銅及銅合金解析課件

1、9、 銅及銅合金 銅及其合金是人類(lèi)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）（一）純銅純銅呈紫紅色，故又稱(chēng)紫銅，具有面心立方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無(wú)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。

2、 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。根據(jù)O%和生產(chǎn)方法的不同，可分為三類(lèi): 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(wú)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 (二)工業(yè)純銅的牌號(hào)及應(yīng)用銅合金常加元素為Z

3、n、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(lèi)。（二）銅合金 合金元素的固溶強(qiáng)化效果 （見(jiàn)右圖）溶質(zhì)元素對(duì)銅基固溶體在室溫臨界分切應(yīng)力的影響 合金元素的溶解度無(wú)限互溶元素：Ni、Au、-Mn等；有限溶解元素：除無(wú)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。 合金元素對(duì)導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性的影響 溶質(zhì)元素對(duì)銅導(dǎo)電性的影響溶質(zhì)元素對(duì)銅導(dǎo)熱性的影響1、黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱(chēng)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

4、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固溶體：Cu3Zn 有兩個(gè)變體1和2, 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。 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)。普通黃銅普通黃銅的相組成高溫?zé)o序的相的塑性好，而有序的相難以冷變形。故含相的黃銅只能采用熱加工成型。相電子化合物：Cu5Zn8為基的固溶體，硬且脆，難以塑性加工，故含相的合金無(wú)實(shí)用價(jià)值。w(Zn)36%:黃銅鑄態(tài)組織為單相樹(shù)枝狀晶;形變及再結(jié)晶退火后:等軸 相晶粒,具有退火孿晶。 w(Zn

5、)=3646%的合金為(+)黃銅。黃銅的組織(a) 單相黃銅 (b) 雙相黃銅 單相的黃銅具有極好的塑性,能承受冷熱塑性變形；在200700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。普通黃銅的性能 (+)黃銅在加熱到高于500 時(shí),低溫有序的相轉(zhuǎn)變成無(wú)序的相, 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(zhǎng)大。一般鍛造溫度略低于(+)/ 相線,以保留少量 相,阻礙相晶粒長(zhǎng)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。

6、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。脫鋅：是指鋅在中性鹽溶液中發(fā)生選擇性水解?？杉尤胛⒘康纳閃（As）0.020.06加以防止。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。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

7、為(+)黃銅，可經(jīng)收高溫?zé)峒庸?，H62黃銅強(qiáng)度高，塑性較好，用于制造銷(xiāo)釘、螺帽、導(dǎo)管及散熱零件等。 幾種加工黃銅3、特殊黃銅加入其他合金元素如錫、鋁、硅、鉛、鐵、鎳等后， /(+)相界發(fā)生移動(dòng),有的縮小相區(qū),有的擴(kuò)大相區(qū)。每w=1%的合金元素在組織上替代鋅的量稱(chēng)“鋅當(dāng)量”（K)。鋅當(dāng)量小于1的是擴(kuò)大相區(qū)的元素。由“虛擬鋅含量”x 來(lái)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。Al：提高強(qiáng)度，但塑性降低，提高耐蝕性， 如 HAl77-2 （組織）; HAl60-1-1（Mn） （+組織) Ni：提高強(qiáng)度，提

8、高在海水中的耐蝕性； HNi65-5， 可制作壓力計(jì)管。 Fe：提高強(qiáng)度。HFe59-1-1(Mn) Sn：提高在海洋大氣、海水中抗蝕性，“海洋黃銅” 用于艦船。如HSn70-1（）; HSn62-1（+） Pb：提高耐磨性，改善切削性能?？捎米鬏S瓦與襯 套，如HPb74-1, HPb59-1。合金元素的作用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(chēng)“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(duì)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)

9、化作用，進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度 鋁黃銅可制和硬度。幾種特殊黃銅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。銅鋅鋁形狀記憶合金銅鋅鋁合金具有熱傳導(dǎo)率大,電阻小，加工性特別是熱加工性好，相變溫度范圍寬-100+100 ，相變滯后小,工藝簡(jiǎn)單,制造成本低，在工業(yè)上已獲實(shí)際應(yīng)用,制成棒狀、管狀和線狀，制造螺旋彈簧、防火灑水器、各種安全閥門(mén)、控溫裝置、斷路器等。3.硅黃銅 HSi6

10、5-1.5-3 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(duì)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黃銅枝晶間，引起熱脆。但在(+)黃銅中，凝固時(shí)先形成相，隨后繼續(xù)冷卻，轉(zhuǎn)變?yōu)?+)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。青銅是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素組成的合金的

11、統(tǒng)稱(chēng)。 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+其他元素含量鑄造青銅例如：QSn4-3Z+Cu+主加元素及含量例如：ZCuPb30一、錫青銅 錫青銅是歷史上應(yīng)用最早的合金。相：含錫的銅基固溶體,相：Cu5Sn體心立方結(jié)構(gòu), 降溫時(shí)分解。相：不穩(wěn)的高溫相,相：Cu31Sn8,復(fù)雜立方結(jié)構(gòu),硬而且脆在。相：Cu3Sn,具有密排六方結(jié)

12、構(gòu)。 錫青銅的相組成w(Sn)6%時(shí):固溶體和( +)共析體所組成。錫青銅的組織鑄造性能：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”，它主要由相所組成。錫青銅的性能力學(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78%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

13、鑄造海上船舶和礦山機(jī)械零件。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。 1）+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與相可作為青銅軸承材料的耐磨相，可做耐磨軸承合金。 2）+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。多元錫青銅固溶體：鋁在銅基固溶體，鋁青銅有高的強(qiáng)度和塑性。 相：Cu3Al電子化合物為基的固

14、溶體，具有體心立方相為點(diǎn)陣。 1、 2相：以Cu9Al4電子化合物為基的固溶體,2相硬而且脆,能提高合金的耐磨性。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。鋁青銅的相組成力學(xué)性能：w(Al)=58%的合金為單相 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+雙相合金,可經(jīng)受熱加工,一般用熱擠壓法成型?；瘜W(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?xún)?yōu)于黃銅和錫青銅。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

15、大的冒口。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 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。多元鋁青銅工業(yè)中二元鋁青銅有QAl5、QAl7和Q

16、Al10 固溶體：Be在銅基固溶體。 1相：CuBe電子化合物為基的無(wú)序固溶體，體心立方。高溫有好的塑性。 2相：CuBe電子化合物為基的固溶體,體心立方有序結(jié)構(gòu)，2相硬而脆。鈹青銅鈹青銅一般w(Be)=1.52.5%。鈹青銅相組成鈹青銅有強(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(wú)磁，沖擊時(shí)無(wú)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(kāi)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 。鈹青銅的性能與用途少量鎳抑制淬火時(shí)過(guò)飽和固溶體分解,使熱處理效果

17、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)=0.10.25%可抑制過(guò)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。多元鈹青銅硅青銅彈性好，耐蝕性極高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞擊無(wú)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）。 其他青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(lèi)型上均滿(mǎn)足無(wú)限固溶條件，因而可形成無(wú)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 。白銅常用的牌號(hào)有B10、B20、B30；2. 在大氣、海水、過(guò)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(mén). B20也是常用的鎳幣材料，可制造高面額的硬幣