8.4第八章-有色金属及其合金-铜合金.

铜及铜合金纯铜：面心立方晶格，原子量63.54，密度8.9，熔点1083℃电阻率0.01673欧姆mm2/m，线性膨胀数17.6×10-6/℃，导热率0-100℃399W/mk。软态280MPA，延伸率≥40%铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜存在于地壳和海洋中。铜在地壳中的含量约为0.01％，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3－5％。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。铜矿石分为三类：（1）硫化矿，如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。（2）氧化矿，如赤铜矿(Cu2O)、孔雀石[CuCO3Cu(OH)2]、蓝铜矿[2CuCO3Cu(OH)2]、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。（3）自然铜。铜矿石中铜的含量1％左右（0.5％～3％）便有开采价值，因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去，而得到含铜量较高（8％～35％）的精矿砂。从铜矿中开采出来的铜矿石，经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂，铜精矿需要经过冶炼提成,才能成为精铜及铜制品.目前，世界上铜的冶炼方式主要有两种：火法冶炼与湿法冶炼1．火法:通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一，包括旧废铜和新废铜，旧废铜来自旧设备和旧机器，废弃的楼房和地下管道；新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50％左右),一般废铜供应较稳定，废铜可以分为：裸杂铜:品位在90％以上；黄杂铜（电线）:含铜物料（旧马达、电路板）；由废铜和其他类似材料生产出的铜，也称为再生铜。2．湿法:一船适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。铜及铜合金具有以下性能特点。1．有优异的物理化学性能。纯铜导电性、导热性极佳，许多铜合金的导电、导热性也很好；铜及铜合金对大气和水的抗腐蚀能力也很高；铜是抗磁性物质。2．有良好的加工性能。铜及某些铜合金塑性很好，容易冷、热成型；铸造铜合金有很好的铸造性能。3．有某些特殊的机械性能。例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜）；高的弹性极限及疲劳极限（铍青铜等）。4．色泽美观。由于有以上优良性能，铜及铜合金在电气工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用。但铜的储藏量较小，价格较贵，属于应节约使用的材料之一，只有在特殊需要的情况下，例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下，才考虑使用。50年内将开采殆尽的矿种有：金刚石（6年）；铅（10年）；银（16年）；金（18年）；石膏（21年）；锌（22年）；石墨（22年）；锑（24年）；硫（24年）；铜（26年）；重晶石（26年）；硼（38年）；石油（40年）；钼（42年）；锡（44年）；镍（46年）。50-100年间将开采殆尽的矿种有：天然气（64年）；钨（64年）；磷（79年）；钛（95年）；锰（97年）。100-200年间将开采殆尽的矿种有：铀（110年）；石棉（126年）；铁（150年）；钴（166年）；铝（192年）。纯铜（紫铜）纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫红色，故常称为紫铜。纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金。工业纯铜中含有锡、铋、氧、硫、磷等杂质，它们都使铜的导电能力下降。铅和铋能与铜形成熔点很低的共晶体（Cu＋Pb）和（Cu＋Bi），共晶温度分别为326℃和270℃，分布在铜的晶界上。进行热加工时（温度为820℃-860℃），因共晶体熔化，破坏晶界的结合，使铜发生脆性断裂（热裂）。硫、氧与铜也形成共晶体（Cu＋Cu2S）和（Cu＋Cu2O），共晶温度分别为1067℃和1065℃，因共晶温度高，它们不引起热脆性。但由于Cu2S、Cu2O都是脆性化合物，在冷加工时易促进破裂（冷脆）。工业纯铜的牌号及应用纯铜含铜99.90-99.99%，加工铜国家标准有9个牌号：3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号、1个银铜牌号；高纯铜纯度可达99.99%—99.9999%，又称为4N、5N、6N铜。工业纯铜的牌号用字母T加上序号表示，如T1，T2，T3等，数字增加表示纯度降低。无氧铜用“T”和“U”加上序号表示，如TUl、TU2。主要用来制作电真空器件及高导电性铜线。这种导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能和低温性能均好。用磷和锰脱氧的无氧铜，在TU后面加脱氧剂化学元素符号表示，如TUP、TUMn。根据杂质的含量，工业纯铜可分为四种：T1、T2、T3、T4。“T”为铜的汉语拼音字头，编号越大，纯度越低。工业纯铜的牌号、成分及用途见表:紫铜加工产品的牌号、成分及用途黄铜铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业中有很强的应用价值。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。表是常用黄铜的牌号、成分、性能和用途。1．普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金。α相是锌溶于铜中的固溶体，其溶解度随温度的下降而增大。α相具有面心立方晶格，塑性好，适于进行冷、热加工，并有优良的铸造、焊接和镀锡的能力。β′相是以电子化合物CuZn为基的有序固溶体，具有体心立方晶格，性能硬而脆。Cu-Zn二元相图黄铜的含锌量对其机械性能有很大的影响。当Zn≤30%～32%时，锌完全固溶于铜中形成α相，随着含锌量的增加，强度和延伸率都升高；当Zn32%后，因组织中出现β‘相，强度继续增加，而塑性开始下降，强度在Zn=45%附近达到最大值。含Zn更高时，黄铜的组织全部为β＇相，强度与塑性急剧下降。普通黄铜分为单相黄铜和双相黄铜两种类型。从变形特征来看，单相黄铜适宜于冷加工，而双相黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有H80、H70、H68等，“H”为黄铜的汉语拼音字首，数字表示平均含铜量。它们的组织为α，塑性很好，可进行冷、热压力加工，适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。常用双相黄铜的牌号有H62、H59等，退火状态组织为α＋β＇。由于室温β＇相很脆，冷变形性能差，而高温β相塑性好，因此它们可以进行热加工变形。通常双相黄铜热轧成棒材、板材，再经机加工制造各种零件。单相黄铜两相黄铜普通黄铜Cu-Zn二元合金，性能与含锌量有关表示方法：常用牌号及应用H80、H92：艺术装饰品、纪念章、镀层、散热器、双金属片H68：冷冲压管、套类零件，如弹壳、冷凝器管、散热器管H62：工业上应用较多，散热器、油管、垫片、螺钉、弹簧等H90含铜量WCu=90%黄铜2．特殊黄铜为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。黄铜铸件黄铜棒特殊黄铜的编号方法是：“H＋主加元素符号＋铜含量＋主加元素含量”。例如：HPb60-1表示平均成分为60%Cu，1%Pb，余为Zn的铅黄铜；特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在编号前加“Z”。ZCuZn31Al2表示平均成分为31%Zn，2%Al，余为Cu的铝黄铜。锡黄铜：锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性，也可使黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。铅黄铜：铅能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。铅对黄铜的强度影响不大，略为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如钟表零件），铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬套。铝黄铜：铝能提高黄铜的强度和硬度，但使塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性的氧化膜，因而改善黄铜在大气中的抗蚀性。铅黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铅黄铜中加入适量的镍、锰、铁后，可得到高强度、高耐蚀性的特殊黄铜，常用于制作大型蜗杆、海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零件。硅黄铜：硅能显著提高黄铜的机械性能、耐磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能，并能进行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工机械零件。锰黄铜：锰能提高黄铜的强度，不降低塑性，也能提高在海水中及过热蒸汽中的抗蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承等耐磨部件。铁黄铜：黄铜中加入铁，同时加入少量的锰，可起到提高黄铜再结晶温度和细化晶粒的作用，使机械性能提高，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性，因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海水腐蚀的零件。镍黄铜：镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒，提高机械性能和抗蚀性，降低应力腐蚀开裂倾向。镍黄铜的热加工性能良好，在造船工业、电机制造工业中广泛应用。青铜青铜原指铜锡合金，但是，工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝、镍、锰、硅、铍、铅等特殊元素组成的合金也叫青铜。所以青铜实际上包含锡青铜、铝青铜、铍青铜和硅青铜等。青铜也可分为压力加工青铜（以青铜加工产品供应）和铸造青铜两类。青铜的编号规则是：“Q＋主加元素符号＋主加元素含量（＋其它元素含量）”，“Q”表示青的汉语拼音字头。如QSn4-3表示成分为4%Sn、3%Zn、其余为铜的锡青铜。铸造青铜的编号前加“Z”。1．锡青铜锡青铜是我国历史上使用得最早的有色合金，也是最常用的有色合金之一。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。当Sn≥5%～6%时，组织中出现硬而脆的δ相（以复杂立方结构的电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体），虽然强度继续升高，但塑性却会下降。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%。Sn＜5%的锡青铜适宜于冷加工使用，含锡5%～7%的锡青铜适宜于热加工，大于10%Sn的锡青铜适合铸造。锡青铜的性能：良好的耐蚀性、减磨性、抗磁性和低温韧性，在大气、海水、蒸气、淡水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在亚硫酸钠、酸和氨水中的耐蚀性较差。常用锡青铜：QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等，主要用于制造弹性元件、耐磨零件、抗磁及耐蚀零件，如弹簧、轴承、齿轮、蜗轮、垫圈等。除Sn以外，锡青铜中一般含有少量Zn、Pb、P、Ni等元素。Zn提高低锡青铜的机械性能和流动性。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。Ni能细化青铜的晶粒，提高机械性能和耐蚀性。P能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动性。2．铝青铜以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜。Al的质量分数应控制在12%以下。铝青铜的强度和抗蚀性比黄铜和锡青铜还高，它是锡青铜的代用品，常用来制造弹簧、船舶零件等。铝青铜可通过热处理进行强化。其强化原理是利用淬火能获得类似钢的马氏体的介稳定组织，使合金强化。铝青铜有良好的铸造性能。在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中具有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性，此外，还有耐磨损、冲击时不发生火花等特性。但铝青铜也有缺点，它的体积收缩率比锡青铜大，铸件内容易产生难熔的氧化铝，难于钎焊，在过热蒸汽中不稳定。3．铍青铜以铍为合金化元素的铜合金称为铍青铜。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，固溶度随温度变化很大，它是唯一可以固溶时效强化的铜合金，经过固溶处理和人工时效后，可以得到很高的强度和硬度。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。铍青铜具有很高的弹性极限、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。因此铍青铜常用来制造各种重要弹性元件，耐磨零件（钟表齿轮，高温、高压、高速下的轴承）及防爆工具等。但铍是稀有金属