铜及铜合金(上课用).

第二节铜及铜合金1、铜元素•金属铜是唯一的能大量天然产出的金属，也存在于各种矿石(例如黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石CuSO4·2H2O)中。孔雀石黄铜矿CuFeS2辉铜矿Cu2S蓝铜矿Cu3(CO3)2(OH)2赤铜矿Cu2O铜的用途•每生产100万发子弹，需用铜13--14吨（炮铜）•电力输送中需要大量消耗高导电性的铜•1996年建成的香港天坛大佛，使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成，高26米，重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛，高20米，重70吨•在铜币的应用中，除了变化尺寸以外，可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含25％镍的“银币”，含20％锌和1％锡的黄铜币以及含少量锡（3%）和锌（l.5%）的“铜”币纯铜的物理性质•元素符号Cu，原子量63.5•铜具有良好的导电、导热性，仅次于银而居第二•焰色反应呈绿色。•密度8.92g/cm3•熔点1083℃纯铜的化学性能•铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，室外常温下铜在大气中的氧化速度很慢，表面生成一层黑色氧化性保护膜。温度高于130℃后，铜的氧化速度才开始增加。高温下铜的表面生成一层致密的红色氧化亚铜（Cu2O）膜。铜在潮湿空气中久置后，铜表面会生成一层铜绿，[Cu(OH)2·CuCO3]或[CuSO4·Cu(OH)2]。纯铜力学性质•纯铜的抗拉强度低，退火状态下的纯铜抗拉强度约为220MPa，伸长率约为45%~50%，硬度HB约为40~50HBS纯铜加工性能•具有高的塑性，可冷、热压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。•经冷加工变形后强度增至392MPa~490MPa，塑性显著降低，伸长率可降至2%纳米铜的室温超塑性2铜合金•合金：由两种或两种以上的金属或非金属所组成的具有金属特性的物质。•目前已能制备1600多种铜合金，主要的系列有：•铜锌合金•铜锡合金•铜镍合金•锰铜合金•铍（青）铜合金（一）黄铜（Cu-Zn合金）•黄铜具有良好的工艺性能、机械性能、较高的导电和导热性，黄铜还具有价格便宜优点。•黄铜随着含锌量的增加，其色泽由金红向黄、金黄、白色逐渐变化，是有色金属中应用最广的合金材料之一。黄铜的分类•根据黄铜中所含合金元素种类的不同，黄铜分为普通黄铜和特殊（复杂）黄铜两种。•普通黄铜是铜锌二元合金。如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。•在眼镜行业中，通常采用HPb59-1铅黄铜来制造中低档眼镜铰链和配件。•HPb59-1：铜：59%，铅1%。普通黄铜•1.普通黄铜：如：H96，H80，H70，H68，H59等。•根据Cu－Zn二元状态图，黄铜的室温组织有三种：含锌量在35%以下的黄铜，室温下的显微组织由单相的α固溶体组成，称为α黄铜，退火处理后的α黄铜能承受极大的塑性变形；含锌量在36%～46%范围内的黄铜，室温下的显微组织由（α+β）两相组成，称为（α+β）黄铜（两相黄铜）；含锌量超过46%～50%的黄铜，室温下的显微组织仅由β相组成，称为β黄铜，其组织如图。铸态黄铜的力学性能与含锌量及组织的关系•H90（H80）有优良的耐蚀性、导热性和冷变形能力，并呈金黄色，有金色黄铜之称。常用于镀层、艺术装饰品、奖章、散热器等。•H70（H68）俗称三七黄铜，有优良的冷热塑性变形能力，适宜用冷冲压制造形状复杂而要求耐蚀的管、套类零件，如弹壳、波纹管等，故又有弹壳黄铜之称。•H62、H59俗称四六黄铜。当wZn=39～45%时，室温下的组织为α+β’。在实际生产条件下，当wZn＞32%时，即出现α+β’组织。强度较高，有一定的耐蚀性，广泛用来制作电器上要求导电、耐蚀及适当强度的结构件，如螺栓、螺母、垫圈、弹簧及机器中的轴套等，有商业黄铜之称特殊黄铜•为了提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等，在铜-锌合金中加入少量（一般为1%～2%，少数达3%～4%，极个别的达5%～6%）锡、铝、锰、铁、硅、镍等元素，构成三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜，亦称复杂黄铜。实例：•镍黄铜：镍与铜能形成连续固溶体，65Cu-30Zn-5Ni是典型的α镍黄铜，镍能提高合金的强度和韧性，并能增强合金的抗脱锌及抗应力腐蚀的能力。•眼镜上的螺钉及架子一般用H62:它的强度较高，并有一定的耐蚀性，缺点是在汗水的腐蚀下会生铜锈。•黄铜精密异型材——眼镜铰链（二）青铜（Cu-Sn合金）•青铜原指Cu-Sn合金，是人类应用最早的一种合金，现包括：锡青铜，铝青铜，铍青铜，硅青铜等。•牌号：“Q”+第一个主加元素符号及其名义质量分数+数字（其他合金元素的名义质量分数）；如QSn4-3铸造青铜：ZCuSn10P1锡青铜•它的机械性能与含锡量有关。1.当Sn≤5%～6%时，Sn溶于Cu中，形成面心立方晶格的α固溶体，随着含锡量的增加，合金的强度和塑性都增加。2.含Sn量＞5～6%，锡青铜的室温组织为α+共析体(α+δ)。δ相是以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，是一个硬脆相，虽然强度继续升高，但塑性却会下降。3.当Sn＞20%时，由于出现过多的δ相，使合金变得很脆，强度也显著下降。因此，工业上用的锡青铜的含锡量一般为3%～14%。•除Sn外，锡青铜中一般含有少量Zn、Pb、P、Ni等元素：1.Zn提高低锡青铜的机械性能和流动性。2.Pb能改善青铜的耐磨性能和切削加工性能，却要降低机械性能。3.Ni能细化青铜的晶粒，提高机械性能和耐蚀性。4.P能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动性。铝青铜•以铝为主加元素的铜合金，具有比锡青铜更好的耐蚀性、更好的力学性能。•应用：高强度、高耐磨性、耐蚀的零件，如弹簧、齿轮、摩擦轮，传动机构等。•牌号：QAl11-6-6，QAl10-5-5.铍青铜•热处理强化后的抗拉强度可高达1250～1500MPa，HB可达350～400，远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢媲美。•铍青铜的含铍量在1.7%～2.5%之间，铍溶于铜中形成α固溶体。•铍青铜具有很高的弹性极限（弹性之王）、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性，导电、导热性极好，并且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。牌号成分状态抗拉强度伸长率弹性模量硬度QBe2Be软态450-50040117900维氏加工态95031212500维氏铍青铜的力学性能注意：青铜切屑性能较差，在后续工序中应注意其开裂现象在镜架中的应用•在铜合金中青铜的耐磨性、弹性以及耐腐蚀性能是最好的，但它的脆性比较大。•在镜架制造上，主要用来制造镜褪的芯子、饰配件。水晶老眼镜浙江工贸职业技术学院（三）白铜（Cu－Ni）•以镍为主要合金元素的铜基合金，因多数呈银白色而得名，铜和镍能无限互溶形成连续固溶体，即不论彼此的比例多少，而恒为α单相合金，含量超过16％以上时，产生的合金色泽就变得洁白如银，镍含量越高，颜色越白。•在铜合金中，白铜延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能，易于塑性加工和焊接。浙江工贸职业技术学院镍铜