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1、铜及铜合金的分类第二章 铜及铜合金的分类 铜是人类最早使用的金属，自然界有自然铜存在，与其他金属不同，铜在自然界中既以矿石的形式存在，也同时以纯金属的形式存在，其应用以纯铜为主，同时其合合金也在工业等多个领域中广泛应用，工业上常将铜和铜合金分为四类，分别是：纯铜、黄铜、青铜和白铜。 1. 铜与铜合金的分类 1.1 按生产应用的方式（可分为二大类）形变铜与铜合金、铸造铜与铜合金 对于压力加工专业来说，主要是和形变铜与铜合金打交道，因此，重点学习形变铜与铜合金。 1.2 铜与铜合金的名称： 根据历史上形成的习惯，起的是某一种颜色的名称，它们是： 紫铜纯铜Cu 黄铜Cu-Zn 合金 青铜 锡青铜：C
2、u-Sn 合金 铝青铜：Cu-Al 合金 铍青铜：Cu-Be 合金 钛青铜：Cu-Ti 合金 白铜 Cu-Ni 合金 ( 有的铜合金叫做青铜，但合金的颜色并不真就是青色的。) 2. 纯铜 纯铜的新鲜表面是玫瑰红色的，当表面氧化形成氧化亚铜 Cu2O 膜后就呈紫色，所以纯铜就常被称为紫铜。 紫铜具有好的导电、导热、耐蚀和可焊等性能，并可冷、热压力加工成各种半成品，工业上广泛用于制作导电、导热和耐蚀等器材。 2.1纯铜的成份、组织与性能 2.2.1其结构、组织：在金属学中学过，纯Cu的晶体结构是面心立方晶格（f、c、c），滑移系多，易塑性变形，塑性好。其组织由单一的铜晶粒组成。 2.2.2在成分方
3、面：100%纯的金属是没有的，非100%纯。Cu 的最高纯度可达99.999%（三个9）工业纯Cu 的纯度约为99.9099.96%杂质的存在相当于使纯铜的成份改变，这自然会引起一些性能的变化。 虽纯Cu 有一些性能几乎不受杂质的影响但导电率、机械性能却受杂质或晶 4 体缺陷的影响较大现在先综合看看工业纯Cu 的性能 2.2 工业纯铜的性能 2.2.1 纯铜的性能优点： 从纯铜的各种性能中我们可以总结出几条性能优点，从而可以明白为什么铜会以纯金属的形式得到这么广泛的应用。 优良的导电、导热性；Cu 广泛用于：导电器（如：电线、电缆、电器开关）导热器（如：冷凝管、散热管、热交换器） 良好的耐蚀性
4、； Cu具有极好的耐蚀性，且反应后表面有保护膜（铜绿） 在普通的温度下，铜不太会与干燥空气中的氧气O2反应，但Cu能与CO2、 SO2、醋发生作用，生成铜绿碱式碳酸铜、碱式硫酸铜CuSO43(OH)2 （深绿色）、碱式醋酸铜，这样铜的表面上就慢慢生成了一层保护膜。 有良好的塑性 退火工业纯铜的拉伸延伸率 50%，纯Cu 易加工成材 例：加工出来的细铜丝可细于头发丝（8 丝）达45 丝 2.2.2 纯铜的机械性能与工艺性能 我们通过结合纯铜的生产、加工过程来了解、认识 (1) 纯Cu 的加工过程（ 几乎全部纯铜都是经过加工成材供应用户的，我们在工厂中可以观察到，其生产过程一般为： (2) 纯铜的
5、机械性能 铸态铜的性能很低； 经加工后，软态铜、硬态铜的性能，见上面数据； 铜经过强烈冷加工（形变率 80%）后，强度 b将急剧升高，但塑 5 性强烈变坏，加工硬化很厉害，对纯铜来说，其机械性能是由其晶粒度和位借密度所决定的。 (3) 纯铜的热加工工艺性能 我们知道，热加工应选择在塑性高的温度范围内进行，那么纯铜在什么温度时塑性高呢？人们通过实验，得到了纯铜的机械性能与温度的关系曲线：由此可看出： b 随T而 在500600， 、最小存在着“低塑性区” 若在这个温度范围进行热加工，工件会产生热裂、热脆。 （纯铜的热加工应选择在高于低塑性区的温度进行。） 即：T 热加工 700 2.3 杂质及微
6、量元素对铜的影响 紫铜中杂质主要来自原料，同时与熔炼等工艺也有关。很多种杂质既使含量极少（甚至十万分之几）也有剧烈降低铜的导电、导热和压力加工等性能。 为改善铜的性能，有时须添加某些其它微量元素，或容许某些脱氧剂元素在铜中保持一定的残留量。 2.3.1 紫铜可按其所含杂质及微量元素的不同，分为三类： (1) 加工紫铜 有T1、T2、T3、T4 等，特点是氧含量较高； (2)无氧铜及脱氧铜 有TU1、TU2、TUP、TUMn 等，特点是氧含量极少，在脱氧铜中还残留少量脱氧剂元素； (3)特种铜 有砷铜、银铜、锑铜等；特点是分别加入了不同的微量元素。 2.3.2 杂质与微量元素对纯铜的影响 杂质与
7、微量元素的来源： 杂质：工业纯铜中通常含有0.05-0.3%的杂质 6 微量元素：为了改善铜性能，人们有意加入某些微量元素。 （例如，为了提高Cu 的高温塑性、细化晶粒加入Ce、Zr；Ti 等元素。为了提高铜的切削性、耐磨性加入微量的Pb等）。 影响： 对性能的影响具有两重性：有利、有害 应根据具体的加工、使用条件加以控制和解决。下面，根据它们在铜中的溶解度及存在状态，分成三类来分析： 2.3.2.1 杂质及微量元素对铜的导电、导热性的影响 所有杂质及微量元素均不同程度地降低铜的导电性和导热性。固溶于铜的元素（除银、镉以外）对于铜的导电性和导热性降低地多，而呈第二相析出的元素则对于铜的导电、导
8、热性降低较少。 7 金属的导电性可用导电系数（单位：米/欧姆毫米 ）表示，也可用 1913 年制定的国标软铜（Cu+Ag99.90%,退火后，20时的电阻系数为0.017241 欧姆毫米 /米或1.7241 微欧姆厘米，导电系数为58.0 米/欧姆毫米 ）导电率标准（IACS）作为 100%加以比较和确定。现在铜的纯度大大提高，其导电率已增到 102%IACS 以上。加工因素对铜的导电率也有一定的影响，很大的冷加工率可使铜的导电率下降约 2%IACS。 铜及铜合金的导热系数和导电率之间存在内在的联系，在某一温度下的导热系数可根据在该温度下的导电率(%)IACS 按 估算，导电率g2530%IA
9、CS 的 导 电 、 导 热 、 低 合 金 化 铜 带 合 金 ， 其 导 系 数 还 可 用 下 式 估 算 ： 式中： 试验测知的合金导电系数，米/欧姆毫米 2 X含铜量，%(重) 2.3.2.2 杂质及微量元素对铜的软化温度和晶粒大小的影响 铜的软化温度和晶粒大小，影响到铜的加工和使用性能。而杂质及微量元素对铜的软化温度和晶粒大小影响又很大。 固溶和生成弥散析出相得杂质和微量元素，均提高铜的软化温度。在一定范围内随这些元素含量的增加，铜的软化温度的增高；但生成氧化物的杂质，大都对铜的软化温度没有明显影响。此外，铜的软化温度与很多工艺因素有关，例如，冷加工率大冷加工前的退火温度降低、冷却
10、慢（此时固溶体的过饱和程度小），冷加工后的退火时间等，则铜的软化温度低。 8 在含氧的导电用铜中，锑、镉、铁、磷、锡等可与氧化亚铜中的氧作用，生成它们自己的氧化物，降低了它们在铜中的固溶度，从而减弱甚至完全消除了它们对铜的软化温度的影响。砷含量 0.05%以下时，与铜中正常含量的氧无明显作用；硒、锑也与砷相似，因此，它们均提高导电用含氧铜的软化温度。镍虽与氧化亚铜作用生成氧化镍，但对铜的软化温度影响很小。 在无氧铜中，杂质所提高的软化温度，通常比在含氧铜中要大；因为在无氧铜中，杂质不形成氧化物。银、磷、锑、镉、锡、铬等提高无氧铜的软化温度最多，砷、锡、锑等次之，硫、铁、镍、钴、锌等最少。 铜的
11、软化温度增加，不是单个元素影响的算术和，而只是比具有最大影响的元素所提高的软化温度略高一点而已。 杂质对铜在退火时的晶粒长大有很大的影响。高纯铜的经理随退火温度的升高而迅速长大，并且晶粒尺寸也很不均匀。导电用铜则由于氧化亚铜存在，在通常的退火温度范围内，可有效地抑制晶粒长大。脱氧铜和无氧铜虽然与高纯铜有类似之处，但也由于有微量杂质析出物的存在，仍可有效控制晶粒长大，并获得均匀的晶粒尺寸。不管杂质含量如何，在生产中控制加工率、退火温度和时间，是控制再结晶晶粒长大的基本条件。 2.3.2.3 杂质及微量元素对铜的加工性能的影响 固溶的杂质及微量元素，实际不影响铜的冷、热加工性能。很少固溶或几乎不固
12、溶于铜的杂质及微量元素，则视其所生过剩相得情况不同，对铜的压力加工性能将有着不同的影响。例如，氧、硫、硒、碲在铜中分别形成Cu2O、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te 9 等脆性化合物，降低铜的塑性；铅、铋与铜生成易熔共晶，热轧时易裂；脆性的铋呈薄层分布在铜的晶界上，还使铜产生冷脆性。 为提高铜的高温塑性，防止热脆性，可根据相图选择那些与有害物质形成难熔化合物（熔点高于铜的熔点或热轧温度）的元素加入铜内，其加入量可根据该难熔化合物的分子式和已知有害物质含量大体算出。锂、钙、铈或混合稀土金属、锆、铀等均可消除铅等杂质的有害作用。 提高铜的高温塑性的另一种方法是细化铜锭晶粒，相对降低有害杂质在晶界上
13、的浓度，铜中加入微量的钛、锆、铬、硼等元素，都能细化晶粒，抑制柱状晶的发展，并减小铜的高温脆性。 铜的熔铸、压力加工和试验条件也将引起铜的成分或组织变化，对铜的高温塑性也有影响。 铜在低温具有良好的塑性，但随温度的升高，往往出现一脆性区，热加工常需要在高于此脆性区的温度下进行。脆性区与质的性质、含量、分布、固溶度变化有关。如铅呈易熔共晶，中温变成液态消弱晶间联接，使铜热脆高温时，铅、铋又固溶于铜，使塑性又有升高。 10 有些研究工作表明，铜在 300600呈脆性区是杂质引起的。含氧少的铜常含一定的氢，在上述温度范围内，试样在拉伸应力作用下，氢从固溶体中析出，并在铜的致密处（首先是在晶界上）聚集
14、起来，处于高压气体状态，使铜开裂。随温度的升高，氢又部分或全部固溶于铜，又使铜的属性增高。 实践证明：采用铜豆少（含氢也少）的电解铜，可提高铜锭和铜材的高温塑性，脱氧的铜锭在 400600有明显脆性区，而用 0.03%硅加 0.01%镁脱氧的，则没有脆性区。因为磷与氢相似，为表面活性元素，易吸附在铜的晶界上，引起高温脆性。 半连铸造的紫铜锭，在横向热轧开坯时，裂的较多，而在纵向热轧开坯时，几乎不裂。说明铜锭的塑性，很明显与柱状晶的方向有关。 经多次压力加工的铜材，其高温塑性比铜锭要好得多，并且随着变形量的增加，脆性区向低温方向移动，同时，塑性下降的程度也减少，甚至变得完全看不出脆性区，这可能是
15、因为：多次变形增加了晶粒数目和晶界总的面积，更重要的时破坏了铸造组织，压合了晶界的显微疏松等缺陷造成的。 2.4 紫铜的热处理及热处理规范 2.5 紫铜的力学性能 11 3. 黄铜 黄铜包括铜-锌二元合金（称普通黄铜或简单黄铜）和铜锌中加有其他组元的多元合金（称特殊黄铜或复杂黄铜）。 黄铜有良好的工艺性能、机械性能和耐腐蚀性，有的还有较高的导电性和导热性。是重金属加应用最广的金属材料之一。黄铜是工业上应用最广的一种铜合金，Zn 在 Cu 中的最大固溶度可达 39%（456）。 名称的由来：CuZn 合金随（锌含量）Zn%的增加，合金的颜色也在变化。当Zn 含量达到一定值（15%）后逐渐显现出美
16、丽的金黄色。（Zn20%时）或淡黄色（Zn=3045%时）故称为黄铜。 黄铜定义以Zn 为主要加入元素的铜合金。（光说是CuZn 合金不完全）黄铜可分为： CuZn：二元黄铜（简单黄铜、普通黄铜） CuZn + 1种或数种其它合金元素：多元黄铜（复杂黄铜、特殊黄铜） 黄铜表示法：(加铝提高耐腐蚀性) 12 3.1 一、二元黄铜 3.1.1 成份与组织 要彻底了解Cu-Zn 合金的情况，就要先分析清楚Cu-Zn 二元相图，从相图中可以看出：Zn 大量固溶于Cu 中在不同的成份，温度变化中有五个包晶转变、一个共析转变、一个有序转变在固态下有六个相： 、 、 、 、 、 。载 454-468C有 （无序固溶体） (有序固熔体)转变。各个相的结构特征见表 1-2-1。 13 性能： 无序的 相：塑性极高，适于热加工； 有序的 相：比较硬脆，冷变形较困难。 含有 的合金不适宜冷加工变形，适合采用热加
