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1、黄铜的相组成及各相的特性 Cu-Zn 二元系相图中的相有、 、 、。 普通黄铜 37.5 32.5 36.8 相:以铜为基的固溶体。 晶格常数随锌含量增加而增大,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 (39Zn);之后,锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。含锌25左右合金,存在Cu3Zn化合物的两种有序化转变: 450左右,无序固溶体 l 有序固溶体;217左右, l 有序固溶体 2 有序固溶体。 相塑性良好,可进行冷热加工,并具有良好焊接性能。 相:以电子化合物CuZn为基的体心立方晶格固溶体。冷却时:468456,无序相成有序相?。 ?塑性低,硬而脆,
2、冷加工困难,所以含有?相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上,?后,又具有良好塑性。相高温塑性好,可进行热加工。 相:以电子化合物Cu 5 Zn 8 为基的复杂立方晶格固溶体。硬而脆,难以压力加工,无法应用。工业用黄铜的锌含量均小于46,避免出现相。 H70黄铜的铸态组织及变形后退火组织按退火组织,工业用黄铜分为黄铜和+两相黄铜。WZn36的黄铜:H96H65为单相黄铜,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。 H62双相黄铜 退火 白
3、 + 黑 +黄铜:3646Zn,如H62至H59。凝固时发生包晶反应形成相,凝固后的合金为单相组织;冷至+两相区时,自相中析出 相,残留的相冷至有序转变温度时(456), 无序相转变为?有序相,室温下合金为+?两相组织。铸态+?黄铜,相呈亮色(因含锌少,腐蚀浅), ?相呈黑色(因含锌多,腐蚀深)。经变形和再结晶退火后,相具有挛晶特征。普通黄铜性能变化与锌含量的关系物理性能:普通黄铜密度随WZn增加而下降,而线膨胀系数随WZn增加而上升。电导率、热导率在区随WZn增加而下降;WZn39,合金中出现,电导率又上升,WZn为50时达峰值。力学性能:WZn 30时,随WZn增加,Rm和A同时增大,对固
4、溶强化的合金来说,这种情况是极少有的,WZn在3032%时,A达最大值。之后,随?相的出现、增多,塑性急剧下降;Rm则一直增加,并当WZn45时,Rm 值达最大。WZn45,相全部消失,组织为硬脆的?相,导致Rm急剧下降。变形和退火后的性能:相随WZn增加,其强度、塑性均增加;当 WZn为30时,塑性最好,适于深冲压和冷拉,大量用于制造炮弹壳,H70黄铜又称为“炮弹黄铜”。相强度更高,但室温下呈有序状态,塑性很低。相在室温下则更硬而脆。黄铜在200600温度范围内均存在中温低塑性区。这是微量杂质(铅、锑、铋等)所致,这些杂质与铜生成低熔点共晶并凝聚在晶界上,形成低熔点共晶薄膜,从而造成热加工过
5、程的“热脆”。黄铜的塑性会随温度升高而重新显著增加,因这些杂质在高温时的溶解度明显增加。脆性区温度范围与锌含量有关。加入微量混合稀土或锂、钙、锆、铈等可与杂质形成高熔点化合物的元素,均有效减轻或消除杂质的有害影响,从而消除热脆性。如铈与铅、铋形成Pb 2 Ce及Bi 2 Ce等高熔点化合物。 黄铜的热加工应在高于脆性区的温度下进行;+黄铜室温塑性较低,只能热变形、要加热到相区热轧,但温度不能太高,因相长大得快,以保留少量相为宜,利用残留相限制晶粒长大。所以,热变形温度通常选择在(+)相变温度附近。 黄铜在大气、淡水或蒸汽中耐蚀性好,腐蚀速度约为0.0025 0.025mm/a;在海水中的腐蚀速
6、度为0.00750.1mma。脱锌和应力腐蚀破坏(季裂)是黄铜最常见的两种腐蚀形式。脱锌:出现在含锌较高的黄铜、特别是+黄铜中。锌电极电位远低于铜,在中性盐水溶液中锌首先被溶解,铜呈多孔薄膜残留在表面,并与表面下的黄铜组成微电池,使黄铜成为阳极而被加速腐蚀。加入0.020.06As可防止脱锌。应力腐蚀:即“季裂”或“自裂”,指黄铜产品存放期间产生自动破裂的现象。它是产品内残余应力与腐蚀介质氨、SO 2 及潮湿空气的联合作用产生的。黄铜含Zn量越高,越易自裂。为避免黄铜自裂,所有黄铜冷加工制品或半制品,均需进行低温(260300)退火来消除制品在冷加工时产生的残留内应力。此外,在黄铜中加入0.0
7、20.06As或1.01.5Si也能明显降低其自裂倾向。普通黄铜中杂质: 铅、铋、锑、磷、砷和铁等。铅:在单相黄铜中是有害杂质,由于它熔点低,几乎不溶于黄铜 中,所以它主要分布在晶界上。铅含量大于0.03时,黄铜在热加工时出现热脆;但对冷加工性能无明显影响。在+两相黄铜中,铅的允许含量可比黄铜高一些,因为两相黄铜在加热和冷却过程中,会发生固态相变,使铅大部分转入晶内,减轻有害影响。少量铅可提高两相黄铜的切屑性能,使加工件表面获得高的光洁度。铋:呈连续脆性薄膜分布在黄铜晶界上,既产生热脆性,又产生冷脆性,对黄铜的危害性远比铅为大,在及+黄铜中要求 0.002Bi。减轻Pb和Bi有害影响的有效途径
8、是加入能与这些杂质形成弥散的高熔点金属化合物的元素,如Zr可分别与Pb、Bi形成高熔点稳定化合物ZrxPby(2000)和ZrxBiy。(熔点2200)。锑:随温度下降,锑在黄铜中溶解度急剧减小;在锑含量小于0.1时,就会析出脆性化合物Cu2Sb,呈网状分布在晶界上,严重损害黄铜的冷加工性能。锑还促使黄铜产生热脆性,因锑在固态铜中的共晶温度为645,所以,锑是 黄铜中的有害杂质。加入微量锂可与锑形成高熔点的 Li 3 Sb(熔点1145),从而减轻锑对黄铜塑性的有害影响。砷:室温时砷在黄铜中的溶解度0.1,过量的砷则产生脆性化合物Cu3As,分布在晶界上,降低黄铜塑性。黄铜中加入0.020.0
9、5As,可防止黄铜脱锌。砷使黄铜制品表面形成坚固的保护膜,提高黄铜对海水的耐蚀性。普通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;二元黄铜在工业上的应用,主要根据其性能来选择。 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。 H62:+黄铜,高的强度,在热态下塑性良好;冷态下塑性也比较好,切削加工性好,耐蚀,易焊接,以板材,棒
10、材、管材、线材等供工业大量使用,应用广,有“商业黄铜”之称。 H59:强度高;含锌量高,能承受热态压力加工,有一般的耐蚀性,多以棒材和型材应用于机械制造业。代号化学成分, % 机械性能 Cu Zn 加工状态 Rm MPa A % HB H96 9597 余量 退火 250 35 H80 7981 余量 退火 270 50 H68 6770 余量 退火 300 40 H59 5760 余量退火变形 300 420 25 5 103 铜锌合金中加入少量锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素,构成多元合金,即为复杂黄铜。加入的合金元素使铜锌系中的(+)相界向左移动(缩小区) 或向右移动(扩大区)。即:“复
11、杂黄铜组织=增加或减少锌含量的简单黄铜组织”。铜锌合金中加入1硅后的组织,即相当于铜锌合金中增加10 锌的组织,即称硅的“锌当量系数”为10。硅的锌当量系数为正值,急剧缩小区。若在铜锌合金中加入1镍,则合金的组织相当于合金中减少1.5锌的合金组织,故镍的“锌当量系数”为-1.5,镍的锌当量系数是负值,使区扩大。铜锌合金加入其它元素后产生的相区变化,可根据“虚拟锌含量”来推算。如:HAl66-6-3-2(66Cu-6Al-3Fe2Mn,余为锌)的 “虚拟锌含量”为48.6,48.6Zn的合金具有单相组织。 复杂黄铜:复杂黄铜中的相及相是多元复杂固溶体,其强化效果较大,而普通黄铜中的及相是简单的C
12、u-Zn固溶体,其强化效果较低。锌当量相同,多元固溶体与简单二元固溶体的性质不同。 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。单相铅黄铜可冷轧或热挤,而(+)两相铅黄铜只能热轧、热挤。为了改善热脆性,HPb59-1中加入0.005稀土,可细化晶粒,使Pb分布均匀,或加入0.1Al,可显著改善热脆性,提高热轧温度上限,使铅黄铜可在720750进行热轧。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。复杂黄铜的性能 锡的作用及锡黄铜:锡抑制黄铜脱
13、锌,提高黄铜耐蚀性。锡黄铜在淡水及海水中均耐蚀,故称“海军黄铜”。加入0.020.05As可进一步提高耐蚀性。锡还能提高合金的强度和硬度,常用锡黄铜含1Sn,含锡量过多会降低塑性。锡黄铜热、冷压力加工性能好。但HSn70-1在热压力加工时易裂,需要严格控制杂质含量(如Pb0.03),铜取上限(71),锡取下限(1.0l.2),这样,在700720热轧或670720热挤,可获得良好效果。锡黄铜主要用于海轮、热电厂制作高强,耐蚀冷凝管、热交换器,船舶零件等。 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;铝的锌当量系数高,形成相的趋势大,强
14、化效果高,能显著提高合金的强度和硬度。铝含量增高时,将出现相,剧烈降低塑性,使晶粒粗化。为了使合金能进行冷变形,铝含量应低于4。含2Al、20Zn的铝黄铜,其热塑性最高。加入0.05 As及0.01Be或0.4Sb及0.01Be可进一步提高铝黄铜的抗脱锌腐蚀能力。HAl77-2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。 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
15、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。Cu-Zn-Mn系合金的颜色与含锰量有关,随Mn量的增加,其颜色逐靳由红变黄,由黄变白,含63.5Cu,24.5Zn,12Mn的黄铜,具有良好的机械性能、工艺性能和耐蚀性,已部分地代含镍白铜应用于工业上。组 别 代 号主要化学成分, % 机械性能(变形) Cu 其它 Rm MPa A % HB Pb黄铜 HPb 63-3 HPb 60-1 62.065.0 59.061.0 Pb 2.43.0 Pb 0.61.0 600 610 5 4 Sn黄铜 HSn 90-1 HSn 62-1 88.091.0 61.063.0 Sn 0.250.75 Sn 0.71.1 520 700 5 4 148 Al黄铜 HAl77-2 76.079.0 Al 1.82.6 650 12 170 Si黄铜 HSi 65-1.5-3 63.566.5 Si 1.02.0 Pb 2.53.5 600 8 160 Mn黄铜 Fe黄铜 HMn 58-2 HFe 59-1-1 57.060.0 57.060.0 Mn 1.01.2 Fe 0.61.2 700 700 10 10 175 160 Ni黄铜 HNi 65-5 64.067.0 Ni 5