鈦對空氣、水和若干腐蝕介質都是穩定的。鈦和鈦合金有優異的耐蝕性，只能被氫氟酸和中等濃度的強鹼溶液所侵蝕。特別是鈦對海水很穩定，將鈦或鈦合金放入海水中數年，取出後，仍光亮如初，遠優於不鏽鋼。鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不鏽鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，是目前所有工業金屬材料中最高的。

液態的鈦幾乎能溶解所有的金屬，形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善鈦的性能，以適應不同部門的需要。例如，Ti-Al-Sn合金有很高的熱穩定性，可在相當高的温度下長時間工作；以Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金，可以50%～150%地伸長加工成型，其最大伸長可達到2000%。而一般合金的塑性加工的伸長率最大不超過30%。

由於上述優異性能，鈦享有“未來的金屬”的美稱。鈦合金已廣泛用於國民經濟各部門，它是火箭、導彈和航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設備以及若干輕工業部門中要大量應用鈦合金，只是目前鈦的價格較昂貴，限制了它的廣泛使用。

(4)磁性合金

材料在外加磁場中，可表現出三種情況：①不被磁場所吸引的，叫反磁性材料；②微弱地被磁場所吸引的，叫順磁性材料；③強烈地被磁場吸引的，稱鐵磁性材料，其磁性隨外磁場的加強而急劇增高，並在外磁場移走後，仍能保留磁性。金屬材料中，大多數過渡金屬具有順磁性；只有Fe、Co、Ni等少數金屬是鐵磁性的。

金屬中組成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。目前使用的永磁合金有稀土?鈷系、鐵?鉻?鈷系和錳?鋁?碳系合金。磁性合金在電力、電子、計算機、自動控制和電光學等新興技術領域中，有着日益廣泛的應用。

(5)鉀鈉合金

銀色的軟質固體或液體.遇酸、二氧化碳、潮氣及水發生劇烈反應,放出氫氣,立即自燃,有時甚至會爆炸.密度:0.847克/毫升(100℃)(K78%,Na22%);0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%)熔點:-11℃(K78%,Na22%);19℃(K56%,Na44%);液態金屬核反應堆用的冷卻劑是鈉鉀合金，常温下液態。