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1、第4章 铜及铜合金,4.1 概述 4.2 纯铜 4.3 铜合金 4.4 铜合金的应用,4.1 概述,铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。 铜存在于地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为0.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到35。 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。 铜矿石分为三类： （1）硫化矿，如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。 （2）氧化矿，如赤铜矿(Cu2O)
2、、孔雀石CuCO3Cu(OH)2、蓝铜矿2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。 （3）自然铜。铜矿石中铜的含量1左右（0.53）便有开采价值，因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去，而得到含铜量较高（835）的精矿砂。,纯铜：面心立方晶格，原子量 63.54，密度8.9，熔点1083 电阻率0.01673 欧姆 mm2/m ，线性膨胀数17.610-6/，导热率0-100 399W/mk。软态 280MPA，延伸率40%,4.1 概述,从铜矿中开采出来的铜矿石，经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂，铜精矿需要经过冶炼提成,才能成为精铜及铜制品. 目前
3、，世界上铜的冶炼方式主要有两种：火法冶炼与湿法冶炼） 1火法: 通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一，包括旧废铜和新废铜，旧废铜来自旧设备和旧机器，废弃的楼房和地下管道；新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50左右),一般废铜供应较稳定，废铜可以分为：裸杂铜:品位在90以上；黄杂铜（电线）:含铜物料（旧马达、电路板）；由废铜和其他类似材料生产出的铜，也称为再生铜。 2湿法: 一船适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。,4.1 概述,4.1 概述,工业纯铜的牌号及应用 纯铜含铜 99.90-99.99
4、%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达 99.99%99.9999% ，又称为4N、5N、6N铜。 工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。 无氧铜用 “T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。 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。,4.2 纯铜,纯铜的性能 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、导热性由高到低的顺序为：银、铜、铝、镁、锌、镉、钴、铁、铂，锡、铅、锑。 20时铜的电阻率为1.613cm，热导率为
5、402WmK； 银为1.590cm， 银为419WmK。 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。导电器材用量占铜材总量一半以上。 所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。固溶于铜的元素(除Ag、Cd外)对铜的导电、导热性降低较多，而呈第二相析出的元素则对铜的导电、导热性降低较少。 Ti、P、Si、Fe、Co、As，Be、Mn、Al强烈降低Cu导电性。 冷变形对铜的导电性能影响不大，与其它强化方法(如固溶强化)相比冷加工后导电性的降低要小得多 A1203弥散强化可提高铜的强度而又不使其导电率明显下降。,4.2 纯铜,4.
6、2 纯铜,耐蚀性：铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，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，CuS043Cu(OH)2)或碱性碳酸铜(CuCO3Cu(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。所以野外架设的大量导线、水管、冷凝管等，均可不另加保护。 铜在海水中的腐蚀速度不大，约为0.05mma；加入0.150.3As能显著提高铜对海水的抗蚀性。 铜在非氧化性的酸(如盐酸)、碱、多种有机酸(如醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸)中有良好
7、的耐蚀性。但是，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。 铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。,4.2 纯铜,磁性：为逆磁性物质，磁化率为-0.08510-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器。铁磁性杂质(Fe、Co、Ni)在铜中呈不溶状态时，即显铁磁性。用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01以下。 铜的机械性能 软态铜：b=200240M
8、Pa， 35 45HB，50，达75。硬态铜：b350400MPa， 110 130 HB，延伸率=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8595而不产生裂纹。纯铜在500600呈现“中温脆性” ，热加工需在高于脆性区温度下进行。 中温脆性是低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，因在中温区它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。,4.2 纯铜,杂质及微量元素对铜压力加工性能的影响 纯铜中的杂质分为三类： 固溶于铜的杂质及微量元素；
9、很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素； 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。 杂质元素对铜塑性的影响，取决于铜与元素的相互作用。当杂质元素固溶于铜时，影响不大；若杂质元素与铜形成低熔点共晶时，则会产生“热脆”。若杂质元素与铜形成脆性化合物分布于晶界时，则产生“冷脆”。 磷：固溶于铜的杂质磷熔点44，700时磷在铜中的溶解度为1.75，而200时则只溶解0.4，温度下降磷在铜中的溶解度也下降。磷显著降低铜的导电、导热性，但对铜的机械性能特别是对焊接性能有益。磷常作为铜的脱氧剂使用，并提高铜液的流动性。过量的磷会生成Cu3P脆性化合物，造成“冷脆”，所以过量
10、的磷有害。,4.2 纯铜,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，但显著降低铜的导电、导热性。砷可提高铜的再结晶温度，提高铜的耐热性；此外，砷显著提高铜的耐蚀性，作冷凝管用的铜管中均加入少量的砷；还可改善含氧铜的加工性能。 锑： 熔点630，共晶温度（645）下锑在铜中的固溶度11。随温度降低，锑在铜中的溶解度急剧降低，并形成脆性Cu3Sb，分布在晶界上而造成“冷脆”。锑同时造成铜的导电性和导热性的严重降低，导电用铜的含锑量不允许超过0.002。 铅： 熔点327，基本上不溶解于铜，微量的铅与铜形成低熔点共晶组织(CuPb)，共晶温度为326，共晶体最后结晶并集中
11、在晶界上，铅呈黑色颗粒状分布在晶界上，热加工时，铅先熔化，使金属晶粒之间的结合力受到破坏，造成“热脆”。铅限制在0.0050.05。,4.2 纯铜,铋： 熔点为271，不溶于Cu中，在270与Cu生成低熔点共晶(Cu+Bi) 。Bi在低熔点共晶中呈薄膜状分布在铜的晶界上，热加工时，薄膜熔化而造成“热脆”。Bi本身也是脆性相，使铜在冷态下也会变脆，所以Bi不但造成“热脆”，也造成“冷脆”，对铜危害严重。铋的极限含量不大于0.002。 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
12、Cu2O硬而脆，使冷变形产生困难，致使金属发生“冷脆“。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140cm3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。含氧量达0.005的铜，即出现“氢病”。 根据氧含量和生产方法，纯铜可分无氧铜、脱氧铜和纯铜三类，其中只有无氧铜才能在高温还原性气氛中加工使用。,4.2 纯铜,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(+Cu2S)集中在晶界上，Cu2S硬而脆，致使金属发生
13、“冷脆”。 硫的最大允许含量为0.0050.01。 硒，碲：在固态铜中的溶解度极小，生成Cu2Se、Cu2Te脆性化合物，凝固时沿晶界析出，造成“冷脆”。铜中含0.003硒和0.0050.003碲即可使其焊接性能恶化。,4.3 铜合金铜合金分类及强化方法,铜合金：黄铜、白铜，青铜。 黄铜：简单黄铜和复杂黄铜。 简单黄铜：为CuZn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。第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如HSn70-1表示含70Cu、1Sn、余为锌的锡黄铜。多元合金则
14、以第三种含量最多的元素相称，如： HMn57-31：57Cu、3Mn、1Al、余为锌的锰黄铜； HAl66-632：66Cu、6Al、3Fe、2Mn、余Zn的铝黄铜 白铜：铜为基、镍为主要合金元素的铜合金。以B表示。 如：BlO为10Ni、余为铜；B30为30%Ni、余Cu的铜镍合金。 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6.5Sn、0.1P、余为铜的锡磷青铜。QA15为5A1、余为铜的铝青铜。QBe2为2%Be、余下为铜的铍青铜。,4.3 铜合金黄铜,4.3.1 黄铜
15、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、六个相。 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(39Zn)；之后，锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。 含锌量为25左右的相区，存在Cu3Zn化合物的两种有序化转变，采用X射线、电阻、差热分析等方法测定发现：在450左右无序固溶体转变为l有序固溶体，在217左右，l有序固溶体转变为2有序固溶体。 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,相：以电子化合物CuZn为基的体心立方
16、晶格固溶体。冷却过程中，在468456温度范围，无序相转变成有序相。相塑性低，硬而脆，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。所以，工业用黄铜的锌含量均小于46，不含相。 工业用黄铜，按其退火组织可分为黄铜和+两相黄铜。黄铜只用作焊料。 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。,4.3
