第10章 铜及其合金--20090316

第十章铜合金紫铜工业纯铜黄铜（Cu-Zn-M）青铜（除Zn,Ni外，Cu-M）锡青铜（Cu-Sn-M）特殊青铜（Cu-Al，Cu-Be，……）白铜（Cu-Ni）铜及铜合金的主要性能：1）高导电率和导热率;2）具有良好塑性，易于成型;3）高强度与良好耐磨性;4）某些条件下有良好的耐蚀性;至今仍然被广泛应用，是发展电力、电机、电工仪器和航海、造船工业的材料。但铜资源少，价格贵；当前全世界已查明的储量为6.4万t。10.1工业纯铜（紫铜）一.特性密度8.94，熔点1083℃，面心立方，无同素异型转变;导电导热性好（金属材料导电性排序:Ag,Cu,Au,Al,Mg,Zn,Ni,…）；高的的稳定性（大气、淡水）；但在海水中稍差，在氧化性酸及各种盐类极易被腐蚀;一定的机械性能（σb200~240MPa），冷加工状态下σb:450MPa；优良的加工成形性，铜有极高的塑性;优良的可焊性;铜的另一个特性是无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器。二．杂质1.O，S与Cu形成（Cu+Cu2S）和（Cu+Cu2O）共晶，熔点为1067℃，均高于Cu的热加工温度，冷加工时易产生破裂（冷脆）；2.H与Cu,O形成Cu与H2O气泡，降低塑性“氢脆”；3.Pb,Bi与Cu形成低熔点共晶，熔点低，其共晶温度相应为270℃和326℃，分布在晶界上，热加工时会引起热脆;4.其它，如Al,Fe,Ni,Sn,Zn,Sb等，虽在铜的溶解度较大，但对铜性能的影响较小。三．分类、牌号及用途根据O%和生产方法的不同，可分为三类:韧铜：0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4；T1、T2：导电及高纯度铜合金用；T3、T4：一般用铜材及铜合金.无氧铜：0.003%；TU1，TU2:主要用于电子真空仪器仪表中导体脱氧铜：0.01%；TUP，TUMn；TUP主要用于焊接用铜材，制作热交换器、排水管、冷凝管等；TUMn用于电子管用铜材10.2铜中的合金元素在铜中无限固溶:Ni、Au、（γ-Mn）;大多数合金元素为有限溶解。Ni、Al、Sn、Zn、Mn是有效的固溶强化元素;但不同程度地降低导电性和导热性。铜合金中能形成许多强化相：γ2—CuBe；Cr2Zr；Ni2Si；NiAl或NiAl2；Cu3Ti§10.3黄铜分为：Cu-Zn二元黄铜或Cu-Zn-M特殊黄铜（Zn50%）一.二元黄铜Cu-Zn二元相图相组成（1）α：固溶体;（2）β：电子化合物，以CuZn为基的固溶体，在456~468℃以下为β’有序相。高温β塑性好，低温β’难以冷变形，含β’相的黄铜只能采用热加工成型。（3）γ：电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，电子浓度21/13，硬且脆，无实用价值。Cu-Zn合金随Zn%的组织与性能变化组织和性能1）组织Zn36%的合金为α黄铜;Zn＝36-46%的合金为α+β黄铜2）性能（1）力学性能见图（2）良好的铸造性能。3）耐蚀性在大气、淡水、海水中耐蚀性良好。黄铜的腐蚀表现为脱锌和应力腐蚀。脱锌:在中性盐水溶液中锌发生选择性溶解，可加入微量As0.02~0.06%来防止;应力腐蚀:在张应力下由腐蚀介质氨、二氧化硫和湿空气的联合作用，发生应力腐蚀。锌含量高于25%的黄铜H70、H68、H62对此敏感;加入少量Si1.0~1.5%或微量砷As0.02~0.06%。牌号与性能1）低锌黄铜H96、H90、H85α黄铜用于冷凝器和散热器。2）三七黄铜H70、H68α黄铜用于深冲或深拉制造复杂形状的零件。3）四六黄铜H62、H59α+β黄铜用于制造销钉、螺帽、导管及散热器零件。二.特殊黄铜Cu-Zn-M:+Si,Al,Sn,Pb,Mn,Fe,Ni等不同程度地影响Cu-Zn相图的相区。锌当量系数黄铜中加入M后并不形成新相，只是影响α，β相的相对含量，其效果象增加了锌一样。可以用加入1%的其它合金元素对组织的影响上相当于百分之几的Zn的换算系数来预估加入的合金元素对多元黄铜组织的影响，这种换算关系称为锌当量系数。表10-1合金元素锌当量系数+号表示增锌作用，-号表示减锌作用举例：HAl59-3-2，其中含锌36%，应为α黄铜；但加入3%Al,2%Ni后,名义含锌量为46.4%,其组织应为α+β组织。名义含锌量合金元素的作用Al：提高强度，但塑性降低，提高耐蚀性，如HAl77-2（α组织）;HAl60-1-1（Mn）（α+β组织)Ni：提高强度，提高在海水中的耐蚀性；HNi65-5，可制作压力计管。Fe：提高强度。HFe59-1-1(Mn)Sn：提高在海洋大气、海水中抗蚀性，“海洋黄铜”用于舰船。如HSn70-1（α）;HSn62-1（α+β）Pb：提高耐磨性，改善切削性能。可用作轴瓦与衬套，如HPb74-1,HPb59-1。§10.4青铜青铜是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素组成的合金的统称。青铜根据成分可分为锡青铜（Cu-Sn）和特殊青铜。在特殊青铜中，根据主加元素又分别命名为铝青铜（Cu-Al）、铍青铜（Cu-Be）等。二元青铜：Cu-Sn，Cu-Al，Cu-Be，…；多元青铜：Cu-Sn-M，Cu-Al-M，Cu-Be-M，…；一.锡青铜（一）二元锡青铜1.相：α相：含锡的铜基固溶体；β相：Cu5Sn电子化合物为基的固溶体；共析分解β—α+γ（586℃）γ相：CuSn为基的固溶体；γ—α+δ（520℃）δ相：Cu31Sn8电子化合物δ—α+ε（Cu3Sn）（350℃）Cu-Sn合金2.组织（铸态）：由于其结晶间隔宽，偏析严重，且锡扩散慢，合金难以得到平衡组织.Sn6%:树枝状α固溶体组成;Sn6%:α固溶体和（α+δ）。3.性能1）锡青铜铸造的优点是铸件收缩率小，适于铸造形状复杂、壁厚变化大的零件;2）锡青铜在大气、海水和碱性溶液中有良好耐蚀性，用于海上船舶、矿山机械零件；3）力学性能工业锡青铜中锡含量不超过14%，其中Sn7-8%:变形锡青铜，有高塑性和适宜的强度；Sn10%:铸造合金，用于铸件。Cu-Sn合金随Sn%的组织与性能变化（二）多元锡青铜二元锡青铜的工艺性能和力学性能需要进一步改进，一般工业用锡青铜部分别加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多元锡青铜。1）+P：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QSn6.5-0.1：可制造导电性好的弹簧、接触片、精密仪器中的齿轮等耐磨和抗磁元件。ZQSn10-1：Cu3P与δ相可作为青铜轴承材料的耐磨相，可做耐磨轴承合金。2）+Zn:可提高力学性能和耐蚀性。QSn4-3,常用作制造弹簧、等弹性零件和抗磁零件。二.铝青铜铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，是青铜中应用最广的一种。β相为Cu3A1电子化合物为基的固溶体在565℃发生共析分解，β—α+γ2若从β相淬火，可发生马氏体转变（5~6℃/min）γ1、γ2相是以Cu9Al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。Cu-Al合金成分与冷却速度对组织的影响A15%-8%:单相α合金。有高的塑性，一般做变形合金Al8%:在高温下为α+β双相合金，可经受热加工，一般用热挤压法成型。铝青铜有良好耐蚀性，在大气、海水、碳酸和有机酸中，耐蚀性优于黄铜和锡青铜；工业中二元铝青铜有QAl5、QAl7和QAl10添加铁、镍、锰等元素，获得多元铝青铜。QAl10-4-4（Al-Fe-Ni）:Fe细化,提高强度;Ni显著提高强度、热稳定性和耐蚀性。三.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；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，生产时需严格操作；QBe2,QBe1.9，强度可达成1200-1400MPa。四.其它青铜硅青铜弹性好，耐蚀性极高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞击无火花，工艺性能好。加入Mn（QSi3-1）,Ni(QSi1-3)可提高硅青铜的性能。耐热、高导电合金铬和锆:提高蠕变强度，提高再结晶温度，并且导电率降低小。铬和锆同时加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀强化相，可得到耐热性更好的高导电合金（高架线）。§10.5白铜白铜按成分分为二元白铜（Cu-Ni）和多元白铜（Cu-Ni-(M)）。按用途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。结构白铜1.常用的牌号有B10、B20、B30；2.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。3.加入Fe,Zn,Al,可提高其性能（多元白铜）。电工白铜1.康铜含Ni40％、Mn1.5％的锰白铜具有高电阻、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-康铜、铁—康铜和银—康铜热电偶，测温精确，工作温度范围为-200℃--600℃。2.考铜Ni43％、Mn0.5％的锰白铜有高的电阻,与铜、镍铬合金、铁分别配成热电偶时，能产生高的热电势，考铜—镍铬热电偶的测温范围从-253℃(液氢沸点)到室温。3.B0.6B0.6在l00℃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，可做铂铑—铂热电偶的补偿导线。