1、铜及铜合金的分类第二章铜及铜合金的分类铜是人类最早使用的金属，自然界有自然铜存在，与其他金属不同，铜在自然界中既以矿石的形式存在，也同时以纯金属的形式存在，其应用以纯铜为主，同时其合合金也在工业等多个领域中广泛应用，工业上常将铜和铜合金分为四类，分别是：纯铜、黄铜、青铜和白铜。1.铜与铜合金的分类1.1按生产应用的方式（可分为二大类）形变铜与铜合金、铸造铜与铜合金对于压力加工专业来说，主要是和形变铜与铜合金打交道，因此，重点学习形变铜与铜合金。1.2铜与铜合金的名称：根据历史上形成的习惯，起的是某一种颜色的名称，它们是：紫铜纯铜Cu黄铜Cu-Zn合金青铜锡青铜：Cu-Sn合金铝青铜：Cu-A
2、l合金铍青铜：Cu-Be合金钛青铜：Cu-Ti合金白铜Cu-Ni合金(有的铜合金叫做青铜，但合金的颜色并不真就是青色的。)2.纯铜纯铜的新鲜表面是玫瑰红色的，当表面氧化形成氧化亚铜Cu2O膜后就呈紫色，所以纯铜就常被称为紫铜。紫铜具有好的导电、导热、耐蚀和可焊等性能，并可冷、热压力加工成各种半成品，工业上广泛用于制作导电、导热和耐蚀其结构、组织：2.2.1纯铜的成份、组织与性能2.1等器材。在金属学中学过，纯Cu的晶体结构是面心立方晶格（f、c、c），滑移系多，易塑性变形，塑性好。其组织由单一的铜晶粒组成。的最高纯度可达99.999%（三个9）工业纯Cu的纯度约为99.9099.96%杂质的存
3、在相当于使纯铜的成份改变，这自然会引起一些性能的变化。虽纯Cu有一些性能几乎不受杂质的影响但导电率、机械性能却受杂质或晶4体缺陷的影响较大现在先综合看看工业纯Cu的性能2.2工业纯铜的性能2.2.1纯铜的性能优点：从纯铜的各种性能中我们可以总结出几条性能优点，从而可以明白为什么铜会以纯金属的形式得到这么广泛的应用。优良的导电、导热性；Cu广泛用于：导电器（如：电线、电缆、电器开关）导热器（如：冷凝管、散热管、热交换器）良好的耐蚀性；Cu具有极好的耐蚀性，且反应后表面有保护膜（铜绿）在普通的温度下，铜不太会与干燥空气中的氧气O2反应，但Cu能与CO2、SO2、醋发生作用，生成铜绿碱式碳酸铜、碱式
5、位借密度所决定的。(3)纯铜的热加工工艺性能我们知道，热加工应选择在塑性高的温度范围内进行，那么纯铜在什么温度时塑性高呢？人们通过实验，得到了纯铜的机械性能与温度的关系曲线：由此可看出：b随T而在500600，、最小存在着“低塑性区”若在这个温度范围进行热加工，工件会产生热裂、热脆。（纯铜的热加工应选择在高于低塑性区的温度进行。）即：T热加工7002.3杂质及微量元素对铜的影响紫铜中杂质主要来自原料，同时与熔炼等工艺也有关。很多种杂质既使含量极少（甚至十万分之几）也有剧烈降低铜的导电、导热和压力加工等性能。为改善铜的性能，有时须添加某些其它微量元素，或容许某些脱氧剂元素在铜中保持一定的残留量。
10、铜作用生成氧化镍，但对铜的软化温度影响很小。在无氧铜中，杂质所提高的软化温度，通常比在含氧铜中要大；因为在无氧铜中，杂质不形成氧化物。银、磷、锑、镉、锡、铬等提高无氧铜的软化温度最多，砷、锡、锑等次之，硫、铁、镍、钴、锌等最少。铜的软化温度增加，不是单个元素影响的算术和，而只是比具有最大影响的元素所提高的软化温度略高一点而已。杂质对铜在退火时的晶粒长大有很大的影响。高纯铜的经理随退火温度的升高而迅速长大，并且晶粒尺寸也很不均匀。导电用铜则由于氧化亚铜存在，在通常的退火温度范围内，可有效地抑制晶粒长大。脱氧铜和无氧铜虽然与高纯铜有类似之处，但也由于有微量杂质析出物的存在，仍可有效控制晶粒长大，并
12、加入铜内，其加入量可根据该难熔化合物的分子式和已知有害物质含量大体算出。锂、钙、铈或混合稀土金属、锆、铀等均可消除铅等杂质的有害作用。提高铜的高温塑性的另一种方法是细化铜锭晶粒，相对降低有害杂质在晶界上的浓度，铜中加入微量的钛、锆、铬、硼等元素，都能细化晶粒，抑制柱状晶的发展，并减小铜的高温脆性。铜的熔铸、压力加工和试验条件也将引起铜的成分或组织变化，对铜的高温塑性也有影响。铜在低温具有良好的塑性，但随温度的升高，往往出现一脆性区，热加工常需要在高于此脆性区的温度下进行。脆性区与质的性质、含量、分布、固溶度变化有关。如铅呈易熔共晶，中温变成液态消弱晶间联接，使铜热脆高温时，铅、铋又固溶于铜，使
13、塑性又有升高。10有些研究工作表明，铜在300600呈脆性区是杂质引起的。含氧少的铜常含一定的氢，在上述温度范围内，试样在拉伸应力作用下，氢从固溶体中析出，并在铜的致密处（首先是在晶界上）聚集起来，处于高压气体状态，使铜开裂。随温度的升高，氢又部分或全部固溶于铜，又使铜的属性增高。实践证明：采用铜豆少（含氢也少）的电解铜，可提高铜锭和铜材的高温塑性，脱氧的铜锭在400600有明显脆性区，而用0.03%硅加0.01%镁脱氧的，则没有脆性区。因为磷与氢相似，为表面活性元素，易吸附在铜的晶界上，引起高温脆性。半连铸造的紫铜锭，在横向热轧开坯时，裂的较多，而在纵向热轧开坯时，几乎不裂。说明铜锭的塑性，
14、很明显与柱状晶的方向有关。经多次压力加工的铜材，其高温塑性比铜锭要好得多，并且随着变形量的增加，脆性区向低温方向移动，同时，塑性下降的程度也减少，甚至变得完全看不出脆性区，这可能是因为：多次变形增加了晶粒数目和晶界总的面积，更重要的时破坏了铸造组织，压合了晶界的显微疏松等缺陷造成的。2.4紫铜的热处理及热处理规范2.5紫铜的力学性能113.黄铜黄铜包括铜-锌二元合金（称普通黄铜或简单黄铜）和铜锌中加有其他组元的多元合金（称特殊黄铜或复杂黄铜）。黄铜有良好的工艺性能、机械性能和耐腐蚀性，有的还有较高的导电性和导热性。是重金属加应用最广的金属材料之一。黄铜是工业上应用最广的一种铜合金，Zn在Cu中
15、的最大固溶度可达39%（456）。名称的由来：CuZn合金随（锌含量）Zn%的增加，合金的颜色也在变化。当Zn含量达到一定值（15%）后逐渐显现出美丽的金黄色。（Zn<20%时）或淡黄色（Zn=3045%时）故称为黄（光说是为主要加入元素的铜合金。Zn铜。黄铜定义以：二元黄铜（简单黄Zn合金不完全）黄铜可分为：CuCuZn（复CuZn+1种或数种其它合金元素：多元黄铜铜、普通黄铜）一、(加铝提高耐腐蚀性)123.1杂黄铜、特殊黄铜）黄铜表示法：就要合金的情况，Cu-Zn二元黄铜3.1.1成份与组织要彻底了解大量固溶二元相图，从相图中可以看出：Zn先分析清楚Cu-Zn中在不同的成份，温度
20、H60:。铅和铋,深冲零件但做抗磁用黄铜零件时，含铁量要求<0.03%。铅在简单1-2-30铅和铋对黄铜的高温加工性能的影响见16图黄铜中是有害杂质，它常成颗粒状分布在晶界上的易溶共晶中，,时，使黄铜在热加工时出现热脆性黄铜的含铅量>0.03%但铅的容许含量(+)两相黄铜中,但对冷加工性能无明显影响。回发生固态,因为这种合金在加热和冷却过程中可以提高一些,变相(+)时可使铅大部分转入晶内，减轻其危害性。铋常呈连续的脆性薄膜分布在黄铜晶界上，既产生热脆性，又产生冷脆性，对黄铜的危害性远比铅大(约为铅地5-10倍)，其允许含量比铅更小(见表1-2-5)减轻铅和铋的有害影响的有效途径是加
23、黄铜晶粒细化，提高，过<0.1%黄铜的机械性能。砷：室温时，砷在黄铜中的溶解度量则产生脆性化合物Cu3As，分布在17晶界上，降低黄铜塑性，在黄铜中加入0.02%-0.05%砷，可防止黄铜脱锌，提高黄铜的耐腐蚀性。杂质在简单黄铜中的允许含量见表1-2-5，不同牌号的简单黄铜，有不同的杂质允许含量，可参照YB-71。3.4简单哈的成分、性能和用途简单黄铜的成分、特性及用途见表1-2-6；18简单黄铜的物理、机械性能及某些工艺实验见表1-2-7；4.青铜在我国，除铜-锌系(黄铜)、铜镍系(白铜)合金以外的铜合金统称为青铜。青铜范围比较广，主要包括锡青铜、锡磷青铜、铝青铜、铍青铜、铬青铜、锆青
24、铜、铁青铜、镉青铜、镁青铜、钛青铜、硅青铜等，此外，还有镍硅青铜、钴青铜、银锆青铜等。国外将高铜合金单列一类，或并入紫铜系列，我国刚列入青铜。青铜有高的强度、硬度、耐热性和良好的导电性，它们广泛应有于汽车、机机械、电子行业。其中，锡青铜主要用于制造汽车及其他工业部门中承受摩擦的零件，如汽缸活塞销衬套、轴承和衬套的内衬、副连杆衬套、圆盘和垫圈等，锡磷青铜广泛用于制造弹性元件、精密仪器仪表中的耐磨零件和抗磁零件，铝青铜主要用于用齿轮、摇臂、衬套、圆盘接管嘴、轴承、固定螺母等高强度的和耐磨的结构零件、铍青铜用于19制造电机中的弹簧片、接触电桥、螺栓、紧固件以及仪器仪表中的弹簧、开关部件、电接插件和电
25、阻点焊电极头、缝焊电极盘、模铸塞棒头、塑料模具等，铬青铜带广泛用作电气设备的高温导电耐磨零件、锆青铜用于要求导电要求高、强度适中、弯曲成形性的抗应力松弛性能好的场合，铬青铜、铁青铜、和镍硅青铜是大规模集成电路引线框架关健材料，镉青铜广泛用于制造电工装置的导电、耐热、耐磨零件，镁青铜主要用作制造电缆、飞机天线等导电元件，硅青铜可用作弹性元件以及航空上工作温度高、单位压力不大的摩擦零件，钴铬硅青铜可用于加工电阻焊电极、滚轮、电极块和水平连续浇铸的结晶器等。钛青铜可用于制造高强度、高弹性、高耐磨性的零件等。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度导热材料，本章主要论述青铜
26、的成分、制备工艺和不同处理状态合金的组织和性能。4.1类别及牌号4.1.1类别：原来：青铜是指CuSn合金因久远青铜器的表面颜色而得名为青铜（其组织中的相呈青白色）。后来：青铜的范围有了扩展、现把除CuZn黄铜和CuZn白铜之外的铜合金都叫青铜。主要有：CuSn锡青铜CuAl铝青铜CuBe铍青铜CuTi钛青铜4.1.2牌号按第一主要添加元素（Sn、Al、Be）来命名并以“Q+主添元素符号+除Cu外的成份数字组”表示。（与黄铜（又的锡青铜。0.4%P和6.5%Sn表示含QSn6.50.4例如：不同）叫锡磷青铜）下面对三种主要的青铜：锡青铜、铝青铜、铍青铜分别介绍：4.2锡青铜锡青铜是含锡、锌、
27、铅或磷的铜合金。其中，元素锌除强化铜-锡固溶体()外，还改善合金的流动性，减少结晶温度范围，减轻反偏析的程度，提高合金的充型能力和补缩能力，铅以单质相存在，分布于枝晶间，减少晶间显微缩孔，有利于提高铸件的致密度，改善合金的耐磨性的切削性能，元素磷在铜中的溶解度很小，主要以(+Cu3P)共晶的形式存在，以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合金熔体的表面张力，提高熔体的流动性和充型能力。锡青铜具有较高的强度，良好的抗滑动摩擦性，优良的切削性能和良好的焊接性能，在大气、淡水中有良好的耐腐蚀性能。4.2.1牌号、品种、规格与供应状态20(1)材料牌号：Q
28、SN4-4-2.5相近牌号：C54400(美国)、C5541(日本)品种、规格与供应状态见下表(2)化学成分QSN4-4-2.5的化学成分见下表4.2.2组织、成份及相图分析(1)成份：工业上锡青铜314Sn其中形变用的锡青铜由于对塑性要求较高，形变合金78Sn。(2)CuSn相图分析竖虚线补充说明。从相图可看出两点：相图上的转变与各相：转变有包晶反应、共析反应：21工业Sn：几个相主要相、只有，时314%含量Sn青铜在Cu中的置换固溶体S.S.fcc结构电子化合物Cu5Sn为基的ss.bcc结构电子化学Cu31Sn8为基的SS.复杂立方结构只在高温下稳定T，共析分解电子化合物Cu31Sn8为
29、基的固溶体，复杂立方结构，低温下稳定，性能硬脆（不能塑性变形）相图特点：结晶区间大，T达100160。从金属学、铸造角度来看，这会带来什么后果呢：a)易造成疏松，分散性缩孔b)易产生偏析，如易形成反常偏析这样就造成成份不均匀，组织不均匀。c)Sn在Cu扩散系数D很小：10-121013cm2/秒又易造成成份不均匀。b)、c)使结晶过程难以达到平衡状态，枝晶偏析严重，（生产条件下锡青铜铸态组织与平衡状态相比差别很大），见CuSn相图的虚线可知。当Sn=56%时，就出现了（+）共析组织。成份与组织的关系：（成份组织）生产条件下：当Sn56%时，组织为树枝状相当Sn56%时，组织为树枝状+（+）共析
31、需设冒口了成形性好，可铸造出形状复杂，花纹清晰、细致的青铜工艺品来。耐磨性：好T结晶大第二个后果：易产生偏析，对青铜来说是反偏析。Sn在铸件表面的含量（23倍），产生大量的（+）共析。而耐磨性包括抗磨、减磨两方面相硬脆相是软基底，抗磨性增加。疏松，分散缩孔多，可大量贮藏润滑油，使f，减磨性。这样，由于同时其备了耐磨性的两个方面，锡青铜耐磨性好。耐蚀性：锡青铜表面有含Sn的细密保护膜由Cu2O及2CuCO3Cu(OH)2构成的保护膜比黄铜的耐蚀性好。而且随Sn%（至10%Sn）耐蚀性。青铜器几千年地下/风雨日晒不坏的原因也就在这里。4.2.4机械性能：（锡青铜具有较好的机械性能）见曲线。在相区：
32、Sn%，b，%铸态Z态：Sn=56%，max、而M态：相）Sn%，（由于出现硬脆的相区：+在Sn=10%maxb，%当Sn%=2123%bmax（当）Sn23%由于相增多，使b）4.2.5压力加工工艺性能：一般来讲，二元锡青铜是很难热加工的原因：热加工塑性差相塑性，随T而；由于T大导致的疏松、缩孔多、偏析严重使塑性不容易加工；杂质的影响：由于Bi、Pb等形成易熔共晶，使热塑性。工业上锡青铜很少用二元的，而是用加了其它合金元素的多元锡青铜。加入合金元素改善铸锭质量。23主要添加元素有P、Zn、Pb、Ni等P的作用与锡磷青铜：如QSn6.50.1或（0.4）P的作用，概括起来为：脱氧、增加铸造时的
33、流动性，固溶强化、提高耐磨性、耐蚀性下面略加说明：脱氧：P本身就是强烈的脱氧剂，能去掉含O氧夹杂物增加流动性：P既然使金属液体中的杂质减少，自然使（铸造时的）流动性。固溶强化：当P加入适量时，可对基体起固溶强化作用从而提高b、-1和疲劳强度但P在（锡青铜）CuSn中的极限溶解度Cmax0.2%工业中P的加入量一般为；P0.40.5%若超过，会出现（+Cu3P）共晶，T熔=628这是易熔共晶，热轧时出现热脆0.5%P。锡磷青铜在工业广泛用来作弹性材料，就其压力加工来说，一般认为锡磷青铜也是难以进行热加工的，厂、上海铜厂、常州铜材701只能冷轧成材。但国内一些工厂：厂成功地进行了热轧。这大大提高了
35、能见下表(2)硬度QSN4-4-2.5合金的硬度见下表室温硬度高温硬度(3)拉伸性能供应状态QSN4-4-2.5合金的拉伸性能见下表不同加工变形率和不同温度退火后材料的拉伸性能见下图25拉伸性能与变形率的关系拉伸性能和退火温度的关系原材料：=4mm软板材原材料：=4mm硬板材QSN4-4-2.5合金拉伸性能见下表4.4铝青铜力加工材料。它具有如下的各种优点性能优点：具有比锡青铜更高的机械性能，可以与钢相比美：强度、冲击韧性、疲劳强度耐蚀、耐磨；耐寒、耐热；冲击不生火花；耐蚀性比锡青铜更好，（因CuAlAl2O3）。是牢固的氧化膜，的氧化物混合体Cu和Al合金表面生成流动性比锡青铜好，可获得致密
36、的铸锭或铸件，铝青铜的T结晶只有1030与黄铜类似；流动性好，易于获得致密的铸件。4.5铍青铜26强度是铜合金中最高的，它可时效强化，且强化效果大合金经“淬火冷加工成形时效”处理后高的强度：b可达150kg/mm2具有高的硬度：HV370高的弹性极限：e可达80kg/mm2并且弹性滞后小，弹性稳定性好，耐疲劳。耐磨、耐蚀、耐寒，无磁性，导电、导热、冲击不生火花等良好性能。是工业中一种具有优良的综合性能的重要材料。用途：广泛用作各种高级弹性元件，换向开关，电接触器，耐磨零件以及冲击不生火花的工具等。4.5.2铍青铜的性能机械性能（1）成份的影响由实验曲线证明Be%，时效强化效果，b。（2）冷加工
37、的影响铍青铜的生产工艺流程是这样安排的：淬火冷加工时效淬火得过饱和，塑性极好。经冷加工，随%，b，HB这也叫“形变时效”。以这种工艺，经冷加工后再进行时效处理不仅b，HB更可贵的是使弹性极限e显着提高，弹性滞后这对仪表弹簧意义重大。热处理性能二元铍青铜：加热时晶粒极易长大，要控制加热T、。冷却时过饱和固溶体分解速度很快要尽快冷却。另外可加入合金元素等。能延缓再结晶，阻止合金加热时的晶粒长大；显着减慢Ni相在淬火过程中的分解，提高淬透性、可淬性。耐蚀性（1）在一般介质中，比黄铜、锡/铝青铜的耐蚀性更好铍青铜在各种大气中都是稳定的，在淡水、海水中的腐蚀速度也很小。（2）在卤素气体（F2、Cl2、B
38、r2、I2）中，高温下不耐蚀，产生脱Be。4.5.3铍青铜的晶界反应问题这是Be青铜的一大缺点，生产中要注意克服定义：在一种合金的时效过程中，当其晶粒内部发生脱溶时，晶界早已过时效了，从而使合金变软的现象叫晶界反应。过饱和GP过渡相1过渡相2平衡相。274.5.4铍青铜的生产工艺特性不同的材料有不同的特性，对铍青铜来说：主要合金元素是Be，而Be的特性是有毒极易氧化这两个特性在生产当中就反应到铍青铜的工艺特性上：铍青铜只有“西北铜”“洛铜”还有上海一个厂生产。只要摸透到了它的脾气就好加工。5.白铜（简述）白铜是Cu-Ni合金，Ni>20%时看起来雪白银亮。Ni显着地提高Cu的机械性能、抗
39、蚀性、电阻和热电势。5.1白铜的性能、用途与分类5.1.1性能与用途（1）白铜的突出优点：耐蚀性好（用白铜做的器具不容易生铜绿，银光闪闪）。常常用来制造耐蚀结构件、精密仪器和装饰品。（2）具有中等以上的强度、弹性好，易于冷热压力加工、易于焊接。）具有极高的电阻、热电势和非常小的电3（制造弹簧，接插件。阻温度系数，用于做热电偶补偿导线、精密电阻和热电偶。5.1.2分类：从用途分白铜分为：耐蚀用：白铜、Zn白铜、Al白铜电工用：白铜、Mn自铜从成份分：简单白铜：B10、B20、B30复杂白铜：Zn白铜（“德国银”）Fe白铜Mn白铜Al白铜5.1.3Cu-Ni相图分析与调幅分解Cu-Ni相图28（1
40、）Cu-Ni合金可形成无限互溶的固溶体但另外，Cu-Ni相图还有另一个特点：（2）Cu-Ni合金在322以下的温度范围内存在一个“亚稳分解”（又称调幅分解）的宽的“成份温度”区域。调幅分解定义：就是单相固溶体在某温度以下的温度范围内溶质原子自发地发生上坡扩散，由均匀的固溶体出现成份调幅的结构，即分解为两混合物，这就称为调幅分解。如Cu-Ni二元相图在322以下的T范围：1+2特点：1、2和在调幅分解中溶质的富区与贫区之间没有清晰的相界面富区的生长是上坡扩散的过程1、2是弥散、均匀、细致的混和物意义：亚稳分解的组织可使合金具有很高的强度，同时又有很好的塑性，亚稳分解是制取高强度，高塑性合金的重要
41、途径之一。在Cu-Ni二元合金中分别加入某些合金元素可改变调幅分解的成份温度区的大小位置，从而改善合金性能。白铜的典型用途29铜与铜就是只有.铜.铜的种类与区分有很多人都认为30合金牌号总结一种.它就是唯一.但其实还有其他不同种类的铜的.比如合金铜.下面就慢慢的介绍吧.一、纯铜纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后呈紫色，故工业纯铜常称紫铜或电解铜。密度为89g/cm，熔点1083.纯铜导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；导热性好，常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器、仪表，如罗盘、航空仪表等；塑性极好，易于热压和冷力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔、等铜材。纯铜产品有冶炼品及加工品两种。二、铜合金1.黄铜黄铜是铜及锌的合金。最简单的黄铜是铜、锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机