第二章 铜及铜合金的分类.doc

1、3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

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-Al 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

3、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、导热和耐蚀等器材。2.1纯 铜 的 成 份 、 组 织 与 性 能2.2.1 其 结 构 、 组 织 ： 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 。2.2.2 在 成 分 方 面 ： 100%纯 的 金 属 是 没 有 的 ， 非 100%纯 。 Cu 的 最 高 纯

4、度 可 达 99.999%（ 三 个 9） 工 业 纯 Cu 的 纯 度 约 为 99.90 99.96%杂 质 的 存 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

5、 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

6、 用 ， 生 成 铜 绿 碱 式 碳 酸 铜 、 碱 式 硫 酸 铜CuSO43(OH)2 （ 深 绿 色 ） 、 碱 式 醋 酸 铜 ， 这 样 铜 的 表 面 上 就 慢 慢 生 成 了 一 层保 护 膜 。 有 良 好 的 塑 性退 火 工 业 纯 铜 的 拉 伸 延 伸 率 50%， 纯 Cu 易 加 工 成 材例 ： 加 工 出 来 的 细 铜 丝 可 细 于 头 发 丝 （ 8 丝 ） 达 4 5 丝2.2.2 纯 铜 的 机 械 性 能 与 工 艺 性 能我 们 通 过 结 合 纯 铜 的 生 产 、 加 工 过 程 来 了 解 、 认 识(1) 纯 Cu 的 加 工 过 程 （

7、 几 乎 全 部 纯 铜 都 是 经 过 加 工 成 材 供 应 用 户 的 ， 我 们在 工 厂 中 可 以 观 察 到 ， 其 生 产 过 程 一 般 为 ：(2) 纯 铜 的 机 械 性 能 铸 态 铜 的 性 能 很 低 ； 经 加 工 后 ， 软 态 铜 、 硬 态 铜 的 性 能 ， 见 上 面 数 据 ；5 铜 经 过 强 烈 冷 加 工 （ 形 变 率 80%） 后 ， 强 度 b将 急 剧 升 高 ， 但 塑性 强 烈 变 坏 ， 加 工 硬 化 很 厉 害 ， 对 纯 铜 来 说 ， 其 机 械 性 能 是 由 其 晶 粒 度 和 位 借 密度 所 决 定 的 。(3) 纯

8、 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

9、 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。2.3.1 紫铜可按其所含杂质及微量元素的不同，分为三类：(1) 加工紫铜 有 T1、T2、T3、T4 等，特点是氧含量较高；(2)无氧铜及脱氧铜 有 TU1、TU2、TUP、TUMn 等，特点是氧含量极少，在脱氧铜中还残留少量脱氧剂元素；(3)特种铜 有砷铜、银铜、锑铜等；特点是分别加入了不同的微量元素。2.3.2 杂 质

10、与 微 量 元 素 对 纯 铜 的 影 响杂 质 与 微 量 元 素 的 来 源 ：6杂 质 ： 工 业 纯 铜 中 通 常 含 有 0.05-0.3%的 杂 质微 量 元 素 ： 为 了 改 善 铜 性 能 ， 人 们 有 意 加 入 某 些 微 量 元 素 。（ 例 如 ， 为 了 提 高 Cu 的 高 温 塑 性 、 细 化 晶 粒 加 入 Ce、 Zr； Ti 等 元 素 。 为了 提 高 铜 的 切 削 性 、 耐 磨 性 加 入 微 量 的 Pb等 ） 。影 响 ： 对 性 能 的 影 响 具 有 两 重 性 ： 有 利 、 有 害应 根 据 具 体 的 加 工 、 使 用 条 件

11、 加 以 控 制 和 解 决 。 下 面 ， 根 据 它 们 在 铜 中 的 溶解 度 及 存 在 状 态 ， 分 成 三 类 来 分 析 ：2.3.2.1 杂质及微量元素对铜的导电、导热性的影响所有杂质及微量元素均不同程度地降低铜的导电性和导热性。固溶于铜的元素（除银、镉以外）对于铜的导电性和导热性降低地多，而呈第二相析出的元素则对于铜的导电、导热性降低较少。7金属的导电性可用导电系数（单位：米/欧姆毫米 ）表示，也可用 1913 年制定的国标软铜（Cu+Ag99.90%, 退火后，20时的电阻系数为 0.017241 欧姆毫米 /米或 1.7241 微欧姆厘米，导电系数为 58.0 米/欧

12、姆毫米 ）导电率标准（IACS）作为 100%加以比较和确定。现在铜的纯度大大提高，其导电率已增到102%IACS 以上。加工因素对铜的导电率也有一定的影响，很大的冷加工率可使铜的导电率下降约 2%IACS。铜及铜合金的导热系数和导电率之间存在内在的联系，在某一温度下的导热系数可根据在该温度下的导电率(%)IACS 按 估算，导电率g2530%IACS 的导电、导热、低合金化铜带合金，其导系数还可用下式估算：式中：试验测知的合金导电系数，米/欧姆毫米 2X含铜量，%(重)2.3.2.2 杂质及微量元素对铜的软化温度和晶粒大小的影响铜的软化温度和晶粒大小，影响到铜的加工和使用性能。而杂质及微量元

13、素对铜的软化温度和晶粒大小影响又很大。固溶和生成弥散析出相得杂质和微量元素，均提高铜的软化温度。在一定范围内随这些元素含量的增加，铜的软化温度的增高；但生成氧化物的杂质，大都对铜的软化温度没有明显影响。此外，铜的软化温度与很多工艺因素有关，例如，冷加工率大冷加工前的退火温度降低、冷却慢（此时固溶体的过饱和程度小） ，冷加工后的退火时间等，则铜的软化温度低。8在含氧的导电用铜中，锑、镉、铁、磷、锡等可与氧化亚铜中的氧作用，生成它们自己的氧化物，降低了它们在铜中的固溶度，从而减弱甚至完全消除了它们对铜的软化温度的影响。砷含量 0.05%以下时，与铜中正常含量的氧无明显作用；硒、锑也与砷相似，因此，

14、它们均提高导电用含氧铜的软化温度。镍虽与氧化亚铜作用生成氧化镍，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

15、微量杂质析出物的存在，仍可有效控制晶粒长大，并获得均匀的晶粒尺寸。不管杂质含量如何，在生产中控制加工率、退火温度和时间，是控制再结晶晶粒长大的基本条件。2.3.2.3 杂质及微量元素对铜的加工性能的影响固溶的杂质及微量元素，实际不影响铜的冷、热加工性能。很少固溶或几乎不固溶于铜的杂质及微量元素，则视其所生过剩相得情况不同，对铜的压力加工性能9将有着不同的影响。例如，氧、硫、硒、碲在铜中分别形成Cu2O、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te 等脆性化合物，降低铜的塑性；铅、铋与铜生成易熔共晶，热轧时易裂；脆性的铋呈薄层分布在铜的晶界上，还使铜产生冷脆性。为提高铜的高温塑性，防止热脆性，可根据相图选择

16、那些与有害物质形成难熔化合物（熔点高于铜的熔点或热轧温度）的元素加入铜内，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

17、，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

18、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，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。

19、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 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 。 （ Zn500 塑 性 极 高3.3 简单黄铜中杂质的影响 简单黄铜中常见的杂质有铁、铅、铋、锑、磷和砷等，他们的影响是:铁: 在简单黄铜中,铁作为杂质存在,对机械性能没有显著的影响。铁在黄铜中

20、的溶解度及小，它常以富铁相质点分布在基体中,具有细化晶粒的作用(见图 1-2-29)。当黄铜中有硅存在时,铁与硅会形成高硬度(HV950)的硅化铁质点，使切削性能变环。有的工厂在 H60 中加入 0.3%-0.6%铁,以提高板材深冲性能,用做深冲零件,但做抗磁用黄铜零件时，含铁量要求160.03%时，使黄铜在热加工时出现热脆性,但对冷加工性能无明显影响。( +)两相黄铜中,铅的容许含量可以提高一些,因为这种合金在加热和冷却过程中,回发生固态变相(+) )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-

21、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入能与这些杂质形成弥散的高熔点金属化合物的元素，使杂质质点均匀分布在晶粒内部。如锆可分为铅与铋形成高熔点稳定化合物 ZrxPby(2000C)和 ZrxBiy(2200C)，因此，黄铜中加入少量锆可以抵消铅铋的有害影响，显著改善热加工性能，实验指出：在含有 0.14%铅的 H70 中加入0.22%锆，可获得良好的效果，此时，锆与铅的当量比约为 1.5。铀也有类似于锆的作用。含有铅铋等易熔杂质的黄铜，于冷加工后，如果迅速加热到再结晶温度以上进行退火，可能突然暴烈，这种现象称为 “火裂” 。黄铜的纯度愈高、晶粒愈

22、细、铅的分布愈弥散，就愈不易出现“火裂”现象。避免“火裂”的有效方法是退火时缓慢加热。 锑： 随着温度的降低，锑在 黄铜中的溶解度急剧减少（见图 1-2-31） ，甚至锑含量小于 0.1%时就会析出脆性化合物 Cu2Sb,它呈现网状分布在晶界上，严重损害黄铜的冷加工性能。锑还促使黄铜产生热脆性，所以锑是黄铜中有害杂质。加入微量锂可以减少锑对黄铜塑性的有害影响，因锂与锑能形成高熔点（1145C）的 Li3Sb 质点，比较均匀的分布在晶粒内部，从而减轻了危害性。淬火液可以提高含锑黄铜的冷加工塑性。磷： 很少固熔于铜-锌合金，在 黄铜中超过0.05%-0.06%磷，就出现脆性相 Cu3P，降低黄铜塑

23、性。磷显著提高冷加工黄铜的再17结晶温度，在退火时容易产生晶粒大小不均现象，但是少量的磷可以使黄铜晶粒细化，提高黄铜的机械性能。 砷：室温时，砷在黄铜中的溶解度20%时 看 起 来 雪 白 银 亮 。 Ni 显 著 地 提 高 Cu 的 机械 性 能 、 抗 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 。

24、（ 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 。 制 造 弹簧 ， 接 插 件 。（ 3） 具 有 极 高 的 电 阻 、 热 电 势 和 非 常 小 的 电 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 （ “

25、德 国 银 ”） Fe 白 铜 Mn 白 铜 Al 白 铜5.1.3 Cu-Ni 相 图 分 析 与 调 幅 分 解5.1.3.1 Cu-Ni 相 图28（ 1） 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 。5.1.3.2 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

26、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 的 晶 格 类 型 相 同 （ f.c.c） 但 成 份 各 异 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 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 合 金 牌 号 总 结30