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1、铜加工技术基础 苏州有色金属研究院 江苏省铜合金材料工程技术研究中心 李华清 铜的基本概况 ?潮湿环境里，可生成Cu2(OH)2CO3（碱式碳酸 铜-铜绿）； ?可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸；容易被 碱侵蚀； ?优良的传导性 ?常见化合价+1和+2； ?矿物均呈艳丽的色彩； ?历史超过3000年； ?循环经济特性。 分类与命名 铜及铜合金分类ASM ASTM B 187-03 Sb As Bi Cd Fe Pb Mn Ni O P Se Ag S Te Sn Zn = 92.5ppm 紫 铜 铜合金 黄铜 Brass 长崎诚三二元合金状态图集冶金工业出版社 pp145 ?相：CuZn、体心
2、立方固溶体。 ?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，相高温塑性好，可热加工。 ?相：Cu5Zn8、复杂立方固溶体，硬而脆，难加工，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。 H70黄铜的铸态组织及变形后退火组织 ?+两相黄铜含3646Zn，H62H59均属于
3、此 ?凝固时发生包晶反应形成相，凝固完毕，合金为单相组 织，冷至+两相区时，相自相析出，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，相则没有 H60黄铜的铸态组织及变形后退火组织 普通黄铜性能变化与锌含量的关系 ?物理性能： ?密度随锌含量的增加而下降，而线膨胀系数则随锌含量的增加而上升。 ?传导性在区随锌含量的增加而下降，但锌含量在39以上，合金出现时，电导率 又上升，锌含量达50时达峰值。 ?力学性能： ?WZn30时，随锌含量
4、的增加，和同时增大和同时增大，锌含量在3032%范围时，达 最大值。之后，随相的出现和增多，塑性急剧下降。而b则一直增长到锌含量45 附近，b值最大。锌含量超过45，由于相全部消失，而为硬脆的相所取 代，导致b急剧下降。 ?变形和退火后的性能： ?相随锌含量的增加其强度、塑性均增加。当锌含量为30时，塑性最好，适于深冲 压和冷拉，大量用于制造炮弹壳，所以H70黄铜有“炮弹黄铜”之称。 ?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。 典型牌号 ?H96、H90、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
5、、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。 代号代号 化学成分化学成分 / wt%机械性能机械性能 CuZn 加工 状态 加工 状态 b MPa % HB H969597余量余量退火退火25035 H807981余量余量退火退火270
6、50 H686770余量余量退火退火30040 H595760余量余量 退火 变形 退火 变形 300 420 25 5 103 复杂黄铜 ?铜锌合金中加入少量(一般为12 ，少数达34，极个 别的到56)锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素，构成 三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜。 铅黄铜 ?铅黄铜有极好的切削性能，耐磨、高强、耐蚀、导电性好，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 ?(+)两相铅黄铜可热轧、热挤，而单相铅黄铜通常只能冷轧或热挤。 ?在HPb59-1中加入0.005稀土，可细化晶粒，使Pb分布均匀，或加入
7、 0.1Al，改善热脆性，提高热轧温度上限，使铅黄铜可在720750 进行热轧。 锡黄铜 ?锡抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性。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，含量过多降低塑性。 ?HSn70-1热压力加工时易裂，要严格控制杂质含量(如Pb 0.03)，铜取上限(71)，锡取下限(1.0l.2)，在700 720热轧或670720热挤，可获得良好效果。 ?锡黄铜主要用于热电厂冷凝管、热交换器，船舶零件等。 组 别组 别代 号代 号 主要化学成分主要化学成分, %机械性能机械性能(变形
8、变形) Cu其它其它 b MPa % HB Pb黄铜黄铜 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黄铜黄铜HAl 77-276.079.0Al 1.82.665012170 Si黄铜黄铜HSi 65-1.5-363.566.5 Si 1.02.0 Pb 2.53.5 6008160 Mn黄铜黄铜 Fe黄铜黄铜 HMn 58-2 HFe
9、59-1-1 57.060.0 57.060.0 Mn 1.01.2 Fe 0.61.2 700 700 10 10 175 160 Ni黄铜黄铜HNi 65-564.067.0Ni 5.06.57004 铝黄铜 ?铝能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高耐蚀性； ?铝的锌当量系数高，形成相趋势大，能显著提高合金的强度和硬度； ?铝含量增高时，将出现相，降低塑性，使晶粒粗化。 ?为了能进行冷变形，铝含量应4。含2Al、20Zn的铝黄铜，其热 塑性最高。为了进一步提高铝黄铜的抗脱锌腐蚀能力，常加入0.05As 及0.01Be或0.4Sb及.0.01Be。 ?典型牌号HAl77-2，主要用做海船和发电
10、站冷凝器管。 ?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 锡青铜 长崎诚三二元合金状态图集冶金工业出版社 p:142 王祝堂铜合金及其加工手册p:23 锡青铜 ?铸造性能： ?铜锡合金结晶温度间隔可达150160，流动性差； ?锡在铜中扩散慢，枝晶偏析严重，枝晶轴富铜呈黑色；基底富锡呈亮色。 ?锡青铜凝固时不形成集中缩孔，形成沿铸件断面均匀分布在枝晶间的分散缩 孔，铸件致密性差，不适于铸造密度和气密性要求高的零件。 ?锡青铜线收缩率为1.451.5，热裂倾向小，利于获得断面厚薄不等、尺 寸要求精确的复杂铸件和花纹清晰的工艺美术品。 ?“反偏析”倾向，
11、铸件凝固时富锡的组分，在铸件中出现细小孔隙和化学成分 不均匀。 “锡汗”是脆性析出物含锡1518，对铸件质量不利。 ?铸锭在进行压力加工前要进行均匀化退火，并经多次压力加工和退火后，才 基本上消除枝晶偏析。 锡青铜合金铸坯宏观组织 012345678 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) 00# the side part the
12、middle part 0246810 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 Sn,wt% Distance from the surface(mm) 1# the middle part the side part 0369 6 7 8 9 10 S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) 5# the side part the mid
13、dle part 048 6 7 8 9 S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) S n , w t % D i s t a n c e f r o m t h e s u r f a c e ( m m ) 8# the side part the middle part 锡青铜成分检测结果 电磁辅助铸造改善组织抑制偏析 铝青铜 基本性能 ?机械性能 ?强度和塑性随铝含量的增加而升高 ?塑性在铝含量4左右达峰值；而强度在10Al左右达最大值。 ?工业铝青铜含铝量在511范围内。 ?铝青铜具有机械性能高、耐
14、蚀、耐磨、冲击时不发生火花等优点。 ?单相合金塑性好，能进行冷热压力加工。(+)合金能承受热压力加工，但主要用 挤压法获得制品，不能进行冷变形。 ?铸造性能 ?结晶温度间隔仅1080，流动性很好，几乎不生成分散缩孔，易得致密铸件 ?成分偏析也不严重，但易生成集中缩孔，易形成粗大柱状晶，使压力加工变得困难。 ?用变质剂细化晶粒，防止晶粒粗大，加Ti、Mn改善其冷、热变形性能。 ?耐蚀性 ?耐蚀性比黄铜、锡青铜好，在大气、海水和大多数有机酸(柠檬酸、醋酸、乳酸等)溶 液中均有很高的耐蚀性 镍铝青铜 ?铝青铜中同时添加镍和铁，能获得更佳的性能。 ?Cu-Al812 -Ni 46-Fe 46四元合金，
15、当Ni含量Fe含量时，K相呈粒状 均匀分散，有利于改善机械性能。所以工业铝青铜中Fe、Ni含量相等。 ?QAl10-4-4在500的抗拉强度比锡青铜在室温的强度还高。 ?改变时效温度可以调整其强度和塑性之间的配合。 ?含镍和铁的铝青铜作为高强度合金在航空工业中广泛用来制造阀座和导 向套筒，机器制造部门中用来制造齿轮和其它重要用途的零件。 白铜 ?耐蚀性、耐热性、耐寒性好，中等强度，高塑性， 能冷、热压加工，还有很好的电学性能。 ?用作结构材料外、高电阻和热电偶合金。 ?按用途分为结构自铜和电工白铜。 结构白铜 ?具有很好的耐蚀性，优良的机械性能和压力加工性能，焊接 性好，用于造船、电力、化工及
16、石油等部门中制造冷凝管、 蒸发器、热交换器和各种高强耐蚀件等。 ?普通白铜：即Cu-Ni二元合金。铜与镍形成无限固溶体，为 单相固溶体。 ?普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，广泛应用于海船、 医疗器械、化工等。普通白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸 的板、带、管、棒等半成品。 ?高效机械及电站冷凝管及热交换器要求在高温高压下工作， 需用Cu-Ni系合金。舰艇用冷凝管含Ni多为1030。 ?铁白铜 ?普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜。铁能显著细化晶粒，提高强 度和耐蚀性，尤其是提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。 ?10Ni的铜合金中加入l2Fe，提高耐流动海水的冲刷腐蚀。 ?30Ni的金中加入0.5Fe，有相同作用
