金属材料铜合金

金属材料铜合金一、铜及铜合金的主要特点人类最早认识和使用的金属：新石器时代知道金和铜。青铜器。产量在有色金属中占第二位，密度8.9g/cm3，属重金属。纯铜具有优良导电、导热性，fcc主体；较好的抗蚀性：耐海水和大气腐蚀合金化：高强、高抗蚀性、高耐磨分类特殊：紫、黄、青、白第2页,共82页，2024年2月25日，星期天1.优良的导电、导热性能在所有金属中，Cu的导电性仅次于Ag,为100%IACS，高纯铜甚至可到103%IACS.铜的导热性是所有金属中最好的，为430W/m.K。合金化会显著提高强度，但会降低导电、导热性能高强、高导铜的发展，如弥散强化铜导电、导热是铜及其合金的最重要应用领域。W-Cu第3页,共82页，2024年2月25日，星期天2.铜是抗磁性金属铜的抗磁性磁化率极低：铜及其合金在抗外磁环境得到广泛应用，如仪表、罗盘、航空、航天、雷达。但含Fe、Mn、高Ni的铜合金除外。3.铜的摩擦系数很小。铜基合金耐磨性能优良，尤其是含Sn的多元铜合金，广泛用于机械设备上的重要耐磨零件，如轴套、轴瓦、涡轮等。4.铜的耐蚀性很好铜的电极电位很高，高于氢。在许多介质中都是稳定的，大部分铜基合金在大气和海水中具有很高的耐腐蚀性，在稀的非氧化氢氟酸、盐酸、磷酸及醋酸溶液中也有很高的化学稳定性。第4页,共82页，2024年2月25日，星期天5.铜的塑性很高铜是fcc结构，无同素异构转变，非常易于加工成形。经过强化后，特别是固溶强化效果好，可形成高强度、高韧性材料，制造高强度、高韧性、高导电、高导热、高耐蚀零件6.铜有杀菌作用。铜在水等介质中，能释放铜离子，抑制细菌和某些微生物的生长，广泛应用于人类饮用水输水管道、洗衣机内筒、船舶的重要部件，如螺旋桨等。7.铜及铜合金有各种色彩纯铜呈紫色，合金化后呈金黄色或银白色，色调古朴典雅，可用于钱币和各类工艺美术品。第5页,共82页，2024年2月25日，星期天二、铜及铜合金分类最普通的分类法：六大类紫铜、高铜合金、黄铜、青铜、白铜、锌白铜紫铜工业纯铜，软而韧，杂质含量<0.7%高铜合金含有少量Be、Zr、Cr、Fe，每一种合金元素含量不超过8mol%,这些元素改善Cu的一种或多种性质。黄铜Zn五种基本元素青铜Si、Sn、Al白铜、锌白铜Ni第6页,共82页，2024年2月25日，星期天

铜合金五种基本元素类别合金元素固溶度(摩尔分数，20℃)，%黄铜Zn37锡青铜Sn9铝青铜Al19硅青铜Si8白铜、锌白铜Ni100第7页,共82页，2024年2月25日，星期天Cu含量不少于99.3wt.%Cu2O呈紫色，新鲜表面呈玫瑰红牌号：GB5231-85

纯铜：T1-T3(99.95,99.90,99.70)用于导电、导热无氧铜：Tu1(99.97),Tu2(99.95)用于电真空器件磷脱氧铜：Tp1(99.90),Tp2(99.85)残留脱氧剂，只能做结构材料特种铜:砷铜、银铜、碲铜和弥散铜等，用于导电结构件性质：导电、导热性（仅次于银）化学稳定性好（碱式化合物）力学性能（σb=170-500MPa，铸态延伸率17%、退火50%、硬态6%）1.紫铜第8页,共82页，2024年2月25日，星期天溶解度较大但对铜影响较少的杂质：

Al、Fe、Ni、Sn、Cd、Zn、Au、Ag、As、P、Sb等硬度升高，电导率降低固溶度很低，易形成共晶的杂质：Pb、Bi等铜一般在900OC以上热加工或冷加工

Pb引起热脆，Bi引起热脆、冷脆加入稀土、Zr、Ca等可生成高熔点化合物且在晶内分布降低脆性生成脆性化合物的杂质：O,S等

O,S均降低冷加工的性能和力学性能三大类杂质氢病：还原性气氛，氢渗入晶界生成水蒸气

Cu2O+(H)=Cu+H2O第9页,共82页，2024年2月25日，星期天2.黄铜黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，含有或不含有少量的其他元素。只含锌的铜-锌二元合金称为普通黄铜或简单黄铜，除锌以外还含有其他添加元素的铜合金称为复杂黄铜或特殊黄铜。黄铜的铜质量分数一般为55％～96％，以字母H表示。第10页,共82页，2024年2月25日，星期天黄铜具有良好的力学性能、耐蚀性、导电性、导热性和加工工艺性，价格低，色泽美，是应用最广、最经济的结构用铜合金。高锌黄铜在冷作硬化状态下有应力腐蚀倾向(季裂)，应注意消除应力退火。脱锌腐蚀是高锌黄铜的另一个突出问题，可选用低锌黄铜或在黄铜中加入微量As、Sn、P、sb等元素抑制合金脱锌。在含微量氧的氮气中退火，生成氧化物薄膜，也可抑制脱锌，获得较好的表面质量。第11页,共82页，2024年2月25日，星期天3.青铜青铜是以除锌和镍以外的其他元素为主要添加元素的铜合金，通常以铜以外的第一主元素名称命名青铜的类别。青铜品种繁多，其中以锡青铜、铝青铜、铍青铜应用较广；还有硅青铜、锰青铜、钛青铜、铬青铜及锆青铜等。青铜以字母Q表示。具有比黄铜高的力学性能，良好的耐蚀性、耐磨性、耐热性，高的弹性，且加工成形性能好，铸件体积收缩率小。主要用于承力的耐蚀、耐磨零件、弹性元件等。第12页,共82页，2024年2月25日，星期天4.白铜

白铜是以镍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Ni的铜一镍二元合金称为普通白铜，除Nj以外还含有其他添加元素的铜合金成为复杂白铜。通常分为结构白铜和电工白铜(锰白铜)，以字母B表示。对于铜．镍系合金，当Nj在10％以下时呈赤铜色，随Ni含量的增加赤铜色急剧减弱。Ni的质量分数达到20％时变为白色，因此有“白铜”之称。白铜的突出特点是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，足够的加工成形性。结构白铜主要用于在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。第13页,共82页，2024年2月25日，星期天我国加工铜及铜合金牌号中国国家标准(GB／T340--1976)规定，加工铜及铜合金的牌号命名以“铜的种类代号、化学符号后的元素含量或顺序号”表示，其中，铜的种类代号取第一个汉字汉语拼音的第一个大写字母，“T”代表纯铜，“H”代表黄铜,“Q”代表青铜，“B”代表白铜第14页,共82页，2024年2月25日，星期天分类牌号组成

示例纯铜T+顺序号①例如：Tl、T3纯铜(添加其他元素)T+添加元素化学符号+顺序号①或添加元素含量②例如：TP2、TAg0.1无氧铜TU+顺序号①例如：TUl、TU2普通黄铜(二元)H+铜含量例如：H90、H65复杂黄铜(三元以上)H+第二主添加元素化学符号+除锌以外的元素含量(数字间以“-”隔开)例如：HPb89-2、HFe58-1-1、HMn62-3-3-0.7青铜Q+第一主添加元素化学符号+除铜以外的元素含量(数字间以“-”隔开)例如：QAl5、QSn6.5-0.1、QAl10-4-4普通白铜(二元)B+镍(含钴)含量例如：B5、B30复杂白铜(三元以上)B+第二主添加元素符号+除铜以外的元素含量(数字闯以“-”隔开)例如：BZnl5-20、BAl6-1.5、BFe30-1-1①铜含量随着顺序号的增加而降低。②元素含量为名义百分含量(以下同)第15页,共82页，2024年2月25日，星期天三、铜的合金化原理按铜合金固有强化途径：可分为固溶合金、变性固溶合金、时效强化合金

(1)固溶合金最适合于能与铜形成固溶相的元素，包括Zn、Sn、Ni、Al、Fe、Ag以及锰。在这些合金体系中硬化作用大，足以达到实用目的，而不会遇到由第二相或化合物带来的脆性。弹壳黄铜是典型的固溶合金。弹壳黄铜含30％Zn，由于偏析偶尔有少量β相出现，但β相通常在第一次退火后就消失。强度高、可成形性好。因为固溶强化合金是单相，加热或冷却过程中均不发生相变，可以冷加工硬化提高强度。第16页,共82页，2024年2月25日，星期天(2)变性固溶合金（弥散强化合金）添加元素可反应形成金属间化合物弥散颗粒，此弥散过程有晶粒细化和强化作用，故可产生更高的强度。因为这种变性处理不需要大量的昂贵元素，所以收效是相当经济的。95Cu-2.8A1-1.8Si-0.4Co合金是一种变性固溶高强度合金，其退火抗拉强度为570MPa，冷轧状态的抗拉强度为660～900MPa，钴便是这种能形成金属间化合物弥散强化的元素。第17页,共82页，2024年2月25日，星期天3)时效硬化合金时效硬化可产生很高的强度，但是只局限于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-铜就是这种时效硬化铜合金的典型代表。含1.6％-2.0％Be和约0.25％Co(质量分数)的铍青铜，常常叫做“金色合金”。因为其中有大量的铍(摩尔分数约12％)存在，故放出耀眼的光环。其经冷加工时效后的屈服强度大于l380MPa，电导率的范围视冷加工量和热处理工艺的不同而在20％～30％IACS之间。其他时效硬化合金包括：锆-铜、铬-铜、铜-铁-磷、铜-镍-硅等。铜-镍-锡合金也属时效强化型合金，其靠调幅分解作用得到硬化。靠冷加工与热加工相结合，这些合金可以达到与硬化铍-铜相等的高强度。独有的加工各向同性。第18页,共82页，2024年2月25日，星期天(4)其他合金某些铝青铜，尤其是含铝量大于9％的铝青铜，可以在临界温度以上淬火以得到硬化，此硬化过程属马氏体型过程。类似于铁-碳合金淬火时发生的马氏体型硬化，淬火后进行回火韧化或用间断式淬火代替标准式淬火还可进一步改善铝青铜性能。加入镍或锌的铝青铜，利用可逆马氏体相变还可产生形状记忆效应。第19页,共82页，2024年2月25日，星期天(5)不溶性合金元素为了提高机加工性能，把铅、碲和硒添加到铜和铜合金中。碲和硒以及铋，使合金的热轧和热成形困难，并严重影响冷加工性能。高锌黄铜在高温下完全变成β相。β相可以溶解铅，因而避免在热锻或热挤压温度下生成液态晶界相。大多数易切削黄铜棒材是用β相挤压法生产的。第20页,共82页，2024年2月25日，星期天四、各类铜合金简介(一)、高导电高导热铜及铜合金(二)、高强导电铜合金(三)、结构黄铜(四)、高弹性铜合金(五)、高强度热稳定铜合金(六)、耐磨铜合金(七)、耐蚀铜合金(八)、艺术铜合金和形状记忆合金第21页,共82页，2024年2月25日，星期天(一)、高导电高导热铜及铜合金1.普通纯铜2.磷脱氧铜3.无氧铜4.弥散强化无氧铜5.电解铜箔第22页,共82页，2024年2月25日，星期天1.普通纯铜高导电用普通纯铜是铜的质量分数不低于99．7％，杂质量极少的含氧铜，工业最常用的牌号是Tl、T2和T3。外观呈紫红色，故又称为紫铜，其再结晶温度为200～280℃。

T1和T2是阴极重熔铜，含微量氧和杂质，具有高的导电、导热性，良好的耐腐蚀性和加工性能，可以熔焊和钎焊。主要用作导电、导热和耐腐蚀元器件，如电线、电缆、导电螺钉、壳体和各种导管等，航空工业多使用T2。T3是火法精炼铜，含氧和杂质较多，具有较好的导电、导热、耐腐蚀性和加工性能，可以熔焊和钎焊。主要作为结构材料使用，如制作电器开关、垫圈、铆钉、管嘴和各种导管等；也用于不太重要的导电元件。第23页,共82页，2024年2月25日，星期天T1、T2、T3在含氢的还原介质中易产生氢脆，俗称“氢病”，故不宜在高温(>370℃)还原介质中进行加工(退火、焊接等)和使用；在低温(至-250℃)下，其强度将会提高。退火温度380-650℃，热加工温度800-900℃（棒材）抗拉强度：Y态294MPa；M态200MPa

延伸率：5%35%第24页,共82页，2024年2月25日，星期天2.磷脱氧铜磷脱氧铜是以元素磷精炼并残留微量磷的铜。强烈降低铜的导电性，通常作为结构材料使用。一般条件下无“氢脆性”，可以在还原性气氛条件下加工和使用，但不宜在高温氧化条件下加工和使用。磷在铜中的最大溶解度(714℃

共晶温度时)为1.75%，200℃时为0.4％，室温时几乎为零。磷能提高铜熔体的流动性，对铜的力学性能尤其是焊接性能有良好的影响。磷脱氧铜具有良好的导热、耐蚀性和优良的加工性，易于承受精冲、拉伸、镦铆、挤压、缠绕、深冲、热锻和焊接等加工。该合金主要用做各种供油、供水的管道，深冲和焊接件等。第25页,共82页，2024年2月25日，星期天3.无氧铜1号、2号无氧铜TUl、TU2是含氧量极少的铜，具有纯度高、导电、导热性高的特点，无“氢病”或极少“氢病”。含磷量(质量分数)极低(如P<0.0008％或P≥0.0003％的无氧铜，与玻璃封结性好，加工性能、焊接性、耐蚀性、耐寒性均好。如果含磷量不符合上述条件，经涂硼氧化处理后，所生氧化膜极易剥落，会引起电子管漏气。无氧铜主要用于电真空仪器仪表用零件，包括汇流排、导电条、波导管、同轴电缆、真空密封件、真空管、晶体管的部件等。第26页,共82页，2024年2月25日，星期天4.弥散强化无氧铜具有优良综合物理性能和力学性能的新型功能结构材料，兼具高强高导性能和良好的抗高温软化能力，理想状态时可以满足电导率>90％IACS，强度超过500MPa。弥散强化相粒子多为熔点高、高温稳定性好、硬度高的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物。弥散相粒子以纳米级尺寸均匀弥散分布于铜基体内，在接近铜基体熔点的高温下也不会溶解或粗化，因此可以有效阻碍位错运动和晶界滑移，提高合金的室温和高温强度，同时又不明显降低合金的导电性，并且具有较高的耐磨耐蚀性能。第27页,共82页，2024年2月25日，星期天弥散强化无氧铜的出现不仅丰富了铜合金的种类，而且扩大了了其使用的温度范围，已被广泛应用于电阻焊电极、大规模集成电路引线框架、灯丝引线、电触头材料、大功率微波管结构材料、连铸机结晶器、直升机启动马达的整流子及浸入式燃料泵的整流子、核聚变系统中的等离子体部件、燃烧室衬套、先进飞行器的机翼或叶片前缘、电真空器件中前相波放大器、行波管、空调管、磁控管等。目前，弥散强化无氧铜主要以Al2O3为强化相粒子，合金牌号根据ASTM(美国)有C15710，C15720，C15735．C15715，C15760第28页,共82页，2024年2月25日，星期天5.电解铜箔电子、电信、仪表、机械等部门用量很大。我国的铜箔需要量每年7000～9000t。铜箔生产方式主要有两种：一种是采用带坯进一步的高精度轧制，可以生产黄铜箔、青铜箔、铍青铜箔、白铜箔等品种；另一种是采用辊式方法连续电解，产品仅限于纯铜箔。电解铜箔是覆铜箔层压板(CCL)及印刷电路板(PCB)制造的重要材料。在当今电子信息产业高速发展中，电解铜箔被称为电子产品信号与电力传输、沟通的“神经网络”。电解铜箔的生产已有数十年的历史，现在最宽箔可生产1～2.5m，厚度可到0.005mm，主要用于印刷电路板上，其中0.035mm厚的铜箔用量占95％，0.018rain以下的占5％。电解铜箔的生产工艺主要由两部分组成，即制成满足宽度和厚度要求的卷状铜箔工序和表面处理工序。第29页,共82页，2024年2月25日，星期天(二)、高强导电铜合金1铬青铜2锆青铜3铬锆青铜4铁青铜5镍硅青铜6镉青铜7镁青铜8Cu-Ag-Zr合金9钴铬硅青铜第30页,共82页，2024年2月25日，星期天1铬青铜铬青铜是含0.4％～1.1％Cr(质量分数)的高铜合金。Cu．Cr二元系相图富铜角为共晶型。共晶温度1072℃，铬在铜中的最大固溶度为0.65％。随温度的降低，固溶度急剧下降，固溶后时效处理析出Cr粒子相铬青铜可以通过淬火-时效或淬火-冷变形-时效处理获得强化。铬一方面明显提高合金的再结晶温度和热强性，时效态铬青铜的软化温度为400℃，是冷加工铜的二倍；另一方面使铜的导电性略有下降，固溶处理的铬青铜电导率为45％IACS，时效处理后上升到80％IACS。可在铸造状态和变形状态下使用。固溶温度980-1000℃，时效420-500℃/2-4h热加工温度800-925℃抗拉530MPa；屈服450MPa;延伸率16%290℃抗拉352MPa；屈服186MPa

延伸率4.2%第31页,共82页，2024年2月25日，星期天2锆青铜

锆青铜是含0.15％～0.30％(质量分数)锆的高铜合金。Cu-zr二元系相图富铜角是共晶型，在共晶温度965℃下，锆在铜中的最大固溶度为0.15％，随温度的降低，锆在铜中的固溶度急剧减少。时效过程中，从固溶体中析出微细的β相质点(Cu5Zr或Cu3Zr)，产生沉淀硬化效果。锆的加入使铜的导电性略有下降，时效态合金的电导率为90％IACS。锆大大提高合金再结晶温度和热强性，其耐热性优于铬青铜。第32页,共82页，2024年2月25日，星期天此外，砷可把Cu—Zr合金的共晶温度提高到1000-l020℃，增加锆在此温度时的溶解度但降低它在低温下的溶解度。As还可与Zr形成Zr-As化合物，细化锆青铜的晶粒，抑制合金在加热时的晶粒长大。锑、锡、铅、硫、铁、铋、镍等都是锆青铜的有害杂质，不应超出标准规定的极限值。国产锆青铜的牌号有QZr0.2和QZr0.4。第33页,共82页，2024年2月25日，星期天3铬锆青铜在铬青铜中添加少量的锆，形成化合物Cu3Zr，高温下Cu3Zr为密集六方晶格，低温时为面心立方晶格，在铜中的溶解度随着温度的降低而明显减少。Cu-Cr-Zr合金由于Cr、Zr含量的不同，可从固溶体中单独析出Cu2Zr或同时析出Cu3Zr和Cu2Zr，起析出强化作用，锆的加入使铬青铜合金的强度、硬度、耐热性提高，对合金电导率的影响不大。Al与Mg可作为铬锆青铜的合金元素，它们可在Cu-Cr-Zr合金表面形成一层薄的、致密的与基体金属结合牢靠的氧化物膜，提高合金的高温抗氧化性能与耐热性，Al与Mg在合金中含量通常不大于0.3％。国产铬锆铜牌号为QCr0.5-0.2-0.1第34页,共82页，2024年2月25日，星期天4铁青铜Cu-Fe二元系富铜角为包晶型，1094℃包晶温度下，铁在铜中的溶解度均为4％，600℃时下降到0.15％。Fe有细化晶粒作用，抑制铜的再结晶过程和提高铜的强度，但降低铜的塑性。铁显著降低铜的电导率与热导率，时效后合金电导率约为70％IACS。Fe以独立形式存在于铜中，使铜呈铁磁性，磁化率为1.1×10-6。铁青铜除主要合金元素Fe外，还添加少量有P、Co、Sn、Zn、Mg。国产铁青铜牌号有QFe1.0,QFe2.5。广泛用于成形性能好、强度和导电率高的材料，如电气、电子接插件，断路器元件，保险丝夹，电缆屏蔽，引线框架。第35页,共82页，2024年2月25日，星期天5镍硅青铜镍硅青铜是Cu-Ni-Si三元系为基的合金，还含有0.1％～0.3％的Zn。Ni和Si形成化合物Ni2Si，Cu-Ni2Si伪二元相图富铜角为共晶型，960℃共晶温度下，Ni2Si在铜中的溶解度约为8.5％，室温时下降到0.5％。镍硅青铜是典型的时效强化型合金。镍硅青铜是一种新型大功率集成电路引线框架材料。第36页,共82页，2024年2月25日，星期天6镉青铜镉青铜是含有0.8％～1.3％Cd高铜合金。高温时镉与铜形成

固溶体，随温度的降低，镉在铜中的固溶度急剧下降，在300℃以下为0.5％，并析出β相(Cu2Cd)。由于镉的含量低，析出相质点强化效果很弱，合金不能通过热处理时效硬化，只能采用冷变形加工获得强化。镉的加入，使铜的电导率略有下降，但其强度、再结晶温度和抗高温软化能力明显提高。合金的耐热性不如铬青铜和锆青铜好，一般在300℃以下工作。镉是一种对人体有害的元素，在熔炼时应注意防护其气对人的危害。国产镉青铜的牌号有QCdl，第37页,共82页，2024年2月25日，星期天7镁青铜镁青铜是铜-镁系二元合金。镁在铜中的溶解度随温度下降而减少，在共晶温度722℃下的极限溶解度为3.3％。含2.5％～3.5％Mg的铜合金可通过

相(MgCu2)的沉淀而产生时效强化，但

相是一种既脆又硬的相，合金的加工成形性能随着

相的增加而急剧下降。因此，有实际应用意义的Cu-Mg合金的镁含量不大于1％，这类合金只能用加工硬化来提高强度。第38页,共82页，2024年2月25日，星期天元素Mg的加人使铜的导电性略有降低，热传导性，耐热性能则优于镉青铜，并有一定的抗扭转性和抗腐蚀性。微量镁加入还有一定的脱氧作用，对铜的高温抗氧化性也有益。镁青铜冷、热加工性能较好，产品一般以线材供应。用做电缆及其他导电材料，在许多方面可以代替镉青铜。国产镁青铜的牌号有QMg0.8。第39页,共82页，2024年2月25日，星期天8Cu-Ag-Zr合金779℃共晶温度下，Ag在Cu中的溶解度为7.9％，随温度降低，Ag在Cu中的溶解度显著下降，300℃时0.2％，室温下只有0.1％，965℃下Zr在Cu中最大溶解度为0.11％～0.13％，500℃时下降低到0.01％Cu-Ag-Zr合金可通过固溶一时效处理得到强化，析出相为Ag和Cu3Zr相。Ag的加入稍许降低铜的导热性，但显著提高铜的再结晶温度、蠕变强度和抗高温热低周疲劳性能。Cu-Ag-Zr合金是航天飞行的液体火箭发动机燃烧室内壁理想的高强导热材料。国产银锆青铜牌号为QAg3-0.5第40页,共82页，2024年2月25日，星期天9钴铬硅青铜钴铬硅青铜，为了改善合金的热锻性能还加入微量Nb。固溶后时效处理，抗高温软化温度为550～620℃。合金的相组织结构为Cu固溶体，Co2Si相和Cr3Co5Si2相。Co2Si能与铜形成固溶体，其固溶度随温度下降而急剧减少。Cu-Co-Cr-Sii合金除具有Cu-Cr和Cu-Co-Si合金的相成分和性能特征外，还可能生成新的相，且各元素及相之间会产生交互作用，这些都会影响合金的最终性能。合金的强度高，有高的耐热性，是制造要求高温抗软化性良好的导电结构材料。国产Cu-Co-Cr-Si合金的商业代号为航空DJl00，为改善合金锻造性能添加某些微量元素的材料代号为航空DJ101第41页,共82页，2024年2月25日，星期天(三)结构黄铜1.普通黄铜2.铅黄铜3.锡黄铜4.铁黄铜5.铝黄铜6.锰黄铜7.硅黄铜8.镍黄铜第42页,共82页，2024年2月25日，星期天加入Zn元素后呈金黄色，一般为不可热处理强化合金。普通黄铜：HX:X为含铜量，H68含铜68wt%.铸造黄铜：ZH68铸造黄铜与变形黄铜可能为同一种，因为多为包晶系。基本相为面心立方的固溶体，还有、、ε，其中还有无序体心立方→'有序转变，'相硬脆1.普通黄铜第43页,共82页，2024年2月25日，星期天工业黄铜一般为H96—H59H96—H65为黄铜，不宜深冲H63---H59为

+黄铜，结晶时为相，为冷却析出物在室温下，

固溶体的塑性比好，强度〉；高温相反。因此，两相黄铜热塑性好，黄铜冷加工较方便。热加工时应避免在200-700OC的脆性区。在区，虽Zn含量增加，塑性与强度均增加，故黄铜的强度、塑性均优于紫铜；工艺性好；抗蚀（ZnO膜）、价格低各种零件、日用品、管道散热器、工艺品、炮弹（筒）第44页,共82页，2024年2月25日，星期天黄铜腐蚀方面的两个特征问题：季裂：冷拔棒或管材（有拉应力存在），在潮湿大气、含氨大气及汞盐溶液中易发生自动破裂现象。原因：Zn在应力作用下选择性溶解。防止：270OC退火；镀Sn或其它表面镀层脱Zn腐蚀：在腐蚀介质中，Zn溶解（电极电位低于铜），铜呈多孔状残留在黄铜表面。防止：加入Al、Sn、Ni、Si、As、Sb、Be等，As作用最明显第45页,共82页，2024年2月25日，星期天特殊黄铜或复杂黄铜在二元系中加入第三组元构成复杂黄铜，以改善性能。HNi65-5HFe59-1-1HMn58-2,HMn57-3-1HSi80-3锌当量：第三组元加入后，可溶于或，或以第三相形式出现。但可用与相的相对含量的增加与减小来分析组元的影响。一般加入1%第三组元相当于加锌的量造成对组织同样的影响来表示。Si当量为10，则加1%Si相当于加入10%Zn（缩小了相区）。若当量为负值，相当于增大了相区。第46页,共82页，2024年2月25日，星期天2.铅黄铜铅几乎不固溶于铜一锌合金中，而存在于固溶体的晶界处。经过压力加工，铅以游离的质点分布在固溶体内。游离的铅质点具有润滑和减摩的特性，铅黄铜都具有极高的切削性能，切屑易碎，工件表面光洁，适宜于自动高速车床加工零件。铅含量超过3％，不但不改善合金的切削性能，反而由于铅质点性软、熔点低，会大大降低合金的综合性能。第47页,共82页，2024年2月25日，星期天在单相a黄铜中有不溶铅质点而不宜热轧，但双相黄铜依靠相变重结晶(-β)，可使铅分布于晶粒内部而不是在边界上。因而在热变形时的重熔已不再那么危险。铅对人体有害。铅黄铜在熔铸和切削加工中，铅蒸气和粉尘对环境和人身的危害越来越引起人们的重视。含碲无铅易切削黄铜已经投入商业应用。第48页,共82页，2024年2月25日，星期天3.锡黄铜锡在饱和的

固溶体中的溶解度很小，但当锌含量增加出现β相时，锡的溶解度会增加。少量锡能提高黄铜的强度和硬度，但超过1.5％后反而会降低黄铜的性能。锡的另一个重要作用是抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性能。锡黄铜在海水中的耐蚀性很好，故有“海军黄铜”之称。向HSn70-1添加0.02％～0.05％的砷和或0.01％的硼可进一步提高锡黄铜的耐蚀性。第49页,共82页，2024年2月25日，星期天4.铁黄铜

铁在黄铜中的固溶度极低，超过其溶解度的铁以富铁相(-Fe)粒子存在，常作为“人工晶核”，既能细化铸造组织，又能抑制黄铜再结晶时的晶粒长大，获得细晶组织，从而大大提高黄铜的力学性能和工艺性能。铁与锰、锡、铝、镍等元素配合使用，可以使黄铜具有更高的强度和硬度，并可改善其在大气和海水中的耐蚀性。黄铜中的铁和硅会形成高硬度(950Hv)的硅化铁粒子，恶化切削性能。黄铜的铁含量一般不超过1.5％，否则会造成富铁相偏析，破坏黄铜的耐蚀性，而且会影响电镀层表面质量。第50页,共82页，2024年2月25日，星期天5.铝黄铜和其他合金元素相比，铝能最显著地提高黄铜的强度和耐蚀性能。在黄铜中加入铝，会使

相区明显地移向铜角。当铝含量高时会出现硬而脆的

相，提高合金的强度和硬度。同时大幅度降低其塑性。在铝黄铜中，铝的表面离子化倾向比锌的大，优先形成致密而坚硬的氧化铝膜，可以防止合金的进一步氧化。向铝黄铜中加入Sn、Sb、Bi、Te、Si、Ni等元素都可以进一步提高其耐蚀性。工业上变形铝黄铜的铝含量一般不超过4％.第51页,共82页，2024年2月25日，星期天6.锰黄铜对黄铜而言，锰的加入对其

相区的影响极其微弱。因此，锰基本上不改变黄铜的组织，Mn通过固溶强化使黄铜的强度和硬度提高，并大幅度提升其对海水、氯化物和过热蒸汽的耐蚀性。锰黄铜有相当好的冷、热加工性能，被广泛使用于舰船和海洋工程。也作为耐磨材料用于高压泵摩擦副和汽车同步齿环。第52页,共82页，2024年2月25日，星期天7.硅黄铜硅的锌当量系数高达10。在黄铜中加入硅会显著地缩小a相区。增加硅含量到4％会出现新的具有密排六方结构的k相，它在高温下有足够的塑性，在545℃时通过共析分解转变为

+β。硅黄铜的硅含量通常在4％以内。常用的牌号为HSi80-3，其组织为

+β

。硅黄铜的高低温力学性能令人满意，在大气和海水条件下耐蚀性强，可以焊接。因此，硅黄铜被用做船舶零件、蒸汽管和水道管件。硅黄铜的铸造和压力加工性能良好，但Al、As、Sb、P、Pb等都是硅黄铜中有害杂质，应当加以控制。第53页,共82页，2024年2月25日，星期天8.镍黄铜镍和许多合金元素(如铝、锰、锡和硅等)不同，能明显地扩大

相区域的范围，因而能用加镍的办法使某些两相黄铜转变为晶粒细小的单相黄铜，从而改善黄铜的工艺性能和力学性能。典型的镍黄铜是HNi65-5，它具有很高的力学性能、耐蚀性和工艺性能，能极好地在冷、热状态下进行压力加工。某些杂质如铅、锑、铋等会严重影响其热加工性，应严格控制，铅应小于0.01％，锑和铋应小于0.005％。镍黄铜HNi65-5可以加工成板、带、管、棒、线材，用于制造低压压力计管、纸浆铜网、船用冷凝器管和其他工业部门的零件。第54页,共82页，2024年2月25日，星期天(四)高弹性铜合金1.铍青铜加工材2.铸造铍青铜3.锡磷青铜4.硅青铜5.铜镍锡与铜镍铝合金6.钛青铜第55页,共82页，2024年2月25日，星期天1.铍青铜加工材QBe0.6-2.5,QBe0.3-1.5等，Be在铜中的固溶度随温度变化大，有强烈的时效强化效果强度可达1250-1500MPa，在铜合金中最高弹性模量高、耐疲劳、耐磨，但有毒高回弹性---接插件触点弹簧等晶间腐蚀倾向小，但在潮湿氨和空气作用下易应力腐蚀合金元素：Ni,Co固溶处理：高强的760-800℃,高电导的900-955℃时效过程：SS→GP→

″→'时效温度：高强的260-400℃，高电导的425-565℃第56页,共82页，2024年2月25日，星期天2.铸造铍青铜铸造铍青铜按铍含量可分为高铍青铜和低铍青铜两类:低铍青铜亦称低合金化的高铜合金，仅有0.3％～0.8％的Be和2～6％Co或Ni，为了提高热强性，有的合金中还添加少量的Cr。铸造高铍青铜中含有1.7％～2.8％的Be和少量的Co或Ni、Si；铍在熔炼、铸造及热加工热处理工艺过程中会产生有害人体健康的不利因素，要做好防护工作，预防不利因素。第57页,共82页，2024年2月25日，星期天2.铸造铍青铜用于要求强度高、耐腐蚀、耐磨损、高导电和高导热的零部件。如继电器开关、连铸机的结晶器、水冷模、压铸机的活塞头、船舶和化工结构件，如螺旋浆、叶片、泵零件等。用于高强度耐磨零件，如塑料成形模具、压铸机零件、凸轮、衬套轴承、阀、安全工具。第58页,共82页，2024年2月25日，星期天3.锡磷青铜(简称磷青铜)磷能提高锡青铜的工艺性能与力学性能，锡磷青铜广泛用作弹性材料。加工锡磷青铜的磷含量不超过0.45％，因为磷含量大于0.5％时在637℃左右会发生共晶一包晶反应L+

—β+Cu3P，引起热脆。合金的磷含量大于0.3％时，组织中会出现铜与铜的磷化物(Cu3P)组成的共晶体。磷是铜合金的有效脱氧剂，元素磷的加入，能提高合金的强度、硬度、弹性极限、弹性模量和疲劳强度，改善耐蚀性能和铸造时的流动性。第59页,共82页，2024年2月25日，星期天3.锡磷青铜(简称磷青铜)缺点是加大铸锭的反偏析。材料冷加工前的晶粒尺寸和加工后的低温退火(180-300℃)对锡磷青铜的力学性能有较大的影响。晶粒细小时，材料的强度、硬度、弹性模量、疲劳强度都比粗晶粒材料的高，但塑性却稍低一些。冷加工锡磷青铜在200—260℃退火1～2h后，其强度、塑性、弹性极限与弹性模量均有所提高，弹性稳定性也能得到改善。第60页,共82页，2024年2月25日，星期天4.硅青铜硅青铜是一类含有Si、Mn、Ni等合金元素的铜合金，Si量量一般不超过3.5％。杂质元素有As、sb、Sn、A1、Pb和P等。Fe和Zn是杂质元素，但有时作合金元素加入。适量Mn对硅青铜的力学性能、耐蚀性能与工艺性能有益。Cu-Si合金于555℃发生共析转变β—+，但在生产的非平衡结晶条件下，共析转变实际上很难发生，因而β

相可保留到室温。硅青铜几乎没有沉淀硬化效果，但力学性能比锡青铜的高．成本也稍低一些，可作为后者的代用材料，其中作为高弹性用途的主要是QSi3-1合金。1%Mn第61页,共82页，2024年2月25日，星期天5.铜镍锡与铜镍铝合金铜镍锡与铜镍铝是以铜-镍合金为基础分别加入第三元素锡、铝的白铜，具有优良的耐蚀性和中等以上的强度，弹性好，易于热、冷压力加工，易于焊接，被广泛用于制造耐蚀的结构件和弹簧、插接件等。铜与镍能形成无限互溶的连续固溶体(面心立方晶格)，固态合金在322℃以下的温度范围内，存在一个产生亚稳分解的较宽成分一温度区域，添加锡、铝到铜．镍合金之后，将改变亚稳分解的成分一温度区域的大小和位置，并可借亚稳分解来改善性能。第62页,共82页，2024年2月25日，星期天5.铜镍锡与铜镍铝合金锡在铜镍合金固溶体中的溶解度不大，且随着温度的下降而减小。在含锡量超过固溶度的铜镍锡合金中，会出现一种新的θ相，它是一种可溶解铜原子的Ni3Sn化合物，即(Cu、Ni)3Sn。铜镍锡合金可因θ相的沉淀而产生明显的强化效应，这类合金经冷加工后再时效，可获得很高的强度、硬度及优良的弹性性能，同时又有较好的抗氧化性和耐蚀性，易于焊接等优点。Cu-15Ni-8Sn合金是Spinodal调幅分解型高强度导电弹性合金，具有高温抗松弛特性，且无污染，是替代经典Cu-Be弹性合金的理想材料。第63页,共82页，2024年2月25日，星期天6.钛青铜工业钛青铜还含有一定的Fe、Sn、Cr、Al等元素。这类材料具有高的强度、硬度、弹性极限和优良的耐磨性、耐疲劳性、耐热性及耐蚀性，冷热态加工性好，易钎焊和电镀，无磁性，冲击时不生火花，导电性仅次于铍青铜，可用于制造高强度、高弹性、高耐磨性的零件。铜-钛合金中添加>0.35％Sn，在组织中形成第二相TiSn。该相的数量随合金中含钛量和含锡量的增加而增多。锡在Cu-1.6%Ti-2.5%Sn合金中的固溶度随着温度的降低而明显减少，并可借TiSn相的析出而导致合金硬化。Cu-1.6％Ti-2.5％Sn合金具有最佳沉淀硬化效果，加工性能好，900℃淬火后不经中间退火也可冷加工90％。冷加工后400℃时效具有最高的强度，其电导率在30％以上，是一种良好的高强度、中等电导率的材料。第64页,共82页，2024年2月25日，星期天(五)高强度热稳定铜合金1.铝青铜2.硅青铜QSil-33.锰黄铜HMn60-3-1-0.75第65页,共82页，2024年2月25日，星期天1.铝青铜具有高强度热稳定性的铝青铜通常为复杂铝青铜，即除铝外，还含有铁、镍、锰等其他元素的多元合金。这类铝青铜有高的力学性能，强的热稳定性。元素锰可提高合金的力学性能和耐蚀性，使其能很好地承受冷、热压力加工，如加入0.3％～0.5％的锰，就可以减少热轧开裂，提高成品率。第66页,共82页，2024年2月25日，星期天1.铝青铜元素铁能细化铝青铜铸造或再结晶后的晶粒，与铝形成微粒状的FeAl，化合物，显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，但铁含量过高时，组织中会析出针状FeAl化合物，降低合金力学性能，铁还能增加高温β相的稳定性，抑制β相共析分解及形成连续链状的粗大

2颗粒而使合金变脆的“自行退火”现象。元素镍既提高铝青铜共析转变温度，又使共析点成分向高铝方向移动，并可改变

相的形状。含镍量较低时，

相呈针状，含镍量达3％时则呈片状。在含镍铝青铜中加入锰，有使β相的共析转变形成粒状组织的倾向。镍显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性和耐蚀性。第67页,共82页，2024年2月25日，星期天2.硅青铜和锰黄铜具有高强度热稳定性的其他铜合金主要有硅青铜QSil-3和锰黄铜HMn60-3-0.75两种。QSil-3是Cu-Ni-Si-Mn系的可热处理强化的热强型合金。元素镍与硅形成Ni2Si金属间化合物，它在铜中的溶解度随温度下降而急剧减小，并析出弥散的质点相使合金明显强化。少量的锰进一步强化合金和提高耐蚀性。HMn60-3-0.75锰黄铜是Cu-Zn-Mn-Si-Pb系铜基多元合金。锰和硅的加入提高了合金的强度和硬度，铅的加入增强了其耐磨性。第68页,共82页，2024年2月25日，星期天(六)耐磨铜合金l.耐磨锡青铜2.铅青铜3.汽车同步器齿环用耐磨铜合金简介第69页,共82页，2024年2月25日，星期天l.耐磨锡青铜具有高耐磨性的锡青铜主要是含锡、锌、铅或磷的多元合金。锌除强化α铜-锡固溶体外，还改善合金的流动性，减小结晶温度范围，减轻反偏析的程度，提高合金的充型能力和补缩能力，有助于减轻疏松，提高耐水压性能。铅以单独相存在，呈黑色夹杂物分布于枝晶间，减少晶间显微缩孔的体积，有利于提高铸件的致密度，改善合金的耐磨性和切削性能。元素磷在铜中的溶解度很小，主要以(α+β)共晶的形式存在。Cu3P化合物有很高的硬度，显着地提高合金的力学性能，同时，元素磷还能显着地降低铜液的表面张力，提高熔体的流动性和充型能力。这类合金具有较高的强度，良好的抗滑动摩擦性、优良的切削性和好的焊接性能，在大气、淡水中有良好的耐腐蚀性能。第70页,共82页，2024年2月25日，星期天锡青铜是最古老的铜合金，QSn+Sn含量+第三组元含量+通常为

+（+δ）共析组织。SnO2,需脱氧结晶范围宽，偏析严重铸锭中分散缩孔、反偏析（锡汗）无低温脆性、冲击时无火花、耐磨（δ硬而脆）、抗蚀第71页,共82页，2024年2月25日，星期天2.铅青铜具有高铅高锡含量的ZCuPb10Sn10和高铅低锡含量的ZCuPb25Sn5均是三元系铸造铅青铜。元素Pb不溶于Cu-Sn合金，以单独质点相分布于枝晶间，可显著提高合金的耐磨性蓑和切削加工性，但使力学性能有所下降。添加元素锡能显著提高合金的强度，并改善合金的铸造工艺性能。合金兼有铅青铜和锡青铜的耐磨、导热、易切削加工、高的耐蚀性和强度特性。高铅锡青铜虽然强度较低，但更适于在润滑不良为条件下工作，在载荷为20MPa，滑动速度为15m/s的工作条件下有极好的耐密性，合金的力学性能在300℃以下无大的变化。主要用于制造重载高速工作的耐磨零件。低铅锡青铜适用于制造轻载、高速(50ms以下)和润滑不良条件下工作的耐磨零件，合金的工作温度不宜高于150～200℃。第72页,共82页，2024年2月25日，星期天汽车同步器齿环用耐磨铜合金简介同步器齿环是汽车变速系统的关键零部件，用于制造同步器齿环的材料要求具有高的热塑性、强度、耐磨性和切削性等综合性能，其中耐磨性是衡量同步器齿环质量的最重要性能指标。由于铜合金具有优良的减摩和耐磨性能，目前国内外普遍选用复杂锰黄铜和复杂铝黄铜等生产汽车同步器齿环。通过添加微量元素和采取相应的工艺措施，控制材料中耐磨质点的生成，使硬质第二相主体由Mn5Si3构成，并控制其数量、形态和分布，促使基体α相增多，并造成较多的合金元素(如Al，Ni，Co等)在其中的溶解，强化和细化基体晶粒组织，提高材料的塑性和强度，使材料的裂纹扩展减缓，使α相呈方向性且均匀分布，在磨损过程中，有利于释放裂纹扩展的应力，减缓了产品的磨损。在使用过程中产品表层会形成致密高硬氧化物或化合物，从而由严重的黏着磨损向氧化磨损转化，大大降低了材料的磨损，提高了材料的耐磨性。第73页,共82页，2024年2月25日，星期天(七)耐蚀铜合金1.白铜2.普通白铜3.锌白铜4.铁白铜5.锰白铜第74页,共82页，2024年2月25日，星期天镍为主要合金元素，Cu-Ni基。与黄铜牌