铜及铜合金

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3－5％。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（0.5％～3％）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（8％～35％）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17.6×10-6/℃，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1.613µΩ•cm，热导率为402W／m·K；银为1.590µΩ•cm，银为419W／m·K。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，CuS04·3Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3·Cu(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0.05mm／a；加入0.15～0.3％As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-0.085×10-6，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：σb=200～240MPa，35～45HB，δ≈50％，ψ达75％。硬态铜：σb≥350～400MPa，110～130HB，延伸率δ=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85～95％而不产生裂纹。纯铜在500～600℃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：⑴固溶于铜的杂质及微量元素；⑵很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素；⑶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(Cu＋Pb)，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0.005～0.05％。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(α+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0.005～0.01％。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0.005～0.003％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Cu—Zn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70％Cu、1％Sn、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：HMn57-3－1：57％Cu、3％Mn、1％Al、余为锌的锰黄铜；HAl66-6－3－2：66％Cu、6％Al、3％Fe、2％Mn、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10％Ni、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6.5％Sn、0.1％P、余为铜的锡磷青铜。QA15为5％A1、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α、β、γ、δ、ε、η六个相。α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(39％Zn)；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α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α无序固溶体转变为αl有序固溶体，在217℃左右，αl有序固溶体转变为α2有序固溶体。α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β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468～456℃温度范围，无序相β转变成有序相β´。β´相塑性低，硬而脆，冷加工困难，所以含有β´相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上，β´→β后，又具有良好塑性。β相高温塑性好，可进行热加工。γ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γ相。工业用黄铜，按其退火组织可分为α黄铜和α+β两相黄铜。β黄铜只用作焊料。WZn＜36％的α黄铜：H96～H65为单相α黄铜，α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α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α+β两相黄铜含36～46％Zn，H62至H59均属于此。凝固时发生包晶反应形成β相，凝固完毕，合金为单相β组织，当冷至α+β两相区时，α相自β相析出，残留的β相冷至有序转变温度时(456℃)，β无序相转变为β´有序相，室温下合金为α+β´两相组织。铸态α+β´黄铜，α相呈亮色(因含锌少，