第10章 铜合金-2015S

Cu-Al合金
成分与冷却速度对组织的影响
A15%-8%: 单相α合金。有高的塑性，一般做变形合金 Al >8%: 在高温下为α+β双相合金，可经受热加工，一般用 热挤压法成型。
铝青铜有良好耐蚀性，在大气、海水、碳酸和有机酸中，耐 蚀性优于黄铜和锡青铜；
工业中二元铝青铜有QAl5、QAl7和QAl10
一. 锡青铜
一）二元锡青铜
1. 相：
α相：含锡的铜基固溶体； β相：Cu5Sn 电子化合物为基的固溶体；
共析分解β—α+ γ（586 ℃ ） γ 相： CuSn 为基的固溶体。 γ—α+ δ （520 ℃ ） δ相：Cu31Sn8 电子化合物。
δ —α+ ε （Cu3Sn） （350 ℃ ）
Cu-Sn合金
根据O%和生产方法的不同，可分为三类:
韧铜：0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4 T1、T2： 导电及高纯度铜合金用 T3、T4： 一般用铜材及铜合金
无氧铜：<0.003%； TU1，TU2: 主要用于电子真空仪器仪表中导体
脱氧铜：<0.01%；TUP，TUMn； TUP 主要用于焊接用铜材，制作热交换器\凝管等 TUMn 用于电子管用铜材
上船舶、矿山机械零件； 3）力学性能 工业锡青铜中锡含量不超过14%，其中
Sn<7-8%: 变形锡青铜，有高塑性和适宜的强度； Sn>10%: 铸造合金，用于铸件。
Cu-Sn合金随Sn%的组织与性能变化
二）多元锡青铜
二元锡青铜的工艺性能和力学性能需要进一步改进，一般工 业用锡青铜部分别加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多 元锡青铜。
锌当量系数
黄铜中加入合金元素后并不形成新相，只是影响α，β相的 相对含量，其效果象增加了锌一样。可以用加入1%的其 它合金元素对组织的影响上相当于百分之几的Zn的换算系 数来预估加入的合金元素对多元黄铜组织的影响，这种换 算关系称为锌当量系数。 ？每质量分数的合金元素在组织上代替锌的量称为锌当量？
[黄铜、锡青铜（铍青铜除外）等一般不采用热处理强化等]
➢ 4. 强化机制？ ➢ 5. 组织特点？ ➢ 6. 性能特点？ ➢ 7. 品种特点？
铜及铜合金的主要性能：
1）高导电率和导热率; 2）具有良好塑性，易于成型; 3）高强度与良好耐磨性; 4）某些条件下有良好的耐蚀性;
至今仍然被广泛应用，是发展电力、电机、电工仪 器和航海、造船工业的材料。
但铜资源少，价格贵；当前全世界已查明的储量为 6.4万t。
10. 1 工业纯铜（紫铜）
一. 特性
密度8.94，熔点1083℃，面心立方，无同素异型转变; 导电导热性好（金属材料导电性排序: Ag, Cu, Au, Al, Mg,
Zn, Ni,…）； 高的的稳定性（大气、淡水）；但在海水中稍差，在氧化性
10.2 铜中的合金元素
在铜中无限固溶:Ni、Au、（γ-Mn） ; 大多数合金元素为有限溶解。
Ni、Al、Sn、Zn、Mn是有效的固溶强化元素; 但不同程度地降低导电性和导热性。
铜合金中能形成许多强化相： γ2—CuBe ；Cr2Zr ；Ni2Si ；NiAl或NiAl2 ；Cu3Ti
§10. 3 黄铜
§10.4 青铜
青铜是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和 Co等元素组成的合金的统称。
青铜根据成分可分为锡青铜（Cu-Sn）和特殊青铜。 在特殊青铜中，根据主加元素又分别命名为铝青铜 （Cu-Al）、铍青铜（Cu-Be）等。
二元青铜： Cu-Sn， Cu-Al， Cu-Be，…； 多元青铜： Cu-Sn-M， Cu-Al-M， Cu-Be-M，…；
3. B0.6 B0.6在l00℃以下与铜线配成对, 其热电势与铂铑-铂热电偶的 热电势相同，可做铂铑—铂热电偶的补偿导线。
思考与作业题
1. 铜合金主要分为几类？不同铜合金的牌号如何？其主要性 能是什么？
2. 单相a-黄铜中温脆性产生的原因和消除办法。 3. 锌当量（系数）的含义是什么？ 4. 黄铜自裂（季裂）产生的原因与消除办法。 5. 锡青铜的铸造性能为何比较差？铍青铜的强度水平为何比较
二. 铝青铜
铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性，是青铜中应 用最广的一种。
β相为Cu3A1电子化合物为基的固溶体 在565℃发生共析分解，β—α+γ2 若从β相淬火，可发生马氏体转变（5~6℃/min）
γ1、γ2 相是以Cu9Al电子化合物为基的固溶体，γ2相硬而 且脆，能提高合金的耐磨性。
添加铁、镍、锰等元素，获得多元铝青铜。 QAl10-4-4 （Al-Fe-Ni）: Fe 细化, 提高强度; Ni显著提高强 度、热稳定性和耐蚀性。
三. 铍青铜
➢ 铍青铜有强的沉淀强化效应，经固溶淬火和时效，得到高 的强度和弹性极限；
➢ 具有良好的导电和导热性能； ➢ 耐蚀和耐磨； ➢ 无磁，冲击时无火花 ； ➢ 可制造高级弹性元件和特殊耐磨元件，还用于电气转向开
关、电接触器等； ➢ 铍为强毒性金属，生产时需严格操作； ➢ QBe2, QBe1.9，强度可达成1200-1400 MPa 。
四. 其它青铜
硅青铜 弹性好，耐蚀性极高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒， 撞击无火花，工艺性能好。加入Mn（QSi3-1）, Ni(QSi1-3) 可提高硅青铜的性能。
➢ 牌号与性能
1）低锌黄铜 H96、H90、H85 α黄铜 用于冷凝器和散热器。“金色黄铜”
2）三七黄铜 H70、H68 α 黄铜，“弹壳黄铜” 用于深冲或深拉制造复杂形状的零件。
3）四六黄铜 H62、H59 α+β黄铜， “商业黄铜” 用于制造销钉、螺帽、导管及散热器零件。
二. 特殊黄铜
Cu-Zn-M: +Si, Al, Sn, Pb, Mn, Fe, Ni等不同程度 地影响Cu-Zn相图的相区。
足无限固溶条件，因而可形成无限固溶体。 其硬度、强度、电阻率随溶质浓度升高而增加，塑
性、电阻温度系数随之降低 。
结构白铜
1. 常用的牌号有B10、B20、B30；
2. 在大气、海水、过热蒸气和高温下有优良的耐蚀性， 而且冷热加工性能都很好，可制造高温高压下的冷凝 器、热交换器，广泛用于船舶、电站、石油化工、医 疗器械等部门. B20也是常用的镍币材料，可制造高面 额的硬币。
分为：Cu-Zn二元黄铜或Cu-Zn-M特殊黄铜 （Zn<50%）
一. 二元黄铜
Cu-Zn二元相图
➢相组成
（1）α：固溶体; （2）β：电子化合物，以CuZn为基的固溶体，在
456~ 468℃以下为β’有序相。 高温β塑性好，低温β’ 难以冷变形，含β’相的黄铜 只能采用热加工成型。 （3）γ：电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体，电子浓度 21/13，硬且脆，无实用价值。
2. H与Cu, O形成Cu与H2O气泡，降低塑性 “氢脆”； 3. Pb, Bi与Cu形成低熔点共晶，熔点低，其共晶温度相应为
270℃和326℃，分布在晶界上，热加工时会引起热脆; 4. 其它，如Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Sb等，虽在铜的溶解度较大，
但对铜性能的影响较小。
三．分类、牌号及用途
2. 组织（铸态）： 由于其结晶间隔宽，偏析严重，且锡扩散慢，合金难以得到 平衡组织 . Sn<6%: 树枝状α固溶体组成; Sn>6%: α固溶体和（α+δ）。
3. 性能 1）锡青铜铸造的优点是铸件收缩率小，适于铸造形状复杂、
壁厚变化大的零件; 2）锡青铜在大气、海水和碱性溶液中有良好耐蚀性，用于海
耐热、高导电合金 铬和锆: 提高蠕变强度，提高再结晶温度，并且导电率降低 小。铬和锆同时加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀强化相，可 得到耐热性更好的高导电合金（高架线）。
§10.5 白铜
白铜按成分分为二元白铜（Cu-Ni）和多元白铜 （Cu-Ni-(M)）。
按用途分为结构白铜和电工白铜。 铜与镍由于在电负性、尺寸因素和点阵类型上均满
第十章 铜合金
➢紫铜 ➢黄铜 ➢青铜
➢白铜
工业纯铜 （Cu-Zn-Me） （除Zn, Ni外，Cu-Me）
锡青铜 （Cu-Sn-Me） 特殊青铜（Cu-Al，Cu-Be，……） （Cu-Ni-Me）
？铜合金与钢相比，到底有哪些差异呢？
➢ 1. 晶格类型？有无同素异型转变？有无有序化转变？ ➢ 2. 成分设计理念？（有主要围绕固溶强化和沉淀强化等） ➢ 3. 工艺特点？（包括生产工艺特点、热处理工艺特点）
Cu-Zn合金随Zn%的组织与性能变化
➢组织和性能
1）组织 Zn<36%的合金为α黄铜;
Zn＝36-46%的合金为α+β黄铜 2）性能 （1）力学性能 见图 （2）良好的铸造性能。 3）耐蚀性
在大气、淡水、海水中耐蚀性良好。黄铜的腐蚀表现为脱 锌和应力腐蚀。 ✓ 脱锌: 在中性盐水溶液中锌发生选择性溶解，可加入微量 As 0.02~0.06%来防止; ✓ 应力腐蚀: 在张应力下由腐蚀介质氨、二氧化硫和湿空气的 联合作用，发生应力腐蚀。锌含量高于25%的黄铜H70、 H68、H62对此敏感 ; 加入少量Si1.0~1.5% 或微量砷 As 0.02~0.06%。
酸及各种盐类极易被腐蚀; σb 200~240 MPa），冷加工状态下σb:450 MPa； 优良的加工成形性，铜有极高的塑性; 优良的可焊性; 铜的另一个特性是无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学
仪器。
二．杂质
1. O，S与Cu形成（Cu+Cu2S）和（Cu +Cu2O）共晶，熔 点为1067℃，均高于Cu的热加工温度，冷加工时易产生 破裂（冷脆）；
1）+P：能显著提高合金的弹性极限和疲劳极限，并能承受压 力加工，广泛用于制造各种弹性元件。如
QSn6.5-0.1：可制造导电性好的弹簧、接触片、精密仪器中 的齿轮等耐磨和抗磁元件。
ZQSn10-1：Cu3P与δ相可作为青铜轴承材料的耐磨相，可做 耐磨轴承合金。
2）+Zn: 可提高力学性能和耐蚀性。 QSn4-3 , 常用作制造弹簧、等弹性零件和抗磁零件。
表10-1 合金元素锌当量系数
+ 号表示增锌作用，- 号表示减锌作用
名义含锌量
举例： HAl59-3-2，其中含锌36%，应为α黄铜；但加入3%Al, 2%Ni后, 名义含锌量为46.4%, 其组织应为α+β组织。
合金元素的作用
➢ Al：提高强度，但塑性降低，提高耐蚀性， 如 HAl77-2 （α组织）; HAl60-1-1（Mn） （α+β组织)
3. 加入Fe, Zn, Al, 可提高其性能（多元白铜）。
电工白铜
1. 康铜 含Ni40％、Mn1.5％的锰白铜 具有高电阻、低电阻温度系数，与铜、铁、银配成热电偶对 时，能产生高的热电势，组成铜-康铜、铁—康铜和银—康 铜热电偶，测温精确，工作温度范围为-200℃--600℃。
2. 考铜 Ni43％、Mn0.5％的锰白铜 有高的电阻, 与铜、镍铬合金、铁分别配成热电偶时，能产 生高的热电势，考铜—镍铬热电偶的测温范围从-253℃(液 氢沸点)到室温 。
➢ Ni：提高强度，提高在海水中的耐蚀性； HNi65-5， 可制作压力计管。
➢ Fe：提高强度。HFe59-1-1(Mn) ➢ Sn：提高在海洋大气、海水中抗蚀性。“海洋黄铜”
如HSn70-1（α）; HSn62-1（α+β） ➢ Pb：提Байду номын сангаас耐磨性，改善切削性能。可用作轴瓦与衬套。
如HPb74-1, HPb59-1。
高？