銅和銅合金概述
2022-08-11 15:03:08
作者：材易通 來源：材易通
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01 純銅
純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。
純銅具有優良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性，塑性好。
雜質元素：
鉍或鉛：容易與銅形成低熔點共晶，造成銅的熱脆；
鉍或銻等：與銅的原子尺寸相差大，容易引起鉍或銻在銅
晶界處偏聚，產生強烈的晶界脆化傾向。
氧元素：含氧銅在氫氣還原時，易裂紋。
工業純銅的牌號及應用
根據O%和生產方法的不同，可分為三類:
韌銅：
0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4；
T1、T2：導電及高純度銅合金用；
T3、T4：一般用銅材及銅合金.
無氧銅：
<0.003%；
TU1，TU2: 主要用于電子真空儀器儀表中導體
脫氧銅：
<0.01%；TUP，TUMn；
TUP：主要用于焊接用銅材，制作熱交換器、排水管、 冷凝管等；
TUMn：用于電子管用銅材。
02 銅合金
銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強度，又保持了純銅特性。
銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。
合金元素的溶解度：
無限互溶元素：Ni、Au、γ-Mn等；
有限溶解元素：除無限互溶元素外的大多數合金元素。注：當合金元素與銅原子尺寸差別很大時，溶解度一般較小，如Sn、As等。
圖3合金元素的固溶強化效果
合金元素對導電性、導熱性的影響 ：
1. 黃銅
以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。
黃銅按成分分為普通黃銅和特殊黃銅；按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。
黃銅的牌號及表示方法：
鑄造黃銅：
Z+Cu+主加元素及含量，例如：ZCuZn38
普通黃銅：
H+銅含量，例如：H62
復雜黃銅：
H+主加元素+銅含量+主加合金元素含量，例如：HMn58-2
普通黃銅的相組成：
α固溶體：Cu3Zn 有兩個變體α1和α2, α固溶體有良好的力學性能和冷熱加工性,是常用的合金成分范圍。
β相電子化合物：以CuZn為基礎的固溶體,具有體心立方結構。
高溫無序的β相的塑性好，而有序的β′相難以冷變形。故含β′相的黃銅只能采用熱加工成型。
γ相電子化合物：Cu5Zn8為基的固溶體，硬且脆，難以塑性加工，故含γ相的合金無實用價值。
黃銅的組織：
w(Zn)<36%：α黃銅
鑄態組織為單相樹枝狀晶;
形變及再結晶退火后：等軸α 相晶粒,具有退火孿晶。
w(Zn)=36~46%的合金為(α+β)黃銅。
(a) 單相黃銅
(b) 雙相黃銅
普通黃銅的性能
單相的α黃銅具有極好的塑性，能承受冷熱塑性變形；在200~700℃間存在低塑性區。
因素：一種是存在Cu9Zn和Cu3Zn有序固溶體,在中溫時發生原子有序化,使合金塑性下降;另一種是含有微量低熔點的鉍、銻、鉛等雜質元素引起的晶界脆性。
(α+β)黃銅在加熱到高于500 ℃時,低溫有序的β′相轉變成無序的β相, β相極軟,但晶體結構為體心立方,原子擴散快晶粒易長大。一般鍛造溫度略低于(α+β)/ β相線,以保留少量α 相,阻礙相晶粒長大。
黃銅有良好的鑄造性能,在大氣、淡水中耐蝕,在海水中耐蝕性尚可。黃銅的腐蝕表現在脫鋅和應力腐蝕。
黃銅的腐蝕與防止
黃銅的腐蝕分為電化學腐蝕（脫鋅）和應力腐蝕。
1）脫鋅：是指鋅在中性鹽溶液中發生選擇性水解。可加入微量的砷W（As）＝0.02～0.06％加以防止。
2）應力腐蝕：冷變形后的黃銅在張應力、腐蝕介質NH3、SO2和濕空氣的聯合作用，發生腐蝕。
應力腐蝕的防止：
1）去應力退火；
2）表面鍍鋅或鎘；
3）在黃銅中加入少量的Si和微量的砷可減小自裂傾向。
幾種加工黃銅
低鋅黃銅H96、H90、H85有良好的導電性、導熱性和耐蝕性,有適宜的強度和良好的塑性,大量用于冷凝器和散熱器。
三七黃銅H70、H68強度高,塑性好,用于深沖或深拉制造形狀復雜的零件,如散熱器外殼、導管、波紋管以及槍彈和炮彈殼體。
四六黃銅H62、H59為(α+β)黃銅，可經受高溫熱加工，H62黃銅強度高，塑性較好，用于制造銷釘、螺帽、導管及散熱零件等。
特殊黃銅
加入其他合金元素如錫、鋁、硅、鉛、鐵、鎳等后， α/(α+β)相界發生移動,有的縮小α相區,有的擴大α相區。每w=1%的合金元素在組織上替代鋅的量稱“鋅當量”（K)。鋅當量小于1的是擴大α相區的元素。
由“虛擬鋅含量”x 來判斷相區移動
式中,A、B分別為多元黃銅中鋅和銅的實際含量；∑ CK為除鋅外的合金元素的實際含量(C%）和該元素的鋅當量（K）的乘積總和。
舉例幾種特殊黃銅
1）錫黃銅
錫顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，并使強度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛用于制造海船零件。HSn70-1錫黃銅又稱“海軍黃銅”，用于艦船。
2）鋁黃銅
在黃銅中加入少量鋁可在合金表面形成致密并和基體結合牢固的氧化膜，提高合金對腐蝕介質特別是高速海水的耐蝕性。鋁在黃銅中的固溶強化作用，進一步提高合金的強度 鋁黃銅可制和硬度。
w(Al)=2%，w(Zn)=20%的鋁黃銅具有最高的熱塑性，故HAl77-2 鋁黃銅可制成強度高、耐蝕性好的應用廣泛的管材，用于海輪和發電站的冷凝器等。HAl85-0.5鋁黃銅W(Al)=0.5%,w(Zn)=15%，色澤金黃,耐蝕性極高,可做裝飾材料，作為金的代用品。
3）硅黃銅
HSi65-1.5-3 硅顯著提高黃銅的機械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進行焊接和切削加工，主要用于制造船舶及化工機械零件。
4）鉛黃銅
鉛改善切削加工性能,提高耐磨性，對強度影響不大,略微降低塑性。它作為金屬物夾雜物分布在α黃銅枝晶間，引起熱脆。但在(α+β)黃銅中，凝固時先形成β相，隨后繼續冷卻，轉變為(α+β)組織，使鉛顆粒轉移到黃銅晶內，鉛的危害減輕。用于要求良好切削性能及耐磨性能的零件(如鐘表零件等)，鑄造鉛黃銅可制作軸瓦和襯套。
此外，還有錳黃銅、鎳黃銅、鐵黃銅，都是為了改善耐蝕性或進一步提高強度。
2. 青銅
青銅是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素組成的合金的統稱。
青銅根據成分可分為錫青銅（Cu-Sn）和特殊青銅。在特殊青銅中，根據主加元素又分別命名為鋁青銅（Cu-Al）、鈹青銅（Cu-Be）等。
二元青銅：Cu-Sn， Cu-Al， Cu-Be，…；
多元青銅：Cu-Sn-M， Cu-Al-M， Cu-Be-M，…
青銅的牌號及表示方法
加工青銅：Q+主加元素及含量+其他元素含量
例如：QSn4-3
鑄造青銅：Z+Cu+主加元素及含量
例如：ZCuPb30
1）錫青銅
錫青銅是歷史上應用最早的合金。
錫青銅的相組成：
α相：含錫的銅基固溶體,
β相：Cu5Sn體心立方結構, 降溫時分解。
γ相：不穩的高溫相,
δ相：Cu31Sn8,復雜立方結構,硬而且脆在。
ε相：Cu3Sn,具有密排六方結構。
錫青銅的組織：
w(Sn)<6%鑄態組織:由樹枝狀α固溶體組成。
w(Sn)>6%時:α固溶體和(α +ε)共析體所組成。
錫青銅的性能：
鑄造性能：
優點：鑄件收縮率小,適于鑄造形狀復雜,壁厚變化大的器件。
缺點：錫青銅存在枝晶間的分散縮孔,致密性差,在高壓下容易滲漏,不適于制造密封性高的鑄件。
同時鑄件凝固時含錫高的低熔點液相易從中部向表面滲出,出現反偏析,嚴重時會在表面出現灰白色斑點的“錫汗”，它主要由δ相所組成。
力學性能：
有較高的強度、硬度和耐磨性。
工業錫青銅中錫含量不超14%，其中w(Sn) 低于7~8%為變形錫青銅，有高塑性和適宜的強度;
高于10% 的錫青銅為鑄造合金，用于鑄件。
化學性能：
錫青銅在大氣、海水和堿性溶液中有良好的耐蝕性,用于鑄造海上船舶和礦山機械零件。
2）多元錫青銅
二元錫青銅的工藝性能和力學性能需要進一步改進，一般工業用錫青銅部分別加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多元錫青銅。
+P：能顯著提高合金的彈性極限和疲勞極限，并能承受壓 力加工，廣泛用于制造各種彈性元件。如QSn6.5-0.1：可制造導電性好的彈簧、接觸片、精密儀器中的齒輪等耐磨和抗磁元件。ZQSn10-1：Cu3P與δ相可作為青銅軸承材料的耐磨相，可做耐磨軸承合金。
+Zn: 可提高力學性能和耐蝕性。QSn4-3 , 常用作制造彈簧、等彈性零件和抗磁零件。
3）鋁青銅
鋁青銅有良好的力學性能、耐蝕性和耐磨性,是青銅中應用最廣的一種。
鋁青銅的相組成
α固溶體：鋁在銅基α固溶體，鋁青銅有高的強度和塑性。
β相：Cu3Al電子化合物為基的固溶體，具有體心立方相為點陣。
γ 1、 γ2相：以Cu9Al4電子化合物為基的固溶體,γ2相硬而且脆,能提高合金的耐磨性。
鋁青銅的性能
鑄造性能：
二元鋁青銅的結晶間隔小,液相有極高的流動性,縮孔集中,可獲得高密度鑄件;但體積收縮大,要求有大的冒口。
力學性能：
w(Al)=5~8%的合金為單相α 合金,有高的塑性,一般做變形合金;
w(Al)高于8%的合金,在高溫下為α+β雙相合金,可經受熱加工,一般用熱擠壓法成型。
化學性能：
鋁青銅可在表面生成含鋁和銅的致密復合氧化膜,有良好的耐蝕性,在大氣、海水、碳酸和有機酸中,耐蝕性優于黃銅和錫青銅。
工業中二元鋁青銅有QAl5、QAl7和QAl10
4）多元鋁青銅
添加鐵、鎳、錳等元素，獲得多元鋁青銅。QAl10-4-4 （Al-Fe-Ni）: Fe 細化, 提高強度; Ni顯著提高強度、熱穩定性和耐蝕性。
加入少量鐵后，在液相中形成細小的FeAl3質點，使合金在凝固時作為非自發形核核心，細化鑄造組織，消除鑄錠的粗大柱狀晶，改善熱塑性。鐵阻礙鋁青銅的再結晶,細化晶粒。鐵還減慢β 相共析分解。
鎳能顯著提高鋁青銅的強度、熱穩定性和耐蝕性。Cu-14Al-4Ni合金是形狀記憶合金。鎳和鐵同時加入時，會形成k相。當鎳和鐵加入量相當時得到細小而分散的k相分布,具有很好的力學性能,并在高溫下有良好的熱強度。
5）鈹青銅
鈹青銅一般w(Be)=1.5~2.5%。
鈹青銅相組成：
α固溶體：Be在銅基α固溶體。
γ1相：CuBe電子化合物為基的無序固溶體，體心立方。高溫有好的塑性。
γ2相：CuBe電子化合物為基的固溶體,體心立方有序結構，γ2相硬而脆。
鈹青銅的性能與用途
鈹青銅有強的沉淀強化效應，經固溶淬火和時效，得到高的強度和彈性極限；
具有良好的導電和導熱性能；耐蝕和耐磨；
無磁，沖擊時無火花 ；
可制造高級彈性元件和特殊耐磨元件，還用于電氣轉向開關、電接觸器等；鈹為強毒性金屬，生產時需嚴格操作；
QBe2, QBe1.9，強度可達成1200-1400 MPa 。
6）多元鈹青銅
少量鎳抑制淬火時α過飽和固溶體分解,使熱處理效果好,降低鈹在晶界的偏聚量,抑晶界不連續沉淀。
微量鈦w(Ti)=0.1~0.25%可抑制過飽和固溶體脫溶,細化鑄造和再結晶晶粒,減少晶界不連續沉淀，改善鈹青銅的力學性能。
7）其他青銅
硅青銅
彈性好，耐蝕性極高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞擊無火花，工藝性能好。加入Mn（QSi3-1）, Ni(QSi1-3)可提高硅青銅的性能。
耐熱、高導電合金
鉻和鋯：提高蠕變強度，提高再結晶溫度，并且導電率降低小。鉻和鋯同時加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀強化相，可得到耐熱性更好的高導電合金（高架線）。
3. 白銅
白銅按成分分為二元白銅（Cu-Ni）和多元白銅（Cu-Ni-(M)）。
按用途分為結構白銅和電工白銅。
銅與鎳由于在電負性、尺寸因素和點陣類型上均滿足無限固溶條件，因而可形成無限固溶體。
其硬度、強度、電阻率隨溶質濃度升高而增加，塑性、電阻溫度系數隨之降低。
結構白銅
常用的牌號有B10、B20、B30；
在大氣、海水、過熱蒸氣和高溫下有優良的耐蝕性，而且冷熱加工性能都很好，可制造高溫高壓下的冷凝器、熱交換器，廣泛用于船舶、電站、石油化工、醫療器械等部門. B20也是常用的鎳幣材料，可制造高面額的硬幣。
加入Fe, Zn, Al, 可提高其性能（多元白銅）。
電工白銅
1）康銅
含Ni40％、Mn1.5％的錳白銅；
具有高電阻、低電阻溫度系數，與銅、鐵、銀配成熱電偶對時，能產生高的熱電勢，組成銅-康銅、鐵—康銅和銀—康銅熱電偶，測溫精確，工作溫度范圍為-200℃--600℃。
2）考銅
Ni43％、Mn0.5％的錳白銅；
有高的電阻, 與銅、鎳鉻合金、鐵分別配成熱電偶時，能產生高的熱電勢，考銅—鎳鉻熱電偶的測溫范圍從-253℃(液氫沸點)到室溫 。
3）B0.6
B0.6在l00℃以下與銅線配成對, 其熱電勢與鉑銠-鉑熱電偶的熱電勢相同，可做鉑銠—鉑熱電偶的補償導線。
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