金属材料学第10章 铜合金

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1、10 铜及铜合金 copper alloy,铜是人类最早使用的，也是目前应用最广的金属材料之一。 应用： 广泛用于电缆、电器核电子设备的导电材料、各种热交换器的传热材料、建筑材料以及装饰品等。,随着科学技术的发展，使用范围不断扩大，如大规模集成电路、超导电线、超导电磁体、磁力悬浮铁路、核聚变装置以及形状记忆合金等方面都有应用。,Cu-Cr-Zr棒坯,20mm,未施加电磁场时铸坯的表面和凝固组织,施加电磁场后铸坯的表面和凝固组织,一、纯 铜,密度8.94, 熔点1083, 无晶形转变 导电、导热性好，仅次于银 化学稳定性好，耐蚀 成形加工性优良，可焊，无磁,热脆：Bi / Pb在晶界处形成低熔点

2、组织； 冷脆：S / O Cu2O、CuS，硬脆,二、杂质对纯铜性能的影响,工业纯铜中通常有0.1-0.5杂质（Pb，Bi，O，S，P等），它们对铜的力学性能和物理性能及工艺性能有很大影响 导电性：使铜的导电性能下降 热脆：Pb，Bi等杂质能与铜形成低熔点的共晶体（CuPb）、（CuBi） ，铜在加热时，这些共晶体发生熔化，形成热脆 冷脆，P，S，O与铜形成CuCu3P， Cu CuS ，CuCu2O共晶体，属脆性化合物，冷加工时易产生裂纹 氢病 ，O含量过高，易引起氢病 。指含氧铜在氢气或还原性气氛（CO、CH4）中退火时发生自动变脆或开裂的现象。其本质： H2O=H2 O COO= CO2

3、,三、工业纯铜的牌号及应用 工业纯铜(T1-T3)，数字越大纯度越低。wO约0.020.1，导电导热性好（作太阳能热水器），耐蚀性好（作电线）。 脱氧铜(TP1-TP2)，wO小于0.01。耐热，导电性好，（作真空仪表） 无氧铜(TU0-TU2)，wO极低（0.003）。作排水管，汽油输送管。,（GB/T52312001）,按化学成分分： 黄铜：以锌为主要元素的铜合金。铜锌二元合金 普通黄铜；铜锌 + Me特殊黄铜 青铜：除Zn和Ni外其他的合金元素加入均称之青铜 白铜：Ni为主加元素 按成形方法： 压力加工铜合金 铸造铜合金,四、 铜合金合金化原理,铜管,思考题,根据化学成分的不同，铜合金可

4、分为 , , 三大类。 纯铜又叫 。 纯铜含 过高时，会引起“氢病”。 黄铜是以 为主加合金元素的铜合金，白铜则是以 为主加合金元素的铜合金。 根据添加的化学成分不同，青铜又分为 , , 。,10.1 黄铜brass 10.1.1黄铜的牌号及表示方法,牌 号 表 示 方 法,普通黄铜：H62表示含62%Cu、38% Zn,特殊黄铜：用“H”加主添元素的化学符号再加铜 含量和添加元素的含量表示。 如HMn58-2表示58%Cu、2% Mn,铸造黄铜:用 “Z”再加铜化学符号和主添元素化 学符号及含量表示。 如ZCuZn38：Cu为基体元素，Zn为主要合金元 素，38为锌的平均质量分数,1.普通黄

5、铜组成相： Cu-Zn二元合金的状态图，有五个包晶反应和一个共析反应组成，固态存在-Cu、-ZnCu 、 -ZnCu 、-Zn8Cu5 、六种相。 当w Zn小于36时，一般不出现、相。,10.1.2普通黄铜,图10.1 Cu-Zn相图,组 织,36%Zn 的合金为单相黄铜， 3646% Zn合金为+双相黄铜 ， 易热加工，为热加工黄铜。,性 能,随Zn,导电导热性，线胀系数 30%Zn时,随Zn,强度和塑性, 达到最高值; 32% Zn时，由于出现脆性相， 塑性，强度 ,在45%Zn时达最大值,2.黄铜合金组织性能,图10.2单相黄铜的显微组织,图10.3双相黄铜的显微组织 (a)铸态(b)

6、经过形变与再结晶退火后,不同电流强度下合金铸锭的宏观组织 （a）I=0A （b）I=100A,图9 不同电流强度下合金铸锭的微观组织 （a）I=0A横截面上部（b）I=0A横截面中部（c）I=0A横截面下部 （g）I=100A横截面上部（h）I=100A横截面中部（i）I=100A横截面下部,黄铜力学性能与Zn量有关，含锌量超过45%的铜锌合金无实用价值,图9.5微量元素对28Zn黄铜中温脆性的影响。128Zn，20.15Ce，30.05Ce,图10.4,图10.5,黄铜有良好的铸造性能，即流动性高，偏析 倾向小，适用于铸造复杂和精致的铸造制品。,H96、H90等：有金色黄铜之称。导热性、 抗

7、蚀性好。用于冷凝器、散热器和工艺品等,H70、H68：为三七黄铜。强度较高，塑性 好，用于冷冲压、深拉伸的形状复杂件。大量 用于弹壳，所以也称为弹壳黄铜。 Zn?,H62、H59：强度高，塑性也好，常、用于 水管、油管，也称为商业黄铜。,在普通黄铜的基础上加入Al、 Fe、Si、Mn、Pb、 Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。Al、Sn、Mn、Ni可提高抗蚀性和耐磨性，Si改善铸造性能。 加工特殊黄铜的牌号如HPb59-1. 特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。,黄铜制品,黄铜棒,10.1.3特殊黄铜,Zn当量W W=（A+CK） / （A+B+ CK）x100% A、B 为Zn 、

8、Cu含量， C除Zn以外的合金元素含量，K是Zn当量。 例：计算铸造铝黄铜ZCuZn21Al2和锰黄铜HMn57-3-1（Cu57%，Mn3%，Al 1%)的Zn当量，判断组织。,锌当量系数,Zn当量系数K1, 缩小相区；K1,扩大相区。,常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4 等。 主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。,锡黄铜在普通黄铜中+0.51.5%Sn，强 度和硬度及耐蚀性，改善切削加工性。,锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制 造工业，如冷凝管、船舶零件、船舰

9、焊接件的 焊条等，故有海军黄铜之称。,H62-1 海军黄铜铸造组织 ( 化染 ),铝黄铜,黄铜中加入少量铝（0.73.5%）可在表面形 成致密和牢固的Al2O3膜，耐蚀性。铝能细化 晶粒，硬度和强度。但2% Al时塑韧性。 含2%Al、20% Zn的铝黄铜具有最高热塑性， 所以HAl77-2合金得到广泛应用。 含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力 腐蚀倾向，必须进行充分低温退火加以消除。,镍黄铜,添加镍可扩大相区，故双相黄铜添加适 当的镍可转变为单相黄铜。镍能强度、韧 性、耐蚀性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热 加工。镍黄铜具有小的应力腐蚀破裂倾向， 可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等， 还可

10、作锡磷青铜的代用品。,硅黄铜 加入1.54.0%Si，能黄铜在海 水中的耐蚀性以及抗应力腐蚀能力，改善铸 造性和焊接性。HSi80-3硅黄铜显微组织为 +，主要用于舰船制造和其它工业中的耐 蚀零件和接触蒸汽的配件等。,硅黄铜,硅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 50,铅黄铜,HPb74-3是单相铅黄铜，铅呈细小质点分 布在晶界；HPb59-1是双相（+）铅黄铜。 因为HPb59-1切削性特别好，称为易切黄铜， 有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性。广泛用作 钟表机芯的基础部件和汽车、拖拉机等机械零 件如衬套、螺钉、电器插座等。,铅黄铜铸造组织 ( 化染 )70,挤压态,除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜

11、。,青铜制品,10.2青铜bronze 10.2.1青铜的牌号及表示方法,牌 号 表 示,“Q”加上第一个主加元素化学符号及 含量再加上其它合金元素含量。 如QSn4-3为含4%Sn，3% Zn锡青铜； 铸造青铜：“Z”表示铸造，“Cu”表示 铜基体。如ZCuPb30表示铸造铅青铜， 铅的平均质量分数为30%,10.2.2、锡青铜 是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为314%。 是最古老的铜合金，我国应用已有2000年历史，如古代的鼎、钟、武器、铜镜等。 锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小 。 锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜

12、好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。,锡青铜锭,东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）,香港大屿山天坛大佛(高26.4m) 20世纪90年代初竣工 锡青铜,586 共析： -Cu5Sn -CuSn 520共析： -CuSn -Cu31 Sn8 350共析： -Cu3Sn 当w Sn在730时，铸造锡青铜得到 （ ） 组织， 而非+（ ）组织。,一、锡青铜中的组织,图10.6Cu-Sn 二元相图,组 织,是Sn固溶于Cu固溶体，FCC结构； 是电子化合物Cu5Sn为基的固溶体； 是CuSn化合物为基的固溶体； 是电子化合物Cu31Sn8； 是电子化合物Cu3Sn。 锡青铜的显微组织与锡含量和合金状

13、态有关。,性 能,较高强度、硬度和耐磨性 。 Sn,强度，当Sn6%后， 伸 长率;Sn20%，出现大量相，合金变 脆，强度 。因此，工业用Sn青铜的Sn 含量均在314%之间。 Sn 78%的合金，有高的塑性和强 度，适用于塑性加工； 含Sn10%的合金，因塑性低，只适 用于铸造用。,塑性在7处最佳，强度在27处最高。,图10.8ZQSn-10铸态 +（+）共析组织,图10.7,图10.11含铅青铜铸态组织,图10.9含磷锡青铜铸态组织,主要用于耐蚀承载件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。,二、常用锡青铜用途,特 点,强度和耐蚀最好，应用广泛。是锡青铜 的重要代用品，但铸造性和焊接性较差

14、。,铝 作 用,Al，强度和硬度，塑性。当Al 1011%时，强度、塑性均。由于 出现了硬脆2相所致。12% Al 。 压力加工用铝青铜Al 57%.,应 用,铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐 蚀和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及 船舶制造中的特殊设备等,10.2.3. 铝青铜,Al9.4%: 565 共析： +2 - Cu9Al4 （层片状） QAl-10-4-4（含Al10，Fe4，Ni4） 组织为、2。,铝青铜的组织与相变,图10.9,QAL10 铸态 (白色)+(+2)共析(黑色),QAL10 固溶处理930淬火 (相当于M),10.2.4.铍青铜 以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1

15、.72.5%。 具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。 “弹性之王”称号。,常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等 。 用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。,铍青铜带材,性 能 特 点,淬火状态塑性好，可冷加工成管、棒、带材等 各种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能 提高强度（b可1200MPa），而且能 p ， 特别适用于仪表弹簧,处 理 特 点,固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体， 时效强化。铍青铜淬火时必须严格控制加热温 度。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富 铍相不能充分溶解，沉淀硬化能力,Cu-Be合金的时效过程也是过饱和固溶体的脱溶沉淀过程，其时效序列： 过饱和固溶体G.P.区（或）（共格） （半共格） 2 淬火温度780800，时效温度为300350，淬火介质为水。,图10.10,黄铜,普通 黄铜,特殊 黄铜,金色黄铜：H96; 弹壳 :H70;商业：H62,32%Zn,+,海军黄铜：HSn70-1 耐腐蚀性好 易切黄铜：HPb59-1 可切削性好 商业黄铜：HAl77-2 热塑性好