金属材料学第9章 铜合金

Sn对 锡青 铜铸 造性 能的 影响
锡青铜的结晶 温度间隔很大， 易形成疏松，得 不到致密铸件； 流动性差，易产 生偏析，铸造性 能差。但凝固时 体积收缩小，充 满型腔的能力强， 可用来生产形状 复杂、气密性要 求不高的铸件。
锡青 铜的 反偏 析 (锡汗)
锡青铜铸件浇注后尚未完全凝固时， 在枝晶结晶骨架存在低熔点富锡相，在 铸件收缩力的作用下，被挤出铸件表面 或皮下造成“锡汗”。是铸件凝固温度 范围较宽所决定的。
影响：含锌越高, 应力腐蚀倾向越大； 内应力越高，应力 腐蚀倾向越大
防止： 消除内应力的退火（如，弹壳在250～300℃保温1h以上）
黄铜有良好的铸造性能，即流动性高，偏析 倾向小，适用于铸造复杂和精致的铸造制品。
H96、H90等：有金色黄铜之称。导热性、 抗蚀性好。用于冷凝器、散热器和工艺品等
经冷变形、退火后的组织： 白色α+黑色β相
三、青铜
青铜最早是指铜锡合金 ，现代含铝、硅、铍、 锰和铅的铜基合金，也称青铜。
东汉晚期的青铜奔马 （马踏飞燕）
香港大屿山天坛大佛(高26.4m)（250多吨青铜+400公斤黄金） 20世纪90年代初竣工 锡青铜 世界上最大的露天释迦牟尼青铜像
“Q”加上第一个主加元素化学符号及
锡
分解。
青 γ相：CuSn化合物为基的固溶体，硬而
铜
脆，高温相，温度下降立即分解。
中 的
δ相：Cu31Sn8电子化合物，硬而脆，后 续共析反应较慢，为室温相。
相 ε相：Cu3Sn难以出现。 β 、γ、δ相提高合金的强度、耐磨性能，
降低塑性。
铜锡二元合金相图铜端
锡青铜铸造组织金相图 组织： α树枝晶+（α+δ）共析体
常用牌号有B5、B19等 。用于在蒸汽和海水环境下工 作的精密机械,仪表零件及冷凝器, 热交换器等。
小结
铜合金中固溶强化的合金元素主要是锌、铝、锡、 锰、镍等。许多元素在固态铜中的溶解度随温度降低 而急剧减小，如铍、钛、锆、铬等，因而它们具有时 效强化效果。
过剩相强化在铜合金中的应用也较普遍。黄铜和青 铜中的Cu31Sn8等相均产生过剩相强化作用。 由于锌在铜中的固溶度随温度降低而增大，故黄铜 不能热处理强化。黄铜常用的热处理是去应力退火和 再结晶退火。此外，一般青铜也不能热处理强化，但 铍青铜经过固溶处理并时效后，强化效果十分显著。
铅黄铜
Pb实际不溶于黄铜。HPb74-3是单相α铅黄 铜，铅呈细小质点分布在晶界；HPb59-1是双 相（α+β）铅黄铜，切削性特别好，称为易切 黄铜，有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性。广 泛用作钟表机芯的基础部件和汽车、拖拉机等 机械零件如衬套、螺钉、电器插座等。
汽车机油泵衬套
锰黄铜
Mn细化晶粒，不降低塑性的前提下，提高强度 和耐蚀性。
作 在表面形成Al2O3， ↑耐蚀性，超过锡青铜。 用 ↓凝固范围， ↑流动、 ↓偏析， ↑集中缩孔。
但易形成Al2O3夹杂。
应 用
铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐蚀 和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及船舶 制造中的特殊设备等
Al↑→ 强 度 、 塑 性提高。
Al>7~8%，塑性 急剧降低， Al>10~11%，强 度降低。
QSn7-0.2半连续铸造锭坯横截面（左）和外表面（右）
左图箭头所指灰色处为反偏析区，Sn含量高达11%以上， 而锭中心只有5.86%。右图表面为“出汗”形成的偏析瘤
其它元素在锡青铜中的作用
P：脱氧；降低熔点，改善铸造性能；提高 弹性极限和疲劳极限，用于制备弹簧元件。 P0.3%，产生低熔点的磷共晶(α+δ+Cu3P )， 产生热脆。
理
→时效强化。铍青铜淬火时必须严格控制加热温
特
度。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富
点
铍相不能充分溶解，↓沉淀硬化能力
四、白铜
以Ni为主要合金元素 的铜合金。分普通白 铜和特殊白铜。
核潜艇用白铜管
普通白铜是Cu-Ni二元合金，具有较高的耐蚀性和抗 腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。
普通白铜牌号：B+镍的平均百分含量，如B5。
镍黄铜
作用：镍扩大α相区，故双相黄铜添加适 当的镍可转变为单相黄铜。镍能↑强度、韧 性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热加工。镍 对脱Zn应力腐蚀起稳定作用，可显著提高黄 铜在大气和海水中的耐蚀性。
可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等， 还可作锡磷青铜的代用品。
硅黄铜
硅黄铜 加入1.5~4.0%Si，能↑↑黄铜在海 水中的耐蚀性以及抗应力腐蚀能力，改善铸 造性和焊接性。HSi80-3硅黄铜显微组织为 α+β，主要用于舰船制造和其它工业中的耐 蚀零件和接触蒸汽的配件等。
锡黄铜
锡黄铜在普通黄铜中+0.5~1.5%Sn。 作用：抑制脱Zn，提高耐蚀性。并使黄铜 强度和硬度↑，改善切削加工性。
锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制 造工业，如冷凝管、船舶零件、船舰焊接件的 焊条等，故有海军黄铜之称。
铝黄铜
黄铜中加入少量铝（0.7~3.5%） 作用：在表面形成致密和牢固的Al2O3膜，↑ 耐蚀性。细化晶粒，↑硬度和强度。但＞2% Al 时塑韧性↓。 含2%Al、20% Zn的铝黄铜具有最高热塑性， 所以HAl77-2合金得到广泛应用。 含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力 腐蚀倾向，必须进行充分低温退火加以消除。
元素，38为锌的平均质量分数
黄铜铸件 黄铜棒
1、普通黄铜
组织
＜36%Zn 的合 金为单相α黄铜，
36～46% Zn合 金为α+β双相黄铜 ， 易热加工，为热加 工黄铜。
普通黄铜的显微组织
单相黄铜
双相黄铜 (α-亮色；β-暗色)
随Zn↑,导电导热性↓，线胀系数↑
＜30%Zn时,随Zn↑,强度和塑性↑, δ达
金属材料学第9章 铜合金
2、铜的应用
由于自然铜的存在， 铜及铜合金是人类历史上使用最早 的金属材料之一。
上左: 编钟 上右: 永乐大钟 下左: 越王广泛。
➢ 电气、电子工业：电缆、大规模集成电路、超导电线、超 导电磁体
➢ 机械制造、运输车辆：阀门、仪表、轴承、泵、热交换器 ➢ 化学工业：真空器、蒸馏锅、酿造锅 ➢ 国防工业：子弹、炮弹壳 ➢ 建筑工业：暖气管道、建筑材料以及装饰品
ZCuSn10 铸态
α +（α+δ）共析
Sn对 锡青 铜力 学性 能的 影响
通过固溶强化、第二相强化提高强度、 硬度和耐磨性 。
Sn↑,强度↑，当Sn＞6%后， ↓↓伸长 率;Sn＞20%，出现大量δ相，合金变脆， 强度↓ 。因此，工业用Sn青铜的Sn含量 均在3~14%之间。
Sn ＜7~8%的合金，有高的塑性和强 度，适用于塑性加工；
3、铜的分类
纯铜
Cu> 99%，呈紫红色，又称紫铜。 其牌号以汉语拼音字头“T”加数字 表示，数字越大，杂质的含量越高， 工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、 T4。纯铜用于制作导电、导热及兼 具抗蚀性的器材(在大气、淡水中 具有良好的抗蚀性，在海水中的抗 蚀性较差)。
杂质对纯铜性能的影响
工业纯铜中通常有0.1-0.5％杂质（Pb、Bi、O、S、 P等），它们对铜的力学性能和物理性能及工艺性 能有很大影响 导电性：使铜的导电性能下降 热脆：Pb、Bi等杂质能与铜形成低熔点的共晶体， 铜在加热时，这些共晶体发生熔化，形成热脆 冷脆：S、O与铜形成Cu＋Cu2S，Cu＋Cu2O共晶体， 属脆性化合物，冷加工时易产生裂纹 氢病 ：O含量过高，氢或一氧化碳易与晶界的氧化 亚铜(Cu2O)作用，产生高压水蒸气或二氧化碳气体， 使铜破裂。
普通黄铜：H62表示含62%Cu、38% Zn
牌 号 表
特殊黄铜：用“H”加主添元素的化学符号再加 铜含量和添加元素的含量表示。 如HMn58-2表示58%Cu，2% Mn，余量Zn
示
方
铸造黄铜:用 “Z”再加铜化学符号和主添元素
法
化学符号及含量表示。
如ZCuZn38：Cu为基体元素，Zn为主要合金
纯铜
形变退火
退火孪晶
铜合金
按化学成分： 黄铜：Cu-Zn合金，称为普通黄铜，在此基础上添加其
它Me称为特殊黄铜 青铜：Cu-Sn(或Al、Si、Be、Mn、Pb)合金，分别称为
锡青铜（普通青铜）和无锡青铜（特殊青铜） 白铜：Cu-Ni合金
按成型方法分：变形铜合金和铸造铜合金
二、黄铜
黄铜是以锌为主要元素的铜合金。
牌
含量再加上其它合金元素含量。
号
如QSn4-3为含4%Sn，3% Zn锡青铜；
表
铸造青铜：“Z”表示铸造，“Cu”表示
示
铜基体。如ZCuPb30表示铸造铅青铜，
铅的平均质量分数为30%
1、铜锡二元合金
α相：Cu基固溶体，fcc结构，塑性好。
β相：Cu5Sn电子化合物为基的固溶体，
高温下稳定，有热塑性，温度下降立即
H70、H68：为三七黄铜。强度较高，塑性 好，用于冷冲压、深拉伸的形状复杂件。大量 用于弹壳，所以也称为弹壳黄铜。 Zn?
H62：强度高，塑性也好，常、用于水管、 油管，也称为商业黄铜。
冷凝器管
2、特殊黄铜
合金 元素 的锌 当量
在铜锌合金中加入Sn、Mn、Al、Ni、 Si、Pb等合金元素，合金元素都能固溶 于铜中，替代了一部分Zn，通常只是使 Cu-Zn状态图中的α、（α+β）相区相图 位置和组织产生影响，改变了α与β的组 成比例，起到增Zn或减Zn的作用。相当 于普通黄铜中增加或减少了锌含量的组 织。用Zn当量来估计特殊黄铜的组织。
含 Sn ＞ 10% 的 合 金 ， 因 塑 性 低 ， 只 适 用于铸造用。
铸态锡青铜力学性能与Sn含量的关系
Sn对 锡青 铜耐 蚀性 能的 影响
锡青铜显微组织中的α和δ 相有相近的 电极电位, 所以微电池作用甚微。另外, 铸造锡青铜表面能形成致密的SnO2薄膜, 有很好的保护作用, 因此在泵、阀、给排 水管路和船舶器件中广泛应用，在大气、 海水、淡水、蒸气中的耐蚀性都较高。 但在氨水和酸性介质中易腐蚀。
铁黄铜
Fe细化铸造组织，抑制退火晶粒长大，有析出 强化效果，提高强度和改善减摩性。
3、黄铜的热处理
普通黄铜不能固溶强化，不能热处理强化。 普通黄铜热处理类型：再结晶退火和去应力
退火。
α黄铜铸态组织：树枝晶
α黄铜形变及再结晶退火组织
（α+β）黄铜（双相黄铜）的铸态及退火组织
H59铸态组织：α相（白色） 呈网状在β相晶界析出，并在 β相晶内成片状析出，性能差
Pb：以夹杂存在，提高耐磨性，降低力学性 能。ZCuSn5Pb5Zn5滑动轴承材料。
Zn：固溶强化，节约Sn；缩小结晶温度区间； 脱氧去气。
2、铝青铜
特
强度和耐蚀最好，应用广泛。是锡青铜的
点 重要代用品，但铸造性和焊接性较差。
通过固溶强化、第二相强化，↑强度、硬
铝
度，高于黄铜和锡青铜；耐磨性好。
温性，良好的导电、导热性，无磁性、受冲击时
性
不产生火花。
能
淬火状态塑性好，可冷加工成管、棒、带材等各
特
种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能提
点
高强度（σb可1200MPa），而且能↑↑ σp 。媲美高
强度合金钢。
特别适用于仪表弹簧，高速、高温、高压下工作
的轴承等耐磨零件，防爆工具等。
处
固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体，
解决办法： 添加Re与杂质元素形成高熔点化合
物；减慢铜原子扩散，即有序化过程 。
黄铜的自 裂（季裂、 应力腐蚀
开裂）
零件冷压力加工（挤压、冲压、弯曲等） 成型时，因残余内应力存在，在氨、湿 气、海水作用下，极易出现应力腐蚀开 裂现象。
形成原因：脱锌 --- 锌的电极 电位远低于铜, 所以在某些介 质下优先溶解、腐蚀，留下空 洞，降低合金强度。黄铜在海 水中极易发生应力腐蚀开裂。
故压力加工铝青 铜：Al 5~7%； 铸造铝青铜： Al7~12%。
含Al量对铝青铜力学性能的影响
3、铍青铜
铍青铜是加入1.5~2.5%Be的铜合金，除Be外，还加入镍、 钛、镁等合金元素。常用QBe2 、 QBe1.9。
唯一可固溶、时效强化，性能最好的一种铜合金。
具有很高的强度、弹性、耐磨性、耐蚀性及耐低
性 到最高值;
能
＞32% Zn时，由于出现脆性β′相，
塑性↓，强度↑ ,在45%Zn时达最大值
铸态黄铜 性能与锌含
量关系
单相 黄铜 中温 脆性
在200~700℃热加工时易出现。原因： α相区内存在α1(Cu3Zn)α 2 (Cu9Zn)
两个有序化合物，在中低温加热时 出现有序化转变。 微量Pb、Bi有害杂质热脆引起。