铸铜、锌课件2016

多元铸造铝青铜 （P.214 -)
ZCuAl10Fe3铝青铜合金 （10-3铝青铜） 铸态组织： α（Cu) ＋(α＋ γ2 ) ＋k相（FeAl3) Fe的作用： ①形成异质核心，细化α（Cu) ； ② 阻碍三相共析转变 β → α+ γ2 ＋k ; ③ 扩大α（Cu) 相区，减少β 相及其转变产 物(α＋ γ2 )共析体，消除“缓冷脆性”； ④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。
⑥
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。
⑦硅ຫໍສະໝຸດ 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).
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δ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δ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25～30mm。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δ相被包 围在α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，迫使富锡溶体沿α枝晶 间的显微通道向铸件表面渗出，表面。堆 积在铸件
Cu-Al二元合金性能 （P.214）



主要决定于铝含量，如图5-9：Al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（ α相软基体，均匀分布硬度较高 的β ˊ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%）
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
。①
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。现代室外艺术铸件 常选用含锌的锡青铜，俗称炮铜.
(2) 特殊黄铜
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β和α相。
特殊黄铜
加入合金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β和α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”。
图10 Cu-Zn-Mn系合金颜色
特殊黄铜
（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，提高冲击韧性和耐腐蚀性。
(1) 普通黄铜

锌在黄铜中作 用主要是提高 强度，改善铸 造性能。
图9 Cu-Zn二元相图
普通黄铜
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α——α黄铜 含锌量为38%～47%时为α+β——α+β黄铜 为47%～50%时为单相β——β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α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。
表8 各合金元素的锌当量
合金元素 锌当量 硅 +10 铝 +6 锡 +2 铅 +1 铁 +0.9 锰 +0.5 镍 -1.3
特殊黄铜
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。

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。
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
⑤
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。

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
图4 含锡量对青铜机械性能的影响
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，α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。
2 . 铜合金的熔炼原理及工艺
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。
1.3 白铜
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θ)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。
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。
C 565 2
在缓慢冷却条件下，β相发生共析转变
2
565C
形成的γ2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 β相来不及共析转变，合 金组织为α+β相，强度高，塑性好。所以， 铸件可在750℃左右空冷或水冷；且β相过 冷到520 ℃发生晶格有序转变，成为β1 相， 冷到325 ℃又变为 β ˊ相，综合性能得到提 高； 加入适量铁、锰等合金元素，以增加β相的 稳定性，不使其分解； 加入镍，以扩大α相 区，消除β相。
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%Cu、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。

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： α固溶体和（α+δ）共析体 α相——锡溶于纯铜中的置换型固溶体，塑性 良好 δ相——以金属间化合物（Cu31Sn8）为基的 固溶体，硬而脆


耐磨性好（ δ相硬质点镶嵌于软基体中）
图8 Cu-Al二元相图

Al≤11% 平衡组织 （P.213)


1035℃ 共晶转变 L→ α+β (共晶点8.3%） 565 ℃ 共析转变 β → α+ γ2 (共析点11.8%） α相 为铝溶于铜的固溶体（面心立方晶格 ），强度、塑性比纯铜高很多； β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γ2相含量过多会使合金变脆。
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。
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
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
图6 Cu-Sn-Pb系合金的抗拉 强度σb/（kg· mm-1）
图7 Cu-Sn-Pb系合金的延伸率
Cu-Sn-Pb系合金在室温状 态下金相与颜色的关系
锡青铜中合金元素的作用
③
镍
青铜中镍无限地溶于α固溶体内，促使α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。 ④
锡青铜中合金元素的作用
②
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。
1.4 铍铜合金
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。