金屬材料學(xué)第10章 銅合金

10銅及銅合金

copperalloy銅是人類最早使用的，也是目前應(yīng)用最廣的金屬材料之一。應(yīng)用：廣泛用于電纜、電器核電子設(shè)備的導(dǎo)電(dǎodiàn)材料、各種熱交換器的傳熱材料、建筑材料以及裝飾品等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用范圍不斷擴(kuò)大，如大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)電線、超導(dǎo)電磁(diàncí)體、磁力懸浮鐵路、核聚變裝置以及形狀記憶合金等方面都有應(yīng)用。共四十八頁共四十八頁Cu-Cr-Zr棒坯

共四十八頁20mm(a)20mm未施加電磁場(chǎng)時(shí)鑄坯的表面(biǎomiàn)和凝固組織施加電磁場(chǎng)后鑄坯的表面和凝固(nínggù)組織共四十八頁

一、純銅密度8.94,熔點(diǎn)1083℃,無晶形轉(zhuǎn)變導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，僅次于銀化學(xué)穩(wěn)定性好，耐蝕成形(chénɡxínɡ)加工性優(yōu)良，可焊，無磁熱脆：Bi/Pb在晶界處形成(xíngchéng)低熔點(diǎn)組織；冷脆：S/O→Cu2O、CuS，硬脆共四十八頁二、雜質(zhì)(zázhì)對(duì)純銅性能的影響工業(yè)純銅中通常有0.1-0.5％雜質(zhì)（Pb，Bi，O，S，P等），它們對(duì)銅的力學(xué)性能和物理性能及工藝性能有很大影響導(dǎo)電性：使銅的導(dǎo)電性能下降熱脆：Pb，Bi等雜質(zhì)能與銅形成低熔點(diǎn)的共晶體（Cu＋Pb）、（Cu＋Bi），銅在加熱時(shí)，這些共晶體發(fā)生熔化，形成熱脆冷脆，P，S，O與銅形成Cu＋Cu3P，Cu＋CuS

，Cu＋Cu2O共晶體，屬脆性化合物，冷加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋(lièwén)氫病，O含量過高，易引起氫病。指含氧銅在氫氣或還原性氣氛（CO、CH4）中退火時(shí)發(fā)生自動(dòng)變脆或開裂的現(xiàn)象。其本質(zhì)：

H2＋[O]=H2OCO＋[O]=CO2共四十八頁三、工業(yè)純銅的牌號(hào)及應(yīng)用工業(yè)純銅(T1-T3)，數(shù)字越大純度越低。wO約0.02％～0.1％，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好（作太陽能熱水器），耐蝕性好（作電線）。脫氧銅(TP1-TP2)，wO小于0.01％。耐熱，導(dǎo)電性好，（作真空儀表(yíbiǎo)）無氧銅(TU0-TU2)，wO極低（<0.003％）。作排水管，汽油輸送管。（GB/T5231—2001）共四十八頁按化學(xué)成分分：黃銅：以鋅為主要元素的銅合金。銅鋅二元合金→普通黃銅；銅鋅+Me→特殊黃銅

青銅：除Zn和Ni外其他的合金元素加入均稱之青銅白銅：Ni為主加元素按成形方法：壓力(yālì)加工銅合金鑄造銅合金四、銅合金合金化原理(yuánlǐ)銅管共四十八頁思考題根據(jù)化學(xué)成分的不同(bùtónɡ)，銅合金可分為

,

,

三大類。純銅又叫

。純銅含

過高時(shí)，會(huì)引起“氫病”。黃銅是以

為主加合金元素的銅合金，白銅則是以

為主加合金元素的銅合金。根據(jù)添加的化學(xué)成分不同，青銅又分為

,

,

。共四十八頁10.1黃銅(huánɡtónɡ)brass

10.1.1黃銅的牌號(hào)及表示方法牌號(hào)表示方法普通黃銅(huánɡtónɡ)：H62表示含62%Cu、38%Zn特殊黃銅：用“H”加主添元素的化學(xué)符號(hào)再加銅含量和添加元素的含量表示。如HMn58-2表示58%Cu、2%Mn鑄造黃銅:用“Z”再加銅化學(xué)符號(hào)和主添元素化學(xué)符號(hào)及含量表示。如ZCuZn38：Cu為基體元素，Zn為主要合金元素，38為鋅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)共四十八頁1.普通黃銅組成相：Cu-Zn二元合金的狀態(tài)圖，有五個(gè)包晶反應(yīng)和一個(gè)共析反應(yīng)組成，固態(tài)存在(cúnzài)α-Cu、β-ZnCu

、

δ-ZnCu

、γ-Zn8Cu5

、η、ε六種相。當(dāng)wZn小于36％時(shí)，一般不出現(xiàn)δ、η、ε相。

10.1.2普通(pǔtōng)黃銅圖10.1Cu-Zn相圖共四十八頁組織

＜36%Zn的合金為單相(dānxiānɡ)α黃銅，

36～46%Zn合金為α+β雙相黃銅，易熱加工，為熱加工黃銅。性能

隨Zn↑,導(dǎo)電導(dǎo)熱性↓，線脹系數(shù)↑＜30%Zn時(shí),隨Zn↑,強(qiáng)度和塑性↑,δ達(dá)到最高值;

＞32%Zn時(shí)，由于出現(xiàn)(chūxiàn)脆性β′相，塑性↓，強(qiáng)度↑,在45%Zn時(shí)達(dá)最大值2.黃銅合金組織性能共四十八頁圖10.2單相黃銅的顯微(xiǎnwēi)組織圖10.3雙相黃銅的顯微組織(a)鑄態(tài)(b)經(jīng)過(jīngguò)形變與再結(jié)晶退火后共四十八頁

不同(bùtónɡ)電流強(qiáng)度下合金鑄錠的宏觀組織（a）I=0A（b）I=100A共四十八頁

圖9

不同電流強(qiáng)度(diànliúqiánɡdù)下合金鑄錠的微觀組織（a）I=0A橫截面上部（b）I=0A橫截面中部（c）I=0A橫截面下部（g）I=100A橫截面上部（h）I=100A橫截面中部（i）I=100A橫截面下部共四十八頁黃銅(huánɡtónɡ)力學(xué)性能與Zn量有關(guān)，含鋅量超過45%的銅鋅合金無實(shí)用價(jià)值

圖9.5微量元素對(duì)28％Zn黃銅(huánɡtónɡ)中溫脆性的影響。1－28％Zn，2－0.15％Ce，3－0.05％Ce圖10.4圖10.5共四十八頁

黃銅有良好的鑄造性能，即流動(dòng)性高，偏析傾向(qīngxiàng)小，適用于鑄造復(fù)雜和精致的鑄造制品。H96、H90等：有金色黃銅(huánɡtónɡ)之稱。導(dǎo)熱性、抗蝕性好。用于冷凝器、散熱器和工藝品等H70、H68：為三七黃銅。強(qiáng)度較高，塑性好，用于冷沖壓、深拉伸的形狀復(fù)雜件。大量用于彈殼，所以也稱為彈殼黃銅。Zn?H62、H59：強(qiáng)度高，塑性也好，常、用于水管、油管，也稱為商業(yè)黃銅。共四十八頁在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黃銅。Al、Sn、Mn、Ni可提高抗蝕性和耐磨性，Si改善鑄造性能。

加工(jiāgōng)特殊黃銅的牌號(hào)如HPb59-1.特殊黃銅強(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。黃銅(huánɡtónɡ)制品黃銅棒10.1.3特殊黃銅共四十八頁Zn當(dāng)量WW=（A+∑CK）/（A+B+∑CK）x100%A、B為Zn、Cu含量，C除Zn以外的合金(héjīn)元素含量，K是Zn當(dāng)量。例：計(jì)算鑄造鋁黃銅ZCuZn21Al2和錳黃銅HMn57-3-1（Cu57%，Mn3%，Al1%)的Zn當(dāng)量，判斷組織。鋅當(dāng)量(dāngliàng)系數(shù)

共四十八頁合金元素SiAlSnMgCdPbFeMnNi鋅當(dāng)量K10622110.90.5-1.4Zn當(dāng)量(dāngliàng)系數(shù)K>1,縮小α相區(qū)；K<1,擴(kuò)大α相區(qū)。共四十八頁常用牌號(hào)有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件(línɡjiàn)，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。共四十八頁

錫黃銅在普通(pǔtōng)黃銅中+0.5~1.5%Sn，↑強(qiáng)度和硬度及耐蝕性，改善切削加工性。

錫黃銅主要以管、棒、板材大量用于艦艇制造工業(yè)，如冷凝管、船舶零件(línɡjiàn)、船艦焊接件的焊條等，故有海軍黃銅之稱。H62-1海軍黃銅鑄造組織(化染)共四十八頁鋁黃銅(huánɡtónɡ)

黃銅中加入少量鋁（0.7~3.5%）可在表面形成致密和牢固的Al2O3膜，↑耐蝕性。鋁能細(xì)化晶粒，↑硬度和強(qiáng)度。但＞2%Al時(shí)塑韌性↓。含2%Al、20%Zn的鋁黃銅具有最高熱塑性，所以HAl77-2合金得到廣泛應(yīng)用。含鋁特殊黃銅焊接比較困難，且有高的應(yīng)力腐蝕傾向，必須進(jìn)行充分低溫退火(tuìhuǒ)加以消除。共四十八頁鎳黃銅(huánɡtónɡ)

添加鎳可擴(kuò)大α相區(qū)，故雙相黃銅添加適當(dāng)?shù)逆嚳赊D(zhuǎn)變?yōu)閱蜗帱S銅。鎳能↑強(qiáng)度、韌性、耐蝕性及耐磨性。鎳黃銅適合于冷、熱加工。鎳黃銅具有小的應(yīng)力腐蝕破裂傾向(qīngxiàng)，可用來制造海船工業(yè)的壓力表及冷凝管等，還可作錫磷青銅的代用品。共四十八頁

硅黃銅加入1.5~4.0%Si，能↑↑黃銅在海水中的耐蝕性以及抗應(yīng)力腐蝕(fǔshí)能力，改善鑄造性和焊接性。HSi80-3硅黃銅顯微組織為α+β，主要用于艦船制造和其它工業(yè)中的耐蝕零件和接觸蒸汽的配件等。硅黃銅(huánɡtónɡ)

硅黃銅鑄造組織(化染)50×共四十八頁鉛黃銅(huánɡtónɡ)HPb74-3是單相α鉛黃銅，鉛呈細(xì)小質(zhì)點(diǎn)分布在晶界；HPb59-1是雙相（α+β）鉛黃銅。因?yàn)镠Pb59-1切削性特別好，稱為易切黃銅，有足夠高的強(qiáng)度(qiángdù)、耐磨性和耐蝕性。廣泛用作鐘表機(jī)芯的基礎(chǔ)部件和汽車、拖拉機(jī)等機(jī)械零件如襯套、螺釘、電器插座等。

鉛黃銅鑄造組織(化染)70×擠壓態(tài)共四十八頁除黃銅(huánɡtónɡ)和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。

青銅制品

10.2青銅bronze

10.2.1青銅的牌號(hào)及表示(biǎoshì)方法牌號(hào)表示“Q”加上第一個(gè)主加元素化學(xué)符號(hào)及含量再加上其它合金元素含量。如QSn4-3為含4%Sn，3%Zn錫青銅；鑄造青銅：“Z”表示鑄造，“Cu”表示銅基體。如ZCuPb30表示鑄造鉛青銅，鉛的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%共四十八頁10.2.2、錫青銅是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%。是最古老的銅合金，我國(guó)應(yīng)用已有2000年歷史(lìshǐ)，如古代的鼎、鐘、武器、銅鏡等。

錫青銅鑄造流動(dòng)性差，鑄件密度低，易滲漏，但體積收縮率在有色金屬中最小。錫青銅耐蝕性良好，在大氣、海水及無機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。

錫青銅錠東漢晚期的青銅(qīngtóng)奔馬（馬踏飛燕）共四十八頁香港大嶼山天壇大佛(高26.4m)20世紀(jì)90年代初竣工(jùngōng)錫青銅共四十八頁586℃共析：β-Cu5Sn

→α＋γ-CuSn520℃共析：γ-CuSn

→α＋δ-Cu31Sn8

350℃共析：

δ→α＋ε-Cu3Sn當(dāng)wSn在7～30％時(shí)，鑄造錫青銅得到(dédào)α＋（α＋δ

）組織，而非α+（α＋ε）組織。一、錫青銅(qīngtóng)中的組織圖10.6Cu-Sn二元相圖共四十八頁組織α是Sn固溶于Cu固溶體，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)；β是β電子化合物Cu5Sn為基的固溶體；γ是CuSn化合物為基的固溶體；δ是電子化合物Cu31Sn8；ε是電子化合物Cu3Sn。錫青銅的顯微(xiǎnwēi)組織與錫含量和合金狀態(tài)有關(guān)。共四十八頁性能

較高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。

Sn↑,強(qiáng)度↑，當(dāng)Sn＞6%后，↓↓伸長(zhǎng)率;Sn＞20%，出現(xiàn)大量δ相，合金變脆，強(qiáng)度↓。因此(yīncǐ)，工業(yè)用Sn青銅的Sn含量均在3~14%之間。

Sn＜7~8%的合金，有高的塑性和強(qiáng)度，適用于塑性加工；含Sn＞10%的合金，因塑性低，只適用于鑄造用。共四十八頁塑性在7％處最佳(zuìjiā)，強(qiáng)度在27％處最高。

圖10.8ZQSn-10鑄態(tài)

α

+（α+δ）共析組織(zǔzhī)圖10.7共四十八頁圖10.11含鉛青銅(qīngtóng)鑄態(tài)組織圖10.9含磷錫青銅(qīngtóng)鑄態(tài)組織共四十八頁主要用于耐蝕承載(chéngzài)件,如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、墊圈等。錫青銅管船用青銅軟管快速接頭閥(錫青銅閥體、閥蓋)二、常用(chánɡyònɡ)錫青銅用途共四十八頁特點(diǎn)

強(qiáng)度和耐蝕最好(zuìhǎo)，應(yīng)用廣泛。是錫青銅的重要代用品，但鑄造性和焊接性較差。鋁作用

↑Al，強(qiáng)度和硬度(yìngdù)↑，塑性↓。當(dāng)Al＞10~11%時(shí)，強(qiáng)度、塑性均↓?！捎诔霈F(xiàn)了硬脆γ2相所致?！?2%Al

。壓力加工用鋁青銅Al≯5~7%.應(yīng)用

鋁青銅應(yīng)用較廣泛。用于制造耐磨、耐蝕和彈性零件，如齒輪、軸套、彈簧以及船舶制造中的特殊設(shè)備等10.2.3.鋁青銅共四十八頁Al<9.4%:組織(zǔzhī)單相α。Al>9.4%:565℃共析：β→α+γ2-Cu9Al4

（層片狀）QAl-10-4-4（含Al10％，F(xiàn)e4％，Ni4％）組織為α、γ2。鋁青銅(qīngtóng)的組織與相變圖10.9共四十八頁QAL10鑄態(tài)α(白色(báisè))+(α+γ2)共析(黑色)共四十八頁QAL10固溶處理(chǔlǐ)930℃淬火β'(相當(dāng)于M)共四十八頁10.2.4.鈹青銅以鈹為主加元素(yuánsù)的銅合金，鈹含量為1.7~2.5%。具有高的強(qiáng)度、彈性極限、耐磨性、耐蝕性，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、冷熱加工及鑄造性能，但價(jià)格較貴?！皬椥灾酢狈Q號(hào)。常用牌號(hào)有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。用于重要的彈性件、耐磨件，如精密彈簧、膜片，高速、高壓軸承及防爆(fánɡbào)工具、航海羅盤等重要機(jī)件。鈹青銅帶材共四十八頁性能特點(diǎn)

淬火狀態(tài)塑性好，可冷加工成管、棒、帶材等各種型材。若經(jīng)過固溶處理及冷變形后，不僅能提高強(qiáng)度(qiángdù)（σb可1200MPa），而且能↑↑σp

，→特別適用于儀表彈簧處理特點(diǎn)

固溶處理和快冷是為了獲得過飽和固溶體，→時(shí)效強(qiáng)化。鈹青銅淬火時(shí)必須嚴(yán)格控制加熱溫度。否則會(huì)產(chǎn)生過熱和過燒。加熱溫度過低，富鈹相不能充分(chōngfèn)溶解，↓沉淀硬化能力共四十八頁Cu-Be合金的時(shí)效過程(guòchéng)也是過飽和固溶體的脫溶沉淀過程(guòchéng)，其時(shí)效序列：

α過飽和固溶體G.P.區(qū)（或γ’’）（共格）→γ

’（半共格）→

γ

2

淬火溫度780～800℃，時(shí)效溫度為300～350℃，淬火介質(zhì)為水。圖10.10共四十八頁黃銅(huánɡtónɡ)普通(pǔtōng)黃銅特殊黃銅金色黃銅：H96;彈殼~:H70;商業(yè)~：H62<32%Zn,α>32%Zn,α+β海軍黃銅：HSn70-1耐腐蝕性好易切黃銅：HPb59-1可切削性好商業(yè)黃銅：HAl77-2熱塑性好青銅錫青銅鋁青銅鈹青銅<6~7%Sn，壓力加工；10~14%Sn，鑄造.鑄造性比黃銅差，耐蝕性比黃銅好.+P、Zn、Ni等元素，為多元錫青銅.如QSn4-3:Sn-4%左右,Zn-3%左右大部分多元：Cu、Al+Mn、Fe、Ni等.如QAl9-2，+2%左右Mn比黃銅錫青銅有更高強(qiáng)度和硬度，更好的耐磨性和耐蝕性，塑性較差。如QBe2.具有高σbσp,耐磨，抗蝕，受沖擊無火花。經(jīng)淬火時(shí)效后，σb可達(dá)1200MPa共四十八頁測(cè)驗(yàn)題1.下列是什么材料？(1)ZL108(2)KTH370-12(3)B30(4)QAl5(5)QT900—22．下列是什么材料？數(shù)字(shùzì)字母含義？(1)H68(2)HT300(3)QBe1.9(4)KTB450—07(5)ZCuZn38共四十八頁作業(yè)(zuòyè)

1.防繡鋁合金（）；硬鋁合金（）；超硬鋁合金（）；鑄造鋁合金（）；普通黃銅()；鑄造黃銅（）；錫青銅（）；鈹青銅（）；

(a)HPb59-1(b)3A21(c)ZCuZn38(d)7A75(e)QBe2(f)ZAlSi12(g)H68(h)2024(i)QSn4-3(j)2A24(k)70752.淬火加時(shí)效處理是（）合金強(qiáng)化的主要(zhǔyào)途經(jīng)。

A．形變鋁合金；B．鑄造鋁合金；C．黃銅；D．青銅3．HMn58-2是________的代號(hào)，它表示含_______量為58%，而含_______量為2％。

a.普通黃銅b.特