第2章-铜及其合金要点

第2章铜及其合金2.1铜2.1.1铜的简介元素符号Cu,红色金属，原子序数29，原子量63.546，面心立方晶体。铜具有优良的导电和导热性能，较好的耐腐蚀性，变形阻抗较低，能承受高度的冷变形而不破裂，是一种重要的重有色金属材料，主要用于电子、电工、机械、建筑和运输工业部门。2.1.2铜的性能纯铜具有优良的导电、导热性能，较稳定的化学性能，良好的延展性，能承受高度的冷热加工变形。铜是仅次于银的优良的导电和导热体，常温下铜的电导率和热导率分别为银的94%和73.2%。铜的耐蚀性能较好，能耐大气、非氧化性矿物酸和有机酸、碱、盐溶液和各种天然水或处理水的腐蚀，并能耐土壤腐蚀，常用于制造地下构件。铜不适宜适用于氧化性酸（如硝酸）中。在完全不存在空气时，铜能抵抗硫酸和醋酸等非氧化性酸的腐蚀，但在含有空气时，铜将受到这些酸的腐蚀。铜在氨中无黄铜所出现的应力腐蚀现象。高纯铜是很软的金属，工业纯铜的强度由其状态和晶粒大小所决定。纯铜的再结晶温度约为140℃，工业纯铜的再结晶温度为180~230℃，添加少量固溶元素能提高铜的再结晶温度。通邮较好的热加工性能，可进行各种热变形。铜的冷加工性能也很好，一般能承受90%的冷变形而不破裂。铜的切削性较差，添加硫、碲、铅等元素可大大改善铜的切削性。2.1.3铜的分类工业上常用的是含铜99.30％以上，可通过压力加工方法制成各种半制品的变形铜，又称加工铜，变形铜通常可分为韧铜、无氧铜、脱氧铜三大类。此外，还有根据用途专门生产的汽车水箱带用铜，易切削铜和弥散强化铜等。(1)韧铜含一定量氧的铜，因而又称为含氧铜，在工业现场又称为紫铜，杂质被氧化而排出，固溶量减少，既有利于铜的电导性，亦可消除对铜高温变形有害杂质的影响。但在370℃以上还原气氛中易出现脆裂（被称为氢气病）。为了避免出现此一问题，可采用无氧铜或脱氧铜。韧铜熔铸工艺简单，成本较低，适用于大规模生产各种加工制品。中国韧铜牌号有T1、T2、T3三级，其中大量使用的是T2铜。表2.1紫铜加工产品的牌号、成分及用途牌号代号含铜量w/%杂质/%杂质总量/%用途BiPb一号铜T199.950.0020.0050.05导电材料和配高纯度合金二号铜T299.900.0020.0050.1导电材料,制作电线,电缆等三号铜T399.700.0020.010.3一般用铜材,电气开关，垫圈、铆钉、油管等四号铜T499.500.0030.050.5同上(2)无氧铜不含氧亦不含任何脱氧剂残留物的铜。无氧铜电导率高，加工性能、焊接性、耐蚀形和低温性能均好，无氢脆现象。无氧铜对杂质要求比较严格，根据含铜量和杂质量的高低，我国把无氧铜分为TU1和TU2两级。对于用于封结真空管的特殊无氧铜，其含磷量要求低于0.0003％，以保证所生产的氧化膜能与铜基体牢固结合。另外，对于电子设备专用的无氧铜加工材，对铜和杂质的要求更高更严，含铜量应大于99.99％，并对13种杂质提出了严格的要求。(3)脱氧铜不含氧，但含有少量金属或非金属脱氧剂（如磷、锂、硼、钙、锰等）残留物的铜。磷脱氧铜是最常用的脱氧铜，其加工性能和焊接性能良好，亦无氢脆现象，适用于作焊接或钎焊材料之用。但添加磷会显著降低铜的电导率，因此一般控制在0.005％~0.050％的较低范围之内。中国的磷脱氧铜有TP1和TP2两级。(4)汽车水箱带用铜在铜中添加少量银、锡或镉以提高材料的软化温度用来生产汽车水箱散热器翅片的变形铜。添加量：银一般在0.05％左右，锡或镉在0.1％左右。(5)易切削铜含有少量硫、碲或铅，从而具有良好切削性的变形铜。硫、碲或铅的名义成分分别为0.4％、0.5％和1％。2.1.4铜的用途无氧铜由于其纯度高，且无氢脆问题，因而使用在波导、真空管和晶体管部件、玻璃和金属封结、同轴电缆以及超导磁绕组的稳定化处理方面。韧铜用来制作铜母线、接触器、各种类型的导体、雷达部件、开关和触点等。上述两种铜经加银处理的用于制作需要抗软化器件，入变压器、发电机和大型同步发电机的绕组等。磷脱氧铜主要用于制作电冰箱和空调器用管，整流器和输水管或输气管等。易切削铜主要用于制造螺纹制品和其他焊嘴、夹具、端子和开关部件等。2.2铜合金以铜为基加入以定量其他元素组成的合金。铜合金强度中等，易于加工，较耐疲劳，色泽美观，并具有良好的电导性、热导性和耐蚀性，是重有色金属材料中的一个重要分支。铜合金广泛使用于工业各部门中，其产量仅次于钢铁和铝，是金属材料中的第三大合金类别。铜合金是最古老的金属材料之一。根据在埃及和西亚出土的文物了解，大约在公园前6000年就有锻造的自然铜制件出现；公园前5000年开始使用青铜器皿。公园前1世纪，当时居住在黑海海岸附近的民族曾用锌矿石加入铜中制造黄铜。16世纪时，英国人爱本耐尔（E.Ebener）提出改用锌直接加入铜的方法生产黄铜。中国在公园前1200年前商朝时期，就能合理使用金、铜、锡、铅四种金属，青铜冶铸技术已达成熟阶段。公园前1世纪，西汉开始使用含锌矿石炼制黄铜。3、4世纪东汉三国时，张揖所著《广雅》一书就有关于白铜的记载。4、5世纪南北朝的炼丹士，已能用炉甘石即碳酸锌矿石直接加入铜中炼得黄铜。明代用锌直接加入铜镍合金中制成锌白铜，并出口到欧洲，后为德国仿制，国外有人误名为德国银（germansilver）。19世纪末，随着铝的大量生产，铝青铜也开始问世。20世纪20年代，美国人科森（M.G.Corson）和德国人达尔（O.Dahl）等研制成强度高、导电性能较好的铍青铜，在铜合金中开发了沉淀硬化的新品种。70年代中期，美国人普柳（J.T.Plew）等在前人研究的基础上，研制成了在工业上应用的、性能与铍青铜相近的亚稳分解的铜镍锡合金。2.2.1铜合金的性能铜合金具有较好的导电导热性能，中等的力学性能和较高的化学稳定性，切削性能较差。随着添加合金元素的种类不同和数量多寡，各种铜合金的性能有较大的差异。(1)电导性铜合金是较好的电导体。添加任何固溶合金元素都会降低铜的电导率，单位原子浓度的降低量，主要取决于合金元素对铜晶格的影响，在固溶范围内随添加量增大而加大。(2)耐蚀性铜合金具有优良的耐大气和海水腐蚀性能，因为铜合金在与大气和海洋环境相互作用的过程中，表面能生成钝态或半钝态的保护膜，使多种腐蚀受到抑制。因此，多数铜合金在大气环境中显示出优良的耐蚀性能。铜在一般介质中以均匀腐蚀为主。在有氨存在的溶液中有较强的应力腐蚀敏感性，也存在电偶腐蚀、点蚀、磨损腐蚀等局部腐蚀形式。黄铜脱锌、铝青铜脱铝、白铜脱镍等脱成分腐蚀是铜合金独有的腐蚀形式。(3)色泽铜具有美丽的玫瑰红色泽，添加锌、铝、镍等合金元素后，色泽向金黄色和银白色转变，因而可用于制作各种装饰品和钱币。(4)强度铜合金具有中等强度，退火状态下的工业纯铜的抗拉强度在240MPa左右。通过固溶强化、加工硬化、沉淀硬化（包括亚稳分解）、细化晶粒和弥撒强化等途径，可提高铜合金的强度。冷加工既可以单独用来强化合金，也可以于沉淀硬化或亚稳分解共同作用实现强化。铜合金中添加任何固溶合金元素都会提高铜的强度，单位原子浓度对铜切变模量强化程度与所添加的元素和铜的原子尺寸之差有关。(5)塑性铜合金具有良好的塑性和延展性。退火状态下的伸长率一般为40%~50%。可以承受高度的冷变形而不破裂。冷变形后，铜合金的塑性降低。(6)切削性一般铜合金的切削性较差，添加铅、硫、碲等元素能改善铜合金的切削性。2.2.2铜合金分类根据添加合金元素的种类，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金；白铜是以镍为主要添加元素的铜合金；青铜是除黄铜和白铜以外的其他铜合金。为与国际标准一致，中国国家标准GB11086-89把铜和铜合金分为铜、铜锌合金（黄铜）、铜锡合金（青铜）、铜铝合金、铜镍合金、铜镍锌合金（镍银）和特殊铜合金七类。当前在工业上仍沿用原分类方法。另外，铜合金材料还可根据用途和性能单独划分出铜钎料、超塑性铜合金和功能铜合金等类别。2.2.2.1黄铜以锌为主要添加元素的铜合金，包括简单黄铜和复杂黄铜。按照生产方法和使用要求，黄铜又可分为铸造黄铜和变形黄铜，前者以铸件直接使用，后者以压力加工方法生产成板、带、箔、管、棒、线等材料，后者加入的合金元素较前者少，以使合金具有较高的塑性。黄铜易于铸造和压力加工，有良好的力学性能和耐蚀性，与其他铜合金比较，价格低，色泽美，是应用最广泛的重有色金属材料。(1)简单黄铜（铜锌二元合金）工业上使用的黄铜含锌量一般不超过50%，可按含锌量范围和室温组织特征，分为α黄铜、（α＋β）黄铜、β黄铜三类。①α黄铜α黄铜的含锌在36%以下，具有良好的塑性，可进行冷、热压力加工，其室温伸长率随含锌量的增加而增大，到含锌量为30%~32%时达最大值。含锌量高的α黄铜（如H68、H65），在铸态常出现不平衡组织，即除α相外，常出现少量β相。②(α＋β)黄铜(α＋β)黄铜的含锌量为36%~46.5%，在室温下含有硬而脆的有序β′相，故强度高、塑性低。但β相在高温下比α相更易软化，故(α＋β)黄铜常加热到β区的温度进行热轧。③β黄铜β黄铜的含锌量为46.5%~50%，铸态下显示出β晶粒，室温下硬而脆，但在高温时比α黄铜更为柔软，适于热加工。β黄铜通常只做焊料。图2.1Cu-Zn合金相图（a）－单相黄铜（b）－双相黄铜图2.2铜锌合金的显微组织表2.2部分普通黄铜的牌号、成分、机械性能及用途代号CuZn加工状态bMPa%HB用途H9695.0~97.0余量软硬25040035－－－冷凝管、散热器及导电零件H8070.0~81.0余量软硬270－50－－145薄壁管、装饰品H7069.0~72.0余量软硬－660－3－150弹壳、机械及电气零件H6867.0~70.0余量软硬3004004015－150形状复杂的深冲零件,散热器外壳H6260.5~63.5余量软硬3004204010－164机械、电气零件，铆钉、螺帽、垫圈、散热器及焊接件、冲压件H5957.0~60.0余量软硬300420255－103同上注:软一退火状态:硬一变形加工状态(2)复杂黄铜为了改善检简单黄铜的性能，在铜锌合金中添加其他组元的多元合金，又称特殊黄铜，常加入的元素有Pb、Sn、Al、Fe、Mn、Si、Ni等，形成锡黄铜、铝黄铜、铅黄铜、锰黄铜等。这些元素的加入均可提高合金的强度，其中Al、Sn、Mn、Ni还提高黄铜的抗蚀性和耐磨性，Mn可提高耐热性，Si可改善铸造性。表2.3部分复杂黄铜加工产品的牌号、成分、机械性能及用途组别代号Cu其它ZnbMPa%HB用途铅黄铜HPb63-362.0~65.0Pb2.4~3.0余量6005－钟表零件、汽车、拖拉机及一般机器零件HPb60-159.0~61.0Pb0.6~1.0余量6104－一般机器结构零件锡黄铜HSn90-188.0~91.0Sn0.25~0.75余量5205148汽车、拖拉机弹性套管HSn62-161.0~63.0Sn0.7~1.1余量7004－船舶零件铝黄铜HAl77-276.0~79.0Al1.8~2.6As、Be微量余量65012170海船冷凝器管及耐蚀零件HAl60-1-158.0~61Al0.75~1.5Fe0.75~1.0Mn微量余量7508180齿轮、蜗轮、轴及耐蚀零件HAl59-3-257.0~60.0Al2.5~3.5Ni2.0~3.0余量65015150船舶、电机、化工机械等常温下工作的高强度耐蚀零件硅黄铜HSi65-1.5-363.5~66.5Si1.0~2.0Pb2.5~3.5余量6008160耐磨锡青铜的代用材料，船舶及化工机械零件锰黄铜HMn58-157.0~60.0Mn1.0~1.2余量70010175船舶零件及轴承等耐磨零件铁黄铜HFe59-1-157.0~60.0Fe0.6~1.2Mn0.5~0.8Sn0.3~0.7余量70010160摩擦及海水腐蚀下工作的零件镍黄铜HNi65-564.0~67.0Ni5.0~6.5余量7004－船舶用冷凝管、电机零件①锡黄铜以锡为主要添加元素的复杂黄