第八章 铜及铜合金

1）黄铜 的力学性 能见图8-2，
30-40%Zn 力学性能 好。
图 8-2 黄铜的力学性能与含锌量的关系 1，2—抗拉强度，3，4—伸长率， 1，3—压延后退火状态， 2，4—砂型铸造后退火状态
2）常用黄铜
低Zn黄铜H96、H90、H80，有优良的 冷、热变形加工性能，耐蚀性极好，金黄 色，适于制造各种奖牌和美术工艺品。
图 8-3 锡含量对铸态锡青铜 力学性能的影响
（2）多元锡青铜。Sn资源缺乏，以Zn、 Pb代替Sn；加P提高耐磨性能。
（3）锡青铜的用途。耐蚀、耐磨性好，多 用于制造蜗轮、齿轮。
2. 铝青铜
（1）Cu-Al合金相图 见图8-4。通常铝青铜含铝量小于11%Al。
α相：Cu基固溶体，较 高的塑性。
热影响区粗大晶粒，降低焊缝强度；为了防止焊
缝出现气孔，焊接材料中加入Mn、Si等脱氧元素，
固溶强化提高了焊缝的强度，但降低了塑性。
加入了Mn、Si等脱氧元素，焊缝处的电阻增
大，降低了焊缝的导电性。
8.4 铜合金的锻造性能
铜合金有良好的塑性、较小的变形抗 力，有较好的锻造性能。但不同铜合金的 锻造性能有较大差异。
β相：以化合物为基的 固溶体，体心立方晶 格，有较高的强度和 塑性。
γ2相：以化合物为基的 固溶体，复杂立方晶 格，硬、脆相。
共析转变：565℃发生 共 析 转 变 ， β→ （ α+ γ2 ）。
图 8-4 Cu-Al系二元状态图
（2）缓冷脆性
铸造铝青铜含铝量9-11%左右，快冷时，共 析转变不发生，最终组织为α+ β ，合金有 良好的塑性和强度；缓慢冷却时，发生共 析转变β→（α+ γ2 ），最终组织为α+ （α+ γ2 ）， γ2是粗大的硬脆相，使铸件变脆， 这种现象称为缓冷脆性。出现缓冷脆性后， 重新加热到共析温度以上，快速冷却可消 除缓冷脆性。
工程材料及其成型性
第八章 铜及铜合金
第8章 铜及铜合金
铜和铜合金有优良的导电导热性能，耐磨 抗蚀性能，较高的强度塑性，是电力、化 工、造船和机械制造业不可缺少的金属材 料。
分类：根据成分不同，铜合金分为纯铜、 黄铜、青铜、白铜四种。纯铜：紫铜；黄 铜：主加合金元素为锌的铜合金；白铜： 主加合金元素为镍的铜合金；青铜：主加 合金元素不是锌或镍的铜合金。
（2）易形成集中缩孔。结晶温度间隔较窄，不 易形成分散缩孔。
（3）铸造应力大。黄铜的线收缩率大，故应力 大。特别是含Zn量较多的高强度黄铜，应力更大， 采取低温退火有助于防止铸件变形、开裂。
8.5.2 青铜
主要介绍锡青铜和铝青铜的铸造性能。
1. 锡青铜
（1）金属液充型能力好：Sn强烈降低热 导率，金属液冷却慢，流动性好；锡青铜 液与铸型的界面张力较小，故铜液吻合铸 型的能力良好。可铸造结构复杂，条纹清 晰的艺术品。
H70、H68、H62黄铜的强度高、塑性 较好。可进行冷、热变形加工，主要制造 弹壳、散热器。H62黄铜的强度高，易切削， 多以管材、板材形式应用于汽车、造船、 化工、机械制造业。
2.特殊黄铜
为了提高黄铜的性能等，在普通黄铜 中加入合金元素构成了特殊黄铜。
Sn、Al、Si，提高耐大气、海水腐蚀 性能。
（1）锻造温度范围。见表8-10。铜合金的 锻造温度范围通常小于150℃，比碳钢窄。
（2）终锻温度。终锻温度要严格控制， 低于表8-10的锻造温度下限时，应立即停止 锻造，否则锻件可能开裂；终锻温度过高， 会引起晶粒长大，力学性能降低。
8.5 铜合金的铸造性能
8.5.1 黄铜
（1）流动性好，适于铸造薄壁复杂铸件。结晶 温度间隔较窄（30～40℃），逐层凝固；Zn的沸 点906℃，具有很强的去气和夹杂物的作用，降低 金属液的粘度。
40%，相图上涉及α、β两个相。
α相：固溶体，面心立方晶格。Zn在α相 中的最大溶解度为39%。α相有良 好的塑性，可冷、热变形加工。
β相：以化合物为基的固溶体，体心立方 晶格。456～468℃无序固溶体β相 转变为有序固溶体相。
图8-1 Cu-Zn二元状态图
（2）黄铜 的力学性 能和常用 合金
3. 硅青铜
见 图 8-6 。 常 用 的硅黄铜含1～ 4%Si ， 组 织 为 单 相固溶体。硅青铜 的的强度与碳钢相 近，有良好的耐热、 耐低温和耐蚀性能， 可制造各种化工容 器。
图 8-6 Cu-Si系二元状态图
4. 铍青铜
见图8-7。铍青铜含1.5-2.5%Be，组织。其强
度可达1250-1500MPa，高弹性、耐磨、抗蚀性能。
8.4.1 纯铜、黄铜、青铜的锻造性能
1. 纯铜
（1）中温脆性：
见图8-9是纯
铜的塑性图，在
500 ～ 600℃ 范 围
内，纯铜的塑性
较低，这种现象
称为中温脆性，
变形加工要避开
脆性温度区。
图 8-9 纯铜的塑性图
（2）锻造温度： 800～900℃的温度 范围内，塑性好， 可进行自由锻和模 锻。
Pb，提高耐磨性、切削性能。 Mn、Ni、Fe，细化晶粒，在不降低塑
性的条件下，提高合金的强度。
8.2.2 青铜
（1）按化学成分分类 普通青铜：以Sn为主加合金元素的铜
合金。
特殊青铜：主加合金元素不是Zn、Ni、 Sn的铜合金。
（2）按供货方式分类：压力加工青铜，铸 造青铜。
（3）压力加工青铜牌号
却时产生较大的焊接变形。
2. 易形成热裂纹
焊缝中的杂质元素Pb、Bi、S等，与Cu易形
成低熔点共晶体，如（Cu+Pb）326℃；（Cu+Bi）
70℃。铜合金的凝固收缩大、固态系收缩大，焊
接接头拉应力大。
3. 易形成气孔
扩散气孔：
见图8-8，H的溶解度，液态高，固态低，凝
固时突降，析出气泡；铜的导热快，凝固快，形
（4）铸造黄铜的牌号。
用“ZCu合金元素符号及含量”表示。
如：ZCuZn25Al6Fe3Mn3，
铸造黄铜、25％Zn、6%Al、
3%Fe、3%Mn、余Cu。
常用压力加工黄铜和铸造黄铜的牌号、化 学成分见表8-4、8-5。
1. 普通黄铜
（1）Cu-Zn二元合金相图 见图8-1，工业黄铜的Zn含量通常小于
图 8-15 两种青铜的塑性图
（2）铝青铜： 图8-16，QAl 5铝 青铜室温塑性高， 有中温脆性；图 8-17 ， QA19-4 的 室温塑性和温塑 性均，不宜在室 温和中温下变形。 两 者 在 700 ～ 900℃ 有 良 好 的 塑 性。
图 8-16 QA15青铜的塑性图
8.4.2 铜合金的锻造温度
（3）图8-10是变 形温度-应变-晶粒 尺寸的关系，温度 超过900℃时，晶 粒迅速长大，导致 塑性下降。
图 8-10 纯铜的再结晶图
2. 黄铜
（1）普通黄铜： 见 图 8-13 ， 在 300～700℃出现低 塑 性 区 ， 在 200℃ 以 下 700℃ 以 上 均 有较高塑性，也有 中温脆性的问题。 图8-12，温度超过 850℃ ， 由 于 晶 粒 粗化，塑性开始迅 速下降。
图 8-13 普通黄铜的塑性图
（2）特殊黄铜：
塑性比普通黄铜低，
见图8-14，加入Pb，
特别是含Pb量较高
的铅黄铜高温塑性
更低。
图 8-14 铅黄铜的塑性图
3. 青铜
（1）铍青铜和 锡青铜：青铜在高 温下的塑性差别很 大 ， 见 图 8-15 ， QBe2 在 600-800℃ 有较好的塑性； QSn7-0.2锻造温度 范围很窄，为 700～780℃，其塑 性较低。
（2）易形成分散缩孔：结晶温度间隔宽， 枝晶发达。宜采用金属型铸造，尽量减小 机械加工余量。
（3）易产生热裂：线收缩大。
2. 铝青铜
（1）流动性好、易形成集中缩孔：由于 结晶温度间隔小，因此流动性好、易形成 集中缩孔，这有利于获得致密铸件。
（2）易形成夹杂缺陷：在熔炼和浇注过 程中易形成氧化铝夹杂物，夹杂物会降低 铸件质量。
成的气泡来不及浮出，成为气孔。
图 8-8 氢在铜中的溶解度和温度的关系
反应气孔：
铜氧化生成Cu2O，Cu2O与铜液中H反应：
Cu2O+2H=2Cu+H2O↑ ， 水 蒸 气 不 溶 于 铜 液 ， 成
为气泡；铜导热速度快，凝固快，气泡来不及逸
出形成气孔。
4. 焊接接头的力学性能和导电性能
焊接接头的抗拉强度与母材相近，但塑性低。
8.1 纯铜的性能特点
（1）纯铜的物理性能。如表8-1所示。
（2）纯铜的三类：纯铜、无氧铜和磷脱 氧铜。如表8-2所示。
（3）硬态和软态的概念：经冷变形加工 后，其强度高塑性低，称为硬态。冷变形 加工后退火处理，其强度较低塑性较高， 称为软态。见表8-3。
8.2 铜合金
8.2.1 黄铜
（1）按化学成分分类 普通黄铜：Cu-Zn二元合金； 特殊黄铜：在Cu-Zn二元合金的基础上
加入其他合金元素的黄铜。 （2）按供货方式分类：分为压力加工黄
铜和铸造黄铜。
（3）压力加工黄铜的牌号
普通黄铜：H××； H—黄铜、××—Cu含量。 如：H62是62％Cu、38％Zn；
特殊黄铜：H元素符号××-×； H—黄铜，元素符号—含合金元素种类 ××—Cu含量，×—合金元素含量。 如：HMn58-2， 含58％Cu、2％Mn、 40％Zn的特殊黄铜。
制造弹性元件、耐磨零件，如钟表的弹簧、齿轮等。
Be价格昂贵，使用上受限制。
图 8-7 Cu-Be系二元状态图
8.3 铜合金的焊接性能
焊接结构主要使用纯铜及黄铜，这里 讨论纯铜和黄铜的焊接性能。
1. 难熔合、易变形
铜导热系数较大，热量很快传导出去，