第十章-铜合金课件

概述铜的密度为8.94×103kg／m3，是重有色金属。铜及其合金是电力、电机、电工仪器和航海造船工业不可缺少的材料。铜及铜合金有下列特性：（1）优异的物理、化学性能纯铜及铜合金的导电性、导热性极佳。铜及铜合金耐大气和水的腐蚀。铜是抗磁性物质。（2）良好的加工性能铜及其某些合金塑性加工性能优良，切削加工性能优良，铸造铜合金有很好的铸造性能。铜及铜合金焊接性能好。（3）某些特殊机械性能例如优良的减摩性和耐磨性（如青铜及部分黄铜），抗卡咬，高的弹性极限和疲劳极限（如铍青铜等），弹性稳定。第一节铜中的合金元素一、铜基固溶体合金元素镍、金、锰在铜中无限固溶，其它合金元素为有限溶解。合金元素的固溶强化效应大小顺序为：锡、锑、铟

>金、锰、锗

>镍、硅、锌溶质元素均使铜的导热率有较大的降低。其中，磷、硅、铁、钴、铍、铝、锰、砷及锑均强烈降低铜的导电性及导热性。二、铜合金中的强化相1、γ2-CuBe（电子相）2、Cr2Zr（同时有高的导电率）3、Ni2Si4、NiAl或NiAl25、Cu3Ti三、铜合金的退火硬化现象在铜基固溶体中，w（Zn）>10％的黄铜、w（Al）>4％的铝青铜、w（Ni）>30％的白铜，经固溶退火后，硬度明显升高，弹性极限升高。其原因目前尚无定论。四、铜合金中的马氏体型相变许多铜合金中都存在可逆马氏体转变，如Cu-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Sn、Cu-Al-Ni等合金系。在Cu-Al-Ni等合金中得到马氏体，是热弹性马氏体。热弹性马氏体在受外力作用下时发生变形，当受到变形的马氏体重新加热到逆转变温度A1以上时，转变回母相，并且恢复到母相原始状态的形状，即产生形状记忆效应。第二节工业纯铜工业纯铜呈紫红色，又称紫铜。一、工业纯铜的性能1、工业纯铜的导电性和导热性仅次于银。2、铜的电极电位较正，可在大气、淡水、水蒸气及低速海水等介质中工作。3、铜是无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器。4、铜有极高的塑性，能承受很大的变形量而不发生破裂。二、杂质元素对铜塑性的影响1、铋(Bi)或铅(Pb)与铜形成富铋或铅的低熔点共晶，其共晶温度相应为270℃和326℃，在晶界形成液膜，造成铜的热脆。2、铋和锑等元素与铜的原子尺寸差别大，含微量铋或锑的稀固溶体中即引起较大点阵畸，驱使铋和锑在铜晶界产生强烈的晶界偏聚，使晶界原子结合弱化，产生强烈的晶界脆化倾向。3、含氧铜在还原性气氛中退火，氢渗入与氧作用生成水蒸气，这会造成很高的内压力，引起微裂纹，在加工或服役中发生破裂。故对无氧铜要求w(O)<0.003％。三、

工业纯铜的分类及应用按氧的含量和生产方式不同可以分成a.纯铜，b.无氧铜，c.脱氧铜三类。1、工业纯铜分为四种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。T1和T2的氧含量较低，用于导电合金；T3和T4含氧较高，w(O)<0.1％，一般用做铜材。纯铜还用于印刷电路、集成电路。2、工业纯铜的氧含量w(O)<0.01％的称为无氧铜，以TU1和TU2表示，用做电真空器件。3、TUP为磷脱氧铜，用做焊接铜材，制作热交换器、排水管、冷凝管等。TUMn为锰脱氧铜，用于电真空器件。第三节铜合金铜合金按色泽分黄铜、青铜和白铜三大类。一、黄铜(Cu-Zn)1、普通黄铜铜锌二元合金。α相是锌溶于铜中的固溶体，具有面心立方晶格，塑性好，可以进行冷、热加工，并有优良的锻造、焊接和镀锡能力。β相是以电子化合物CuZn为基的无序固溶体，具有体心立方晶格，塑性好，可进行热加工。工业黄铜的实际锌含量多不超过47％，其退火组织可以是单相α或双相α+β，并分别称为α黄铜（或单相黄铜）和双相黄铜。黄铜还有优良的铸造性能。黄铜的耐蚀性比较好，与纯铜接近。常用单相黄铜的牌号有H80、H70、H68等。“H”为“黄铜”，数字表示平均铜质量分数。由于塑性很好，这类黄铜适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。双相黄铜的牌号有H62、H59等，因可进行热变形，通常热轧成棒材、板材。这类黄铜也可铸造。2、复杂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，形成各种复杂黄铜：铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铁黄铜及镍黄铜等。复杂黄铜分压力加工黄铜和铸造黄铜两类。二、青铜含锡、铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金外观多为棕绿色，工业上统称为青铜。青铜的编号方法是：Q十主加元素符号十主加元素质量分数十其他元素质量分数。“Q”为“青铜”。例如，QSn4-3表示含w（Sn）=4％、w（Zn）=3％、其余为Cu的锡青铜。铸造青铜是在编号前加“Z”字。1、锡青铜(Cu-Sn)在一般铸造状态下，锡质量分数低于6％的锡青铜能获得α单相组织，具有面心立方晶格，塑性良好，容易冷、热变形。锡青铜的铸造收缩率很小，可铸造形状复杂的零件。锡青铜在大气、海水、淡水以及蒸气中的抗蚀性比纯铜和黄铜好。锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要制造轴承、轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件，以及抗蚀、抗磁零件等。轴承合金轴承合金是制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的材料。轴承支撑着轴，当轴旋转时，轴瓦和轴发生强烈的摩擦，并承受轴颈传给的周期性载荷。轴瓦材料不能选用高硬度的金属，以免使轴颈受到磨损；也不能选用软的金属，防止承载能力过低。因此轴承合金应既软又硬，组织的特点是：在软基体上分布硬质点，或者在硬基体上分布软质点。ZQSn10-1的成分为w(Sn)=10％、w(Pb)=1％，其余为Cu。显微组织为α＋δ＋Cu3Pb。α固溶体为软基体，δ相、Cu3Pb为硬质点。运转时软基体受磨损而凹陷，硬质点将凸出于基体上，使轮和轴瓦的接触面积减小，而凹坑能储存润滑油，降低轴和轴瓦之间的摩擦系数，减少轴和轴承的磨损。软基体还能承受冲击和震动。

该合金具有高的强度，适于制造高速度、高载荷的柴油机轴承。2、铝青铜(Cu-Al)铝青铜的机械性能比黄铜和锡青铜高。在铸造状态下，开始时随铝质量分数的增加强度和塑性都增大，在10％左右时强度最高，多在铸态或经热加工后使用。铝质量分数5％～7％的铝青铜塑性最好，适于冷加工。大于7％～8％后，塑性急剧降低。因此实际应用的铝青铜的铝质量分数一般在5％～12％之间。铝青铜的结晶温度范围很小，流动性好，缩孔集中，易获得致密的铸件，并且不形成枝晶偏析。铝青铜的耐蚀性优良，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸中的耐蚀性，均比黄铜和锡青铜高。铝青铜的耐磨性亦比黄铜和锡青铜好。铝青铜可制造大型蜗轮、海船用螺旋桨等在复杂条件下工作的高强度抗磨零件。3、铍青铜(Cu-Bi)铍溶于铜中形成α固溶体。铍在铜中的溶解度随温度变化很大，在866℃时最大溶解度为2.7％，而在室温下仅为0.2％。因此铍青铜能发生时效硬化。铍青铜（1.7％～25％）在淬火状态下塑性好，可进行冷变形和切削加工，制成零件经人工时效处理后，获得很高的强度和硬度：αb达1200MPa～1500MPa，硬度达350HB～400HB，超过其他铜合金。铍青铜的弹性极限、疲劳极限都很高，耐磨性和抗蚀性也很优异。它有良好的导电性和导热性，并有无磁性、耐寒、受冲击时不产生火花等一系列优点，但价格较贵。铍青铜主要用于制作精密仪器的重要弹簧和其他弹性元件，钟表齿轮，高速高压下工作的轴承及衬套等耐磨零件，以及电焊机电极、防爆工具、航海罗盘等重要机件。4、硅青铜(Cu-Si)以硅为主要合金元素的铜合金称硅青铜。硅青铜的机械性能比锡青铜好，且价格稍低。它有很好的铸造性能和冷、热压力加工性能。硅在铜中的最大溶解度为4.6％，室温时降为3％。硅青铜中加入镍，因形成金属间化合物Ni2Si，可进行淬火时效处理，获得较高的强度和硬度。含镍硅青铜的导电性、抗蚀性、耐热性都很高，广泛应用于航空工业。硅青铜可制作弹簧、齿轮、蜗杆等耐蚀、耐磨零件。三、白铜(Cu-Ni)普通白铜仅含铜和镍，其编号为B十镍的平均质量分数。“B”为“白铜”。例如，B19表示W(Ni)=19％的普通白铜。普通白铜中加入锌、锰、铁等元素后分别叫做锌白铜、锰白铜、铁白铜。编号方法为：B+其他元素符号+镍的平均质量分数+其他元素平均质量分数。例如，BZn15－20表示含w(Ni)=1