第五章---铜及铜合金

第五章铜及铜合金一、工业纯铜二、铜合金三、铜合金的应用一、工业纯铜铜是人类最早使用的金属.早在史前时代，铜制造武器、工具和其他器皿.铜存在于地壳和海洋中，铜在地壳含量约为0.01％，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3－5％.•纯铜：又称为紫铜，密度为8.94×103kg/m3，属于重金属，晶体结构为面心立方晶格；•原子量63.54，熔点1083℃；•线性膨胀数17.6×10-6/℃，导热率0-100℃399W/mk。软态280MPA，延伸率≥40%。•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。•铜已在航空、造船、化工、电气、机械、等工业部门以及在生活用品的制造中得到广泛的应用。一、工业纯铜1、纯铜的性能特点（1）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、导热性由高到低顺序：银、铜、铝、镁、锌、镉、钴、铁、铂，锡、铅、锑.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.所有杂质和加入元素，降低铜的导电、导热性能.冷变形对铜的导电性能影响不大.1、纯铜的性能特点导电性导热性（2）耐蚀性：铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，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。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。1、纯铜的性能特点（3）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。（4）铜的机械性能软态铜：σb=200～240MPa，35～45HB，δ≈50％。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。1、纯铜的性能特点（4）铜的机械性能•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:低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，中温区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。1、纯铜的性能特点纯铜中的杂质分为三类：固溶于铜的杂质及微量元素，对铜塑性影响不大.很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素（热脆）.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（分布于晶界时产生“冷脆”）.2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响（1）铋和铅：对铜的热塑性变形能力有严重影响，与铜均形成共晶系相图，共晶温度很低，分别为270℃和326℃。•铸锭冷凝过程中，此低熔点共晶体最后结晶，在晶界上形成极薄的膜。热加工时，薄膜熔化，使金属晶粒与晶粒之间的结合力降低，发生晶间断裂.•铜材中，铋0.002-0.003%,铅0.005%-0.05%.2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响铜-铋相图2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响铜-铅相图2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响图含0.2%Bi及0.3%Pb的铸态铜的显微组织（2）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↓铜的导电、导热性.砷↑铜的再结晶温度，↑铜的耐热性，显著提高铜的耐蚀性.（3）锑：熔点630℃，共晶温度（645℃）下锑在铜中的固溶度11％.随温度↓，锑在铜中的溶解度↓↓，并形成脆性Cu3Sb，分布在晶界上而造成“冷脆”.2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响（3）锑：锑同时造成铜的导电性和导热性↓↓，导电用铜的含锑量不允许超过0.002％.（4）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％.2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响（5）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”.2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响（5）氧：•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1.4mL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。2、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响工业纯铜牌号：字母T加上序号，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低.含氧量低于0.01%的称为无氧铜，无氧铜用“T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。含氧量极微，其他杂质极少，无氢病，有更高的导电性、导热性、耐蚀性、可焊性、塑性.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。3、工业纯铜的牌号及应用表工业纯铜的牌号、成分和用途表工业纯铜的牌号、成分和用途二、铜合金•纯铜强度低（230-240MPa），通过冷作硬化强度可↑（400-500MPa），但延伸率↓到2%.•22个元素在固态铜中的极限固溶度0.2%，可固溶强化.•常用：Zn、Al、Sn、Mn、Ni等.固溶度均9.4%.通过固溶强化，铜的强度240MPa↑650MPa.•Cu-Be合金，含2%Be的铜合金热处理后强度可达1400MPa.1、铜的合金化二、铜合金铜合金：黄铜、白铜，青铜。（1）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。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。2、铜合金的分类及牌号（2）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。QAl5为5％Al、余为铜的铝青铜。QBe2为2%Be、余下为铜的铍青铜.（3）白铜：铜为基、镍为主要合金元素的铜合金.以B表示。如：B10为10％Ni、余为铜；B30为30%Ni、余Cu的铜镍合金.2、铜合金的分类及牌号3、黄铜•黄铜具有良好的力学性能、耐蚀性能、导电性能、导热性能和热加工工艺性能。•与紫铜和许多铜合金相比，黄铜价格较低、色泽美丽，是有色金属中应用最广泛的合金材料。•最简单的黄铜是铜锌二元合金，称为普通黄铜或二元黄铜。工业上使用的黄铜其含锌量均在50%以下。•在二元铜锌合金的基础上加入一种或多种其他合金元素的黄铜称为复杂黄铜或特殊黄铜。•黄铜按其生产工艺可分为压力加工黄铜和铸造黄铜（牌号为Z）。如ZCuZn38,38为锌的平均质量含量（%）。3、黄铜（1）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。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（1）普通黄铜3、黄铜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。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。（1）普通黄铜•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.（1）普通黄铜二元黄铜性能变化规律：其导电、导热性随Zn含量的增加而下降，而机械性能(抗拉强度、硬度)则随Zn含量的增加而上升。H96、H90和H85：良好的电导率、热导率和耐蚀性，有足够的强度和良好的冷、热加工性能，被大量采用来制作冷凝管、散热管、散热片、冷却设备及导电零件等。H70、H68：高的塑性和较高的强度，冷成型性能特别好，适于用冷冲压或深拉法制造各种形状复杂的零件，有“弹壳黄铜”之称。H62：α+β黄铜，高的强度，塑性也较好，有“商业黄铜”之称。H59：强度高；含锌量高，能承受热态压力加工，有一定的耐蚀性，多以棒材和型材应用于机械制造业。（1）普通黄铜—性能及用途代号化学成分,%机械性能CuZn加工状态bMPa%HBH9695~97余量退火25052－H8079~81余量退火27044－H6867~70余量退火30052－H5957~60余量退火变形300420255－103（2）复杂黄铜为提高二元黄铜的耐蚀性能、机械性能或切削加工性能，在二元黄铜中加入少量Sn、Pb、Mn、Fe、Si、Ni、Al等元素，即得复杂黄铜。①铅的作用及铅黄铜铅提高黄铜的切削性能，使零件获得高的光洁度，同时提高合金的耐磨性。(α+β)两相铅黄铜可热轧、热挤，而单相α铅黄铜通常只能冷轧或热挤。铅黄铜有极好的切削性能，耐磨、高强、耐蚀、导电性好，它以棒材，扁材、带材等广泛供应汽车、拖拉机、钟表、电器等工业，用以制作各种螺丝、螺母、电器插座、钟表零件等。②锡的作用及锡黄铜锡抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性。锡黄铜在淡水及海水中均耐蚀，故称“海军黄铜”。锡提高合金的强度和硬度，常用锡黄铜含1％Sn，含锡量过多会降低合金的塑性。锡黄铜能较好地承受热、冷压力加工。锡黄铜主要用于海轮，热电厂作高强，耐蚀冷凝管、热交换器，船舶零件等。（2）复杂黄铜③铝的作用及铝黄铜黄铜中加入少量铝能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶液、高速海水的耐蚀性，并能提高合金的强度和硬度。铝含量增高时，将出现γ相，剧烈降低塑性，使合金的晶粒粗化。为了使合金能进行冷变形，铝含量应低于4％。铝黄铜以HAl70-2用量最大，主要是制成高强、耐蚀的管材，广泛用做海船和发电站的冷凝器等。铝黄铜的颜色随成分而变化，通过调整成分，可获得金黄色的铝黄铜，作为金粉涂料的代用品。（2）复杂黄铜④锰的作用及锰黄铜锰起固溶强化作用，少量的锰可提高黄铜的强度、硬度。锰黄铜能较好地承受热、冷压力加工。锰能显著升高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。锰黄铜、特别是同时加有铝、锡或铁的锰黄铜广泛用于造船及军工等部门。（2）复杂黄铜组别代号主要化学成分,%机械性能(变形)Cu其它bMPa%HBPb黄铜HPb63-3HPb60-162.0~65.059.0~61.0