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1、,第十四章 铸造铜合金,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)、孔雀石CuCO3Cu(OH)2、蓝铜矿2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石
2、(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%,概述,工业纯铜的牌号及应用 纯铜含铜 99.90-99.99%，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、
3、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。,纯铜,本章主要内容1、铸造锡青铜2、铸造铝青铜3、铸造铅青铜4、其他青铜5、铸造黄铜6、铜合金成分优化设计,第一节 铸造锡青铜,一、Cu-Sn二元合金的成分、组织存在相： 、 Cu5Sn、CuSn、Cu31Sn8室温组织：平衡态 +（+） 铸态 +（+）存在晶内偏析，组织疏松，塑性差，但有利于耐磨,二、 Cu-Sn二元合金的性能及工艺特点1、性能2、工艺特点 收缩性小
4、， 反偏析，冒锡汗 热裂 3、应用 形状复杂的铸件、艺术铸件等加合金元素 P、Zn、Pb等 提高力学性能，铸造性能，耐磨性，切削加工性,三、常用特殊锡青铜1、ZCuSn10P1锡青铜 磷作用：生成Cu3P提高硬度，脱氧，提高流动性。 产生氢，要求干型 耐磨性好，用于耐磨零件，重载、高速。2、 ZCuSn10Zn2锡青铜 锌的作用：减轻缩孔缩松，提高致密性，提高铸造性能， 固溶强化。 耐磨性好，用于耐磨零件，中载，耐蚀3、 ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜 铅的作用：独立存在，软质点润滑耐磨，填充缩孔缩松，提高且削加工性。 耐磨性好，用于耐磨零件 ，中等载荷转速轴承等。,第二节 铸造铝青铜,一、C
5、u-Al二元合金的成分组织1、组织 、Cu3Al （快冷） +2 Cu32Al 19（平衡） 2、性能 力学性能，耐磨，耐蚀 收缩大组织致密，流动性好3、缓冷脆性 缓冷： 分解成2网状分布 工艺措施：快冷 加合金元素： 稳定、扩大区 Fe，Mn Ni,二、常用特殊铝青铜1、ZCuAl10Fe3铝青铜 Fe作用：异质晶核细化，阻滞三相共析 - +2 +k，扩大相区。 性能应用：中等载荷、低速。便宜2、 ZCuAl9Mn3铝青铜 Mn作用： 提高相稳定性，细化晶粒消除缓冷脆性，溶入相强化合金。 性能应用： 中等载，荷耐磨，化工高压阀门。,3、 ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铝青铜 Ni溶入相提高
6、耐蚀性，耐海水腐蚀，强度高（锰高 +Cu3Mn2Al）。 性能应用：机械性能高，耐蚀，应用大型舰船等。抗海生物附着能力差4、 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铝青铜 镍高锰低，耐蚀性提高,力学性能不低。 性能应用：同上，抗海生物附着能力强。,第三节 铸造铅青铜,一、成分组织 不溶 混合二、性能应用 力学性能差，耐磨性好，摩擦系数低 轴承衬瓦，300以下,第四节 其他青铜,一、铍青铜1、组织 +2 CuBe有序固溶体2、性能 强度高，弹性极限高 耐磨性好 撞击不产生火花 工艺性差3、应用二、铜锰高阻尼合金 强如钢、声如木,阻尼：是指任何振动系统在振动中，由于外界作用/或系统本身固有的原因引起振动幅
7、度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征称为阻尼。,4.3.3 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。 冷凝管及热交换器原
8、用黄铜及锡黄铜制造，易脱锌腐蚀，用铝黄铜腐蚀大为减轻，但高效机械及电站要求能在高温高压下工作的冷凝管及热交换器，此时需用更高强度及更高耐蚀性的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，对提高耐流动海水的冲刷腐蚀有显著效果。 30Ni的合金中加入0.5Fe，有相同作用。白铜中Fe的加入量不超过2，否则，反而引起腐蚀开裂。锌白铜：锌白铜亦称“镍银”或“德国银”。锌能大量溶于Cu-Ni合金中，形成单相固溶体。锌起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀
9、能力。 BZnl5-20耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。铝白铜：铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀性，抗寒，有很好的弹性并能承受冷热加工。铝白铜的机械性能和导热性比B30还好，耐蚀性接近B30，焊接性好，可代替B30。,电工白铜：应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜锰铜：BMn3-12锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。 用来制作工作温度在100以下的标准电阻、电桥、电位差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。康铜
10、：BMn40-1.5锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能并能很好地和承受压力加工。康 铜与Cu、Fe、Ag配对时有高的热电势，康铜与铜线接触的热电势为3910-6V，而锰铜只有1.610-6V，铜与康铜配用于-100+300温区测温；也用来制作滑动变阻器，工作温度在500以下的加热器。 考铜：BMn43-0.5锰白铜又称考铜。电阻系数高，与铜、镍铬、铁配对时产生的热电势大，同时温度系数很小(实际上等于零)。 广泛用在测温计中做补偿导线和热电偶的负极。考铜和镍铬合金配对组成的热电偶，测温范围可由-253(液氢)到室温，灵敏度极高。,第五节 铸造黄铜
11、,一、Cu-Zn二元黄铜1、成分组织2、力学性能3、铸造性 结晶温度范围小，流动性好，收缩大4、提高铸造黄铜性能的途径 合金化：加入铝、锰、硅、铅、镍等。固溶强化提高力学性能， 铸造性能，切削加工性。 细化晶粒：加入铁微量硼、钒、钛、锆等。 提高纯度：严格控制杂质。5、锌当量 硅、铝、锰等缩小相区，镍、钴扩大相区。 各种元素锌当量系数见表14-4 据锌当量确定组织 39% + ,二、特殊黄铜1、硅黄铜ZCuZn16Si4 硅提高铸造性能，耐蚀性能，固溶强化。 应用：金属型或压铸，泵壳、叶轮、阀体等2、铝黄铜ZCuZn26Al4Fe3Mn3 铝、锰溶入、 相，铁形成k相，提高性能， 铝提高耐蚀性
12、能。 应用：船、舰推进器。3、锰黄铜ZCuZn40Mn3 Fe1 锰溶入、 相提高性能，提高抗腐蚀性,H70黄铜的铸态组织及变形后退火组织,第六节：铜合金的优化设计 自己看,对铜合金液的质量要求：,（1）必须严格控制合金的化学成分。（2）铜合金液要求纯净。（3）严格控制熔炼温度和浇注温度，熔炼时间应尽量缩短。（4）防止合金的偏析。,第一节 概述,铜在熔炼的高温下，很容易被空气中的氧氧化，在铜液表面进行下列的氧化反应：反应后生成氧化亚铜（Cu2O），氧化亚铜具有二个特点：,第二节铜合金的氧化及脱氧,（一）氧化亚铜能溶解于铜液中,氧化亚铜在铜液表面生成后，能不断溶解于铜液中。随着温度的下降，氧化亚
13、铜和相在1066时形成Cu2O共晶体，共晶体（Cu2O）分布在晶粒边界处。,第二节铜合金的氧化及脱氧,第二节铜合金的氧化及脱氧,析出的Cu2O对纯铜及锡青铜、铅青铜等具有很大的危害性，它比其它氧化物（如Al2O3、SiO2、SnO2等）对机械性能的破坏作用更大。如果合金中含有氢，则Cu2O的危害性就更大，这是因为Cu2O与氢在凝固阶段同时大量析出，并在晶界处迅速产生化学反应：,第二节铜合金的氧化及脱氧,反应生成水蒸汽，在凝固过程中水蒸汽的压力随着晶间压力的增大而增加。一方面导致凝固时铸件上涨，组织疏松，气孔大量产生；另一方面导致晶粒间大量显微裂纹产生，晶粒间结合力大大降低，从而使纯铜变得很脆。
14、由于Cu2O存在并与氢反应而引起纯铜严重脆化的现象，又称为“氢脆”。,第二节铜合金的氧化及脱氧,（二）氧化亚铜具有很高的分解压力,Cu2O的分解压力很高，能很快地将铜合金液中的合金元素氧化，而本身被还原，如：生成的氧化物悬浮弥散在铜液中，危害性较大。,第二节铜合金的氧化及脱氧,二、铜合金的脱氧,所谓“脱氧”，就是使溶解在金属液中的氧化物还原的过程。铜合金的脱氧就是使铜液中的氧化亚铜还原的过程。加入一种与氧亲和力比铜与氧亲和力更大的元素，将氧化亚铜中的铜还原出来，生成的脱氧产物上浮至液面而被排除的过程，称为“脱氧”。加入铜合金液中能使其中氧化亚铜还原的物质，称为“脱氧剂”。,1、脱氧的基本原理,
15、2、脱氧剂的选用,对铜合金脱氧剂要求：（1）脱氧剂的氧化物分解压力应小于氧化亚铜，其氧化物分解压力值与Cu2O分解压力值相差愈大，脱氧反应进行得愈完全，愈迅速。（2）加入的脱氧剂，应对铜合金性能无害，加入的脱氧剂除了大部分与Cu2O互相作用进行脱氧而消耗外，会有微量残留在铜液中。（3）脱氧剂的反应产物应不溶解于合金液，易于凝聚、上浮而被除去。（4）脱氧剂要价格便宜，来源广。,3、脱氧的几种方法,根据脱氧剂的不同性能，铜合金脱氧的方法有三种：（1）沉淀脱氧：加入的脱氧剂能溶解于铜合金液中，使脱氧反应在整个溶池内进行，这种脱氧速度快，脱氧彻底。（2）扩散脱氧：有些脱氧剂不溶解于铜合金液中，脱氧反应仅在铜合金液界面上进行，由于Cu2O需不断向界面扩散才能脱氧，故称为扩散脱氧。（3）沸腾脱氧：所使用的脱氧剂能与氧作用，产生不溶解于铜液的CO气体，由于CO气体产生后能立即很快上升，因此引进合金液激烈翻腾，故称为沸腾脱氧。,
