铜及铜合金.ppt

第4章 铜及铜合金,4.1 概述4.2 纯铜4.3 铜合金4.4 铜合金的应用,4.1 概述,铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜存在于地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为0.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到35。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。铜矿石分为三类：（1）硫化矿，如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。（2）氧化矿，如赤铜矿(Cu2O)、孔雀石CuCO3Cu(OH)2、蓝铜矿2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。（3）自然铜。铜矿石中铜的含量1左右（0.53）便有开采价值，因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去，而得到含铜量较高（835）的精矿砂。,纯铜：面心立方晶格，原子量 63.54，密度8.9，熔点1083电阻率0.01673 欧姆 mm2/m，线性膨胀数17.610-6/，导热率0-100 399W/mk。软态 280MPA，延伸率40%,4.1 概述,从铜矿中开采出来的铜矿石，经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂，铜精矿需要经过冶炼提成,才能成为精铜及铜制品.目前，世界上铜的冶炼方式主要有两种：火法冶炼与湿法冶炼）1火法:通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一，包括旧废铜和新废铜，旧废铜来自旧设备和旧机器，废弃的楼房和地下管道；新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50左右),一般废铜供应较稳定，废铜可以分为：裸杂铜:品位在90以上；黄杂铜（电线）:含铜物料（旧马达、电路板）；由废铜和其他类似材料生产出的铜，也称为再生铜。2湿法:一船适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。,4.1 概述,4.1 概述,工业纯铜的牌号及应用 纯铜含铜 99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达 99.99%99.9999%，又称为4N、5N、6N铜。工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。无氧铜用“T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。,4.2 纯铜,纯铜的性能 导电导热性：高的导电、导热性，仅次于银而居第二位。工业纯金属的导电、导热性由高到低的顺序为：银、铜、铝、镁、锌、镉、钴、铁、铂，锡、铅、锑。20时铜的电阻率为1.613cm，热导率为402WmK；银为1.590cm，银为419WmK。用途：各种导线、电缆、导电牌、电器开关等导电器材和各种冷凝管、散热管、热交换器、真空电弧炉的结晶器等。导电器材用量占铜材总量一半以上。所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。固溶于铜的元素(除Ag、Cd外)对铜的导电、导热性降低较多，而呈第二相析出的元素则对铜的导电、导热性降低较少。Ti、P、Si、Fe、Co、As，Be、Mn、Al强烈降低Cu导电性。冷变形对铜的导电性能影响不大，与其它强化方法(如固溶强化)相比冷加工后导电性的降低要小得多 A1203弥散强化可提高铜的强度而又不使其导电率明显下降。,4.2 纯铜,4.2 纯铜,耐蚀性：铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，铜在许多介质中化学稳定性好。铜在大气中耐蚀性良好，暴露在大气中的铜能在表面生成难溶于水、并与基底紧密结合的碱性硫酸铜(即铜绿，CuS043Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3Cu(OH)2)薄膜，对铜有保护作用，可防止铜继续腐蚀。铜在淡水及蒸汽中抗蚀性能也很好。所以野外架设的大量导线、水管、冷凝管等，均可不另加保护。铜在海水中的腐蚀速度不大，约为0.05mma；加入0.150.3As能显著提高铜对海水的抗蚀性。铜在非氧化性的酸(如盐酸)、碱、多种有机酸(如醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸)中有良好的耐蚀性。但是，铜在氧化剂和氧化性的酸(如硝酸)中不耐蚀。氨、氯化铵，氰化物，汞盐的水溶液和湿润的卤素族元素等，均引起铜强烈的腐蚀。铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。,4.2 纯铜,磁性：为逆磁性物质，磁化率为-0.08510-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器。铁磁性杂质(Fe、Co、Ni)在铜中呈不溶状态时，即显铁磁性。用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01以下。铜的机械性能 软态铜：b=200240MPa，35 45HB，50，达75。硬态铜：b350400MPa，110 130 HB，延伸率=6。铜为面心立方晶格，滑移系多，变形易，退火态铜不经中间退火可压缩8595而不产生裂纹。纯铜在500600呈现“中温脆性”，热加工需在高于脆性区温度下进行。中温脆性是低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，因在中温区它以液体状态存在于晶界，造成热脆，而在较高温度时，由于Pb、Bi在Cu中的固溶度增大，微量Pb、Bi又固溶于铜的晶粒内，不造成危害，从而使塑性又升高。,4.2 纯铜,杂质及微量元素对铜压力加工性能的影响 纯铜中的杂质分为三类：固溶于铜的杂质及微量元素；很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素；几乎不固溶于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质及微量元素。杂质元素对铜塑性的影响，取决于铜与元素的相互作用。当杂质元素固溶于铜时，影响不大；若杂质元素与铜形成低熔点共晶时，则会产生“热脆”。若杂质元素与铜形成脆性化合物分布于晶界时，则产生“冷脆”。磷：固溶于铜的杂质磷熔点44，700时磷在铜中的溶解度为1.75，而200时则只溶解0.4，温度下降磷在铜中的溶解度也下降。磷显著降低铜的导电、导热性，但对铜的机械性能特别是对焊接性能有益。磷常作为铜的脱氧剂使用，并提高铜液的流动性。过量的磷会生成Cu3P脆性化合物，造成“冷脆”，所以过量的磷有害。,4.2 纯铜,砷：熔点613，在固态铜中可溶解7.5。少量As对机械性能没明显影响，但显著降低铜的导电、导热性。砷可提高铜的再结晶温度，提高铜的耐热性；此外，砷显著提高铜的耐蚀性，作冷凝管用的铜管中均加入少量的砷；还可改善含氧铜的加工性能。锑：熔点630，共晶温度（645）下锑在铜中的固溶度11。随温度降低，锑在铜中的溶解度急剧降低，并形成脆性Cu3Sb，分布在晶界上而造成“冷脆”。锑同时造成铜的导电性和导热性的严重降低，导电用铜的含锑量不允许超过0.002。铅：熔点327，基本上不溶解于铜，微量的铅与铜形成低熔点共晶组织(CuPb)，共晶温度为326，共晶体最后结晶并集中在晶界上，铅呈黑色颗粒状分布在晶界上，热加工时，铅先熔化，使金属晶粒之间的结合力受到破坏，造成“热脆”。铅限制在0.0050.05。,4.2 纯铜,铋：熔点为271，不溶于Cu中，在270与Cu生成低熔点共晶(Cu+Bi)。Bi在低熔点共晶中呈薄膜状分布在铜的晶界上，热加工时，薄膜熔化而造成“热脆”。Bi本身也是脆性相，使铜在冷态下也会变脆，所以Bi不但造成“热脆”，也造成“冷脆”，对铜危害严重。铋的极限含量不大于0.002。氧：不固溶于铜，与铜形成高熔点脆性化合物Cu2O，含氧铜冷凝时，氧呈共晶体(Cu+Cu2O)析出，分布在晶界上。共晶温度很高(1066)，对热变形性能不产生影响，但Cu2O硬而脆，使冷变形产生困难，致使金属发生“冷脆。含氧铜在氢或还原性气氛中退火时，会出现“氢病”。“氢病”的本质是由于退火时，氢或还原性气氛易于渗入铜中与CuO的氧化合而形成水蒸气或CO2。100g含氧0.01的铜在氢气中退火，会形成140cm3的蒸汽。生成的水蒸汽无法扩散，在铜中形成很高的压力，使铜遭到破坏。含氧量达0.005的铜，即出现“氢病”。根据氧含量和生产方法，纯铜可分无氧铜、脱氧铜和纯铜三类，其中只有无氧铜才能在高温还原性气氛中加工使用。,4.2 纯铜,硫：形成共晶系相图，共晶温度较高，对铜热变形影响不明显，共晶体(+Cu2S)集中在晶界上，Cu2S硬而脆，致使金属发生“冷脆”。硫的最大允许含量为0.0050.01。硒，碲：在固态铜中的溶解度极小，生成Cu2Se、Cu2Te脆性化合物，凝固时沿晶界析出，造成“冷脆”。铜中含0.003硒和0.0050.003碲即可使其焊接性能恶化。,4.3 铜合金铜合金分类及强化方法,铜合金：黄铜、白铜，青铜。黄铜：简单黄铜和复杂黄铜。简单黄铜：为CuZn二元合金，以“H”表示，H后面的数字表示合金的平均含铜量如H70表示含铜量为70，其余为锌。复杂黄铜：在Cu-Zn会金中加入少量铅、锡、铝、锰等，组成多元合金。第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如HSn70-1表示含70Cu、1Sn、余为锌的锡黄铜。多元合金则以第三种含量最多的元素相称，如：HMn57-31：57Cu、3Mn、1Al、余为锌的锰黄铜；HAl66-632：66Cu、6Al、3Fe、2Mn、余Zn的铝黄铜白铜：铜为基、镍为主要合金元素的铜合金。以B表示。如：BlO为10Ni、余为铜；B30为30%Ni、余Cu的铜镍合金。青铜：除黄铜、白铜之外的铜合金。按主加元素(如Sn、Al，Be等)命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜，并以Q主添元素化学符号及百分含量表示，如QSn6.5-0.1为6.5Sn、0.1P、余为铜的锡磷青铜。QA15为5A1、余为铜的铝青铜。QBe2为2%Be、余下为铜的铍青铜。,4.3 铜合金黄铜,4.3.1 黄铜普通黄铜 普通黄铜的相组成及各相的特性 Cu-Zn二元系相图中，固态下有、六个相。相是以铜为基的固溶体，其晶格常数随锌含量的增加而增大，锌在铜中的溶解度与一般合金相反，随温度降低而增加，在456时固溶度达最大值(39Zn)；之后，锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。含锌量为25左右的相区，存在Cu3Zn化合物的两种有序化转变，采用X射线、电阻、差热分析等方法测定发现：在450左右无序固溶体转变为l有序固溶体，在217左右，l有序固溶体转变为2有序固溶体。固溶体具有良好的塑性，可进行冷热加工，并有良好的焊接性能。,H70黄铜的铸态组织及变形后退火组织,相：以电子化合物CuZn为基的体心立方晶格固溶体。冷却过程中，在468456温度范围，无序相转变成有序相。相塑性低，硬而脆，冷加工困难，所以含有相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上，后，又具有良好塑性。相高温塑性好，可进行热加工。相是以电子化合物Cu5Zn8为基的复杂立方晶格固溶体，硬而脆，难以压力加工，工业上不采用。所以，工业用黄铜的锌含量均小于46，不含相。工业用黄铜，按其退火组织可分为黄铜和+两相黄铜。黄铜只用作焊料。WZn36的黄铜：H96H65为单相黄铜，黄铜的铸态组织中存在树枝状偏析，枝轴部分含铜较高，不易腐蚀；呈亮色，枝间部分含锌较多，易腐蚀，故呈暗色。变形及再结晶退火后，得到等轴的晶粒，而且出现很多退火孪晶，这是铜合金形变后退火组织的特点。,4.3 铜合金黄铜,+两相黄铜含3646Zn，H62至H59均属于此。凝固时发生包晶反应形成相，凝固完毕，合金为单相组织，当冷至+两相区时，相自相析出，残留的相冷至有序转变温度时(456)，无序相转变为有序相，室温下合金为+两相组织。铸态+黄铜，相呈亮色(因含锌少，腐蚀浅),相呈黑色(因含锌多，腐蚀深)。经变形和再结晶退火后，相具有挛晶特征，相则没有。,4.3 铜合金黄铜,普通黄铜性能变化与锌含量的关系物理性能：二元黄铜的密度随锌含量的增加而下降，而线膨胀系数则随锌含量的增加而上升。电导率、热导率在区随锌含量的增加而下降，但锌含量在39以上，合金出现时，电导率又上升，锌含量达50时达峰值。力学性能：WZn30时，随锌含量的增加，b和同时增大，对固溶强化的合金来说，这种情况是极少有的，锌含量在3032%范围时，达最大值。之后，随相的出现和增多，塑性急剧下降。而b则一直增长到锌含量45附近，当锌含量为45时，b值最大。锌含量超过45，由于相全部消失，而为硬脆的相所取代，导致b急剧下降。变形和退火后的性能：相随锌含量的增加其强度、塑性均增加。当锌含量为30时，塑性最好，适于深冲压和冷拉，大量用于制造炮弹壳，所以H70黄铜有“炮弹黄铜”之称。相强度更高，但室温下呈有序状态，塑性很低。相在室温下则更硬而脆。,4.3 铜合金黄铜,黄铜具有良好的塑性，适于冷、热加工。所有黄铜在200600温度范围内均存在中温低塑性区，这主要是微量杂质(铅、锑、铋等)的影响，它们与铜生成低熔点共晶而最后凝聚在晶界上，形成低熔点共晶薄膜，从而造成热加工过程的“热脆”。然而黄铜的塑性会随温度升高而重新显著增长，表明这些杂质在高温时的溶解度明显增加。脆性区温度范围与锌含量有关，具体温度要看含锌量而言，如H90、H80，HPb591等的低塑性区。加入微量混合稀土或锂。钙、锆、铈等能与杂质形成高熔点化合物的元素，均能有效减轻或消除杂质的有害影响，从而消除热脆性。如加铈能与铅和铋形成Pb2Ce及Bi2Ce等高熔点化合物。黄铜的热加工一般应在高于脆性区的温度进行，+黄铜室温塑性较低，只能热变形、要加热到相区热轧，但温度不能太高，因相长大得快，以保留少量相为宜，利用残留相限制晶粒长大。所以，热变形温度通常选择在(+)相变温度附近。,4.3 铜合金黄铜,黄铜在大气、淡水或蒸汽中有很好的耐蚀性，腐蚀速度约为0.00250.025mm/a，在海水中的腐蚀速度略有增加，约为0.00750.1mma。脱锌和应力腐蚀破坏(季裂)是黄铜最常见的两种腐蚀形式。脱锌：出现在含锌较高的黄铜、特别是+黄铜中。锌电极电位远低于铜，电极电位低的锌在中性盐水溶液中首先被溶解，铜则呈多孔薄膜残留在表面，并与表面下的黄铜组成微电池，使黄铜成为阳极而被加速腐蚀。加0.020.06As可防止脱锌。应力腐蚀：即“季裂”或“自裂”，指黄铜产品存放期间产生自动破裂的现象。这种现象是产品内的残余应力与腐蚀介质氨、SO2及潮湿空气的联合作用产生的。黄铜含Zn量越高，越容易自裂。为避免黄铜自裂，所有黄铜冷加工制品或半制品，均需进行低温(260300)退火 来消除制品在冷加工时产生的残留内应力。此外，在黄铜中加人0.020.06As或1.01.5Si也能明显降低其自裂倾向。,4.3 铜合金黄铜,普通黄铜中杂质：铅、铋、锑、磷砷和铁等。铅：在单相黄铜中是有害杂质，由于它熔点低，几乎不溶于黄铜中，所以它主要分布在晶界上。铅含量大于0.03时，黄铜在热加工时出现热脆；但对冷加工性能无明显影响。在+两相黄铜中，铅的容许含量可比黄铜高一些，因为两相黄铜在加热和冷却过程中，会发生固态相变，使铅大部分转入晶内，减轻有害影响。少量铅可提高两相黄铜的切屑性能，使加工件表面获得高的光洁度。铋：呈连续脆性薄膜分布在黄铜晶界上，既产生热脆性，又产生冷脆性，对黄铜的危害性远比铅为大，在及+黄铜中要求0.002Bi。减轻Pb和Bi有害影响的有效途径是加入能与这些杂质形成弥散的高熔点金属化合物的元素，如Zr可分别与Pb、Bi形成高熔点稳定化合物ZrxPby(2000)和ZrxBiy。(熔点2200)。,4.3 铜合金黄铜,锑：随温度下降，锑在黄铜中溶解度急剧减小；在锑含量小于0.1时，就会析出脆性化合物Cu2Sb，呈网状分布在晶界上，严重损害黄铜的冷加工性能。锑还促使黄铜产生热脆性，因锑在固态铜中的共晶温度为645，所以，锑是黄铜中的有害杂质。加入微量锂可与锑形成高熔点的Li3Sb(熔点1145)，从而减轻锑对黄铜塑性的有害影响。砷：室温时砷在黄铜中的溶解度0.1，过量的砷则产生脆性化合物Cu3As，分布在晶界上，降低黄铜塑性。黄铜中加入0.020.05As，可防止黄铜脱锌。砷使黄铜制品表面形成坚固的保护膜，提高黄铜对海水的耐蚀性。,4.3 铜合金黄铜,普通黄铜的成分、性能和用途 二元黄铜性能变化规律：其导电、导热性随Zn含量的增加而下降，而机械性能(抗拉强度、硬度)则随Zn含量的增加而上升；二元黄铜在工业上的应用，主要根据其性能来选择。H96、H90和H85：良好的电导率、热导率和耐蚀性，有足够的强度和良好的冷、热加工性能，被大量采用来制作冷凝管、散热管、散热片、冷却设备及导电零件等。H70、H68：高的塑性和较高的强度，冷成型性能特别好，适于用冷冲压或深拉法制造各种形状复杂的零件。H62：+黄铜，高的强度，在热态下塑性良好；冷态下塑性也比较好，切削加工性好，耐蚀，易焊接，以板材，棒材、管材、线材等供工业大量使用，应用广，有“商业黄铜”之称。H59：强度高；含锌量高，能承受热态压力加工，有一般的耐蚀性，多以棒材和型材应用于机械制造业。,4.3 铜合金黄铜,复杂黄铜 铜锌合金中加入少量(一般为12，少数达34，极个别的到56)锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素，构成三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜。铜锌合金中加入少量其它合金元素，使铜锌系中的(+)相界向左移动(缩小区)或向右移动(扩大区)。所以，复杂黄铜的组织即相当于简单黄铜中增加或减少锌含量的合金组织。铜锌合金中加入1硅后的组织，即相当于铜锌合金中增加10锌的组织，即称硅的“锌当量系数”为10。硅的锌当量系数为正值，急剧缩小区。若在铜锌合金中加入1镍，则合金的组织相当于合金中减少1.5锌的合金组织，故镍的“锌当量系数”为1.5，镍的锌当量系数是负值，使区扩大。铜锌合金加入其它元素后产生的相区变化，可根据“虚拟锌含量”来推算。如：HAl66-6-3-2(66Cu-6Al-3Fe2Mn，余为锌)的“虚拟锌含量”为48.6，48.6 Zn的合金具有单相组织。,4.3 铜合金黄铜,复杂黄铜的性能 复杂黄铜中的相及相是多元复杂固溶体，其强化效果较大，而普通黄铜中的及相是简单的Cu-Zn固溶体，其强化效果较低。锌当量相同，多元固溶体与简单二元固溶体的性质不同。铅的作用及铅黄铜：铅提高黄铜的切削性能，使零件获得高的光洁度，同时提高合金的耐磨性。(+)两相铅黄铜可热轧、热挤，而单相铅黄铜通常只能冷轧或热挤。为了改善热脆性，在HPb59-1中加入0.005稀土，可细化晶粒，使Pb分布均匀，或加入0.1Al，均可显著改善热脆性，提高热轧温度上限，使铅黄铜可在720750进行热轧。铅黄铜有极好的切削性能，耐磨、高强、耐蚀、导电性好，它以棒材，扁材、带材等广泛供应汽车、拖拉机、钟表、电器等工业，用以制作各种螺丝、螺母、电器插座、钟表零件等。,4.3 铜合金黄铜,锡的作用及锡黄铜：锡抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性。锡黄铜在淡水及海水中均耐蚀，故称“海军黄铜”。加入0.020.05As可进一步提高耐蚀性。锡还能提高合金的强度和硬度，常用锡黄铜含1Sn，含锡量过多会降低合金的塑性。锡黄铜能较好地承受热、冷压力加工。但HSn70-1在热压力加工时易裂，需要严格控制杂质含量(如PbO.03)，铜取上限(71)，锡取下限(1.0l.2)，这样，在700720热轧或670720热挤，可获得良好效果。锡黄铜主要用于海轮，热电厂作高强，耐蚀冷凝管、热交换器，船舶零件等。,4.3 铜合金黄铜,铝的作用及铝黄铜 黄铜中加入少量铝能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶液、高速海水的耐蚀性；铝的锌当量系数高，形成相的趋势大，强化效果高，能显著提高合金的强度和硬度。铝含量增高时，将出现相，剧烈降低塑性，使合金的晶粒粗化。为了使合金能进行冷变形，铝含量应低于4。含2Al、20Zn的铝黄铜，其热塑性最高。为了进一步提高铝黄铜的抗脱锌腐蚀能力，常加入0.05As及0.01Be或0.4Sb及.0.01Be。铝黄铜以HAl72用量最大，主要是制成高强、耐蚀的管材，广泛用做海船和发电站的冷凝器等。铝黄铜的颜色随成分而变化，通过调整成分，可获得金黄色的铝黄铜，作为金粉涂料的代用品。,4.3 铜合金黄铜,锰的作用及锰黄铜：锰起固溶强化作用，少量的锰可提高黄铜的强度、硬度。锰黄铜能较好地承受热、冷压力加工。锰能显著升高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。锰黄铜、特别是同时加有铝、锡或铁的锰黄铜广泛用于造船及军工等部门。Cu-Zn-Mn系合金的颜色与含锰量有关，随Mn量的增加，其颜色逐靳由红变黄，由黄变白，含63.5Cu，24.5Zn，12Mn的黄铜，具有良好的机械性能、工艺性能和耐蚀性，已部分地代含镍白铜应用于工业上。,4.3 铜合金黄铜,4.3.2 青铜 除黄铜、白铜之外的铜合金统称青铜，它是Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等与铜组成的铜合金。青铜分为锡青铜其主要合金成分是锡，和无锡青铜（特殊青铜）其主要合金成分没有锡，而是铝、铍等其它元素。锡是少而贵的金属，采用价格便宜、性能更好的特殊青铜或特殊黄铜来代替它。青铜按主添元素（如Sn、Al、Be等）分别命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。并以“Q+主加元素符号+除铜外的成分数字组”表示。QSn6.5-0.l：6.5%Sn、0.1P，余为铜的锡青铜QAl10-3-1.5：10A1、3Fe、1.5Mn，余为铜的铝青铜。,4.3 铜合金青铜,锡青铜：最古老的铜合金。用于鼎、钟、武器、铜镜等。耐蚀、耐磨、弹性好和铸件体积收缩率小等。锡青铜有三大用途：用作高强、弹性材料，如作弹簧、弹片、弹性元件。用作耐磨材料。如作滑动轴承的轴套、齿轮等耐磨零件。铸件体积收缩小、耐蚀，用来制作艺术铸件，如铜像等。二元锡青铜的组织 铜锡相图中有两个包晶反应和三个共析反应 相是相在520时的共析分解产物，这个相在350时分解成+相。相和相只在高温时才稳定。温度一降低，它们就立即分解，因此，在一般条件下它们实际上不可能出现。相的分解进行得极慢，以致在含锡20以下的合金中，相实际上不存在。锡青铜实际上只能存在以下的组织：铸造合金中的枝晶组织，这是因为这种合金的凝固间隔很宽。低锡合金(QSn4-0.3和QSn4-3)，变形和退火后组织为固溶体。高锡合金，由固溶体和共析体+组成。,4.3 铜合金青铜,4.3 铜合金青铜,二元锡青铜的性能铸造性能：铜锡合金结晶温度间隔可达150160，流动性差；锡在铜中扩散慢，熔点相差大，枝晶偏析严重，枝晶轴富铜，呈黑色；基底富锡，呈亮色。铸锭在进行压力加工前要进行均匀化退火，并经多次压力加工和退火后，才基本上消除枝晶偏析。锡青铜凝固时不形成集中缩孔，只形成沿铸件断面均匀分布在枝晶间的分散缩孔，所以，铸件致密性差，在高压下容易渗漏，不适于铸造密度和气密性要求高的零件。锡青铜线收缩率为1.451.5，热裂倾向小，利于获得断面厚薄不等、尺寸要求精确的复杂铸件和花纹清晰的工艺美术品。锡青铜有“反偏析”倾向，铸件凝固时富锡的易熔组分在体积收缩和析出气体的影响下，由中心往表面移动，在铸件中出现细小孔隙和化学成分不均匀。当“反偏析”明显时，在铸件表面上会出现灰白色斑点或析出物形状的所谓“锡汗”。这些析出物是脆性的，含锡1518，主要由相晶体组成，对铸件质量不利。,4.3 铜合金青铜,机械性能：锡青铜的性能与含锡量及组织有关。相区，Sn含量增加，b及塑性均增大，在大约10Sn附近，塑性最好，在2123Sn附近b最大。相(Cu3lSn8)硬而脆，随着相的增多，b起初升高，其后也急剧下降。工业用合金中，锡的含量从3到14，变形合金的含锡量在8以下，且含磷、锌或铅等。抗蚀性能：锡青铜在大气、水蒸气和海水中具有很高的化学稳定性，在海水中的耐蚀性比紫铜、黄铜优良。所以，对那些暴露在海水、海风和大气中的船舶和矿山机械，广泛应用锡青铜铸件。但盐酸和硝酸强烈腐蚀锡青铜。锡青铜在钠碱溶液中的腐蚀严重；在氨溶液及甲醇溶液中腐蚀也比较强烈。二元锡青铜易偏析，不致密，机械性能得不到保证，故很少应用。为了改善二元锡青铜的工艺和使用性能，几乎全部工业用锡青铜都分别加有锌、磷、铅、镍等元素，组成多元锡青铜。,4.3 铜合金青铜,合金元素的作用及各种锡青铜的性能磷的作用及锡磷青铜 锡青铜熔炼时用磷脱氧，微量磷（0.3）能有效地提高合金的机械性能。压力加工锡磷青铜，含磷量不超过0.4，此时锡青铜力学和工艺性能最好，有高的弹性极限、弹性模量和疲劳极限(100106次循环时达250280MPa)，用于制作弹簧、弹片及弹性元件。磷在锡青铜中溶解度小，且随锡含量增加、温度降低，溶解度显著减少。室温时磷在锡青铜中的极限溶解度为0.2左右。含磷过多将形成628的三元共晶+Cu3P，在热轧时磷化物共晶处于液态，造成热脆。磷增加流动性，但加大反偏析程度。磷化物硬度高，耐磨。磷化物+相作硬相，为轴承合金创造了所必需的条件，所以在铸造耐磨锡青铜中，磷含量可达1.2。,4.3 铜合金青铜,锌的作用及锡锌青铜：锌缩小锡青铜的结晶温度间隔，减少偏析，提高流动性，促进脱氧除气，提高铸件密度。锌能大量溶入固溶体中，改善合金的机械性能。含锌加工锡青铜均具有单相固溶体组织（如QSn4-3）；锡锌青铜的含锌量在24时，具有良好的机械性能和抗蚀性能，用于制造弹簧、弹片等弹性元件、化工器械、耐磨零件和抗磁零件等。铅的作用及锡铅青铜：铅不固溶于青铜，以纯组元状态存在，呈黑色夹杂物分布在枝晶之间，可改善切削和耐磨性。含铅低时(如12)主要改善切削性，含铅高时(45)用作轴承材料，降低摩擦系数。所以锡铅青铜用以制造耐蚀、耐磨、易切削零件或轴套、轴承内衬等零件。微量Zr、B、Ti可细化晶粒，改善锡青铜的机械性能和冷热加工性能。As、Sb、Bi降低锡青铜的塑性，对冷热加工性能有害。,4.3 铜合金青铜,铝青铜：简单铝青铜和复杂铝青铜。只含铝的为简单铝青铜，除铝外另含铁、镍、锰等其它元素的多元合金为复杂铝青铜。含Al小于7的合金在所有温度下均具有单相固溶体组织。相塑性好，易加工。实际生产条件下，78Al的合金组织中便有+2共析体。2是硬脆相(520HV)，它使硬度、强度升高，塑性下降。含9.415.6Al的合金缓慢冷却到565时，发生+2转变，形成共析体组织。(+2)共析体组织与退火钢中的珠光体相似，具有明显的片层状特征。单相区快速淬火时，共析转变受阻，此时的相变过程为：无序有序11或1，此时形成的马氏体1(或1)因Al的浓度而异)。曲线Ms，为马氏体相变开始温度，Tc为无序有序转变温度。Cu-Al系的马氏体是热弹性马氏体，具有形状记忆效应。但在Al浓度高的Cu-Al二元系合金中，即使快速淬火也不能阻止2相的析出，不出现热弹性马氏体相变，所以添加Ni来抑制Cu或A1的扩散，使相稳定，以便通过淬火获得热弹性马氏体。,4.3 铜合金青铜,4.3 铜合金青铜,二元铝青铜的性能(1)机械性能：其强度和塑性随铝含量的增加而升高，塑性在铝含量4左右达最大值，其后下降，而强度在10Al左右达最大值。工业铝青铜含铝量在511范围内。铝青铜具有机械性能高、耐蚀、耐磨、冲击时不发生火花等优点。单相合金塑性好，能进行冷热压力加工。(+)合金能承受热压力加工，但主要用挤压法获得制品，不能进行冷变形。(2)铸造性能：铝青铜结晶温度间隔仅1080，流动性很好，几乎不生成分散缩孔，易得致密铸件，成分偏析也不严重，但易生成集中缩孔，易形成粗大柱状晶，使压力加工变得困难。为防止铝青铜晶粒粗大，除严格控制铝含量外，还用复合变质剂(如Ti+V+B等)细化晶粒。加Ti和Mn能有效改善其冷、热变形性能。(3)耐蚀性：铝青铜的耐蚀性比黄铜、锡青铜好，在大气、海水和大多数有机酸(柠檬酸、醋酸、乳酸等)溶液中均有很高的耐蚀性J在某些硫酸盐，苛性碱、酒石酸等溶液中的耐蚀性也较好。,4.3 铜合金青铜,合金元素的影响(1)锰:显著降低铝青铜相的共析转变温度和速度，稳定相，推迟(+2)，避免“自发回火”脆性。溶解于铝青铜中的锰，可提高合金的机械性能和耐蚀性。0.30.5Mn能减少热轧开裂，提高成品率。改善合金的冷、热变形能力。(2)铁:少量铁能溶于锡青铜固溶体中，显著提高机械性能，含量高时以Fe3Al化合物析出，使合金机械性能变坏，抗蚀性恶化，铝青铜中Fe加入量不超过5。Fe能使铝青铜晶粒细化，阻碍再结晶进行，加入0.51的Fe就能使单相或两相铝青铜的晶粒变细。Fe能使铝青铜中的原子扩散速度减慢，增加相的稳定性，抑制引起合金变脆的(+2)自行回火现象，显著减少合金的脆性。(3)镍：显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性、耐蚀性和再结晶温度。加Ni的铝青铜可热处理强化，Cu-14Al-4Ni(重量)为具有形状记忆效应的合金。,4.3 铜合金青铜,铝青铜中同时添加镍和铁，能获得更佳的性能。含812Al，46 Ni，46Fe的Cu-Al-Ni-Fe四元合金，其组织中会出现K相，当Ni含量大于Fe含量时，K相呈层状析出，而当Fe含量Ni含量时，K相呈块状，仅当Ni含量Fe含量时，K相呈均匀分散的细粒状，有利于得到很好的机械性能。所以工业铝青铜中Fe、Ni含量相等。QAl10-4-4在500的抗拉强度比锡青铜在室温的强度还高。改变时效温度可以调整其强度和塑性之间的配合。含镍和铁的铝青铜作为高强度合金在航空工业中广泛用来制造阀座和导向套筒，也在其它机器制造部门中用来制造齿轮和其它重要用途的零件。,4.3 铜合金青铜,铍青铜：镀青铜即含1.52.5Be的铜合金 淬火时效强度高，b达12501500MPa，硬度350400 HB。弹性极限高(700780MPa)，弹性稳定性好，弹性滞后小，耐蚀、耐磨、耐寒、耐疲劳，无磁性，冲击不发生火花，导电、导热性能好，所以，铍青铜的综合性能优良。铍青铜用作高级弹性元件(如弹簧、膜片，手表的游丝)，特殊要求的耐磨元件，高速，高压下工作的轴承、衬套、齿轮等。相组成及其特性、l、2三个单相区。：以铜为基的置换固溶体，面心立方晶格，有良好的塑性，可冷热变形。铍原子半径(111.3pm)比铜(127.8pm)小，造成严重晶格歪扭。相有明显溶解度变化，866（2.7），605（1.55），室温（0.16）。有强烈的时效强化效应。1：以电子化合物Cu2Be为基的无序固溶体，体心立方结构，高温塑性好，淬火过冷到室温，性极柔软，可冷变形。1相在缓冷时发生共析分解 2：电子化合物CuBe为基的有序固溶体，低温稳定相，室温硬而脆。,4.3 铜合金青铜,4.3 铜合金青铜,铍青铜的淬火和时效 在760790固溶处理，保温时间为815min。为防止固溶体冷却时分解，常用水淬。淬火后冷变形3040再进行时效，铍青铜淬火状态具有极好的塑性，可冷加工成管材、棒材和带材等，时效在还原性气氛中进行。影响性能的因素是时效温度和时效时间，最佳时效温度与铍青铜的含Be量有关。对要求以弹性为主、含Be高于1.7的合金，其最佳时效温度为30033013h。对以导电为主，含Be低于0.5的高导电电极合金(0.4Be1.6Ni0.05Ti)，最佳时效温度为45048013h。铍青铜过饱和固溶体的分解以连续脱溶及不连续脱溶两种方式同时进行。连续脱溶是过饱和固溶体的主要分解方式，其脱溶过程为：过饱和固溶体2,4.3 铜合金青铜,为原子有序排列的过渡相，为过渡晶体结构的片状沉淀物。密度高、与母相的比容差别大，其周围形成很大应力场，对位错滑移造成阻力。随着时效时间的增加，尺寸增大，与母相之间的共格应力场增大，最后转变为与母相半共格的中间过渡相。铍青铜的最高机械性能是在将开始向中间相转变的阶段获得。不连续脱溶开始于晶界，然后长入相邻晶体中，形成片层状结构，此种现象又称“晶界反应”。不连续脱溶的产物为中间过渡相，当不连续脱溶胞自晶界向晶内长大时，晶内才开始按正常(连续脱溶)方式脱溶。因此，当晶内由于脱溶而强化时，晶界部分早已过时效，造成组织和性能的不均匀，使合金的抗蚀性能和机械性能降低。当时效温度低于380时，铍青铜以连续脱溶为主，不连续脱溶只在晶界周围相当小的区域内发生。在380以上时效时，则不连续脱溶占优势。因此，铍青铜的时效温度一般为3l0330。此外，铍青铜时效时，伴随第二相的析出，其体积收缩约0.2左右，因此，铍青铜制品应留足够的加工余量。,4.3 铜合金青铜,合金元素的影响：为了减缓时效过程，抑制晶界反应，铍青铜要加入其它合金元素。微量元素Co、Ni、Fe和Ti能缓和过饱和固溶体的分解，抑制铍青铜的晶界反应和过时效软化。Co和Ni的作用最明显，并且淬火温度越高效果越大，但Co的价格比Ni贵，所以国产铍青铜均加Ni不加Co。镍有稳定固溶体和抑制相在淬火过程中发生分解的作用。镍还能抑制铍青铜的再结晶过程，阻止加热时晶粒长大。镍能抑制时效中的晶界反应，因为镍吸附于晶界，减少铍在晶界的过饱和度，但镍降低铍在铜中的溶解度，缩小区，常使铍青铜出现一定数量的硬脆2相，对合金的疲劳强度、弹性滞后和弹性稳定性都产生不良影响。为此，要严格控制Ni含量，使合金不出现或少出现2相。Ni的合适加入量为0.2O.4。微量Fe的作用与Co、Ni相，并有细化晶粒的作用，但加入量不能超过0.15，否则会出现新的含Fe相，降低耐蚀性和时效硬化效果。,4.3 铜合金青铜,微量Ti(0.10.25)对过饱和固溶体分解的抑制作用比Fe、Ni、Co还强，能细化晶粒和降低晶界上铍的浓度，减弱晶界反应，同时使合金中的硬脆2相减至极少，从而使疲劳强度提高，时效后有好的弹性稳定性和小的弹性滞后。磷促进铍青铜的晶界反应，加速固溶体分解，使铍青铜加热耐晶粒长大，因此，在生产铍青铜时，用磷脱氧被认为是无益的。铅能使铍青铜的晶界反应迅速发展，加速合金软化，损害热加工性能，但少量铅可改善铍青铜的切削性。,4.3 铜合金青铜,4.3.3 白铜 耐蚀性、耐热性、耐寒性好，中等强度，高塑性，能冷、热压加工，还有很好的电学性能，用作结构材料外、高电阻和热电偶合金。按用途分为结构自铜和电工白铜。结构白铜：具有很好的耐蚀性，优良的机械性能和压力加工性能，焊接性好，用于造船、电力、化工及石油等部门中制造冷凝管、蒸发器、热交换器和各种高强耐蚀件等。普通白铜：即Cu-Ni二元合金。铜与镍形成无限固溶体，为单相固溶体。普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，广泛应用于海船、医疗器械、化工等。普通白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸的板、带、管、棒等半成品。冷凝管及热交换器原用黄铜及锡黄铜制造，易脱锌腐蚀，用铝黄铜腐蚀大为减轻，但高效机械及电站要求能在高温高压下工作的冷凝管及热交换器，此时需用更高强度及更高耐蚀性的Cu-Ni系合金。舰艇用冷凝管含Ni多为1030。,铁白铜：普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜。铁能显著细化晶粒，提高强度和耐蚀性，尤其是提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。10Ni的铜合金中加入l2Fe，对提高耐流动海水的冲刷腐蚀有显著效果。30Ni的合金中加入0.5Fe，有相同作用。白铜中Fe的加入量不超过2，否则，反而引起腐蚀开裂。锌白铜：锌白铜亦称“镍银”或“德国银”。锌能大量溶于Cu-Ni合金中，形成单相固溶体。锌起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀能力。BZnl5-20耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。铝白铜：铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀性，抗寒，有很好的弹性并能承受冷热加工。铝白铜的机械性能和导热性比B30还好，耐蚀性接近B30，焊接性好，可代替B30。,电工白铜：应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜锰铜：BMn3-12锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。用来制作工作温度在100以下的标准电阻、电桥、电位差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。康铜：BMn40-1.5锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能并能很好地和承受压力加工。康 铜与Cu、Fe、Ag配对时有高的热电势，康铜与铜线接触的热