第十四章-铸造铜合金..ppt

,第十四章铸造铜合金,铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜存在于地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为0.01，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到35。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。铜矿石分为三类：（1）硫化矿，如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。（2）氧化矿，如赤铜矿(Cu2O)、孔雀石CuCO3Cu(OH)2、蓝铜矿2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。（3）自然铜。铜矿石中铜的含量1左右（0.53）便有开采价值，因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去，而得到含铜量较高（835）的精矿砂。,纯铜：面心立方晶格，原子量63.54，密度8.9，熔点1083电阻率0.01673欧姆mm2/m，线性膨胀数17.610-6/，导热率0-100399W/mk。软态280MPA，延伸率40%,概述,工业纯铜的牌号及应用纯铜含铜99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达99.99%99.9999%，又称为4N、5N、6N铜。工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。无氧铜用“T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。,纯铜,本章主要内容1、铸造锡青铜2、铸造铝青铜3、铸造铅青铜4、其他青铜5、铸造黄铜6、铜合金成分优化设计,第一节铸造锡青铜,一、Cu-Sn二元合金的成分、组织存在相：、Cu5Sn、CuSn、Cu31Sn8室温组织：平衡态+（+）铸态+（+）存在晶内偏析，组织疏松，塑性差，但有利于耐磨,二、Cu-Sn二元合金的性能及工艺特点1、性能2、工艺特点收缩性小，反偏析，冒锡汗热裂3、应用形状复杂的铸件、艺术铸件等加合金元素P、Zn、Pb等提高力学性能，铸造性能，耐磨性，切削加工性,三、常用特殊锡青铜1、ZCuSn10P1锡青铜磷作用：生成Cu3P提高硬度，脱氧，提高流动性。产生氢，要求干型耐磨性好，用于耐磨零件，重载、高速。2、ZCuSn10Zn2锡青铜锌的作用：减轻缩孔缩松，提高致密性，提高铸造性能，固溶强化。耐磨性好，用于耐磨零件，中载，耐蚀3、ZCuSn5Pb5Zn5锡青铜铅的作用：独立存在，软质点润滑耐磨，填充缩孔缩松，提高且削加工性。耐磨性好，用于耐磨零件，中等载荷转速轴承等。,第二节铸造铝青铜,一、Cu-Al二元合金的成分组织1、组织、Cu3Al（快冷）+2Cu32Al19（平衡）2、性能力学性能，耐磨，耐蚀收缩大组织致密，流动性好3、缓冷脆性缓冷：分解成2网状分布工艺措施：快冷加合金元素：稳定、扩大区Fe，MnNi,二、常用特殊铝青铜1、ZCuAl10Fe3铝青铜Fe作用：异质晶核细化，阻滞三相共析-+2+k，扩大相区。性能应用：中等载荷、低速。便宜2、ZCuAl9Mn3铝青铜Mn作用：提高相稳定性，细化晶粒消除缓冷脆性，溶入相强化合金。性能应用：中等载，荷耐磨，化工高压阀门。,3、ZCuAl8Mn13Fe3Ni2铝青铜Ni溶入相提高耐蚀性，耐海水腐蚀，强度高（锰高+Cu3Mn2Al）。性能应用：机械性能高，耐蚀，应用大型舰船等。抗海生物附着能力差4、ZCuAl9Fe4Ni4Mn2铝青铜镍高锰低，耐蚀性提高,力学性能不低。性能应用：同上，抗海生物附着能力强。,第三节铸造铅青铜,一、成分组织不溶混合二、性能应用力学性能差，耐磨性好，摩擦系数低轴承衬瓦，300以下,第四节其他青铜,一、铍青铜1、组织+2CuBe有序固溶体2、性能强度高，弹性极限高耐磨性好撞击不产生火花工艺性差3、应用二、铜锰高阻尼合金强如钢、声如木,阻尼：是指任何振动系统在振动中，由于外界作用/或系统本身固有的原因引起振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征称为阻尼。,4.3.3白铜耐蚀性、耐热性、耐寒性好，中等强度，高塑性，能冷、热压加工，还有很好的电学性能，用作结构材料外、高电阻和热电偶合金。按用途分为结构自铜和电工白铜。结构白铜：具有很好的耐蚀性，优良的机械性能和压力加工性能，焊接性好，用于造船、电力、化工及石油等部门中制造冷凝管、蒸发器、热交换器和各种高强耐蚀件等。普通白铜：即Cu-Ni二元合金。铜与镍形成无限固溶体，为单相固溶体。普通白铜在各种腐蚀介质中有极高的化学稳定性，广泛应用于海船、医疗器械、化工等。普通白铜的冷热加工性能好，可生产各种尺寸的板、带、管、棒等半成品。冷凝管及热交换器原用黄铜及锡黄铜制造，易脱锌腐蚀，用铝黄铜腐蚀大为减轻，但高效机械及电站要求能在高温高压下工作的冷凝管及热交换器，此时需用更高强度及更高耐蚀性的Cu-Ni系合金。舰艇用冷凝管含Ni多为1030。,铁白铜：普通白铜中加入少量铁，称为铁白铜。铁能显著细化晶粒，提高强度和耐蚀性，尤其是提高海水冲击腐蚀时的耐蚀性。10Ni的铜合金中加入l2Fe，对提高耐流动海水的冲刷腐蚀有显著效果。30Ni的合金中加入0.5Fe，有相同作用。白铜中Fe的加入量不超过2，否则，反而引起腐蚀开裂。锌白铜：锌白铜亦称“镍银”或“德国银”。锌能大量溶于Cu-Ni合金中，形成单相固溶体。锌起固溶强化作用，提高强度及抗大气腐蚀能力。BZnl5-20耐蚀性高，银白色光泽和力学性能好，能承受热冷压力加工；用于精密仪器、电工器材、医疗器材、卫生工程用零件及艺术制品。铝白铜：铝能显著提高白铜的强度和耐蚀性，但使合金的冷加工性能变差。高的机械性能和耐蚀性，抗寒，有很好的弹性并能承受冷热加工。铝白铜的机械性能和导热性比B30还好，耐蚀性接近B30，焊接性好，可代替B30。,电工白铜：应用最广泛的电工白铜是康铜、锰铜和考铜锰铜：BMn3-12锰白铜又称锰铜。具有高的电阻和低的电阻温度系数，电阻值很稳定，与铜接触时的热电势不大。用来制作工作温度在100以下的标准电阻、电桥、电位差计以及其它精密电气测量仪器仪表中的电阻元件。康铜：BMn40-1.5锰白铜又称康铜。热电动势高、电阻温度系数低和稳定的电阻；耐腐蚀、耐热；有高的力学性能并能很好地和承受压力加工。康铜与Cu、Fe、Ag配对时有高的热电势，康铜与铜线接触的热电势为3910-6V，而锰铜只有1.610-6V，铜与康铜配用于-100+300温区测温；也用来制作滑动变阻器，工作温度在500以下的加热器。考铜：BMn43-0.5锰白铜又称考铜。电阻系数高，与铜、镍铬、铁配对时产生的热电势大，同时温度系数很小(实际上等于零)。广泛用在测温计中做补偿导线和热电偶的负极。考铜和镍铬合金配对组成的热电偶，测温范围可由-253(液氢)到室温，灵敏度极高。,第五节铸造黄铜,一、Cu-Zn二元黄铜1、成分组织2、力学性能3、铸造性结晶温度范围小，流动性好，收缩大4、提高铸造黄铜性能的途径合金化：加入铝、锰、硅、铅、镍等。固溶强化提高力学性能，铸造性能，切削加工性。细化晶粒：加入铁微量硼、钒、钛、锆等。提高纯度：严格控制杂质。5、锌当量硅、铝、锰等缩小相区，镍、钴扩大相区。各种元素锌当量系数见表14-4据锌当量确定组织39%+,二、特殊黄铜1、硅黄铜ZCuZn16Si4硅提高铸造性能，耐蚀性能，固溶强化。应用：金属型或压铸，泵壳、叶轮、阀体等2、铝黄铜ZCuZn26Al4Fe3Mn3铝、锰溶入、相，铁形成k相，提高性能，铝提高耐蚀性能。应用：船、舰推进器。3、锰黄铜ZCuZn40Mn3Fe1锰溶入、相提高性能，提高抗腐蚀性,H70黄铜的铸态组织及变形后退火组织,第六节：铜合金的优化设计自己看,对铜合金液的质量要求：,（1）必须严格控制合金的化学成分。（2）铜合金液要求纯净。（3）严格控制熔炼温度和浇注温度，熔炼时间应尽量缩短。（4）防止合金的偏析。,第一节概述,铜在熔炼的高温下，很容易被空气中的氧氧化，在铜液表面进行下列的氧化反应：反应后生成氧化亚铜（Cu2O），氧化亚铜具有二个特点：,第二节铜合金的氧化及脱氧,（一）氧化亚铜能溶解于铜液中,氧化亚铜在铜液表面生成后，能不断溶解于铜液中。随着温度的下降，氧化亚铜和相在1066时形成Cu2O共晶体，共晶体（Cu2O）分布在晶粒边界处。,第二节铜合金的氧化及脱氧,第二节铜合金的氧化及脱氧,析出的Cu2O对纯铜及锡青铜、铅青铜等具有很大的危害性，它比其它氧化物（如Al2O3、SiO2、SnO2等）对机械性能的破坏作用更大。如果合金中含有氢，则Cu2O的危害性就更大，这是因为Cu2O与氢在凝固阶段同时大量析出，并在晶界处迅速产生化学反应：,第二节铜合金的氧化及脱氧,反应生成水蒸汽，在凝固过程中水蒸汽的压力随着晶间压力的增大而增加。一方面导致凝固时铸件上涨，组织疏松，气孔大量产生；另一方面导致晶粒间大量显微裂纹产生，晶粒间结合力大大降低，从而使纯铜变得很脆。由于Cu2O存在并与氢反应而引起纯铜严重脆化的现象，又称为“氢脆”。,第二节铜合金的氧化及脱氧,（二）氧化亚铜具有很高的分解压力,Cu2O的分解压力很高，能很快地将铜合金液中的合金元素氧化，而本身被还原，如：生成的氧化物悬浮弥散在铜液中，危害性较大。,第二节铜合金的氧化及脱氧,二、铜合金的脱氧,所谓“脱氧”，就是使溶解在金属液中的氧化物还原的过程。铜合金的脱氧就是使铜液中的氧化亚铜还原的过程。加入一种与氧亲和力比铜与氧亲和力更大的元素，将氧化亚铜中的铜还原出来，生成的脱氧产物上浮至液面而被排除的过程，称为“脱氧”。加入铜合金液中能使其中氧化亚铜还原的物质，称为“脱氧剂”。,1、脱氧的基本原理,2、脱氧剂的选用,对铜合金脱氧剂要求：（1）脱氧剂的氧化物分解压力应小于氧化亚铜，其氧化物分解压力值与Cu2O分解压力值相差愈大，脱氧反应进行得愈完全，愈迅速。（2）加入的脱氧剂，应对铜合金性能无害，加入的脱氧剂除了大部分与Cu2O互相作用进行脱氧而消耗外，会有微量残留在铜液中。（3）脱氧剂的反应产物应不溶解于合金液，易于凝聚、上浮而被除去。（4）脱氧剂要价格便宜，来源广。,3、脱氧的几种方法,根据脱氧剂的不同性能，铜合金脱氧的方法有三种：（1）沉淀脱氧：加入的脱氧剂能溶解于铜合金液中，使脱氧反应在整个溶池内进行，这种脱氧速度快，脱氧彻底。（2）扩散脱氧：有些脱氧剂不溶解于铜合金液中，脱氧反应仅在铜合金液界面上进行，由于Cu2O需不断向界面扩散才能脱氧，故称为扩散脱氧。（3）沸腾脱氧：所使用的脱氧剂能与氧作用，产生不溶解于铜液的CO气体，由于CO气体产生后能立即很快上升，因此引进合金液激烈翻腾，故称为沸腾脱氧。,1、磷脱氧的原理,当磷铜加入铜液后，脱氧反应即在整个精密仪器池内进行，其脱氧反应如下：第一阶段：磷蒸汽（磷沸点为280）立即与铜液中Cu2O作用：反应生成的P2O5沸点为347，在铜液中呈气态，故生成后立即以气泡形式上升，一部分P2O5气泡逸至液面外，另一部分P2O5气泡在上升过程中继续与铜液中的Cu2O起反应。,反应第二阶段：当Cu2O含量较高，磷蒸汽逸出较缓慢时，磷也可直接与Cu2O作用生成偏磷酸铜（CuPO3）：生成的CuPO3熔点低，比重小，在铜液中呈球状液体，很易聚集和上浮。,2、磷铜脱氧工艺要点,如磷的加入量过多，则铜合金液中残余含磷量过高，会促使铜合金液与铸型中水蒸汽起反应：反应生成的氢很快溶解在铜合金液中，因而增加了铸件的针孔度，这种现象又称为“铸型反应”。砂型铸造时加入0.030.04%的磷，金属型铸造时加入0.050.06%的磷，不仅能较完全脱氧，而铸型反应也很弱，采用氧化法熔炼的锡青铜中，磷的加入量可比其它铜合金高一些，当锡青铜采用金属型铸造时可加到0.070.1%的磷。,（1）磷加入量的确定,（2）磷铜加入工艺,磷铜常分二次加入。第一次是纯铜熔化后，铜液温度达11501200时，加入磷铜总量的2/3，其主要目的是把纯铜中的Cu2O还原，然后再加其它合金元素，避免这些元素被纯铜中的Cu2O氧化，从而减少了元素氧化烧损和氧化夹杂物的含量。第二次是在浇注前加入剩余的1/3磷铜，起辅助脱氧和精炼的作用。,熔炼铜合金时炉气中的气体有氢、氧、氮、一氮化碳、二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽等。这些气体有的能使合金氧化（如氧、水蒸汽等），有的（氢、氧、二氧化硫）能溶解在铜液中，使合金产生气孔。,第三节铜合金的吸气及除气精炼,一、气体在铜合金中溶解的特性,溶解在铜合金中的气体有氢、氧、二氧化硫等几种，溶解于铜合金液中的H和O，凝固时析出结合成水蒸汽分子形成汽泡，所以，水蒸汽和氢是铜合金形成气孔的主要原因。,1、氢,铜在1084.5（液态）时，氢的分压达0.11大气压时就足够产生氢气泡的条件，如何气泡来不及逸出，即成为铜合金中的氢气孔，所以铜合金要贯彻“快速熔炼”的原则。,2、水蒸汽,铜液中有0.39%O存在的条件下，氢分压约为0.00074大气压，就能够产生水蒸汽气泡，与铜液中纯氢形成气泡相比，水蒸汽更容易生成气泡。所以，铜液面上水蒸汽分压愈低，H和O在铜液中的溶解度也愈低，在凝固过程中从铜液中析出H和O的数量也愈少，若达不到760毫米汞柱，就不会形成水蒸汽气泡。,3、二氧化硫,二氧化硫能溶解在铜液中，并能与铜迅速作用生成硫化亚铜（Cu2S）:Cu2S在凝固时析出在晶界上，成为有害的夹杂物，导致合金热脆性的产生，如同时存在Cu2S，则生成SO2，录来不及逸出则成为气孔。,4、一氧化碳与二氧化碳,CO和CO2在铜液中溶解度很微小，同时，凝固时它们溶解度变化也很小，因此对铜合金危害性不大，CO能使Cu2O还原，但对大部分铜合金液不起作用，可视为中性气体。,生产中经常采用的除气方法有：氧化法除气；吹氮除气；氯化锌除气；沸腾除气等。,二、除气、精炼原理及方法,（一）氧化法除气,氧化法除气就是利用铜合金中氢、氧浓度间互相制约关系，首先增加铜液中氧含量，以达到尽可能排除氢，然后再进行充分脱氧，脱氧后立即进行浇注，从而使脱氧和除气这样两个互相矛盾的过程，在一定条件下得到统一，达到既除气又脱氧的目的。,1、氧化法除气的原理,2、增加铜液中含氧量的方法,（1）控制炉气为氧化性：即尽量增加炉气中氧的浓度，提高氧的分压力，从而增加氧在铜液中的溶解度，提高铜液中氧的浓度。（2）加入氧化性熔剂。,（二）吹氮除气,通过向铜合金液中吹氮除去其中氢的方法，称为吹氮除气法。氮既不溶于铜，在熔炼铜合金的温度下也不与铜发生化学反应，因此当大量的氮气泡通过合金液时，随着氮气泡的上浮和熔液的搅动，原来溶于精密仪器液中的氢就可能跟着上浮至液面。,（三）氯盐和氯化物除气,氯盐和氯化物对于含铝的铜合金（如铝青铜）也同样具有除气的作用。生产中经常使用的氯化氯化锌（ZnCl2），其加入量为铜合金液重量的0.10.15%，氯化锌一般在熔炼后期加入铜液中，既能除气，又能吸附铜液中悬浮的氧化铝夹杂，因此具有精炼作用。,（四）沸腾法除气,对于黄铜（高锌铜合金）可采用沸腾法除气，这是由于锌的蒸汽压高，且随温度的升高而增高，当超过锌的沸点（907）后，蒸汽压急剧增至超过大气压力，这时锌蒸汽泡大量逸出，从而引起铜合金液的激烈沸腾。由于铜合金液沸腾和锌蒸汽泡逸出的机械搅动作用，使得溶解在铜合金液中的气体被排除。,（五）真空除气,在真空条件下，由于铜液表面的气压极低因此原来深于铜液中的氢等气体，很容易逸出铜液。,铜合金熔炼时所用的熔剂有覆盖剂和精炼剂两种。覆盖剂主要是为了防止铜合金中合金元素的氧化、蒸发和吸气。精炼剂主要是为了除去铜合金中各种氯化夹杂。,第四节铜合金的熔剂,一、覆盖熔剂,铜合金常用的覆盖剂有木炭、玻璃、硼砂、苏打等。,（一）木炭,木炭的主要作用是防止氯化，脱氧和保温。木炭覆盖在合金液表面后，能立即燃烧生成还原性气体CO，CO产生在木炭与合金液表面间，成为合金液的保护气膜，从而阻止合金液进一步氧化；同时覆盖液面的木炭还能使铜液中的Cu2O还原（即扩散脱氧），因而也起到辅助脱氧作用；具有一定厚度的木炭层也能阻止气体的溶解和减少合金液中热量的散失。,（二）玻璃,二、精炼熔剂,铜合金中的精炼剂又称为精炼熔剂，其主要作用是除去铜合金液中不溶性氧化夹杂。,第四节铜合金的熔剂,精炼原理：在铜合金中加入碱性熔剂造渣。由于碱性熔剂与酸性氧化物作用后生成低熔点的复盐，这些复盐不仅熔点低，而且比重小，易于聚集和上浮，因此很容易进入熔渣中被排除。常用的碱性精炼剂有苏打、冰晶石（Na3AlF6）、碳酸钙（CaCO3）、萤石及硼砂等。以下为各碱性熔剂在铜合金液中的精炼反应：,（1）除去Al2O3氧化夹杂物,生成的Na2Al2O4熔点较低，可上浮至液面，成为熔渣除去。CaO上浮于渣中，AlF3升华逸出铜液表面。,第四节铜合金的熔剂,（2）除去SnO2氧化夹杂物,（3）除去SiO2氧化夹杂物,（1）作好材料管理。所有金属炉料必须进行表面处理和预热，熔剂必须焙烧、预熔（如ZnCl2），坩埚加料前需预热至暗红色（600700），方可投料熔化。,第五节铜合金熔炼工艺,一、铜合金熔炼一般原则,（2）注意加料顺序。加料顺序一般先熔化纯铜，熔化后用磷铜脱氧，均匀搅拌后，再加入难熔的和不易氧化的金属如铁、硅、锰或其中间合金以及回炉料，待这些炉料熔化后再加入锌、锡、铅、铝等低熔点、易氧化和蒸发的金属料，加入时应压入铜液下搅拌均匀。在浇注前，有时还要加入少量磷铜来提高铜合金液的流动性。,（3）采用快速熔炼。因铜合金液氧化、吸气严重，应贯彻“快速熔炼”的原则。即整个熔炼过程采用高温熔化，炉料要充分预热，料块要小，加料要迅速，铜合金液在炉内停留时间要短，达到出炉温度后应尽快浇注。,（4）防止吸收气体。除采用快速熔炼外，熔化最好在中性稍带有氯化性的炉气中进行，其特征是火焰白色无烟。（5）炉前检验。铜合金在出炉以前，需要进行含气量试验、弯曲试验和断口检查，重要铸件需进行炉前化学分析。,（6）严格控制温度。应防止铜合金液过热，浇注前应将熔渣敀净，充分搅拌。（7）熔炼不同各类铜合金时，使用的坩埚和炉体应尽可能分开，或者彻底进行洗炉。,加工黄铜和铸造黄铜,铜合金的应用,铜管,铜与黄铜带,单相黄铜塑性好：H80、H70、H68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好,强度高：H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。,铜合金的应用,HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38M