金属熔炼与铸锭 第二讲 有色金属及其合金课件

第二讲有色金属及合金材料(2)第四节铜及铜合金熔点：1083℃密度：8.94g/cm3电阻率：1.78×10-8Ωm(退火态)热导率：400W(mK)-1热膨胀系数：16.5×10-6m/K力学性能：280MPa(软态),延伸率≥40%

铜具有高的导电、导热性能和良好的延展性能，是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。

铜及铜合金简介基本性质世界十大铜业公司排名公司名称2010年产量/万吨1智利国家铜业公司1762自由港麦克莫兰公司1443必和必拓1144斯特拉塔公司90.75力拓公司70.16英美资源集团64.57墨西哥集团59.88嘉能可国际54.29南方铜业公司48.710波兰铜业股份有限公司42.6中国主要铜业公司排名公司名称2003年产量/万吨1江西铜业集团34.32铜陵有色金属集团33.73云南铜业集团18.74大冶有色金属公司11.95金川集团10.36白银有色金属6.27上海大昌铜业5.48上海鑫冶铜业5.19葫芦岛有色金属集团5.010烟台有色金属4.9我国铜产业特点：大而不强，亟待产业升级！铜及铜合金产业现状铜加工企业中国铜材产量、国际贸易及消费量中国是世界上最大的铜加工材生产国，消费国、进口国，也是重要的出口国。铜及铜合金产业现状铜消费量当前2015年板带材46.8109管材53.889.6棒材65.8117线材638900箔材40.150.9我国主要铜产品市场现状及预测(万吨)目前铜加工材主要有板带材、管棒材、线材和箔材几大类产品，主要应用于电子电气、机械制造、交通运输、建筑等行业。铜及铜合金产业现状铜消费量线材棒材板材带材

管材

箔材铜粉

铜铸件

铜及铜合金产业现状产品类型紫铜简介

纯铜呈紫红色面心立方（F.C.C）结构

熔点1083℃

无同素异构转变

比重8.98g/cm3纯铜（紫铜）纯铜的强度不高（抗拉强度200-250MPa）硬度低（40-50HBS）不宜作结构材料；塑性好（延伸率45-55%）紫铜的牌号③无氧铜导电紫铜带厚壁紫铜管薄壁紫铜管紫铜管接头表面淬火感应线圈紫铜香炉（大明宣德年制款）景泰蓝工艺品紫铜黄铜1黄铜（Cu-Zn合金）以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。

H68、H70、H80等即七三黄铜（Cu70%，Zn30%左右），为单相黄铜（Zn＜39%），塑性好,深冲性能好，适于冷冲、冷拉板材、线材等，有弹壳黄铜之称，也可热加工；

H62、H59等即六四黄铜，强度较好（Zn39-45时抗拉强度最高），塑性差;在456℃，塑性好，只适合热加工，常用作铆钉、螺帽、垫圈等。黄铜的牌号普通黄铜通常把Cu-Zn二元合金称为普通黄铜黄铜HXXCu的质量分数H70:代表铜含量大约为70wt.%,Zn含量大约为30wt.%.H62:代表铜含量大约为62wt.%,Zn含量大约为38wt.%.H59:代表铜含量大约为59wt.%,Zn含量大约为41wt.%.黄铜的牌号特殊黄铜（复杂黄铜）在普通黄铜的基础上加入Sn、Pb、Mn、Fe、Si、Ni等元素形成的铜合金特殊黄铜HXYY-ZCu的质量分数HPb59-1:代表铜含量大约为59wt.%,Pb含量大约为1.0wt.%.HMn58-2:代表铜含量大约为58wt.%,Mn含量大约为2wt.%.主添加元素的化学符号主添加元素的质量分数青铜2

青铜（Cu-Sn合金或Zn、Ni以外的其它合金）最早的青铜为铜锡合金，现在将工业上除Zn、Ni以外的其他合金元素为主要添加元素的铜合金统称为青铜，并冠以主要合金元素的名称：锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。铝青铜锡青铜青铜锡青铜

工业用锡青铜的Sn含量一般为3%-14%

Sn含量小于8%的锡青铜塑性好，适于压力加工

Sn含量大于10%的锡青铜塑性低，只适于铸造。锡青铜的铸造流动性较差、易形成分散缩孔，铸件致密度低，但其线收缩小，适于铸造外形及尺寸要求精密的铸件。耐腐蚀性好，在大气、海水中优于铜及黄铜，但在酸类及氨水中的耐蚀性较差。性能特点青铜的应用“神锋五千年中华刀剑”白铜2白铜（Cu-Ni合金）

白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。铜镍之间彼此可无限固溶，从而形成连续固溶体，即不论彼此比例多少，而恒为α-单相合金。当把镍熔入紫铜，含量超过16%以上时，产生的合金色泽就变得相对近白如银，镍含量越高，颜色越白。通常白铜中镍的含量一般为25%。Cu-Ni相图Cu-Ni合金白铜的应用白铜的发明是我国古代冶金技术中的杰出成就！早在唐朝就有白铜的冶炼。《旧唐书·舆服志》载：“自馀一品乘白铜饰犊车。”高强高导铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的功能材料,它既具有高的强度和良好的塑性,又继承了纯铜的优良导电性能。高强高导铜合金设计研究的重点和难点：在保持铜合金高电导率的同时尽可能提高材料的强度。

高强高导铜高强高导铜合金高强高导铜合金强化型铜合金性能合金材料成分制备方法极限抗拉强度σb/MPa导电率/%IACSCu-ZrCu-0.3Zr热机械处理42092Cu-0.5Zr超音雾化46091Cu-CrCu-0.5Cr热机械处理50085Cu-0.6Cr-0.1Zr-0.03Mg热机械处理58685Cu-NiCu-0.1Ni----55265Cu-MgCu-0.25Mg-0.4Ag热机械处理40075Cu-FeCu-1.0Fe-0.3Pb热机械处理489----Cu-CdCu-1.0Cd热机械处理30080性能电机导条、端环连铸机结晶器内衬精密仪器电气化铁路接触导线集成电路引线框架电阻焊电极、喷嘴高强高导铜应用铜合金的熔炼、铸造技术向着高效率的工艺连续化、自动化、大尺寸铸造等方向发展。并使用特殊的封闭式熔炼装备避免吸气，并采取外场（电磁场）辅助装置来改善铸锭组织。潜流式熔炼的保温炉联合炉组这项技术突破了铜合金熔炼铸锭生产中铜液依靠中间流转槽的模式使熔炼炉和保温炉连为一体，形成联体炉形式。从而消除了金属液体转运过程中金属的氧化、吸气，特别是熔炼黄铜时锌的挥发。这项创新简化了熔炼保温炉的结构，推动了熔铸生产的连续化和自动化。保温炉联合炉组铜及铜合金的熔炼与铸造锌的熔点419.5℃。法国格里塞公司开发了锡青铜水平连铸新工艺：水平连铸—在线铣面—在线轧制—在线均匀化退火（850C）—切断—卷取。该技术解决了锡青铜偏析问题，成分均匀，塑性改善，冷轧加工率达90%。连续铸造装备铜带坯连续铸造工艺与装备铜及铜合金的熔炼与铸造锡的密度：7.3g/mm3。十五期间，中国首先实现16X450mm锡磷青铜带坯结晶过程电磁搅拌并迅速实现了产业化。经过电磁搅拌处理的锡磷青铜带坯晶粒细化，塑性提高，石墨模具使用寿命延长，带材成品率提高。这项技术处于世界领先水平。锡磷铜带坯水平连铸电磁铸造铜及铜合金的熔炼与铸造连铸带坯第五节钛及钛合金钛是上世纪50年代兴起的极其重要的轻质结构材料，被喻为二十一世纪的“智慧金属”，在航空、航天、生物医学工程、车辆工程、航海、石油、化工、建筑、体育用品等领域已获得了广泛的应用。近年来，钛及其合金的先进熔炼工艺、超塑性成形工艺、先进钛基复合材料制备工艺不断涌现出来，拓展了钛及其合金在航空航天、生物医学及民用方面的发展。

3.1钛资源钛合金钛合金

3.1钛资源钛合金钛合金的特点

密度低：纯钛4.51g/cm3

强度高：纯钛可达到550MPa以上，可直接使用，TC12室温下可达到1150MPa耐高温：TC12合金500℃可达到700MPa

耐低温耐腐蚀无磁性线膨胀系数小

导热性差难机加工钛合金的比强度是目前工业金属中最高的。钛合金在540℃的比强度高于钢，这种优点首先应用于航空发动机。钛合金的特点比强度高材料抗拉强度（MPa）模量（GPa）密度（g·cm-3）比强度（MPa·cm3·g-1）比模量（GPa·cm3·g-1）0Cr17Ni14Cu4Nb13102068.1016425.4TC410801134.4524325.4钛合金与其它材料性能比较钛合金又能抗低温而不破坏。钛合金是现代超音速飞机、火箭、导弹和航天飞机等可缺少的材料。钛合金的特点耐低温合金温度抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率(%)TC4201080106015.5-701240122012.5-1961640157017.5-253182017703.5钛合金与其它材料性能比较

钛在含氧环境中生成薄而坚固的氧化物薄膜，氧化膜与基体结合牢固，破坏后能够自愈，耐氧化溶液和氯化物溶液的腐蚀，最突出的是耐工业腐蚀气氛及海水腐蚀。在海洋环境中腐蚀速率9.03×10-5mm/年；钛合金具有良好的耐应力腐蚀的能力，还具有耐淡水和海水的腐蚀疲劳性能。在静止海水中数年仍非常光亮。钛合金在海水中的腐蚀性能优于不锈钢。钛合金的特点耐腐蚀钛合金的特点比强度高全钛合金机身F14A钛合金占比25%采用全钛合金建造的攻击型核潜艇是苏俄海军所独有，这种颇具神秘色彩的核潜艇，其在下潜深度、水下航速等技术性能方面的巨大优势绝对令人叹为观止、印象深刻，但巨大而高昂的造价也令其有“金鱼”之称。钛合金的特点核潜艇金红石（二氧化钛）钛铁矿攀枝花钛矿钛资源钛在地壳中的总含量为0.6%，在金属中次于铁、铝和镁居第4位，在所有元素中居第9位。据估计全球钛矿储藏量达32.4亿吨。全球钛资源主要分布在中国、澳大利亚、南非、挪威、印度和加拿大等国。

我国钛资源总量居世界之首，占世界探明储量的30%。主要集中在四川、云南、广东、广西及海南等地，其中四川攀西是中国最大的钛资源基地。世界各国钛铁矿储量及所占比例（以TiO2计，万吨）

3.1钛资源钛资源分布2010年中国海绵钛、钛材产量分别占全球37%和34%，都居世界第1位！海绵钛钛材产品全球产量中国美国日本俄罗斯哈萨克斯坦乌克兰欧洲海绵钛1544705777087003600025000200007000-钛材11172138323346151378321000--40002010年世界各国海绵钛和钛材的产量（吨）

3.2我国钛产业发展现状世界钛产量产品2005200620072008200920102011海绵钛9510180374520049632407855777064952钛材101351387923640277362496538323509622005-2011年中国海绵钛和钛材的产量（吨）数据来源：《钛工业进展》2012.No.12010年1月-2011年9月中国海绵钛价格走势2005-2011年中国海绵钛和钛材产量万元/吨

3.2我国钛产业发展现状中国钛产量南京宝色钛业、张家港海岸钛业

上海宝钢特钢公司沈阳有色金属加工厂沈阳东方钛业抚顺钛业宁夏东方钽业

宝钛集团、宝钛股份西北有色院西部钛业、西部超导

四川攀枝花东方钛业

遵义钛业

湖南湘投金天钛业云南昆钢

洛阳725所

3.2我国钛产业发展现状中国钛产业格局2010年中国各企业海绵钛产量/吨总计：57770吨2010年中国各企业钛锭产量/吨

3.2我国钛产业发展现状中国钛产业格局海绵钛的“Kroll”生产工艺流程图金红石钛铁矿浓缩冶金工艺四氯化钛镁还原海绵钛遵义钛业生产的11.87吨海绵钛海绵钛

3.2我国钛产业发展现状海绵钛的制备真空自耗电弧炉熔炼：金属本身作为负极，水冷坩埚作为正极，在低电压大电流作用下金属逐渐熔化，金属本身为自耗电极。图3钛及钛合金材料加工工艺流程图海绵钛压制短坯自耗电极焊接熔炼锭坯开坯锻造方坯轧制轧制锻造

3.2我国钛产业发展现状钛及钛合金型材的制备2010年中国钛材在各领域的销售量钛制钻井提升器关节植入材料-Ti合金Ti合金高尔夫球头全钛手表外壳、首饰、眼镜架钛鼓钛制反应罐西班牙博物馆-纯钛制造

3.2我国钛产业发展现状钛产品的应用钛白粉(TiO2)世界上最好的白色颜料棒材管材板材丝材环材饼材铸件

3.2我国钛产业发展现状钛合金的产品类型钛合金的牌号A表示组织为α相的钛合金B表示组织为β相的钛合金C表示组织为α+β相的钛合金TXY根据钛合金在退火状态下的相组成命名X=A、B、C数字代表顺序号工业上使用的钛合金大多数是（α＋β）双相的。它们兼备二者的优点：优良的塑性、容易锻造、压延和冲压，并可以淬火时效强化。最常用的是TC4（Ti－6Al－4V）等。TC4合金生物医用材料是近30年来发展起来的一类技术含量与附加值最高的产品！一个新兴支柱产业！2）分类：医用金属材料(占40%)、医用高分子材料、生物陶瓷和医用复合材料。3）生物医用材料的基本要求：

良好的生物相容性；优异的耐腐蚀性能；生物力学适应性：高强度、低弹性模量、高耐磨性、韧性好易于加工和成型。3.3生物医用钛合金1)

定义：用来对于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。生物医用钛合金概述

目前中国医用金属材料市场规模约为200亿元人民币占国际生物医用金属材料市场份额的3%90%以上的高端医用金属材料制品依靠进口3%-中国15%日本欧洲35%美国48%世界医疗器械和医用材料市场格局为美、欧、日称霸天下！中国仅3%！国内市场需求巨大！3.3生物医用钛合金生物医用钛合金市场需求传统的医用金属材料

不锈钢钴铬钼合金传统医用金属材料存在的问题生物相容性较差比重大使用寿命短钛合金的优点比重只有不锈钢的57%弹性模量更接近人体骨骼生物相容性好，使用寿命长具有良好耐蚀性及高强度是不锈钢等医用植入产品的首选替代材料。3.3生物医用钛合金生物医用钛合金性能优势第一代第二代第三代20世纪50年代，钛首次被Bathe等人研究证明无生物毒性。70年代美、日、英等国,尝试用纯Ti（α型）和Ti-6Al-4V(α+β型)作外科植入材料80-90年代中期，瑞士和德国先后开发出α+β型钛合金Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Fe，并列入国际生物材料标准，开始临床应用。近年来，医用钛合金重点转向具有较低弹性模量的近β型钛合金，以美国和日本科技投入和产出最多。代表合金有：(Ti-Mo、Ti-13Nb-13Zr、Ti-Nb-Ta-Zr等)，其中Ti-13Nb-13Zr是美国1994年研制成功且最早被正式列入国际标准的第一个近β型钛合金。3.3生物医用钛合金生物医用钛合金发展历史颅骨修复网关节修复支架髓内钉脊柱修复支架牙种植体接骨板人工关节义齿支架1.骨科和齿科硬组织治疗用主要器械产品3.3生物医用钛合金生物医用钛合金产品类型TiNi食道支架2.心血管介入等软组织治疗器械产品—TiNi形状记忆合金TiNi心血管支架TiNi胆管支架动脉血管支架心脏瓣膜3.3生物医用钛合金产品类型生物医用钛合金铝合金分类：变形铝合金、铸造铝合金铝合金强化：固溶处理+时效强化、变质处理细晶强化常用铝合金代号应用（牌号）：例LF5、ZL10