铸铜、锌课件2016教材

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1、第5章 铜合金铸造,1. 铸造铜合金的分类（P.204),铸造纯铜及高铜合金 铸造青铜： 锡青铜、铝青铜 铅青铜、铍青铜. 铸造黄铜：黄铜、高强度黄铜 铸造铜镍合金（白铜） .,铸造铜合金牌号及标准（P.205),合金牌号： ZCuSn5Pb5Zn5 合金名称 ：5-5-5锡青铜 化学成分（%）：Sn、Pb、Zn均为4-6，其 余Cu 合金名称：ZCuAl10Fe3 合金牌号： 10-3铝青铜 化学成分（%）：Al 8.5-11, Fe2-4, 其余 Cu,1.1 青铜,锡青铜历史悠久的一种艺术铸造合金 无锡青铜近代发展起来的新型青铜,(1) 锡青铜,锡青铜的组织和性能 铸态： 固溶体和（+）

2、共析体 相锡溶于纯铜中的置换型固溶体，塑性良好 相以金属间化合物（Cu31Sn8）为基的固溶体，硬而脆 耐磨性好（ 相硬质点镶嵌于软基体中） 耐蚀性高（在蒸汽、海水和碱溶液中）,铜锡二元相图,图3,含锡量对青铜机械性能的影响,含锡量对青铜机械性能的影响,图4,锡青铜的结晶温度范围很宽，凝固速度较慢时，容易形成缩松，这是导致锡青铜铸件渗漏的主要原因。进行均匀化退火后，枝晶消失，能防止铸件渗漏。但是分布均匀的显微缩松能储存润滑油，对于耐磨零件是有利的。 锡青铜呈糊状凝固，枝晶发达，很快就在铸件内形成晶体骨架，开始了线收缩，此时凝固层较薄，高温强度又低，因此铸件容易发生热裂。,反偏析是锡青铜铸件中常

3、见的缺陷，铸件表面会渗出灰白色颗粒状的富锡分泌物，俗称“冒锡汗”。“锡汗”中富集相，造成铸件内外成分不均匀，降低合金力学性能，而且使组织更加疏松，引起渗漏，同时，表面富集坚硬的相，恶化切削加工性能，加工后的表面会出现灰白色斑点，影响表面质量。反偏析层一般有5mm左右，严重时可深入表皮下2530mm。凝固速度越慢，反偏析越严重。,出现反偏析的原因是锡青铜的结晶温度范围宽，枝晶发达，低熔点的富锡相被包围在枝晶间隙中，此时氢的溶解度因温度下降而急剧降低，呈气泡形成析出，产生背压，把富锡熔体推向枝晶间隙中心。而在凝固后期，铸件从内到外仍存在着大量的显微通道，在氢气泡形成的背压和固态收缩力内外夹攻下，迫

4、使富锡溶体沿枝晶间的显微通道向铸件表面渗出，表面。堆积在铸件,防止反偏析的工艺措施有： 放置冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固。 调整化学成分，如加入锌，缩小结晶温度范围。 采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量。,锡青铜中合金元素的作用,。 锌 锡青铜中加入锌可缩小锡青铜的结晶温度范围，提高合金的流动性，减小产生缩松的倾向。且熔炼时锌的蒸汽压较高，所形成锌蒸汽可防止铜和锡元素氧化，净化合金，降低产生气孔的倾向。锌对锡青铜的组织和性能的影响与锡相似，但加2%锌只相当1%锡的作用。而锌的价格只有锡的1/5，故用锌代锡还可降低成本。锌含量超过5%，易使纹饰不清晰，易受腐蚀，难以生成文雅的绿色外膜

5、。现代室外艺术铸件常选用含锌的锡青铜，俗称炮铜.,锡青铜中合金元素的作用, 铅 铅的硬度很低，在锡青铜中以质点状分布，提高合金的耐磨性能，也给青铜的加工带来方便。同时铅的熔点低，提高了锡青铜的流动性。凝固时铅富集在枝晶间的孔隙中，减少缩松，防止渗漏，一般铅含量在5%左右防渗漏效果最好。青铜中铅比重较大，过量的铅会引起重力偏析，所以含铅锡青铜浇注前须注意搅拌，采用水冷或金属型来加快冷却，防止偏析。,锡青铜中合金元素的作用,CuSnPb系合金在室温状态下金相与颜色以及合金成分与强度、延伸率的关系。,图5 Cu-Sn-Pb系合金在室温状态下金相与颜色的关系,图6 Cu-Sn-Pb系合金的抗拉强度b/

6、（kgmm-1）,图7 Cu-Sn-Pb系合金的延伸率,锡青铜中合金元素的作用, 镍 青铜中镍无限地溶于固溶体内，促使树枝状晶体发达，因而加入微量的镍可以减轻锡铅的偏析。加入1%2%的镍，便能使晶粒细化，提高机械性能、耐腐蚀性能和热稳定性，改善青铜的铸造性能。较多的镍会使青铜颜色变白。 铁 铁的主要作用与镍相似，可以细化晶粒，提高强度，改善着色性能。但含量必须控制在5%以下，否则使青铜发脆，同时降低耐腐蚀性能。,锡青铜中合金元素的作用, 铝 在锡青铜中铝是有害杂质，它使着色困难。只要含铝0.5%，表面便从暗红色转为金黄色，进而成银白色。但在无锡铝青铜中，铝能提高强度、耐腐蚀性和改善铸造性能。

7、磷 在锡青铜中必须加0.03%0.06%的磷来脱氧，以改善铸造性能，过量易产生脆性相Cu3P，且降低着色效果。 硅 青铜中加入硅，便会使其机械性能及铸造性能恶化，但能增加耐腐蚀性能，硅使表面呈暗赤色到茶色，有时呈葡萄色，因表面覆有一层很致密的SiO2膜，使着色困难。,(2 ) 铝青铜,铝青铜是含8%12%Al的铜铝合金. 结晶温度范围很小(30),属层状凝固(流动性好,组织致密,但体收缩大).,图8 Cu-Al二元相图,Al11% 平衡组织 （P.213),1035 共晶转变 L + (共晶点8.3%） 565 共析转变 + 2 (共析点11.8%） 相 为铝溶于铜的固溶体（面心立方晶格），强

8、度、塑性比纯铜高很多； 相 是以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，它是高温相，强度高，塑性好；因此，合金中2相含量过多会使合金变脆。,在缓慢冷却条件下，相发生共析转变,形成的2相使合金变脆称“缓冷脆性”。,消除缓冷脆性措施 （P.214),加快冷却速度，使 相来不及共析转变，合金组织为+相，强度高，塑性好。所以，铸件可在750左右空冷或水冷；且相过冷到520 发生晶格有序转变，成为1 相，冷到325 又变为 相，综合性能得到提高； 加入适量铁、锰等合金元素，以增加相的稳定性，不使其分解； 加入镍，以扩大相 区，消除相。,Cu-Al二元合金性能 （P.214）,主要决定于铝含量，如图5-9：Al

9、含量6%时伸长率达峰值，继续增加Al量，伸长率开始下降，而强度仍上升，当Al量为10%时强度达峰值，此后Al量再增加，伸长率和强度均明显下降，故含Al量一般控制在9%-11%； 铸态组织耐磨（ 相软基体，均匀分布硬度较高的 相； 表面致密的Al2O3 保护膜耐蚀（海水、酸性介质、氯盐）； 结晶范围小，流动性好，致密，壁厚效应小，但体收缩大（4.1%）,多元铸造铝青铜 （P.214 -),ZCuAl10Fe3铝青铜合金 （10-3铝青铜） 铸态组织： （Cu) ( 2 ) k相（FeAl3) Fe的作用： 形成异质核心，细化（Cu) ； 阻碍三相共析转变 + 2 k ; 扩大（Cu) 相区，减少

10、 相及其转变产物( 2 )共析体，消除“缓冷脆性”； 加入适量Fe明显提高力学性能和耐磨性，但Fe 4%抗蚀性下降。,铝青铜是工业中最常用的一种无锡青铜，其强度、塑性、化学稳定性及致密性均优于锡青铜，且铝青铜中不含锡，成本也较低，可用来代替锡青铜浇注工业用铸件和艺术铸品。但铝青铜熔炼浇注时极易氧化吸气，且收缩大，铸件易产生气孔、缩孔，表面夹渣和裂纹。,1.2 黄铜,黄铜有普通黄铜和特殊黄铜之分，普通黄铜为铜锌二元合金，若加入少量其他元素就构成特殊黄铜。黄铜由于色泽金黄而诱人喜爱，是一种主要的艺术铸造合金材料。著名的武当山金殿、宣德炉等明代艺术铸件就是用黄铜铸造的。,(1) 普通黄铜,锌在黄铜中

11、作用主要是提高强度，改善铸造性能。,图9 Cu-Zn二元相图,常用的二元黄铜平衡状态组织有三种： 含锌量小于38%时为单相黄铜 含锌量为38%47%时为+黄铜 为47%50%时为单相黄铜 普通黄铜的耐蚀性和加工性能等不够好，然而含8%20%Zn的黄铜色泽金黄，为单相组织，抛光后经大气腐蚀，会显出金黄色的斑块，因此在铸造艺术品中应用较多。,普通黄铜,在铜锌合金的基础上加入锰、铝、硅、铁、锡、铅、镍等合金元素，就构成了三元或多元铜合金。加入少量合金元素后，黄铜的机械性能、铸造性能和耐腐蚀性能都能得到显著的提高。特殊黄铜的组织和普通黄铜相似，主要组成仍然是和相。,(2) 特殊黄铜,特殊黄铜,加入合金

12、元素对组织的影响反映在二元相图上，主要是使相区分界线的位置移动了，改变了组织中和两相的组成比例。因此可把合金元素对黄铜组织性能的影响，折算成锌的影响，称为“锌当量”。,表8 各合金元素的锌当量,合金元素的作用 ： （1）铁 黄铜中加入铁的加入量一般为1%3%。它可细化晶粒，提高强度和硬度，增加耐腐蚀性，但超过这个数值，则使合金发脆，降低塑性和耐腐蚀性。,特殊黄铜,（2）锰 锰能提高黄铜的强度和硬度，同时增加抗腐蚀性能，且不降低塑性。 Cu-Zn-Mn系合金的颜色逐渐由红变黄，由黄变白（图10）。当含锌量为30%时，只要加入10%的锰就可使合金变为类似镍白铜所具有的美丽银白色。 若含63.5%C

13、u、24.5%Zn、12%Mn，则具有良好的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性。这两种合金可取代镍白铜铸造艺术铸件。黄铜中加入锰还具有阻止“脱锌”的作用。,特殊黄铜,图10 Cu-Zn-Mn系合金颜色,（3）铝 少量的铝就能强烈地提高黄铜的强度，但降低塑性。铝能提高抗腐蚀性能，提高合金的流动性，浇出的铸件表面质量较好。 （4）硅 少量的硅能显著提高黄铜的强度和硬度，但也显著降低塑性。硅也能提高黄铜的抗腐蚀和铸造性能。 （5）铅 铅主要用来改善黄铜的切削加工性能。 （6）锡 锡主要用来提高黄铜的强度和抗海水腐蚀，故加锡的黄铜又称海军炮铜。锡的加入量一般控制在1%以下。 （7）镍 镍用来细化组织，提高冲

14、击韧性和耐腐蚀性。,特殊黄铜,白铜主要为Cu-Ni-Zn合金，镍赋予银白色泽，并提高耐腐蚀性及硬度，但以30%为限，若过多，熔化时吸气大。锌改善铸造性能，不利于耐蚀性。锡与镍能形成（Cu Ni）3Sn(即)相，起明显的强化作用。白铜中还可加入5%铅，改善加工性能，壁厚时，取下限。,1.3 白铜,白铜的色泽与合金成分有关，如图11所示。铜中增加镍或锌就成为白色，其中镍含量对白铜色泽的影响要比锌强。 白铜呈美丽温和的银白色。有良好的延展性和耐腐蚀性，含20%Ni的白铜常用于铸招牌，含15%20%Ni的白铜多用于日常用品。,图11 镍和锌含量对白铜色泽的影响 1-带黄色 2-黄色 3-白色 4-银白

15、色 5-镍色 6-白色,白铜在液态时急剧吸气。熔化时溶液表面须覆盖木炭。先把铜与镍作成50%Cu+50%Ni的中间合金，待铜镍中间合金和电解铜熔化后经脱氧再加入锌，熔化后再用磷铜进行二次脱氧，磷的加入量为0.03%。白铜铸件凝固过程中容易开裂，浇注时易产生二次氧化，须特别注意。,在铜中加入铍（Be），就可大为提高铜合金的机械性能，增强耐磨性，且成形性及复印性极佳，使铸件可复印出清晰细致的纹饰。 铸造铍铜合金含0.45%2.75%Be，Be含量越高，铸造性能越好，使合金具有金黄色色泽，但成本也越高。低含量的铍，合金呈淡红色或金黄色。铍铜合金价格高，熔炼时铍蒸气有毒，应加强吸排措施。,1.4 铍铜合金,铜合金铸件的常见缺陷如力学性能不合格、气孔、夹渣、渗漏、偏析等，主要原因是熔炼工艺控制不当。铜合金熔炼工艺的要点有： 1) 严格控制合金的化学成分，准确配料。 2) 净化合金液，防止铜液氧化、吸气。 3) 高温熔炼，快速熔化，低温浇注。,2 . 铜合金的熔炼原理及工艺,(1) 铜合金的氧化和脱氧 (P.235-),1) 铜合金的氧化特性 铜合金熔化后，在高温下容易被炉气中的氧所氧化，在液面上进行下列氧化反应 4Cu + O2 = 2Cu2O 反应产物氧化亚铜Cu2O的密度6g / cm3，熔点1235。当温度低于熔点时是固态，呈黑色，=1.711，覆盖膜是致密的，对铜液