第2章-铜及其合金要点

1、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

2、。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180230，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

3、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T199.950.0

4、020.0050.05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

5、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0.0050.050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

6、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

7、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

8、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（german silver）。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

9、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

10、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

11、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GB 11086-89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、

12、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，分为黄铜、（）黄铜、黄铜三类。 黄铜黄铜的含锌在36%以下，具有良好的塑性，可进行冷、热压力加工，

13、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。含锌量高的黄铜（如H68、H65），在铸态常出现不平衡组织，即除相外，常出现少量相。 ()黄铜()黄铜的含锌量为36%46.5%，在室温下含有硬而脆的有序相，故强度高、塑性低。但相在高温下比相更易软化，故()黄铜常加热到区的温度进行热轧。 黄铜黄铜的含锌量为46.5%50%，铸态下显示出晶粒，室温下硬而脆，但在高温时比黄铜更为柔软，适于热加工。黄铜通常只做焊料。图2.1 Cu-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sbMPa

14、d%HB用 途H9695.097.0余量软硬25040035冷凝管、散热器及导电零件 H8070.081.0余量软硬27050145薄壁管、装饰品 H7069.072.0余量软硬6603150弹壳、机械及电气零件 H6867.070.0余量软硬3004004015150形状复杂的深冲零件, 散热器外壳 H6260.563.5余量软硬3004204010164机械、电气零件，铆钉、螺帽、垫圈、散热器及焊接件、冲压件 H5957.060.0余量软硬300420255103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

15、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ZnsbMPad%HB用 途铅黄铜HPb 63-362.065.0Pb 2.43.0余量6005钟表零件、汽车、拖拉机及一般机器零件 HPb 60-159.061.0Pb 0.61.0余量6104一般机器结构零件锡黄铜HSn 90-188.091.0Sn 0.250.75余量5205148汽车

16、、拖拉机弹性套管 HSn 62-161.063.0Sn 0.71.1余量7004船舶零件铝黄铜HAl 77-276.079.0Al 1.82.6As、Be微量余量65012170海船冷凝器管及耐蚀零件 HAl60-1-158.061Al 0.751.5Fe 0.751.0Mn微量余量7508180齿轮、蜗轮、轴及耐蚀零件 HAl59-3-257.060.0Al 2.53.5Ni 2.03.0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HSi65-1.5-363.566.5Si 1.02.0Pb 2.53.5余量6008160耐磨锡青铜的代用材料，船舶及化工机械零

17、件 锰黄铜HMn 58-157.060.0Mn 1.01.2余量70010175船舶零件及轴承等耐磨零件铁黄铜HFe 59-1-157.060.0Fe 0.61.2Mn 0.50.8Sn 0.30.7余量70010160摩擦及海水腐蚀下工作的零件镍黄铜HNi 65-564.067.0Ni 5.06.5余量7004 船舶用冷凝管、电机零件 锡黄铜以锡为主要添加元素的复杂黄铜。锡能抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性。锡黄铜在淡水和海水中均耐蚀，国际上广义的泛称“海军黄铜”，但实践中习惯把HSn70-1称为海军黄铜，在锌饱和的固溶体中，锡的溶解度很小，但当锌含量增加到出现相时，锡的溶解度增加。少量锡能溶

18、于和 (+)黄铜，提高合金的强度和硬度。锡黄铜能较好地承受热、冷压力加工，常用的锡黄铜的锡含量在l左右，含锡过多会降低合金的塑性。 铅黄铜以铅为主要添加元素的复杂黄铜。铅极少固溶于铜锌合金，在合金中以独立相存在，呈游离质点分布在晶界或晶内，既有润滑作用，又能使切屑呈崩碎状，可提高黄铜的切削性和耐磨性。铅黄铜的切削性与含铅量成正比，但当含铅量超过3时，不再显著改善黄铜的切削性，且降低黄铜的强度、硬度和伸长率，因此，切削用黄铜的最高含铅量在3%左右。 铝黄铜以铝为主要添加元素的复杂黄铜。铝对黄铜有较高的强化效果。铝含量增高时，会出现相，虽能提高合金的强度，但降低塑性，在压力加工用铝黄铜中，铝含量一

19、般不超过4%，含22%24%锌， 13铝的铝黄铜具有良好的加工性能和力学性能。铝的离子化倾向比锌大，在铝黄铜表面能优先与腐蚀性气体或溶液中的氧结合，形成坚硬致密的氧化膜，提高对气体、溶液、特别是高速海水的耐蚀性。 铝黄铜中同时添加少量铁，锰、镍等元素，可提高合金的强度，用以制造高强度耐腐蚀的零部件。 锰黄铜以锰为主要添加元素的复杂黄铜。锰对黄铜的组织影响不大。锰能显著提高黄铜在大气、海水、氯化物及过热蒸汽中的耐蚀性。锰在黄铜中起固溶强化作用，可提高强度和硬度。锰黄铜中锰含量通常为 14，超过4时伸长率和冲击韧性有所降低。 铁黄铜以铁为主要添加元素的复杂黄铜。铁在黄铜中以富铁相的微粒析出，作为“

20、晶核”细化黄铜的铸造组织，并能阻止再结晶晶粒长大，从而提高黄铜的力学性能和工艺性能。铁黄铜中的铁含量通常不超过1.5，铁含量过高，富铁相增加，会由于产生富铁相的偏析而降低合金的耐蚀性。 铁与锰、锡、铝、镍等元素在黄铜中同时存在时，由于固溶强化作用可提高合金的强度，同时提高在大气和海水中的耐蚀性。 镍黄铜以镍为主要添加元素的复杂黄铜。镍能扩大铜锌合金的区。在高锌黄铜中添加镍，可获得具有少量相的高强度合金。常用的中国牌号镍黄铜为HNi65-5，这是典型的合金，具有较高的力学性能和耐蚀性，能承受热、冷压力加工，用于制造低压压力表管、造纸网、舰船用冷凝管以及其他耐磨、耐压零件。(3) 铸造黄铜用于生产

21、铸件的黄铜。黄铜铸件广泛应用于机械制造、舰船、航空、汽车、建筑等工业部门，在重有色金属材料中占有一定的分量，形成铸造黄铜系列。铸造黄铜大部分含有铝、铁、锰等合金元素。铝提高合金的硬度，锰提高合金的强度和硬度，铁与铝、锰等合金元素配合使用，可使黄铜具有高的强度和在大气、海水中的耐蚀性。铸造黄铜的强度高、塑性低，一般难以进行压力加工。表2.4 部分铸造黄铜的牌号、成分、机械性能及用途组 别代 号Cu其 它Zn铸造方法sbMPad%HB用 途普通黄铜ZH6260.063.0余量JS30030030307060散热器 铝黄铜ZHAl 67-2.566.068.0Al 2.03.0余量JS4003001

22、5129080海运机械及其它机械耐蚀零件ZHAl 66-6-3-264.068.0Al 57Mn 1.52.5Fe 24余量JS65065077160160压下螺母、重型蜗杆、衬套、轴承硅黄铜ZHSi 80-379.081.0Si 2.54.5余量JS350300201510090船舶零件、内燃机散热器本体 锰黄铜ZHMn 55-3-153.058.0Mn 34Fe 0.51.5余量JS5004501015110100螺旋浆等海船零件ZHMn 58-2-257.060.0Mn 1.52.5Pb 1.52.5余量JS35025018108070轴承、衬套等耐磨零件注： J金属模; S砂模2.2.

23、2.2青铜青铜是铜合金中综合性能最好的合金，最早表示铜与锡的合金，现指除黄铜和白铜以外的其余铜合金。青铜按所加入的主要合金元素分为锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、钛青铜、铬青铜、镉青铜、锆青铜和铁青铜等。按使用状态分为铸造青铜和经压力加工的变形青铜。青铜的耐蚀性、力学性能和铸造性能等较好，常用于制造耐蚀的部件、弹性元件、电接触器和抗蠕变的零件等。青铜中以锡青铜和铝青铜用量最大。(1) 锡青铜以锡为主要合金元素的青铜。锡青铜的力学性能受锡含量影响显著。锡含量在6%以下时，锡溶于铜中形成单相固溶体，合金的强度随锡含量的增加而升高，当锡含量高于6%时，合金组织中出现脆性Cu31Sn8相，导致合金的塑

24、性急剧下降，而合金的强度因过剩相的强化作用可继续增加，但当锡含量增至25%时，合金因脆性相过多使强度显著下降，因此工业用锡青铜的锡含量一般在314之间，但变形锡青铜的锡含量不超过8。图2.3 锡含量对锡青铜机械性能的影响 锡青铜的凝固范围大，枝晶偏析严重，凝固时不易形成集中缩孔，体积收缩很小；铸锭中易出现锡的逆偏析，严重时铸锭表面可见到白色斑点(相析出)，甚至出现富锡颗粒，一般称为锡汗（tin sweat），改进铸造方法和工艺条件可减轻逆偏析程度；液态合金中，锡易生成硬脆的夹杂物SnO2，熔炼要充分脱氧，防止由于夹杂物引起的合金力学性能的降低；对过热和气体的敏感性很小，能很好地焊接和钎焊；冲击

25、时不发生火花，无磁性、耐寒，并有极高的耐磨性。 工业锡青铜是工业上使用的重要铜合金，具有较高的强度、耐蚀性和优良的铸造性能，在大气、海水或无机盐溶液中的耐蚀性均高于纯铜和黄铜，广泛用于制造蒸汽锅炉、海船的零构件，还用来制造轴承、轴套和齿轮等耐磨零件。为改善其铸造、力学和耐磨性能，以及节约锡，在锡青铜中加入磷、锌，铅等合金元素。因而可把锡青铜分为锡磷青铜、锡锌青铜和锡锌铅青铜三类。(2) 铝青铜以铝为主要合金元素的青铜。常分为铜铝二元合金组成的简单铝青铜和除铝以外还添加有铁、锰、镍等元素的复杂铝青铜。简单铝青铜为相固溶体，塑性好，易加工。铝青铜中铝的含量应控制在12%以下。工业上，压力加工用铝青

26、铜的铝含量一般低于5%-7%，铝含量大于7%的铝青铜则用于热加工或铸造。含铝8.511的铝青铜缓冷时，由于相共析分解，形成连续的链条状的粗大的相，使合金变脆。这种现象称为“自发退火”，在实际生产中应予避免。图2.4 铝含量对铝青铜机械性能的影响铝青铜具有良好的力学性能、耐磨性和耐蚀性，抗磁，在冲击下不发生火花，流动性好，不易偏析，可在冷、热态下加工，但易被氧化铝膜污染，凝固时易形成柱状组织，焊接性差。铝青铜是无锡铝青铜中应用最广泛的一种合金，主要用来制造耐磨、耐蚀和弹性零件，如齿轮、摩擦片、涡轮、弹簧及船舶中的特殊设。 (3) 铍青铜以铍为主要添加元素的青铜，是青铜中力学性能最高者。铍青铜的铍

27、含量为0.22，再加入少量的(0.22.0)钴或镍第三组元。铍在铜中的溶解度随温度降低而急剧减小，因此该合金可热处理强化，是典型的时效强化型合金。铍青铜是理想的高导、高强弹性材料。铍青铜无磁、抗火花、耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳和抗应力松弛，并且易于铸造和压力加工成形。铍青铜铸件的典型用途是用作塑料或玻璃的铸模、电阻焊电极、石油开采用防爆工具、海底电缆防护罩等。铍青铜加工材的典型用途是用作电子器件中的载流簧片、接插件、触点、紧固弹簧、板簧和螺旋簧，膜盒、波纹管及引线框架等。分类：铍青铜分为两大类。依合金成分而分，铍含量为0.20.6的是高导(电、热)铍青铜；铍含量为1. 62.0的是高强铍青铜。依制

28、造成形工艺，又可分为铸造铍青铜和变形铍青铜。性能：铍青铜具有良好的综合性能。其力学性能，即强度、硬度、耐磨性和耐疲劳性居铜合金之首。其导电、导热、无磁、抗火花等性能其他钢材无法与之相比。在固溶软态下铍青铜的强度与导电性均处于最低值，加工硬化以后，强度有所提高，但电导率仍是最低值。经时效热处理后，其强度及电导率明显上升。铍青铜的机加工性能，焊接性能，抛光性能与一般的高铜合金相似。为改善该合金的机加工性能，以适应精密零件的精度要求，各国开发了一种含铅0.2 0.6的高强铍青铜，合金的切削系数由原来的20提高到60 (易切削黄铜为100)。(4) 钛青铜以钛为主要添加元素的青铜。添加量一般为3.04

29、.5。此外，加入少量的铁(0.20.5)等元素细化晶粒。钛青铜是 20世纪80年代发展起来的高强、耐磨、耐蚀弹性材料，可热处理强化，经固溶热处理及形变时效综合处理后，其力学性能接近于铍青铜，但导电性能不及铍青铜。钛青铜是典型的时效析出强化型合金。在890，钛在铜中的最大溶解度为4.7，随温度的降低，其固溶度明显下降。钛青铜通常采取冷加工形变与时效析出的综合强化工艺，否则，其强度达不到铍青铜的水平。钛青铜的优点是，原材料成本低于铍青铜，冶金及其他过程无铍毒污染，耐高温性能略优于铍青铜。中国和日本约在70-80年代对于钛青铜曾开展较广泛的研究和开发工作，目的旨在寻求铍青铜的代用材料。研究结果集中在含4Ti、含1Fe的钛青铜合金，国内已形成小规模生产，其企业牌号为QTi4-1。(5) 硅青铜以硅为主要添加元素的青铜。工业上应用的硅青铜除含硅外，还含有少量的