铜及铜合金的熔铸技术特点课件

铜及铜合金的熔铸技术特点铜及铜合金由于具有优良的导热导电性、良好的加工成形性、耐蚀性等优点，在人类生产、生活的各个领域得到广泛应用，成为除钢铁、铝以外的第三大金属。随着科学技术的发展和人们物质、文化生活水平的日益提高，铜及其合金的应用更加广泛。1、铜元素金属铜是唯一的能大量天然产出的金属，也存在于各种矿石(例如黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石CuSO4

·2H2O)中。孔雀石黄铜矿CuFeS2

辉铜矿Cu2S

蓝铜矿Cu3(CO3)2(OH)2

赤铜矿Cu2O

铜的用途每生产100万发子弹，需用铜13--14吨（炮铜）电力输送中需要大量消耗高导电性的铜1996年建成的香港天坛大佛，使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成，高26米，重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛，高20米，重70吨在铜币的应用中，除了变化尺寸以外，可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含25％镍的“银币”，含20％锌和1％锡的黄铜币以及含少量锡（3%）和锌（l.5%）的“铜”币纯铜的物理性质元素符号Cu，原子量63.5铜具有良好的导电、导热性，仅次于银而居第二焰色反应呈绿色。密度8.92g/cm3熔点1083℃莫氏硬度：3莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。1824年由德国矿物学家莫斯(FrederichMohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕,习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕的深度分十级来表示硬度指甲（2-2.5度）、小刀（5-5.5度）、玻璃（6度）、钢锉（7度）来测定物质硬度金刚石为滑石的4192倍纯铜的化学性能铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，室外常温下铜在大气中的氧化速度很慢，表面生成一层黑色氧化性保护膜。温度高于130℃后，铜的氧化速度才开始增加。高温下铜的表面生成一层致密的红色氧化亚铜（Cu2O）膜。铜在潮湿空气中久置后，铜表面会生成一层铜绿，[Cu

(OH)2·

Cu

CO3]或[CuSO4·

Cu(OH)2]。纯铜力学性质纯铜的抗拉强度低，退火状态下的纯铜抗拉强度约为220MPa，伸长率约为30%，硬度HB约为450MPa。抗拉强度（σbsigma）指材料在拉断前承受最大应力值，表征材料抵抗破坏的能力。

应力：单位面积上所承受的附加内力，σ表示应力应变：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化。内应力：在结构上无外力作用时保留于物体内部的应力。(因受力、湿度、温度变化，溶剂等而变形

)伸长率：指材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比。代号：δ(Delta)；单位：%

皮肤

硬度：固体材料对外界物体压陷、刻划等作用的局部抵抗能力，是衡量材料软硬程度的一个指标。

压入硬度。主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV）和显微硬度等几种，其中以HB及HRC较为常用。

硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。纯铜加工性能具有高的塑性，可冷、热压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。经冷加工变形后强度增至392MPa~490MPa，塑性显著降低，伸长率可降至6%，硬度HB为1100~1300MPa。纳米铜的室温超塑性冷加工：指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺。冷作硬化：在常温或再结晶温度以下的加工，能显著提高强度和硬度，降低塑性和冲击韧性，称为冷作硬化。退火：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。目的：是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。

纯铜的冷作硬化可通过550~660℃退火消除。在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。由于温度处于再结晶温度以上，金属材料发生塑性变形后，随即发生再结晶过程。因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。

金属在热轧时变形和再结晶的示意图

最低再结晶温度=0.4Tm纯铜中的杂质分类大致可以分为三类：①几乎不固溶于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质，如硫和氧等（导致冷脆）；②很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质，如铅和铋等（导致热脆）；③固溶于铜的杂质及微量元素，如铁、铝、镍、锡、锌、银、镉、砷、锑、磷等。固溶体：所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。

2铜合金合金：由两种或两种以上的金属或非金属所组成的具有金属特性的物质。

目前已能制备1600多种铜合金，主要的系列有：铜锌合金铜锡合金铜镍合金锰铜合金铍（青）铜合金（一）黄铜（Cu-Zn合金）黄铜具有良好的工艺性能、机械性能、较高的导电和导热性，黄铜还具有价格便宜优点。黄铜随着含锌量的增加，其色泽由金红向黄、金黄、白色逐渐变化，是有色金属中应用最广的合金材料之一。黄铜的分类根据黄铜中所含合金元素种类的不同，黄铜分为普通黄铜和特殊（复杂）黄铜两种。普通黄铜是铜锌二元合金。如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。在眼镜行业中，通常采用HPb59-1铅黄铜来制造中低档眼镜铰链和配件。普通黄铜1.普通黄铜：如：H96，H80，H70，H68，H59等。根据Cu－Zn二元状态图，黄铜的室温组织有三种：含锌量在35%以下的黄铜，室温下的显微组织由单相的α固溶体组成，称为α黄铜，退火处理后的α黄铜能承受极大的塑性变形

；含锌量在36%～46%范围内的黄铜，室温下的显微组织由（α+β）两相组成，称为（α+β）黄铜（两相黄铜）；含锌量超过46%～50%的黄铜，室温下的显微组织仅由β相组成，称为β黄铜，其组织如图。铸态黄铜的机械性能与含锌量及组织的关系

普通黄铜机械性能

对于α黄铜，随着含锌量的增多，σb和δ均不断增高。对于（α+β）黄铜，当含锌量增加到约为45%之前，室温强度不断提高。若再进一步增加含锌量，则由于合金组织中出现了脆性更大的γ相（以Cu5Zn8化合物为基的固溶体），强度急剧降低。（α+β）黄铜的室温塑性则始终随含锌量的增加而降低。所以含锌量超过45%的铜锌合金无实用价值。

复杂黄铜为了提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等，在铜-锌合金中加入少量（一般为1%～2%，少数达3%～4%，极个别的达5%～6%）锡、铝、锰、铁、硅、镍等元素，构成三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜，亦称特殊黄铜。

实例：镍黄铜：镍与铜能形成连续固溶体，65Cu-30Zn-5Ni是典型的α镍黄铜，镍能提高合金的强度和韧性，并能增强合金的抗脱锌及抗应力腐蚀的能力。眼镜上的螺钉及架子一般用H62:它的强度较高，并有一定的耐蚀性，缺点是在汗水的腐蚀下会生铜锈。黄铜精密异型材——眼镜铰链HPb59-1铅黄铜HPb59-1铅黄铜的化学成分牌号成分杂质（不大于）/(%)CuPbZnFeSbBiP杂质总和HPb59-157.0-60.00.8-1.9余量0.50.010.0030.020.75密度弹性模量抗拉强度伸长率布氏硬度8.51054204252加工率25%5505149HPb59-1铅黄铜的性能弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。

（二）青铜（Cu-Sn合金）

青铜原指Cu-Sn合金，是人类应用最早的一种合金，现包括：锡青铜，铝青铜，铍青铜，硅青铜等。锡青铜它的机械性能与含锡量有关。当Sn≤5%～6%时，Sn溶于Cu中，形成面心立方晶格的α固溶体，随着含锡量的增加，合金的强度和塑性都增加。含Sn量＞5～6%，锡青铜的室温组织为α+共析体(α+δ)。δ相是以电子化合物Cu31Sn8为基的固溶体，是一个硬脆相，虽然强度继续升高，但塑性却会下降。当Sn＞20%时，由于出现过多的δ相，使合金变得很脆，强度也显著下降。因此，工业上用的锡青铜的含锡量一般为3%～14%。

除Sn外，锡青铜中一般含有少量Zn、Pb、P、Ni等元素：Zn提高低锡青铜的机械性能和流动性。Pb能改善青铜的耐磨性能和切削加工性能，却要降低机械性能。Ni能细化青铜的晶粒，提高机械性能和耐蚀性。P能提高青铜的韧性、硬度、耐磨性和流动性。

铍青铜

热处理强化后的抗拉强度可高达1250～1500MPa，HB可达350～400，远远超过任何铜合金，可与高强度合金钢媲美。铍青铜的含铍量在1.7%～2.5%之间，铍溶于铜中形成α固溶体。铍青铜具有很高的弹性极限（弹性之王）、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性，导电、导热性极好，并且耐热、无磁性，受冲击时不发生火花。牌号成分状态抗拉强度伸长率弹性模量布氏硬度QBe2Be软态450-50040117900维氏加工态95031212500维氏铍青铜的力学性能注意：青铜切屑性能较差，在后续工序中应注意其开裂现象在镜架中的应用在铜合金中青铜的耐磨性、弹性以及耐腐蚀性能是最好的，但它的脆性比较大。在镜架制造上，主要用来制造镜褪的芯子、饰配件。水晶老眼镜

熔模铸造工艺熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧、浇注等。（三）白铜（Cu－Ni）以镍为主要合金元素的铜基合金，因多数呈银白色而得名，铜和镍能无限互溶形成连续固溶体，即不论彼此的比例多少，而恒为α单相合金，含量超过16％以上时，产生的合金色泽就变得洁白如银，镍含量越高，颜色越白。在铜合金中，白铜延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能，易于塑性加工和焊接。镍铜

白铜分类根据GB/T5234-2001规定共有18种白铜。分为五类：普通白铜（1类）：铜镍二元合金（即二元白铜）称为普通白铜。在普通白铜中，字母B表示加镍的含量，如：B5表示镍含量为约5%，其余约为铜含量。型号有B0.6、B19、B25、B30。复杂白铜（4类）：加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜（即三元以上的白铜），包括铁白铜、锰白铜、锌白铜和铝白铜等。复杂白铜在复杂白铜中，第二个主要元素符号及铜含量以外的成分数字组表示各种元素的含量。如BMn3-12表示镍含量约为3%，锰含量约为12%。复杂白铜有4个型号：铁白铜：其特点是强度高，抗腐蚀能力可明显提高。

锰白铜：锰白铜具有低的电阻温度系数

锌白铜：锌白铜具有优良综合机械性能，耐腐蚀性优异、冷热加工成型性好，易切削，可制成线材、棒材和板材

铝白铜：合金性能与合金中镍量和铝量的比例有关，当Ni:Al=10:1时，合金性能最好。常用的铝白铜有Cu6Ni1.5Al，Cul3Ni3Al等

锌白铜锌能大量的溶入铜-镍合金的固溶体中，形成一个广泛的单相α固溶体区，锌的加入能起到固溶强化作用，从而使合金的强度和硬度得到明显的提高。常用的锌白铜合金：5～35％Ni、43%~72%Cu，其余为Zn。（实际使用过程中Ni的含量不超过20%）性能：弹性佳，焊接性好，强度高，锌能提高白铜抗大气腐蚀能力，在Ni含量不变的情况下，随Zn