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1、第四章 铜及其合金,铜及其合金是人类应用最早最广泛的一种金属,它有引人注目的三大特点：高的电导率和导热率易成形（包括变形和铸造）良好的耐蚀性,越王勾践青铜剑,剑长55.7cm，湖北江陵出土,北宋,第一节 铜及其合金的分类与牌号,一、纯铜的分类与牌号 1、分类由于脱氧方法和含氧量的不同，工业纯铜分三大类： 工业纯铜（韧铜） 含氧（0.020.1） 脱氧铜 含氧（0.01，用P、Mn脱氧） 无氧铜 含氧（0.0010.003，在真空或保护气氛下熔炼） 2、牌号工业纯铜 T加顺序号 （顺序号增加纯度降低），如T1、 T2、 T3、 T4 脱氧铜 TU加顺序号，如TU1、 TU2 无氧铜 TU加脱氧剂
2、化学元素符号，如TUP、 TUMn铜的最高纯度： 99.999铜的主要杂质：O、Bi、Pb、S,二、铜合金的分类与牌号,1、我国铜合金的分类和牌号： 除纯铜外，按化学成分铜合金分为黄铜、青铜和白铜三大类：（1）黄铜 Cu-Zn合金黄铜的牌号以字母H开头，字母后附以数字表示Cu百分含量例如：H68 （68%Cu、32%Zn）普通黄铜（简单黄铜） 单纯的Cu-Zn二元合金特殊黄铜（复杂黄铜）在Cu-Zn二元合金的基础上再加入其它合金元素若再加入一种元素，则在H后加该元素符号，并在Cu含量后划短横线，再写出该元素的含量。例如 HPb59-1 （59%Cu、40%Zn、1%Pb）若再更多种元素时，只在
3、后面依次划短横线并依次写出各元素的含量例如 HFe59-1-1 (59%Cu、39%Zn、1%Fe、0.7%Mn),（2）白铜 Cu-Ni合金,白铜的牌号以字母B开头，字母后附以数字表示Ni百分含量例如： B30 （70%Cu、30%Ni） 若再加入其它元素，表示方法与特殊黄铜一样例如：BAl6-1.5 (铝白铜 6%Ni、1.5%Al、余量为Cu),（3）青铜,除以Zn和Ni为主加元素以外的铜合金为青铜最主要的青铜 Cu-Sn Cu-Al Cu-Be 青铜牌号以字母Q开头，后附主加元素的化学元素符号及其含量例如： QAl7 (7%Al)若再加入其它元素，则在其后划短横线，再写出添加元素的百分
4、含量例如：QSn6.5-0.4 (锡磷青铜 6.5%Sn、0.4%P),（4）铸造铜合金,在上述铜合金牌号前加Z即为铸造铜合金ZHPb59-1 和HPb59-1 杂质含量稍有不同ZH62和 H62 前者杂质总和1.5%，后者杂质总和0.5% 状态：R热加工，M退火，C淬火，CZ淬火自然时效，CS淬火人工时效，CY淬火后冷轧，Y硬化，T特硬,2、美国铜合金牌号,美国铜业发展协会（CDA）表示法： 用三位数字表示 例如：411（锡黄铜），678（铝黄铜）第一位数表示合金系4表示Cu-Zn-Sn系合金，6表示Cu-Al系、Cu-Si系、特殊Cu-Zn系合金第二、三位数表示合金编号,美国材料与试验协会
5、（ASTM）表示法,以字母C开头后接5位数字表示 例如：C21000（普通黄铜）， C34200（铅黄铜）， C41100（锡黄铜）第一位数表示合金系2为Cu-Zn系合金3为Cu-Zn-Pb系合金4为Cu-Zn-Sn系合金第二、三位数表示合金编号第四、五位数为00,状态,O 退火态为了满足力学性能要求退火，经退火而获得的材料状态 OS退火态为了满足标准规定特殊晶粒度要求，经退火而获得的材料状态 M 制造状态， H冷加工状态， HR拉制冷加工，并消除应力状态， HT有序强化状态， T热处理状态， W 焊接管状态。,第二节 纯铜,一、纯铜的性质1、物性熔点 1083；密度8.9103kg/m3；面
6、心立方晶格 a=0.36076nm；电阻率 17.4nm(毫微欧姆米)； 无磁性；弹性模量（E）105000137000MPa（20）2、力性,3、化学性质,在清洁的干燥空气中不受腐蚀。若空气中含有SO2、H2S、CO2和Cl2时，Cu的表面形成一薄层青绿色铜锈，成分为：CuSO43Cu(OH)2， CuCO3Cu(OH)2和 CuCl23Cu(OH)2在淡水、海水和大多数工业用水中很稳定。在上述介质中受腐蚀程度与其中的氧化剂（O2和CO2）有关。Cu的标准电极电位为0.34V，比H高，不能置换酸溶液中的H。Cu在大多数非氧化性酸（无空气和O2，如HCl）和有机酸（如醋酸）中很稳定。Cu在氧化
7、性酸（如硝酸、硫酸）中迅速溶解。,二、各类纯铜的特点及用途,按脱氧方法和含氧量工业纯铜分三类：韧铜、无氧铜、脱氧铜1、韧铜成材率高 凝固时收缩小，铸锭顶面基本不留凹陷，不必切头，整个锭可 热轧，凝固时不收缩的原因是产生了密度较低的Cu2O,部分地补偿了体积收缩大量冷加工时可能有困难， Cu2O的出现降低冲击韧性冷变形对铜的导电性影响不大,冷加工是强化导电材料比较满意的方法.纯铜在500600出现“中温脆性”，目前认为是由于低熔点金属Pb、Bi与Cu形成低熔点共晶分布晶界造成， 当温度更高时，Pb和Bi又溶入Cu的晶粒内，因此脆性又消失。易产生氢病由于氧含量高（出现Cu2O），不能在高温还原性气
8、氛中加热退火,氢病：,所谓氢病就是含氧铜在还原性气氛（如含H2、CO、CH4等气氛介质）中退火时发生自动变脆或开裂现象。 Cu2O+H2=2Cu+H2O ；Cu2O+CO=2Cu+CO2计算表明：100克含0.01氧的铜，在氢气介质中退火能生成14毫升的蒸汽,韧铜、无氧铜、脱氧铜的硬度相近；韧铜和无氧铜的强度和电阻率相同；韧铜中的氧形成了Cu2O不影响导电率 磷脱氧铜的导电率比韧铜和无氧铜低15。韧铜主要用于线坯：T1、T2 （含氧0.020.06），用作导电、导热、耐蚀器材如：电线电缆、导电螺钉、爆破用雷管、化工用蒸发器T3、T4 （含氧0.1），用作一般铜材如：电器开关、垫片、油管,无氧铜
9、主要特点：高导电、高塑性、低温冲击韧性高、无氢病，广泛应用于电子真空仪器中与玻璃封焊的导线。 脱氧铜：TUP：工艺性能好（焊接性和冷弯性好）一般无氢病，可在还原气氛中加热使用，但不能在氧化气氛中加热使用。以管、板、带材应用于各种管、冷凝器、蒸发器，这种铜用于制管比用于导电方面更广泛，常作焊接结构铜材。TUMn：软化温度比纯铜高，受热不易变形，能保持足够的尺寸稳定性，有良好的工艺性能，一般无氢病。以线材应用,纯铜强度不高：b230240 MPa HB4050 50 冷作硬化： b400500 MPa HB100120 2 合金化原理主要固溶强化，少数时效强化 固溶强化：主要元素Zn、Ni、Sn、
10、Al、Mnb650 MPa时效强化：主要元素Be、（AlTi）（NiAl）b1400 MPa,第三节 黄铜（brass）,黄铜是Cu和Zn的合金，含Zn量低于50，是使用最广泛的铜基合金一、特点 良好的机械性能（退火态，b250350MPa）易加工成形（黄铜常以成形性优良而著称）对大气和海水有良好的抗蚀性价格低廉、色泽美丽单相黄铜不但保持了铜的好的抗蚀性和成形性，还有较高的强度。,二、Cu-Zn系合金的组织,常用的黄铜室温平衡态可能有两个基本相，相和相。 相：Zn溶于Cu的固溶体，塑性好，适于冷热压力加工。 相：是以电子化合物CuZn为基的有序固溶体，bcc结构，电子浓度32，此化合物在456
11、存在有序无序转变：456以下，相，有序电子化合物，较硬脆。456以上，相，无序电子化合物，在高温塑性好。相发生的有序化对其显微组织无影响，但使合金塑性明显降低。,三、Zn含量对黄铜性能的影响 另外，Zn的加入降低Cu的导电性、导热性和密度，提高线膨胀系数,杂质的影响, 对塑性的影响Bi、Pb、Sb、As、P都降低黄铜的塑性热加工脆性原因是杂质形成低熔点化合物分布于晶界。影响最明显的是Bi和Pb，控制Bi0.002，Pb0.03冷加工脆性原因是杂质形成脆硬化合物分布于晶界。影响明显的是Sb、As、P，控制Sb和P分别0.01，As0.03 对抗蚀性的影响微量As（0.020.03）能提高黄铜的抗
12、蚀性，阻止脱Zn，Si（1.01.5）能降低黄铜对季裂的敏感性。,其它元素的影响,Fe：对黄铜有利，能改善铸锭组织，提高强度又不损害塑性，因此，黄铜Fe允许到0.1，黄铜允许到0.2稀土（RE）：是黄铜有效的变质剂，如：H70加入0.013RE，能与Pb、Bi形成难熔化合物（Pb2Ce、Bi2Ce），消除热脆性，改善塑性加工性能，提高生产率。,四、黄铜的腐蚀问题,黄铜的腐蚀主要是脱Zn和SCC 脱锌：尽可能使用低Zn黄铜（Zn15，易脱Zn），加0.020.03As可防止脱Zn。SCC：解决SCC最好的办法是去应力退火。黄铜的季裂（season cracking）：黄铜零件（特别是含Zn高的）
13、以冷加工成形时，由于有残余内应力存在，在氨气、湿气、海水作用下，容易发生SCC现象，称为黄铜的季裂。 解决办法：去应力退火、喷丸或滚压使表面产生压应力，或加As。,五、黄铜的热处理,普通黄铜不能热处理强化，黄铜的主要热处理是退火：1、再结晶退火 6007002、去应力退火 2003003、光亮退火：铜及其合金在热轧过程易氧化，为了防止氧化，提高工件表面质量，需要保护气氛或真空退火，即光亮退火。保护气氛有水蒸汽、分解氨、氮气、干氢、部分燃烧的煤气。Zn15的黄铜不能光亮退火（脱Zn），可采用高压退火。,六、各类黄铜的特点和应用,1、单相黄铜 （冷加工用）抗蚀性和室温塑性好，有一定强度塑性最好的是
14、H70、H68，H70也称三七黄铜或弹壳黄铜软态b320MPa，53，硬态强度可提高一倍。用于枪、炮弹壳，光学仪器中管套零件和复杂形状的冲压件。 2、双相（）黄铜强度高、热塑性好、切削加工性好、价格便宜。H59 也称六四黄铜或蒙茨黄铜，软态b320MPa，53，一般都热轧成棒材、板材，然后切削加工制成零件。 3、H62 商业黄铜应用最广，适于冷热加工,七、特殊黄铜,普通黄铜的弹性极限低、强度低，提高的办法是增加Zn，但增加Zn合金变脆、抗蚀性变坏。因此要加入其它元素提高合金性能。 在二元Cu-Zn合金基础上加入一种或数种其它合金元素形成的铜合金称特殊黄铜，b350550 MPa，通常加入的元素
15、：Al、Ni、Sn、Mn、Fe、Si、Pb 目的：提高机械性能、抗蚀性、抗磨性、切削性,1、铝黄铜提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性HAl72-2 用于海船及海滨热电站用冷凝管及其它耐蚀件。 2、镍黄铜Ni主要提高黄铜的综合机械性能和耐蚀性例如：HNi65-5用于：压力表管、造纸网、海船用冷凝管最常用的是在Al黄铜中再加Ni，进一步提高强度和抗海水腐蚀性例如：HAl59-3-2同时加入Al和Ni使合金有时效强化能力HAl59-3-2 800淬火，400回火，HB提高100,3、锡黄酮Sn主要提高耐蚀性广泛用于船舶零件，有海军黄铜之称 HSn62-1 船舶零件，适于与海水、汽油接触的零件HSn70-1
16、 4、铅黄铜Pb提高黄铜的耐磨性和切削加工性，便宜。HPb59-1 有易切黄铜之称。多以：棒、管、板、带等大量应用于机械制造工业，供切削加工各种零件。钟表零件，电器插座，龙头，螺钉，螺帽。,5、铁黄铜Fe细化晶粒，提高机械性能Fe常与Mn同时加入，HFe59-1-1（0.65Mn，0.25Al，0.5Sn）6、锰黄铜Mn提高机械性能，耐热性。同时提高在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。HMn58-2船舶制造，精密电器制造HMn55-3-1可以铸造海船用重型零件，如：螺旋桨，鱼雷发射管，泵叶，涡轮叶片。7、硅黄铜Si提高机械性能，耐蚀性，铸造流动性。HSi80-3 在制造船舶零部件时，可代替锡黄铜，以降低成本,
