2.1 铜及铜合金8.ppt

浙江工贸职业技术学院 2 1铜及铜合金 轻工系曹明 浙江工贸职业技术学院 1 铜元素 金属铜是唯一的能大量天然产出的金属 也存在于各种矿石 例如黄铜矿 辉铜矿 斑铜矿 赤铜矿和孔雀石CuSO4 2H2O 中 孔雀石 浙江工贸职业技术学院 黄铜矿CuFeS2 辉铜矿Cu2S 蓝铜矿Cu3 CO3 2 OH 2 赤铜矿Cu2O 浙江工贸职业技术学院 铜的用途 每生产100万发子弹 需用铜13 14吨 炮铜 电力输送中需要大量消耗高导电性的铜1996年建成的香港天坛大佛 使用锡 锌 铅青铜铸造拼接而成 高26米 重206吨 1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛 高20米 重70吨在铜币的应用中 除了变化尺寸以外 可以很方便地采用不同合金成分 改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币 常用的有含25 镍的 银币 含20 锌和1 锡的黄铜币以及含少量锡 3 和锌 l 5 的 铜 币 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 纯铜的物理性质 元素符号Cu 原子量63 5铜具有良好的导电 导热性 仅次于银而居第二焰色反应呈绿色 密度8 92g cm3熔点1083 莫氏硬度 3 浙江工贸职业技术学院 莫氏硬度 表示矿物硬度的一种标准 1824年由德国矿物学家莫斯 FrederichMohs 首先提出 应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕 习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度指甲 2 2 5度 小刀 5 5 5度 玻璃 6度 钢锉 7度 来测定物质硬度 金刚石为滑石的4192倍 浙江工贸职业技术学院 纯铜的化学性能 铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力 室外常温下铜在大气中的氧化速度很慢 表面生成一层黑色氧化性保护膜 温度高于130 后 铜的氧化速度才开始增加 高温下铜的表面生成一层致密的红色氧化亚铜 Cu2O 膜 铜在潮湿空气中久置后 铜表面会生成一层铜绿 Cu OH 2 CuCO3 或 CuSO4 Cu OH 2 浙江工贸职业技术学院 纯铜力学性质 纯铜的抗拉强度低 退火状态下的纯铜抗拉强度约为220MPa 伸长率约为30 硬度HB约为450MPa 浙江工贸职业技术学院 抗拉强度 bsigma 指材料在拉断前承受最大应力值 表征材料抵抗破坏的能力 应力 单位面积上所承受的附加内力 表示应力应变 当材料在外力作用下不能产生位移时 它的几何形状和尺寸将发生变化 内应力 在结构上无外力作用时保留于物体内部的应力 因受力 湿度 温度变化 溶剂等而变形 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 伸长率 指材料受外力 拉力 作用断裂时 试棒伸长的长度与原来长度的百分比 代号 Delta 单位 皮肤 浙江工贸职业技术学院 硬度 固体材料对外界物体压陷 刻划等作用的局部抵抗能力 是衡量材料软硬程度的一个指标 压入硬度 主要用于金属材料 方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料 以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬 由于压头 载荷以及载荷持续时间的不同 压入硬度有多种 主要是布氏硬度 HB 洛氏硬度 HRC 维氏硬度 HV 和显微硬度等几种 其中以HB及HRC较为常用 硬度不是一个单纯的物理量 而是反映材料的弹性 塑性 强度和韧性等的一种综合性能指标 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 纯铜加工性能 具有高的塑性 可冷 热压力加工 可制成管 棒 线 条 带 板 箔等铜材 经冷加工变形后强度增至392MPa 490MPa 塑性显著降低 伸长率可降至6 硬度HB为1100 1300MPa 纳米铜的室温超塑性 浙江工贸职业技术学院 冷加工 指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺 冷作硬化 在常温或再结晶温度以下的加工 能显著提高强度和硬度 降低塑性和冲击韧性 称为冷作硬化 浙江工贸职业技术学院 退火 将金属缓慢加热到一定温度 保持足够时间 然后以适宜速度冷却 通常是缓慢冷却 有时是控制冷却 的一种金属热处理工艺 目的 是使经过铸造 锻轧 焊接或切削加工的材料或工件软化 改善塑性和韧性 使化学成分均匀化 去除残余应力 或得到预期的物理性能 纯铜的冷作硬化可通过550 660 退火消除 浙江工贸职业技术学院 在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工 由于温度处于再结晶温度以上 金属材料发生塑性变形后 随即发生再结晶过程 因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除 使材料保持良好的塑性状态 金属在热轧时变形和再结晶的示意图 最低再结晶温度 0 4Tm 浙江工贸职业技术学院 纯铜中的杂质分类 大致可以分为三类 几乎不固溶于铜 并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质 如硫和氧等 导致冷脆 很少固溶于铜 并与铜形成易熔共晶的杂质 如铅和铋等 导致热脆 固溶于铜的杂质及微量元素 如铁 铝 镍 锡 锌 银 镉 砷 锑 磷等 浙江工贸职业技术学院 固溶体 所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相固溶强化 当溶质元素含量很少时 固溶体性能与溶剂金属性能基本相同 但随溶质元素含量的增多 会使金属的强度和硬度升高 而塑性和韧性有所下降 这种现象称为固溶强化 浙江工贸职业技术学院 2铜合金 合金 由两种或两种以上的金属或非金属所组成的具有金属特性的物质 目前已能制备1600多种铜合金 主要的系列有 铜锌合金铜锡合金铜镍合金锰铜合金铍 青 铜合金 浙江工贸职业技术学院 一 黄铜 Cu Zn合金 黄铜具有良好的工艺性能 机械性能 较高的导电和导热性 黄铜还具有价格便宜优点 黄铜随着含锌量的增加 其色泽由金红向黄 金黄 白色逐渐变化 是有色金属中应用最广的合金材料之一 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 黄铜的分类 根据黄铜中所含合金元素种类的不同 黄铜分为普通黄铜和特殊 复杂 黄铜两种 普通黄铜是铜锌二元合金 如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜 如由铅 锡 锰 镍 铅 铁 硅组成的铜合金 在眼镜行业中 通常采用HPb59 1铅黄铜来制造中低档眼镜铰链和配件 浙江工贸职业技术学院 普通黄铜 1 普通黄铜 如 H96 H80 H70 H68 H59等 根据Cu Zn二元状态图 黄铜的室温组织有三种 含锌量在35 以下的黄铜 室温下的显微组织由单相的 固溶体组成 称为 黄铜 退火处理后的 黄铜能承受极大的塑性变形 含锌量在36 46 范围内的黄铜 室温下的显微组织由 两相组成 称为 黄铜 两相黄铜 含锌量超过46 50 的黄铜 室温下的显微组织仅由 相组成 称为 黄铜 其组织如图 浙江工贸职业技术学院 铜熔点 锌熔点 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 铸态黄铜的机械性能与含锌量及组织的关系 浙江工贸职业技术学院 普通黄铜机械性能 对于 黄铜 随着含锌量的增多 b和 均不断增高 对于 黄铜 当含锌量增加到约为45 之前 室温强度不断提高 若再进一步增加含锌量 则由于合金组织中出现了脆性更大的 相 以Cu5Zn8化合物为基的固溶体 强度急剧降低 黄铜的室温塑性则始终随含锌量的增加而降低 所以含锌量超过45 的铜锌合金无实用价值 浙江工贸职业技术学院 复杂黄铜 为了提高黄铜的耐蚀性 强度 硬度和切削性等 在铜 锌合金中加入少量 一般为1 2 少数达3 4 极个别的达5 6 锡 铝 锰 铁 硅 镍等元素 构成三元 四元 甚至五元合金 即为复杂黄铜 亦称特殊黄铜 浙江工贸职业技术学院 实例 镍黄铜 镍与铜能形成连续固溶体 65Cu 30Zn 5Ni是典型的 镍黄铜 镍能提高合金的强度和韧性 并能增强合金的抗脱锌及抗应力腐蚀的能力 眼镜上的螺钉及架子一般用H62 它的强度较高 并有一定的耐蚀性 缺点是在汗水的腐蚀下会生铜锈 黄铜精密异型材 眼镜铰链 浙江工贸职业技术学院 HPb59 1铅黄铜 HPb59 1铅黄铜的化学成分 HPb59 1铅黄铜的性能 浙江工贸职业技术学院 弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标 其值越大 使材料发生一定弹性变形的应力也越大 即材料刚度越大 亦即在一定应力作用下 发生弹性变形越小 弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力 它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标 相当于普通弹簧中的刚度 浙江工贸职业技术学院 二 青铜 Cu Sn合金 青铜原指Cu Sn合金 是人类应用最早的一种合金 现包括 锡青铜 铝青铜 铍青铜 硅青铜等 浙江工贸职业技术学院 历史解读 我国战国时代的著作 周礼 考工记 总结了熔炼青铜的经验 讲述青铜铸造各种不同物件采用铜和锡的不同比例 金有六齐 方剂 六分其金 铜 而锡居一 谓之钟鼎之齐 五分其金而锡居一 谓之斧斤之齐 四分其金而锡居一 谓之戈戟之齐 三分其金而锡居一 谓之大刃之齐 五分其金而锡居二 谓之削杀矢 箭 之齐 金锡半 谓之鉴 镜子 燧 利用镜子聚光取火 之齐 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 锡青铜 它的机械性能与含锡量有关 当Sn 5 6 时 Sn溶于Cu中 形成面心立方晶格的 固溶体 随着含锡量的增加 合金的强度和塑性都增加 含Sn量 5 6 锡青铜的室温组织为 共析体 相是以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体 是一个硬脆相 虽然强度继续升高 但塑性却会下降 当Sn 20 时 由于出现过多的 相 使合金变得很脆 强度也显著下降 因此 工业上用的锡青铜的含锡量一般为3 14 浙江工贸职业技术学院 除Sn外 锡青铜中一般含有少量Zn Pb P Ni等元素 Zn提高低锡青铜的机械性能和流动性 Pb能改善青铜的耐磨性能和切削加工性能 却要降低机械性能 Ni能细化青铜的晶粒 提高机械性能和耐蚀性 P能提高青铜的韧性 硬度 耐磨性和流动性 浙江工贸职业技术学院 铍青铜 热处理强化后的抗拉强度可高达1250 1500MPa HB可达350 400 远远超过任何铜合金 可与高强度合金钢媲美 铍青铜的含铍量在1 7 2 5 之间 铍溶于铜中形成 固溶体 铍青铜具有很高的弹性极限 弹性之王 疲劳强度 耐磨性和抗蚀性 导电 导热性极好 并且耐热 无磁性 受冲击时不发生火花 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 铍青铜的力学性能 注意 青铜切屑性能较差 在后续工序中应注意其开裂现象 浙江工贸职业技术学院 在镜架中的应用 在铜合金中青铜的耐磨性 弹性以及耐腐蚀性能是最好的 但它的脆性比较大 在镜架制造上 主要用来制造镜褪的芯子 饰配件 浙江工贸职业技术学院 水晶老眼镜 浙江工贸职业技术学院 三 白铜 Cu Ni 以镍为主要合金元素的铜基合金 因多数呈银白色而得名 铜和镍能无限互溶形成连续固溶体 即不论彼此的比例多少 而恒为 单相合金 含量超过16 以上时 产生的合金色泽就变得洁白如银 镍含量越高 颜色越白 在铜合金中 白铜延展性好 硬度高 色泽美观 耐腐蚀 富有深冲性能 易于塑性加工和焊接 浙江工贸职业技术学院 镍铜 浙江工贸职业技术学院 浙江工贸职业技术学院 白铜分类 根据GB T5234 2001规定共有18种白铜 分为五类 普通白铜 1类 铜镍二元合金 即二元白铜 称为普通白铜 在普通白铜中 字母B表示加镍的含量 如 B5表示镍含量为约5 其余约为铜含量 型号有B0 6 B19 B25 B30 复杂白铜 4类 加有锰 铁 锌 铝等元素的白铜合金称复杂白铜 即三元以上的白铜 包括铁白铜 锰白铜 锌白铜和铝白铜等 浙江工贸职业技术学院 复杂白铜 在复杂白铜中 第二个主要元素符号及铜含量以外的成分数字组表示各种元素的含量 如BMn3 12表示镍含量约为3 锰含量约为12 复杂白铜有4个型号 铁白铜 其特点是强度高 抗腐蚀能力可明显提高 锰白铜 锰白铜具有低的电阻温度系数锌白铜 锌白铜具有优良综合机械性能 耐腐蚀性优异 冷热加工成型性好 易切削 可制成线材 棒材和板材铝白铜 合金性能与合金中镍量和铝量的比例有关 当Ni Al 10 1时 合金性能最好 常用的铝白铜有Cu6Ni1 5Al Cul3Ni3Al等 浙江工贸职业技术学院 锌白铜 锌能大量的溶入铜 镍合金的固溶体中 形成一个广泛的单相 固溶体区 锌的加入能起到固溶强化作用 从而使合金的强度和硬度得到明显的提高 常用的锌白铜合金 5 35 Ni 43 72 Cu 其余为Zn 实际使用过程中Ni的含量不超过20 性能 弹性佳 焊接性好 强度高 锌能提高白铜抗大气腐蚀能力 在Ni含量不变的情况下 随Zn含量的增加 合金抗大气腐蚀能力愈强 镍的含量降低 合金的颜色会向黄色转变 添加Mn元素能提高白铜的强度和耐腐蚀能力 降低合金的色变 一般Mn的含量为3 9 改善切削性能主要元素是铅 铅的分布均匀和铅粒形状以及大小 一般含铅量在0 5 2 浙江工贸职业技术学院 眼镜白铜分类 在眼镜行业 主要应用的是铅白铜及铅锌白铜 广泛应用于制造中 高档眼镜用的各种规格 尺寸的圆线 槽型线和铰链等 眼镜用白铜BZn15 20锌白铜量产最早 而高档眼镜铰链采用易切削锌白铜材料