铜及铜合金

第一节、铜中的合金元素1、铜基固溶体无限固溶的元素：Ni,Au,γ-Mn大多数合金元素为有限固溶。第2~5族元素在铜中的最大溶解度C最大与P-1成反比，C最大*（P-1）=40%原子半径相差越大，C最大值越小，如Sn,As.作用：固溶强化：Sn,Sb,In,Au,Mn,Ge,Ni,Si,Zn（由强到弱）。有效元素：Ni,Al,Sn,Zn,Mn.Cu-Zn固溶体中有有序固溶体Cu3Zn。450℃由无序→α1有序固溶体，217℃由α1→α2有序固溶体。导电性：下降P,Si,Fe,Co,Pe,Al,Mn,As作用大，而Ag,Cr,Mg作用小。导热性：导热旅有较大的降低。２、铜合金中的强化相Cu-Be合金---电子化合物γ2-CuBe强化相过饱和固溶体脱溶析出γ’’片状的介稳相,与基体{100}面保持完全共格。时效进行γ’’→γ’，γ’与基体半共格，性能最好。10-4Cr和Zr共同加入生成Cr2Zr金属间化合物，沉淀强化，提高铜合金的强度和耐热性，且有高的导电率。Ni与Si在铜合金中形成Ni2Si金属间化合物,Ni与Si的重量比为3：1。Ni2Si在铜基固溶体中溶解度随温度的下降而急剧降低。时效是有很强的沉淀强化效应。Ni和Al在铜合金中形成NiAl或NiAl2，在450~600℃时效有很强的沉淀强化效应。Ti在铜中形成Cu3Ti—沉淀强化相。如图。3、铜合金的退火硬化在铜基α固溶体中，W(Zn)＞10%黄铜、W(Al)＞4%铝青铜、W(Ni)＞30%白铜，经固溶退火后，硬度明显提高，弹性极限升高。原因目前尚无定论。不均匀固溶体或形变时效。４、铜合金中的马氏体型相变许多铜合金中存在可逆马氏体相变，如Cu-Al,Cu-Al-Ni,Cu-Zn,Cu-Zn-Al,Cu-Zn-Si,Cu-Zn-Sn,Cu-Al-Ni等合金系。Cu-Al二元系W(Al)＝9.4~15.6%的合金缓冷到565℃，β→α+γ2共析转变，生成片层状组织。冷速大于5~6℃/min时，发生马氏体相变。马氏体类型与铝含量有关，β相为无序的体心立方点阵，β1为有序相，β’为无序马氏体，层错亚结构，六方点阵。β→β1（＜T0）→β1’和γ1’（＜Ms）β1’为有序马氏体，层错，正交点阵;γ1’为有序马氏体，孪晶，正交点阵。10-9在Cu-Al-Ni合金中得到γ1’是热弹性马氏体，没有相变滞后，冷却和加热时马氏体弹性似的长大和收缩。晶体中不形成“不可拟”的晶体缺陷。相变过程没有破坏马氏体与母相之间界面结构的完整性，仍然保持完全的共格关系。热弹性马氏体在受力作用下发生变形，这种变形只通过其有利取向的变体长大而不利变体收缩来实现。当受到变形的马氏体重新加热到At温度以上时，转变为母相，并恢复到母相原始状态的形状－－－形状记忆效应。第二节、工业纯铜紫铜：两类－－含氧铜、无氧铜１、工业纯铜的性能导电性、导热性仅次于Ag。冷变形80％后导电率下降不到3%---导线。杂质P、Si、Fe、Ti、Be、Al、Mn等对导电性、导热性影响较大；硫化物、氧化物、硅酸盐、Pb、铋等夹杂物影响较小。电极电位较正－－耐蚀－－大气、淡水、低速海水，与其它金属接触成为阴极，发生阳极腐蚀。无磁性－－不受磁场干扰的磁学仪器。２、杂质对铜塑性的影响铋或铅与铜形成富铋或铅的低熔点共晶物－－热脆。铋和锑与铜原子的尺寸差距大－电阵畸变大－铜晶界上偏聚－晶界脆化。含氧铜在还原性气氛中退火，氢渗入生成水蒸气，高的内压力－微裂纹－加工或使用时破裂。３、应用含氧量ω(o)＜0.01%--无氧铜，TU1和TU2—电真空器件。为磷脱氧铜－焊接铜材，热交换器排水管冷凝管等。TUMn锰脱氧铜－电真空器件。T1~T4为纯铜，有一定的氧。T1、T２含氧低－导电合金；T３、T4含氧较高－铜材。第三节、黄铜铜锌合金＋其它元素。史前龙山文化。包晶转变α固溶体有两个有序固溶体，Cu9Zn和Cu3Zn，Cu3Zn有两个变体α１和α２性能好。β为电子化合物CuZn为基，体心立方，低温的β相塑性差，只能热加工。γ为电子化合物Cu5Zn8硬而脆，不用１、二元黄铜的组织和性能ω(Zn)＜36%为α黄铜，铸态组织为单相树枝晶，形变及再结晶后为等轴晶，具有退火孪晶。ω(Zn)＜36~46%为α+β黄铜。铸态黄铜的强度和塑性随锌的含量的增加而升高。30%Zn时δ最大，45%Zn时强度最大。继续增加Zn组织为β’相脆性增加，强度下降。变形和退火后成分均匀和晶粒细化，强度塑性改善。单相的α黄铜具有极好的塑性，可冷热变形，200~700℃间存在低塑性区---Cu9Zn和Cu3Zn有序固溶体原子有序化；微量低熔点的铋、锑、铅等引起晶界脆化，微量的稀土元素可消除有害作用，并改善塑性。α+β两相黄铜在加热到高于500℃时，低温有序的β’→无序的β，β相极软，体心立方，原子扩散快，晶粒易长大。因此锻造温度略低于相变线，留少量的α。黄铜的腐蚀：脱锌和应力腐蚀脱锌—中性盐水溶液中锌的选择性溶解，可加入0.02~0.06%防止。应力腐蚀—冷变形后，放置时发生季裂，加入Si1.0~1.5%和As0.02~0.06%可减小；退火去应力。应用低锌黄铜H96、H90、H85良好的导电性、导热性和耐蚀性，--冷凝管和散热器。三七黄铜H70、H68强度高、塑性好，--散热器外壳、导管、波纹管、枪弹炮弹壳体。四六黄铜H62、H59为α+β黄铜，可高温热加工；H62制销钉、螺帽、零件。2、多元黄铜—加入Sn、Al、Si、Pb、Mn、Fe、Ni等，改变了组织，使α/（α+β）相界发生移动。铝黄铜表面形成致密的氧化膜，提高合金耐腐蚀性；固溶强化；例如HAl77-2作管材，用于海轮和发电站的冷凝管。HAl85-0.5色泽金黄，装饰材料。铜锌铝形状记忆合金热传导率大，电阻小，热加工性好，相变温度宽-100℃~+100℃，相变滞后小，制棒状、管状、线状—安全阀、控温装置、断路器等。锡黄铜Sn1%，提高海水中的耐蚀性、抑制脱锌，提高强度，HSn70-1---海军黄铜。铅黄铜小于0.03%，金属夹杂物分布在黄铜枝晶间，热脆。在α+β黄铜中，危害减轻，提高切削性。第四节、青铜Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Zr、Ti等组成。1、锡青铜公元前16世纪黄河中游，商遗址中。Cu和Sn二元系由一系列的电子化和物组成。α相为固溶体，β为Cu5Sn体心立方，γ为不稳定的高温相，δ为Cu5Sn复杂立方结构，硬而脆，ε为Cu3Sn，密排六方。组织：与锡含量及状态有关。实际是如虚线。ω(Sn)＜6%时树枝状α固溶体；ω(Sn)＞6%时α和（α+δ）共析体；700~800℃退火后，ω(Sn)=7~14%共析组织消失。由于δ相在降温时析出缓慢室温下仍为单相α固溶体。特点：铸造优点:铸件收缩率小，适于铸造形状复杂，壁厚变化大的工件。--合金液固相线结晶间隔大，液体流动性差，锡原子扩散慢．结晶时树枝晶发达，易形成分散性显微缩孔，所以收缩率小，且不易裂。历史上曾铸造出许多精美的古青铜器。锡青铜存在枝晶间的分散缩孔，致密性差，在高压下容易渗漏，不适于制造密封性高的铸件。同时铸件凝固时含锡高的低熔点液相易从中部向表面渗出，出现反偏析，严重时会在表面出现灰白色斑点的“锡汗”，它主要由δ相所组成。在铸态，锡固溶于a固溶体，有强的固溶强化作用。锡青铜的强度和伸长率随锡含量升高而增加，当w（Sn）超过6％，由于出现δ相而使伸长率急剧下降，而强度随锡含量升高而继续增加，直到w（Sn）＝25％时，因δ相含量较高而强度随之急剧下降。所以，工业锡青铜中锡含量不超过14％，其中w（Sn）低于7％～8％为变形锡青铜，有高塑性和适宜的强度；w（Sn）高于10％的锡青铜为铸造合金，用于铸件。在大气、海水和碱性溶液中有良好的耐蚀性，用于铸造海上船舶和矿山机械零件。多元锡青铜1)．锡磷青铜磷可作为锡青铜熔炼时的脱氧剂。溶于锡青铜的少量磷（W（P）＜0．4％）能显著提高合金的弹性极限和疲劳极限，并能承受压力加工，广泛用于制造各种弹性元件。如精密仪器中的齿轮等耐磨件和抗磁元件，耐磨的轴承合金。磷在锡青铜中的溶解度限为w（P）＝0.2％，过多的磷将形成熔点为628℃的α＋δ＋Cu３P三元共晶，难以热塑性变形。故一般用于热变形的锡磷青铜中的P不超过0.4％。2)．锡锌青铜锌能缩小锡青铜液固相线结晶间隔，提高液相的流动性，减小偏析，并促进脱氧除气，提高铸件密度。锌能大量溶于a固溶体，改善合金的力学性能，w（Zn）二2％～4％时，有良好的力学性能和耐蚀性。常用于制造弹簧、弹片等弹性元件和抗磁零件.2、铝青铜良好力学性能、耐蚀性和耐磨性，应用广。铜铝二元合金在共晶温度1036℃，铝在铜基固溶体中的溶解度为7.4％；在565℃时，铝的最大溶解度9.4％。铝在α固溶体有固溶强化作用。铝青铜有高的强度和塑性。β相为Cu3Al电子化合物为基的固溶体，具有体心立方点阵，在565℃发生共析分解，β→α＋γ2，若从β相淬火，可发生马氏体转变。γ1、γ2是以Cu9A14电子化合物为基的固溶体，γ2相硬而且脆，能提高合金的耐磨性。铝青铜可在表面生成含铝和铜的致密复合氧化膜，有良好的耐蚀性，在大气、海水、碳酸和有机酸中，耐蚀性优于黄铜和锡青铜。二元铝青铜有QA15、QA17和QAll0。3、铍青铜铍青铜有强的沉淀强化效应，经固溶淬火和时效，得到高的强度和弹性极限，且稳定性好，弹性滞后小，并具有良好的导电和导热性能，耐蚀和耐磨，无磁，冲击时无火花，可制造高级弹性元件和特殊耐磨元件，还用于电气转向开关、电接触器等。铍为强毒性金属，生产时受应严格操作。铍青钢一般w（Be）=1.5％～2.5％。铍青铜最高的力学性能是在γ”向γ’转变时获得的，此时γ”介稳相充分析出和长大，由于γ”与α固溶体比容差别大而引起的共格畸变区体积大，强化效果非常显著。热处理时，在760～790t进行固溶处理，快速淬火并在310～330℃时效，其强度σb可达到1250～1500MPa，σe为700～780MPa。加Ni和Ti可进一步提高性能。4、其他青铜1）硅青铜含硅小于4%，弹性好、耐蚀性、耐磨性好、工艺性能好。2）耐热、高导电合金铬和锆都能提高铜合金的蠕变强度，提高再结晶温度，并且导电率降低小。第五节、白铜以镍为主要合金元表的铜合金，用途可分为结构白铜和电工白铜铜与镍由于在电负性、尺寸因素和点阵类型上均满足无限固溶条件，因而可形成无限固溶体。其硬度、强度、电阻率随溶质浓度升高而增加，塑性、电阻温度系数随之降低。1、结构白铜铜镍二元铜合金为普通白铜，单相固溶体，常用的牌号有B10＼B20、B30。由于在大气、海水、过热蒸气和高温下有优良的耐蚀性，而且冷热加工性能都很好，可制造高温高压下的冷凝器、热交换器，广泛用于船舶、电站、石油化工、医疗器械等部门。B20也是常用的镍币材料，可制造高面额的硬币。铁能显著细化晶粒，增加白铜的强度又不降低塑性，尤其提高在有气泡骚动的流动海水中发生冲蚀的耐蚀性。铁最高的加入量不超过1·5％（质量分数）。在B10中加入w（Fe）=0.75％的铁，可得到与B30同样的耐蚀性；加入少量锰，可脱氧和脱硫，能增加合金的强度。2、电工白铜1)康铜含Ni40％，Mn1.5％的锰白铜又称康铜，具有高电阻、低电阻温度系数，与铜、铁、银配成热电偶对时，能产生高的热电势，组成铜一康铜、铁一康铜和银一康铜热电偶，热电势与温度间的线性关系良好，测温精确，工作温度范围为-200℃～600℃。2)考铜含N43％，Mn0.5％的锰白铜又称考铜，有高的电阻，与铜、镍铬合金、铁分别配成热电偶时，能产生高的热电势，其热电势与温度间的线性关系良好。考铜-镍铬热电D偶的测温范围从一253℃（液氢沸点）到室温。3)．BO.6白铜含Ni0.6％的白铜BO.6在100℃以下与铜线配成对，其热电势与铂铑-铂热电偶的热电势相同，可做铂铐-铂热电偶的补偿导线。