金属材料及热处理07有色金属材料篇

1.1铜及铜合金的主要特点与分类1.2紫铜1.3铜的合金化1.4黄铜1.5青铜1.6白铜1.7铜的热处理特点第二节铜及铜合金1.1铜及铜合金的主要特点与分类铜及铜合金是最重要的有色金属材料之一，产量在有色金属的中居第二位。1、特点（1）纯铜有优良的导电、导热性，良好的抗蚀性，适当的强度和塑性（FCC结构）。——主要用于电力、电工以及各种仪器仪表材料。（2）铜合金具有优异力学性能，如高的强度、弹性、抗蚀性、耐磨性等，以及其它特殊性能，如形状记忆等。——主要用于制造船舶、汽车、机器的机械结构、仪表、功能元件。2、分类铜及铜合金经不同合金化则呈现出不同的光泽和颜色，根据其颜色的不同，它们可分为四类：紫铜——纯铜+少量杂质黄铜——Zn+其它合金化元素青铜——Sn、Al、或Be……+其它合金化元素白铜——Ni+其它合金化元素1、紫铜性质（1）导电、导热性好（2）化学稳定性好——表面产生氧化铜膜，有水分时，生成铜绿，均有一定的保护作用；（3）力学性能适当——比Al高，比Fe低。铸态σb=170Mpa，δ=17%；加工退火软态σb=200-240Mpa，δ=50%；加工硬化态σb=400-500Mpa，δ=~6%。2、牌号与用途（1）纯铜（Tx，x↑，纯度↓）：T1、T2、T3（99.95%、99.90%、99.70%）（2）无氧铜（TUx，x↑，纯度↓）：TU1、TU2（99.97%、99.95%）（3）磷脱氧铜（TPx，x↑，纯度↓）：TP1、TP2（99.90%、99.85%）——紫铜主要用于电线、电缆、电气开关等——电器仪表等的垫圈、油管、冷凝管等有关零部件——配合金——TUx具有更高的导电性、导热性、可焊性，可用于电子管的封结，用于电真空器件等1.2紫铜3、主要杂质及其影响杂质分三类：（1）在铜中溶解度较大，有害影响较小的合金元素——Al、Fe、Ni、Sn、Cd、Zn、Au、Ag、As、P、Sb等，δ变化不大，σ、HB升高，导电导热性下降；（2）几乎不溶于Cu，并形成易熔（低熔点）共晶组织的杂质元素——Pb、Bi等，Pb导致热脆，Bi则引起热、冷脆；（十万分之几的Bi使热加工困难，万分之几就明显易裂，Pb也一样）（产生原因：Cu通常在900℃热加工，Cu+Bi共晶点为270℃，Cu+Pb的为327℃，且易沿晶界呈网状分布，在超过共晶点温度加工，过烧，而引起热脆。另外，Bi脆，冷加工时也会引起冷脆。解决办法：i、降低Bi、Pb含量；ii、加RE、Zr、Ca等可生成高熔点化合物（BiCe、PbCe、BixZry、CaPb、BiCa等）的合金元素，晶内分布，降低脆性；iii、加Ti、B、Zr、Fe等，细晶，减少杂质在晶界处的相对含量。）CuBi或Pb270℃或327℃99.8%或99.7%Cu+Bi或Pb的伪共晶组织（或离异共晶）（3）与铜生成脆性化合物的杂质元素——S、O等，分别形成Cu2S、Cu2O，以及Cu+Cu2S、Cu+Cu2O的共晶物（熔点高，不会引起热脆），分布在晶界处，易引起冷脆。另外，O还降低Cu的耐蚀性和焊接性，甚至会引起“氢氧病”。（氢氧病——O与H结合成H2O，Cu2O+[H]→Cu+H2O，引起晶界处产生气泡，而导致脆裂。因此，在还原性气氛中不可用。）Cu+Cu2O的伪共晶组织（或离异共晶）可见，O对Cu是极其有害的杂质元素，根据氧含量和生产方法，紫铜可以分为如下三类：（1）纯铜（氧含量0.02-0.06%）（2）脱氧铜（氧含量小于0.01%）（3）无氧铜（氧含量小于0.003%）无氧铜可以用于高温还原气氛中1.3铜的合金化与分类像纯铝一样，铜通常需要加入合金元素合金化，使强度提高。1、提高铜合金强度的强化机制主要包括：加工硬化、细晶强化、固溶强化（主要的）、弥散强化2、常见合金化元素合金元素在铝中的极限固溶度（At%、Mass%）ZnGa（镓）In（铟）SnSb（锑）AlAgAs（砷）TiCoSiFeCd（镉）39.020.818.215.810.49.48.08.07.45.04.64.03.0MgBe（铍）PZrCrNiPd（钯）Pt（铂）2.82.751.71.00.7无限无限无限i、Sb、Ga、In、Pd、Pt等因稀少而少用ii、最常见的合金化元素有Zn、Sn、Al、Ni等；iii、其它也常以添加元素加入。iv、有时也以微量元素形式加入Sn、Si、Al、Fe、Ni、Mn、As等，以提高耐蚀性；v、加Pb，提高切削性能1.4黄铜——Cu-Zn合金可分两类：普通黄铜和特殊黄铜1、普通黄铜（1）牌号——H+xx（xx—铜含量×100）例如H68，意味着“含Cu约68%、含Zn约32%的普通黄铜”——若为铸造黄铜，则ZH+xx（xx—铜含量×100）例如ZH68，意味着“含Cu约68%、含Zn约32%的铸造普通黄铜”（铜合金的铸造、变形可能是同一种合金成分，因为包晶系，与Al合金不同）（2）合金相如Cu—Zn相图所示。α—Cu基固溶体（FCC），黄铜基体相β—CuZn基固溶体，电子浓度3/2，bcc；γ—Cu5Zn8基固溶体，电子浓度21/13，复杂bcc，（焊料）；另外，还有ε、η（电子浓度7/4，密排六方）黄铜中Zn含量小于50%，Cu合金中主要相为α、β、γ。α-Cu基固溶体为黄铜基体相。工业黄铜退火多为α、α+β、β组织。α-黄铜和纯铜一样，常有孪晶存在（层错能低）（3）工业黄铜的性质与应用一般处于H96—H59（如相图所示）H96—H65：α黄铜；H63—H59：α+β黄铜在RT下，α-Cu的塑性高于β-CuZn的塑性，强度低于β-CuZn的强度，而在HT下，正好相反。因此，α+β黄铜热塑性好，而α黄铜冷塑性好。在α相区内，Zn↑，δ↑、σ↑。与紫铜相比，黄铜的强度、塑性均优，工艺性好，抗蚀性好（有ZnO膜），且价格低。因此，用途广，可作各种零件、日用品、管道、散热器、工艺品、炮弹等。例如：H96、H90、H80——导热、耐蚀而且光泽好，用作冷凝管、散热器、美术工艺品；H80、H70（三七黄铜）——强度高、塑性好，适于冷冲深拉，用作枪弹壳、炮弹筒（又称弹壳黄铜）；H62——α+β黄铜，适于热加工，具有高强高塑的优点，常用做板、管等，又称商业黄铜。（4）有关腐蚀性的两个问题总体上讲，黄铜的抗蚀性好，但有两个需要引起重视的问题：A、应力腐蚀问题（又称季裂，季节性裂纹、一种自动破裂现象）现象：Zn含量高于20%的黄铜，在有内应力作用的情况下，尤其是在拉应力作用下，在潮湿的环境中，特别是在含氨、铵盐的大气或汞盐溶液中，发生的腐蚀破裂现象。有季节性，含Zn量越高，越严重。原因：Zn的选择性溶解。防止：i、低温（260-300℃）退火去应力；ii、镀层（镀锡或Zn）；iii、加入一定量的Sn、Si、Al、Mn、Ni等可以显著地降低应力腐蚀倾向。B、脱锌腐蚀现象：黄铜在腐蚀介质中，锌优先溶解（Zn电极电位远低于Cu的），而造成工件表面残留一层薄薄的多孔纯铜薄膜。含Zn量越高，越严重。原因：Zn的选择性溶解。防止：加入少量的As（0.02-0.06%）、Al、Sn、Ni、Si、Sb、Be等。2、特殊黄铜加Sn、Si、Al、Fe、Ni、As、Mn、Pb等，形成特殊黄铜。改善力学性能——Si、Fe、Ni、Mn；提高耐蚀性能——Sn、Si、Al、Fe、Ni、As；改善切削性能——Pb。（1）牌号——H+第三组元元素符号+xx（xx—铜含量×100）-y(y—第三组元含量）-z(z—第四组元含量)……例如：HSn70-1（海军黄铜），意味着“含Cu约70%、含Zn约29%、含Sn约1%的特殊黄铜”HAl77-2（另加0.03-0.06%As，防脱锌），意味着“含Cu约77%、含Zn约21%、含Al约2%的特殊黄铜”HFe59-1-1（Mn），意味着“含Cu约59%、含Zn约39%、含Fe约1%的特殊黄铜”HNi65-5、HSi80-3、HMn58-2、HMn57-3-1（Al）、HMn55-3-1（Fe）、HPb59-1——若为铸造黄铜，则ZH+第三组元元素符号+xx（xx—铜含量×100）-y(y—第三组元含量）-z(z—第四组元含量)……例如ZHSn70-1，意味着“含Cu约70%、含Zn约29%、含Sn约1%的铸造特殊黄铜”（2）锌当量从Cu-Zn相图来看，加入第三其它元素，会造成α/α+β界面向左或向右移动，即相当于增加或减少Zn的含量。锌当量系数——加入1%第三组元相当于要加入多少Zn，才对组织造成相同的影响。如，Si的Zn当量系数为10，即表明加入1%Si就相当于加入10%Zn（即缩小了α相区），假如原本Zn量要加入达37%才能获得α+β黄铜，而加入1%Si后，则Zn只需加入27%，即可得到α+β黄铜。合金元素的锌当量系数η（+缩小α相区，-表示扩大α相区）SiAlSnMgPbCdFeMnNi10-124-622110.90.5-1.4锌当量X（相当于加入Zn的总量）计算X={[Zn+Σ(Ci×ηi)]/[Cn+Zn+Σ(Ci×ηi)]}×100%例如：HAl66-6-3-2（Fe、Mn）X=(23+（6×6+3×0.9+2×0.5）)/(66+23+（6×6+3×0.9+2×0.5）)×100%=48.6%对比Cu-Zn相图，Cu-48.6%Zn已处于β相区，即HAl66-6-3-2为β黄铜1.5青铜——Cu-X（X=Zn、Ni之外的元素）合金1、牌号——Q+第二组元元素符号+x（x—第二组元含量）-y(y—第三组元含量）-z(z—第四组元含量)……例如QSn4-3，意味着“含Sn约4%、含其它元素（Zn)约3%的青铜”——若为铸造青铜，则ZQ+第二组元元素符号+x（x—第二组元含量）-y(y—第三组元含量）-z(z—第四组元含量)……例如QHSn4-3，意味着“含Sn约4%、含其它元素（Zn)约3%的铸造青铜”青铜品种多，Cu-X，X=Zn、Ni之外的元素，有，锡青铜QSnxx——铝青铜QAlxx——铍青铜QBexx——硅青铜QSixx——锰青铜QMnxx——钛青铜QTixx——铬青铜QCrxx——镉青铜QCdxx——锆青铜QZrxx——等等2、锡青铜（1）牌号QSn4-3（2）合金相如Cu—Sn相图所示。α——Cu基固溶体（FCC），青铜的基体相，存在退火孪晶；β——Cu5Sn基固溶体，电子浓度3/2，bcc；γ——Cu3Sn基固溶体，电子浓度7/4，fcc；δ——Cu31Sn8基固溶体，电子浓度21/13，复杂立方；ε——Cu3Zn基固溶体，电子浓度7/4，密排六方；值得注意的是，δ→α+ε（反应慢）一般不出现，故，i、一般合金RT组织通常为α+（α+δ）共晶组织；ii、Sn扩散慢，结晶范围宽，偏析严重；iii、铸锭中易于出现分散缩孔和反偏析（锡汗）现象。（3）性能——不出现δ相时，Sn↑，强度σ和塑性δ都↓，出现δ相时，Sn↑，δ↓，而σ↑。但是大量δ相也会引起σ↓（由于δ相硬而脆，这是一个很好的耐磨材料）；——具有良好的抗蚀性能，由于生成了Cu2O或2CuCO3•Cu(OH)薄膜，故可作船舶零件，这也是青铜器可以长久保持的原因；——铸造工艺性能不好（相对而言的），但因分散缩孔多，体积缩小，可铸造尺寸准确、花纹清晰的工艺品——热轧难，挤压易，通常需要均匀化退火。（4）工业锡青铜二元合金少，通常加P、Pb（古代青铜常加Pb）、Zn等变形加P——QSn6.5-0.1（弹簧材料）加Zn——QSn4-3（弹簧、耐磨材料）同时加P、Zn——QSn4-4-4、QSn4-4-2.5（耐磨件、轴承等）铸造作为结构件，加Zn——ZQSn10-2作为耐磨件，加P、Pb——ZQSn10-1(P)、ZQSn8-12(Pb)（有时还加一点Pb）3、铝青铜作为锡青铜的替代品材料而发展起来的，综合性能好（铸造性、高强、耐蚀、耐磨、耐寒等），用途日益扩大。（1）牌号与锡青铜的相同（2）合金相如Cu—Al相图所示。α——Cu基固溶体（FCC），铝青铜的基体相，存在退火孪晶；β——Cu3Al基固溶体，电子浓度3/2