導(dǎo) 語

 

銅及其合金是人類最早使用、至今也是應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一,其最大特點(diǎn)是導(dǎo)電導(dǎo)熱性好,耐蝕并具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性、可焊接和冷熱壓力加工成形性,是電力、化工、航空、交通和礦山等領(lǐng)域不可缺少的貴重材料, 工業(yè)中廣泛應(yīng)用的銅和銅合金有工業(yè)純銅、黃銅、青銅和白銅。

 

紫銅：工業(yè)純銅

 

黃銅：Cu-Zn-M

 

青銅：除Zn、Ni外，Cu-M

 

錫青銅：Cu-Sn-M

 

特殊青銅：Cu-Al、Cu-Be······

 

白銅：Cu-Ni

 

01、純銅

 

純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。

 

純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性，塑性好。

 

 

 

雜質(zhì)元素：

 

鉍或鉛：容易與銅形成低熔點(diǎn)共晶，造成銅的熱脆；

 

鉍或銻等：與銅的原子尺寸相差大，容易引起鉍或銻在銅

 

晶界處偏聚，產(chǎn)生強(qiáng)烈的晶界脆化傾向。

 

氧元素：含氧銅在氫氣還原時(shí)，易裂紋。

 

工業(yè)純銅的牌號(hào)及應(yīng)用

 

根據(jù)O%和生產(chǎn)方法的不同，可分為三類:

 

韌銅：

 

0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4；   

 

T1、T2：導(dǎo)電及高純度銅合金用；     

 

T3、T4：一般用銅材及銅合金.

 

無氧銅：

 

<0.003%；   

 

TU1，TU2: 主要用于電子真空儀器儀表中導(dǎo)體

 

脫氧銅：

 

<0.01%；TUP，TUMn；

 

TUP：主要用于焊接用銅材，制作熱交換器、排水管、 冷凝管等；       

 

TUMn：用于電子管用銅材。

 

02、銅合金

 

銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強(qiáng)度，又保持了純銅特性。

 

銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。

 

 

合金元素的溶解度：

 

無限互溶元素：Ni、Au、γ-Mn等；

 

有限溶解元素：除無限互溶元素外的大多數(shù)合金元素。注：當(dāng)合金元素與銅原子尺寸差別很大時(shí)，溶解度一般較小，如Sn、As等。

 

圖3 合金元素的固溶強(qiáng)化效果

 

合金元素對導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性的影響 ：

 

 

 

1.黃銅

 

以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。

 

黃銅按成分分為普通黃銅和特殊黃銅；按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。

 

 

黃銅的牌號(hào)及表示方法：

 

鑄造黃銅：

 

Z+Cu+主加元素及含量，例如：ZCuZn38

 

普通黃銅：

 

H+銅含量，例如：H62

 

復(fù)雜黃銅：

 

H+主加元素+銅含量+主加合金元素含量，例如：HMn58-2

 

普通黃銅的相組成：

 

 

α固溶體：Cu3Zn 有兩個(gè)變體α1和α2, α固溶體有良好的力學(xué)性能和冷熱加工性,是常用的合金成分范圍。

 

β相電子化合物：以CuZn為基礎(chǔ)的固溶體,具有體心立方結(jié)構(gòu)。

 

高溫?zé)o序的β相的塑性好，而有序的β′相難以冷變形。故含β′相的黃銅只能采用熱加工成型。

 

γ相電子化合物：Cu5Zn8為基的固溶體，硬且脆，難以塑性加工，故含γ相的合金無實(shí)用價(jià)值。

 

黃銅的組織：

 

 

w(Zn)<36%：α黃銅

 

鑄態(tài)組織為單相樹枝狀晶;

 

形變及再結(jié)晶退火后：等軸α 相晶粒,具有退火孿晶。

 

w(Zn)=36~46%的合金為(α+β)黃銅。

 

 

(a) 單相黃銅

 

(b) 雙相黃銅  

 

普通黃銅的性能

 

單相的α黃銅具有極好的塑性，能承受冷熱塑性變形；在200~700℃間存在低塑性區(qū)。

 

因素：一種是存在Cu9Zn和Cu3Zn有序固溶體,在中溫時(shí)發(fā)生原子有序化,使合金塑性下降;另一種是含有微量低熔點(diǎn)的鉍、銻、鉛等雜質(zhì)元素引起的晶界脆性。

 

(α+β)黃銅在加熱到高于500 ℃時(shí),低溫有序的β′相轉(zhuǎn)變成無序的β相, β相極軟,但晶體結(jié)構(gòu)為體心立方,原子擴(kuò)散快晶粒易長大。一般鍛造溫度略低于(α+β)/ β相線,以保留少量α 相,阻礙相晶粒長大。

 

黃銅有良好的鑄造性能,在大氣、淡水中耐蝕,在海水中耐蝕性尚可。黃銅的腐蝕表現(xiàn)在脫鋅和應(yīng)力腐蝕。

 

黃銅的腐蝕與防止

 

黃銅的腐蝕分為電化學(xué)腐蝕（脫鋅）和應(yīng)力腐蝕。

 

1）脫鋅：是指鋅在中性鹽溶液中發(fā)生選擇性水解。可加入微量的砷W（As）＝0.02～0.06％加以防止。

 

2）應(yīng)力腐蝕：冷變形后的黃銅在張應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)NH3、SO2和濕空氣的聯(lián)合作用，發(fā)生腐蝕。

 

應(yīng)力腐蝕的防止：

 

1）去應(yīng)力退火；

 

2）表面鍍鋅或鎘； 

 

3）在黃銅中加入少量的Si和微量的砷可減小自裂傾向。

 

幾種加工黃銅

 

低鋅黃銅H96、H90、H85有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐蝕性,有適宜的強(qiáng)度和良好的塑性,大量用于冷凝器和散熱器。 

 

三七黃銅H70、H68強(qiáng)度高,塑性好,用于深沖或深拉制造形狀復(fù)雜的零件,如散熱器外殼、導(dǎo)管、波紋管以及槍彈和炮彈殼體。 

 

四六黃銅H62、H59為(α+β)黃銅，可經(jīng)受高溫?zé)峒庸ぃ琀62黃銅強(qiáng)度高，塑性較好，用于制造銷釘、螺帽、導(dǎo)管及散熱零件等。

 

特殊黃銅

 

加入其他合金元素如錫、鋁、硅、鉛、鐵、鎳等后， α/(α+β)相界發(fā)生移動(dòng),有的縮小α相區(qū),有的擴(kuò)大α相區(qū)。每w=1%的合金元素在組織上替代鋅的量稱“鋅當(dāng)量”（K)。鋅當(dāng)量小于1的是擴(kuò)大α相區(qū)的元素。

 

 

由“虛擬鋅含量”x   來判斷相區(qū)移動(dòng)

 

 

式中,A、B分別為多元黃銅中鋅和銅的實(shí)際含量；∑ CK為除鋅外的合金元素的實(shí)際含量(C%）和該元素的鋅當(dāng)量（K）的乘積總和。

 

舉例幾種特殊黃銅

 

1）錫黃銅 

 

錫顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，并使強(qiáng)度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛用于制造海船零件。HSn70-1錫黃銅又稱“海軍黃銅”，用于艦船。

 

2）鋁黃銅

 

在黃銅中加入少量鋁可在合金表面形成致密并和基體結(jié)合牢固的氧化膜，提高合金對腐蝕介質(zhì)特別是高速海水的耐蝕性。鋁在黃銅中的固溶強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度 鋁黃銅可制和硬度。

 

w(Al)=2%，w(Zn)=20%的鋁黃銅具有最高的熱塑性，故HAl77-2 鋁黃銅可制成強(qiáng)度高、耐蝕性好的應(yīng)用廣泛的管材，用于海輪和發(fā)電站的冷凝器等。HAl85-0.5鋁黃銅W(Al)=0.5%,w(Zn)=15%，色澤金黃,耐蝕性極高,可做裝飾材料，作為金的代用品。

 

3）硅黃銅 

 

HSi65-1.5-3  硅顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進(jìn)行焊接和切削加工，主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件。

 

4）鉛黃銅   

 

鉛改善切削加工性能,提高耐磨性，對強(qiáng)度影響不大,略微降低塑性。它作為金屬物夾雜物分布在α黃銅枝晶間，引起熱脆。但在(α+β)黃銅中，凝固時(shí)先形成β相，隨后繼續(xù)冷卻，轉(zhuǎn)變?yōu)?α+β)組織，使鉛顆粒轉(zhuǎn)移到黃銅晶內(nèi)，鉛的危害減輕。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如鐘表零件等)，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套。

 

此外，還有錳黃銅、鎳黃銅、鐵黃銅，都是為了改善耐蝕性或進(jìn)一步提高強(qiáng)度。

 

2.青銅

 

青銅是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素組成的合金的統(tǒng)稱。

 

青銅根據(jù)成分可分為錫青銅（Cu-Sn）和特殊青銅。在特殊青銅中，根據(jù)主加元素又分別命名為鋁青銅（Cu-Al）、鈹青銅（Cu-Be）等。

 

二元青銅：Cu-Sn， Cu-Al， Cu-Be，…；

 

多元青銅：Cu-Sn-M， Cu-Al-M， Cu-Be-M，…

 

青銅的牌號(hào)及表示方法

 

加工青銅：Q+主加元素及含量+其他元素含量

 

例如：QSn4-3

 

鑄造青銅：Z+Cu+主加元素及含量

 

例如：ZCuPb30

 

1）錫青銅

 

錫青銅是歷史上應(yīng)用最早的合金。

 

錫青銅的相組成：

 

 

α相：含錫的銅基固溶體,

 

β相：Cu5Sn體心立方結(jié)構(gòu), 降溫時(shí)分解。

 

γ相：不穩(wěn)的高溫相,

 

δ相：Cu31Sn8,復(fù)雜立方結(jié)構(gòu),硬而且脆在。

 

ε相：Cu3Sn,具有密排六方結(jié)構(gòu)。

 

錫青銅的組織：

 

w(Sn)<6%鑄態(tài)組織:由樹枝狀α固溶體組成。 

 

w(Sn)>6%時(shí):α固溶體和(α +ε)共析體所組成。

 

錫青銅的性能：

 

鑄造性能：

 

優(yōu)點(diǎn)：鑄件收縮率小,適于鑄造形狀復(fù)雜,壁厚變化大的器件。

 

缺點(diǎn)：錫青銅存在枝晶間的分散縮孔,致密性差,在高壓下容易滲漏,不適于制造密封性高的鑄件。

 

同時(shí)鑄件凝固時(shí)含錫高的低熔點(diǎn)液相易從中部向表面滲出,出現(xiàn)反偏析,嚴(yán)重時(shí)會(huì)在表面出現(xiàn)灰白色斑點(diǎn)的“錫汗”，它主要由δ相所組成。

 

力學(xué)性能：

 

有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。

 

工業(yè)錫青銅中錫含量不超14%，其中w(Sn) 低于7~8%為變形錫青銅，有高塑性和適宜的強(qiáng)度;

 

高于10% 的錫青銅為鑄造合金，用于鑄件。

 

化學(xué)性能：

 

錫青銅在大氣、海水和堿性溶液中有良好的耐蝕性,用于鑄造海上船舶和礦山機(jī)械零件。

 

 

2）多元錫青銅

 

二元錫青銅的工藝性能和力學(xué)性能需要進(jìn)一步改進(jìn)，一般工業(yè)用錫青銅部分別加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多元錫青銅。

 

+P：能顯著提高合金的彈性極限和疲勞極限，并能承受壓 力加工，廣泛用于制造各種彈性元件。如QSn6.5-0.1：可制造導(dǎo)電性好的彈簧、接觸片、精密儀器中的齒輪等耐磨和抗磁元件。ZQSn10-1：Cu3P與δ相可作為青銅軸承材料的耐磨相，可做耐磨軸承合金。

 

 +Zn: 可提高力學(xué)性能和耐蝕性。QSn4-3 , 常用作制造彈簧、等彈性零件和抗磁零件。

 

3）鋁青銅

 

鋁青銅有良好的力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性,是青銅中應(yīng)用最廣的一種。

 

鋁青銅的相組成

 

 

α固溶體：鋁在銅基α固溶體，鋁青銅有高的強(qiáng)度和塑性。

 

β相：Cu3Al電子化合物為基的固溶體，具有體心立方相為點(diǎn)陣。

 

 γ 1、 γ2相：以Cu9Al4電子化合物為基的固溶體,γ2相硬而且脆,能提高合金的耐磨性。

 

鋁青銅的性能

 

鑄造性能：

 

二元鋁青銅的結(jié)晶間隔小,液相有極高的流動(dòng)性,縮孔集中,可獲得高密度鑄件;但體積收縮大,要求有大的冒口。

 

力學(xué)性能：

 

w(Al)=5~8%的合金為單相α 合金,有高的塑性,一般做變形合金;

 

 w(Al)高于8%的合金,在高溫下為α+β雙相合金,可經(jīng)受熱加工,一般用熱擠壓法成型。

 

化學(xué)性能： 

 

鋁青銅可在表面生成含鋁和銅的致密復(fù)合氧化膜,有良好的耐蝕性,在大氣、海水、碳酸和有機(jī)酸中,耐蝕性優(yōu)于黃銅和錫青銅。

 

 

工業(yè)中二元鋁青銅有QAl5、QAl7和QAl10

 

4）多元鋁青銅

 

添加鐵、鎳、錳等元素，獲得多元鋁青銅。QAl10-4-4 （Al-Fe-Ni）: Fe 細(xì)化, 提高強(qiáng)度;  Ni顯著提高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。

 

加入少量鐵后，在液相中形成細(xì)小的FeAl3質(zhì)點(diǎn)，使合金在凝固時(shí)作為非自發(fā)形核核心，細(xì)化鑄造組織，消除鑄錠的粗大柱狀晶，改善熱塑性。鐵阻礙鋁青銅的再結(jié)晶,細(xì)化晶粒。鐵還減慢β  相共析分解。

 

鎳能顯著提高鋁青銅的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。Cu-14Al-4Ni合金是形狀記憶合金。鎳和鐵同時(shí)加入時(shí)，會(huì)形成k相。當(dāng)鎳和鐵加入量相當(dāng)時(shí)得到細(xì)小而分散的k相分布,具有很好的力學(xué)性能,并在高溫下有良好的熱強(qiáng)度。

 

5）鈹青銅

 

鈹青銅一般w(Be)=1.5~2.5%。

 

鈹青銅相組成：

 

α固溶體：Be在銅基α固溶體。

 

γ1相：CuBe電子化合物為基的無序固溶體，體心立方。高溫有好的塑性。

 

γ2相：CuBe電子化合物為基的固溶體,體心立方有序結(jié)構(gòu)，γ2相硬而脆。

 

鈹青銅的性能與用途

 

鈹青銅有強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，經(jīng)固溶淬火和時(shí)效，得到高的強(qiáng)度和彈性極限； 

 

具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；耐蝕和耐磨；

 

無磁，沖擊時(shí)無火花 ； 

 

可制造高級(jí)彈性元件和特殊耐磨元件，還用于電氣轉(zhuǎn)向開關(guān)、電接觸器等；鈹為強(qiáng)毒性金屬，生產(chǎn)時(shí)需嚴(yán)格操作；  

 

QBe2, QBe1.9，強(qiáng)度可達(dá)成1200-1400 MPa 。

 

6）多元鈹青銅

 

少量鎳抑制淬火時(shí)α過飽和固溶體分解,使熱處理效果好,降低鈹在晶界的偏聚量,抑晶界不連續(xù)沉淀。

 

微量鈦w(Ti)=0.1~0.25%可抑制過飽和固溶體脫溶,細(xì)化鑄造和再結(jié)晶晶粒,減少晶界不連續(xù)沉淀，改善鈹青銅的力學(xué)性能。

 

7）其他青銅

 

硅青銅

 

彈性好，耐蝕性極高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞擊無火花，工藝性能好。加入Mn（QSi3-1）, Ni(QSi1-3)可提高硅青銅的性能。 

 

耐熱、高導(dǎo)電合金  

 

鉻和鋯：提高蠕變強(qiáng)度，提高再結(jié)晶溫度，并且導(dǎo)電率降低小。鉻和鋯同時(shí)加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀強(qiáng)化相，可得到耐熱性更好的高導(dǎo)電合金（高架線）。

 

3.白銅

 

白銅按成分分為二元白銅（Cu-Ni）和多元白銅（Cu-Ni-(M)）。  

 

按用途分為結(jié)構(gòu)白銅和電工白銅。 

 

銅與鎳由于在電負(fù)性、尺寸因素和點(diǎn)陣類型上均滿足無限固溶條件，因而可形成無限固溶體。

 

其硬度、強(qiáng)度、電阻率隨溶質(zhì)濃度升高而增加，塑性、電阻溫度系數(shù)隨之降低。

 

結(jié)構(gòu)白銅

 

常用的牌號(hào)有B10、B20、B30； 

 

在大氣、海水、過熱蒸氣和高溫下有優(yōu)良的耐蝕性，而且冷熱加工性能都很好，可制造高溫高壓下的冷凝器、熱交換器，廣泛用于船舶、電站、石油化工、醫(yī)療器械等部門. B20也是常用的鎳幣材料，可制造高面額的硬幣。

 

加入Fe, Zn, Al, 可提高其性能（多元白銅）。

 

電工白銅

 

1）康銅    

 

含Ni40％、Mn1.5％的錳白銅；     

 

具有高電阻、低電阻溫度系數(shù)，與銅、鐵、銀配成熱電偶對時(shí)，能產(chǎn)生高的熱電勢，組成銅-康銅、鐵—康銅和銀—康銅熱電偶，測溫精確，工作溫度范圍為-200℃--600℃。

 

2）考銅      

 

Ni43％、Mn0.5％的錳白銅；

 

有高的電阻, 與銅、鎳鉻合金、鐵分別配成熱電偶時(shí)，能產(chǎn)生高的熱電勢，考銅—鎳鉻熱電偶的測溫范圍從-253℃(液氫沸點(diǎn))到室溫 。

 

3）B0.6      

 

B0.6在l00℃以下與銅線配成對, 其熱電勢與鉑銠-鉑熱電偶的熱電勢相同，可做鉑銠—鉑熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。