铜及铜合金的介绍

铜及铜合金的介绍目前，铜及铜合金已成为第二大有色金属，是全球经济各行业中广泛需求的基础材料。铜及铜合金之所以得到广泛的应用，是由于其具有一系列不可代替的优异特性。特性如下所列：铜及其合金具有优良的导电和导热性能，在所有金属中，铜的导电性仅次于银。铜的导热性是所有金属中最好的，为420W/Cm.k)。当然，随着合金化程度显著提高，人类现代技术发展了一系列实现铜合金高强高导的途径。导电、导热是铜及其合金最重要的应用。铜是抗磁性金属，并且抗磁性磁化率低，因此铜及其合金在抗外磁场的环境下得到了广泛的应用，如仪表，罗盘、航空、航天。雷达等，但含铁，锰及高Ni的铜合金不在此之列。铜的摩擦因数很小，因此以铜为基体的铜合金耐磨性优良，尤其是含Sn的多元铜合金。铜的电极电位很高，高于氢，其标准电极电位为+0.34V，因此铜的耐腐性良好，在许多介质中具有稳定。铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，因而具有很高的塑性，非常易于加工成形。铜尽强度很低，但不少元素在铜中溶解度都很大，固溶强化效果很好，这使得很多铜合金兼并具有高强度和高韧性，从而广泛用来制造高强，高韧，高导电，高导热和高耐蚀的重要零件。铜呈紫铜色，并通过合金化，形成金黄色和银白色，色调古典，可适用于货币和工艺美术品等铜通过合金化，还可以使其产生一些奇特性能，如形状记忆效应，超弹性和减振性。铜和铜合金最普通的分类方法是将其分成六大类：紫铜、高铜合金、黄铜、青铜、白铜和锌白铜。由于实际应用的紫铜，和黄铜较普遍。紫铜又叫工业纯铜，紫铜通常较软且有韧性，含杂质总量低于0.7%。高铜合金含有少量的，各种合金元素如铍，镉，Cr,或Fe等，每一种合金元素的固溶度小于8%(摩尔分数)其这些元素可改善铜的一种或一种以上基本性能，其余几大类的每一类含五种主要的合金元素的一种，以作为每类合金的初始合金组分，如下图4.1-1类削固溶度(摩尔分数,为t)W铝育阕类削固溶度(摩尔分数,为t)W铝育阕白钢、锌白■铜另外铜合金的总分类，黄铜Cu-Zn，锡黄铜Cu-Zn-Sn-Pb，铝青铜Cu-Al-Fe-Ni，硅青铜Cu-Si，白铜Cu--Ni-Fe，锌白铜Cu--Ni-Zn。黄铜，锡黄铜，铝黄铜，比较常见，在这里我简单说明下白铜的特性，白铜是以竦为主要添加元素的铜合金，含有或不含有一定量的其他元素。只含竦的铜竦二元合金称为白铜，除竦外，还含有其他添加元素的铜合金称为复杂白铜，白铜的名称的由来，是由于对铜-竦系合金，当竦，在10%，以下时呈赤铜色，随竦含量的增加赤铜色急剧减弱。竦的质量分数达到20%时变为白色，故得其美名。白铜的突出特性在腐蚀性介质中有极高的化学稳定性，并具有高的力学性能，高的耐热性，耐寒性，足够的加工成型性。结构白铜主要用于高温强腐蚀介质中工作的零件，电工白铜主要用于电阻元件、热电偶及其他精密电测仪器零件。<2>纯铜及其物理、化学、力学性能含铜量在99.50%以上的新制工业纯铜呈玫瑰红色，表面被氧化而生成氧化铜薄膜后成紫红色，故一般称工业纯铜为紫铜。物理性能纯铜的密度为8.7g/cm3，熔点为1083^，相对密度8.94,。面心立方晶格，无同素异品转变。铜的线膨胀系数：20〜100°C为17.0pm/(m.k)；20〜200°C为17.3pm/(m.k)；20〜300°C为17.7pm/(m.k)；铜的突出优点是导电导热性好，其导电性仅次于银居第二位，是电动机、电器工业中重要的导电材料。另外许多金属如MgTi、Be、Zr、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cd、Al和Si等都能够溶于铜形成固溶体，并在不同程度提高铜的强度和硬度。铜的变形能力高。铜具有面心立方晶格(品格常数a=0.36075)与其他一切具有面心立方晶格的金属一样，具有很高的塑性变形能力。化学性质铜在大气，水、水蒸气、热水中具有良好的耐腐性，这是因为铜在大气和水介质中能生成与基体金属紧密结合的碱性硫酸铜［CuSO4.3Cu(OH)2］和碱性碳酸铜［CuCO3-Cu(OH)2］薄膜，对铜的继续腐蚀起到保护作用。力学性能纯铜的强度较低，在退火状态下，其抗拉强度200〜300Mpa,断后的延伸率=45%〜50%.冷变形对铜强度和塑性影响较大。铜的应变指数高n=0.54,冷变形时有明显的加工硬化现象。所以冷加工也可以作为提高铜强度硬度的一种方法。微量元素对铜性能的影响许多微量轧制对纯铜的性能影响较大，表现在导热、导电及塑性的变化，如氧，磷、氢、硫等氧 氧对铜的塑性变形影响很大，氧与铜的共晶体为Cu2O,由于其共晶温度很高，对热变形性能影响不答大，但Cu2O硬而脆，以粒状分布在铜品粒内或界面上，导致金属发生“冷脆”，发生冷变形困难。但氧的含量严格控制在0.02%〜0.1%，故在铸造的过程中，要加入脱氧剂。磷 磷在铜中最大溶解度在714C共晶温度时为1.75%，室温几乎为零。磷虽然显著降低铜的电导率及热导率，但对铜的力学性能与焊接性能有良好的影响。氢 氢在固态中形成间隙固溶体，可提高铜的硬度。d）硫硫在室温中的溶解度为零，硫在铜中以CuS的弥散形式存在。CuS虽

然降低了铜的电导率，但它能显著降低塑性，并改善铜的可切削性能。2<3>铜合金的强化途径：一般可以分为固溶合金、变性固溶合金、时效强化合金等。（1） 固溶合金最适合与铜的合金元素师那些能与铜形成固溶相得元素，这些元素，这些元素包括铝，铁，锌，猛，竦，等。这些合金体系中硬化作用大，足以达到实用的目的，而不是有第二相或化合物带来的脆性。另外，铜的固溶强化和可成形性而著称。因为固溶强化合金是单相，而且在加热或冷却过程中均不发生相变，所以用冷轧或冷拔这样的冷加工方法，可以达到其最大强度。（2） 变性固溶合金添加的元素可反应形成金属间化合物弥散颗粒，此弥散过程有品粒细化和强化作用，故可以产生更高的强度。（3） 时效强化合金时效强化合金可以产生很高的强度，但是只局限合金元素的溶解度随温度降低而急剧减小的少数几种铜合金，铍-铜就是典型代表。<4>铜及铜合金的机械加工高纯铜是一种很软的金属，未变形的单品形态，的高纯铜最软，只需在{111}品面上施加3.9Mpa的剪应力，即可产生滑移，滑移系如1-2下图图1-2滑移系FCC{111}X<110>4X3=12所以面心立方有12个滑移系。对于许多铜合金即使在退火的状态也具有较高的硬度和刚度。铜和许多铜合金也能是很好适应连续冷加工，连续轧制和复合模的拉拔是普遍的采用的加工方法，有些铜合金会很快产生加工硬化，因此为实现再软化而进行退火之前能进行的冷加工作业次数有限的。另外，铜不经过退火就可以几乎无限制进行冷压延，但大变形量（>90%）可能使晶体择优取向或织构化。铜的冷加工与热加工特性如下：冷加工冷加工能提高铜及铜合金的抗拉强度和屈服强度，但对于屈服强度的影响更显著，对于大多数铜及铜合金，最硬的冷加工的抗拉强度几乎是其退火状态下抗拉强度的两倍，最对同一合金来说，最硬的屈服强度是其退火后屈服强度的5-6倍。热加工热加工适合于那些在再结品温度以上要保持其韧性的合金，热加工允许比冷加工更大的变形<4>铜及铜合金的热处理上面所述中，由于大量的加工形变产生加工硬化效应，所以我们可以通过加热或退火的的方法恢复到柔软状态。一般热处理发生三个过程，回复，再结品，品粒的长大，如下图1-3所示大。初始蛆炊冷变形冷变形后开始进一步全匏局部晶晶粒后组织回复时组织再绪晶再域晶再结晶校长大全部长大图1-3

由于发生回复，再结品，品粒长大，可以使变形的并处于高度应力晶体转变无应力的，可以减少应力腐蚀等不稳地因素。所以正确选择冷加工和退火制度，即可控制品粒度，一般的大量的前期冷加工、快速加热到退火温度和缩短退火时间，有助于产生细小品粒。退火后由于品粒度变化，引起硬度和其他机械性能的变化。总之为了提高产品的的性能，如负载能力，抗疲劳能力，抗应力腐蚀裂缝能力和退火或冷成型零件在抛光后表面质量，最好是希望细化晶粒。右图所示1-4,再结品时候应力释放最明显，硬度降低（软化），塑性有一定的提高，但在晶粒长大后一段时间，塑性又有小许降低，原因是品粒长大的缘故。图4，】2变形金属加热时纽飙与性能的变化图图4，】2变形金属加热时纽飙与性能的变化图1-4加基馄度—（本小综述研究黄铜及其具体一种铜合金铅黄铜，青铜、白铜不做详细论述，篇幅所限。）主要研究黄铜包括铜-锌二元合金（称普通黄铜），和铜锌中加入其它组元合金（称为特殊黄铜或复杂黄铜。主要的商业复杂黄铜有铅黄铜、铝黄铜、铁黄铜、锰黄铜、锡黄铜、硅黄铜和竦黄铜等。黄铜有良好的力学性能、工艺性能、和耐磨性，有的还有较高的导电性能，或切削性能，是铜合金中用途最广泛的材料。下面简述一下普通黄铜的性能5.1普通黄铜铜锌二元合金相图如下:

ffl4.4-1铜锌相图a和ffl4.4-1铜锌相图a和a单相黄铜(H96H90H85H80H70H68)，组织成分，有(H62,H63,H59)和。相黄铜。a黄铜塑性好，易于热态和冷态加工。P两种相：按

a+P两种相：按

a+P两相黄铜表4.44普通黄铜中相的结构特征锌含瓯［障尔分数｝#琨晶格类型晶捂常敛0~3845-49•胃CuZn3/2面心立方无序体心立方有序体心立方3做—伽2.942-2.9492.9+2'2.W92)普通黄铜的化学成分如下图

表4.43普通黄锢的优学成分合金牌号Ft111NiZn杂质也和］令金牌号CuFePbNiZn杂质总和H9695,0-97,00.100X)303余聚0.2H6867.0-700OJOow°.5余量0.3119088.0-9L00,1。0.030.5余址以H6563.5-6S.00,100,030.5余基03H8584、0~虬00-100,0305余景0.3H6382,0-65.00.150.如0.5余量0.5H8079.0-81.00,100,030.5余量0.3H6260.5*0.50J50.08o.s03H7D68.5-7L50.100.030,5余量0.3H3957,0-60.00.30OJO0.5余M1.03）普通黄铜的化学性能:表4.45黄铜的化学性能台金牌号嘴浊弁质腐曲速度/皿•「'升质浓度『呢我度氏试验时间原各神黄铜农村大，0'a0001-0.ttK)75各神黄桐城市一和海滇大气0.0012^0.003S备糟黄射低速干燥盹母蒸■汽=g00025各神黄铜常温纯净淡水0.0025^0.025各种黄桐常温海水O.(JC75'04各种黄铜土壤水3„020各种黄桐纯磷酸溶液0.5客.伸黄铜苛性婀溶液OJ—-_一各种黄铜舍空气或较含温带性钠溶液1.8各种黄桐脂防酸O.25-L3-各种黄铜静置酷酸0.025-0.7520各种黄铜甲醵、乙醇.乙二醇O.OO05-O.006各神黄钢苦昧酸43250H620.01-0.20,01-00520336-840H680.060.0130336HFeSJ-l-t硫酸0,140.5190100HSnTCkl06-1.0(增速)浓的却-40720IlSnKH硫酸0.3625004）普通黄铜的物理性能如下表：霸4.44普通黄锢的物理性能合金牌号蝌化温度/七沸点汽密度Zg-om-3比热容jj«kL线胀系数热导率电导率/%U£S电阻率/pHam施阻温度系数/K1液相线温度固和线温度固态液态1H%】071.41056.4-16008.85018.0243.9570.0310.240.0027H901046,41026.3-1颇&颇!始IB.4 1187.6440.0400.270.0018JIU51026.3991.0-13008.750951B.7151.73一：0,0470-290(X)16H3O1001.2966.0-12408.660%19/114L7320.054Q330,0015981.2S.63O19.6120.9300,057951.09160-11508.5309019S1匆9责00635000159的一09008.50020.01I6J270X)640.0015936.0906.08.47020.1H6.7270.06991L.090108,43020.6116.727-906.0舫川8.43020,6116,727omi,一0.00178960886.0&倾21,0125,11-1 0.0025

5）普通黄铜的热处理规范如下表所示:衰446普通黄铜的热加工和热处理制度台金牌号铸造温度热曲形魁度再结晶开始温度完全再结晶退火温度消除残亲魔力追火温度H961160-1200750-^5030Q450-600300例1160-1200750-900335-375650-720200H851150^1W0830-900335~370560-720200H801160-1180820-870330-360650^720200H70110Q-]16075034360650-720200昭1100-1】阈750-830300.370520-650濒_270H65*1100-1160750-830300-370520-650260,2701060-1100650-850350-370660-67030(^TO1030-1080730-820350-370660-670①蒲带梢除外。7）普通黄铜的室温力学性能如下图所示:表4.442普通黄铜的室温力学性能合佥牌号弹性模量1/GPa抗拉强度1/MPa屈服强度/MPa那性极限/MPa疲劳强度/MPa疲劳试臆微环次数,I0*周伸&率/%断面收墙“神击初度硬度HRBH%115240/450T啊35/36050/2H90115260/480120/4(X140/38(}8.5/12.650/5045M酬18053/130H85115280/550100/45040/45010.6/14J0W3O045/48554/126H&)1110320/64()120/52()K0/42010.5/15.490/5052/57016053/145H75H034O/5M110/54080/45012/155B/6FI68106320/66090/52070/50012/lS100/10055070170—/150H65105320/70()91/45()70/45012/13-5100/10048/41163100300/6^0110/50070/420一49/46614056/140H62JO)330/600150/20080/42012/15.4IOD/JOO49/36614056/164H6098390/500«0/_J2/18.210()/50044/10©140—/163注：表中斜杠（/）前数据为软态，后数据为硬态5.2铜合金（铅黄铜）的实例简述铅几乎不溶于铜-锌合金中，而是存在固溶体的晶界处。经过压力加工铅以游离的质点分布在固溶体内，由于游离的质点具有润滑和减摩擦特性，因此，铅黄铜都具有极高的切削性能，切削易碎，工件表面光洁，但含铅量超过3%后，不但不会进一步改善合金的切削性能，反而铅质点软，熔点低，会降低合金的综合性能。又由于铅对人体有害，在熔铸，切削加工过程对人体的危害，引起越来越多的关注。铅黄铜的合金牌号较多，篇幅所限，我只简述一种代表性的，HP59-1,,1.HP59-1化学成分如下：会金牌号 QdFeI Ni总和IIII总和HTbS+l[57X）-600仰-50|D8~1少 111余幅|】-Q

2.HP59-1铅黄铜的物理性质:裹4.上18铅黄铜的物理性能合金牌号液相埃源度性固相线密度埃服系数加.仰电写率电阻率1/pd-nJr9008S5!B5O20-610510.0683.HP59-1铅黄铜的力学性能:表皴1的典型力学性能状态扶拉强.厂屈服强度伸长率1哽度I」些—I—匕M空_I /%L _皿一必疝*'420)48451 441/4S| 6201 4205so4.HP59-1热加工与处理规范:表4.419典型钳黄铜热加工规范举例含金牌导曲规格产品出炉混度心加热时闻①HPh5?.lI60k^20x1500财“720「2.5-3.0如如(400-600)棒i530-6301.0^20HPb63~3^195x(400-500)棒囱.6701.0^2.05.HP59-1工艺性能 ‘ 蠢4426华黄.的土艺性能合金牌号|切削性珂』谦二一荷二-扁—I一热^r―热胃「MMf］「焊i±T3结R「-赢火1tox k~-~~—I 1 11 I 1 铜合金铸件的常见缺陷如力学性能不合格、气孔、夹杂、渗漏、偏析，主要原因是熔炼工艺控制不当。铜合金的熔炼工艺要点有：1） 严格控制合金的化学成分，准确配料。2） 净化合金液，防止铜氧化、吸气。3）高温熔炼，快速溶化，低温浇注。首先，铜合金在溶化后，在高温下容易被炉气氧化4Cu+O2=2Cu2O，因此需要脱氧，脱氧的方法有沉淀脱氧和扩散脱氧，另外，磷是应用在磷铜广泛的脱氧剂。其次，熔铜炉的炉气中有，h2o2、h2o、CO、co2so2等，其中O2、h2o气，使铜氧化，h2o2so2等能溶入铜液中，所以需要除气，主要有氧化法除氢，沸腾法除氢，通惰性气体除氢，氯盐除氢，真空除氢等。再次，铜合金的溶剂主要有木炭和玻璃。木炭曾是熔炼铜合金应用最普通的覆盖剂，主要是防止氧化、脱氧、和保温，但木炭表面活性大，吸附水分，必须在1000^-1050^高温下焙烧去水汽。不宜用木炭是，可以用玻璃代替，化学性质稳定，不与铜合金任何元素发生反应。最后，铜合金熔炼的一般原则：1） 所有金属炉料表面必须干净，预热，溶剂应烧培或预热，彻底去除水分。2） 铜合金