金属材料学第10章 铜合金

10铜及铜合金

copperalloy铜是人类最早使用的，也是目前应用最广的金属材料之一。应用：广泛用于电缆、电器核电子设备的导电(dǎodiàn)材料、各种热交换器的传热材料、建筑材料以及装饰品等。随着科学技术的发展，使用范围不断扩大，如大规模集成电路、超导电线、超导电磁(diàncí)体、磁力悬浮铁路、核聚变装置以及形状记忆合金等方面都有应用。共四十八页共四十八页Cu-Cr-Zr棒坯

共四十八页20mm(a)20mm未施加电磁场时铸坯的表面(biǎomiàn)和凝固组织施加电磁场后铸坯的表面和凝固(nínggù)组织共四十八页

一、纯铜密度8.94,熔点1083℃,无晶形转变导电、导热性好，仅次于银化学稳定性好，耐蚀成形(chénɡxínɡ)加工性优良，可焊，无磁热脆：Bi/Pb在晶界处形成(xíngchéng)低熔点组织；冷脆：S/O→Cu2O、CuS，硬脆共四十八页二、杂质(zázhì)对纯铜性能的影响工业纯铜中通常有0.1-0.5％杂质（Pb，Bi，O，S，P等），它们对铜的力学性能和物理性能及工艺性能有很大影响导电性：使铜的导电性能下降热脆：Pb，Bi等杂质能与铜形成低熔点的共晶体（Cu＋Pb）、（Cu＋Bi），铜在加热时，这些共晶体发生熔化，形成热脆冷脆，P，S，O与铜形成Cu＋Cu3P，Cu＋CuS

，Cu＋Cu2O共晶体，属脆性化合物，冷加工时易产生裂纹(lièwén)氢病，O含量过高，易引起氢病。指含氧铜在氢气或还原性气氛（CO、CH4）中退火时发生自动变脆或开裂的现象。其本质：

H2＋[O]=H2OCO＋[O]=CO2共四十八页三、工业纯铜的牌号及应用工业纯铜(T1-T3)，数字越大纯度越低。wO约0.02％～0.1％，导电导热性好（作太阳能热水器），耐蚀性好（作电线）。脱氧铜(TP1-TP2)，wO小于0.01％。耐热，导电性好，（作真空仪表(yíbiǎo)）无氧铜(TU0-TU2)，wO极低（<0.003％）。作排水管，汽油输送管。（GB/T5231—2001）共四十八页按化学成分分：黄铜：以锌为主要元素的铜合金。铜锌二元合金→普通黄铜；铜锌+Me→特殊黄铜

青铜：除Zn和Ni外其他的合金元素加入均称之青铜白铜：Ni为主加元素按成形方法：压力(yālì)加工铜合金铸造铜合金四、铜合金合金化原理(yuánlǐ)铜管共四十八页思考题根据化学成分的不同(bùtónɡ)，铜合金可分为

,

,

三大类。纯铜又叫

。纯铜含

过高时，会引起“氢病”。黄铜是以

为主加合金元素的铜合金，白铜则是以

为主加合金元素的铜合金。根据添加的化学成分不同，青铜又分为

,

,

。共四十八页10.1黄铜(huánɡtónɡ)brass

10.1.1黄铜的牌号及表示方法牌号表示方法普通黄铜(huánɡtónɡ)：H62表示含62%Cu、38%Zn特殊黄铜：用“H”加主添元素的化学符号再加铜含量和添加元素的含量表示。如HMn58-2表示58%Cu、2%Mn铸造黄铜:用“Z”再加铜化学符号和主添元素化学符号及含量表示。如ZCuZn38：Cu为基体元素，Zn为主要合金元素，38为锌的平均质量分数共四十八页1.普通黄铜组成相：Cu-Zn二元合金的状态图，有五个包晶反应和一个共析反应组成，固态存在(cúnzài)α-Cu、β-ZnCu

、

δ-ZnCu

、γ-Zn8Cu5

、η、ε六种相。当wZn小于36％时，一般不出现δ、η、ε相。

10.1.2普通(pǔtōng)黄铜图10.1Cu-Zn相图共四十八页组织

＜36%Zn的合金为单相(dānxiānɡ)α黄铜，

36～46%Zn合金为α+β双相黄铜，易热加工，为热加工黄铜。性能

随Zn↑,导电导热性↓，线胀系数↑＜30%Zn时,随Zn↑,强度和塑性↑,δ达到最高值;

＞32%Zn时，由于出现(chūxiàn)脆性β′相，塑性↓，强度↑,在45%Zn时达最大值2.黄铜合金组织性能共四十八页图10.2单相黄铜的显微(xiǎnwēi)组织图10.3双相黄铜的显微组织(a)铸态(b)经过(jīngguò)形变与再结晶退火后共四十八页

不同(bùtónɡ)电流强度下合金铸锭的宏观组织（a）I=0A（b）I=100A共四十八页

图9

不同电流强度(diànliúqiánɡdù)下合金铸锭的微观组织（a）I=0A横截面上部（b）I=0A横截面中部（c）I=0A横截面下部（g）I=100A横截面上部（h）I=100A横截面中部（i）I=100A横截面下部共四十八页黄铜(huánɡtónɡ)力学性能与Zn量有关，含锌量超过45%的铜锌合金无实用价值

图9.5微量元素对28％Zn黄铜(huánɡtónɡ)中温脆性的影响。1－28％Zn，2－0.15％Ce，3－0.05％Ce图10.4图10.5共四十八页

黄铜有良好的铸造性能，即流动性高，偏析倾向(qīngxiàng)小，适用于铸造复杂和精致的铸造制品。H96、H90等：有金色黄铜(huánɡtónɡ)之称。导热性、抗蚀性好。用于冷凝器、散热器和工艺品等H70、H68：为三七黄铜。强度较高，塑性好，用于冷冲压、深拉伸的形状复杂件。大量用于弹壳，所以也称为弹壳黄铜。Zn?H62、H59：强度高，塑性也好，常、用于水管、油管，也称为商业黄铜。共四十八页在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黄铜。Al、Sn、Mn、Ni可提高抗蚀性和耐磨性，Si改善铸造性能。

加工(jiāgōng)特殊黄铜的牌号如HPb59-1.特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。黄铜(huánɡtónɡ)制品黄铜棒10.1.3特殊黄铜共四十八页Zn当量WW=（A+∑CK）/（A+B+∑CK）x100%A、B为Zn、Cu含量，C除Zn以外的合金(héjīn)元素含量，K是Zn当量。例：计算铸造铝黄铜ZCuZn21Al2和锰黄铜HMn57-3-1（Cu57%，Mn3%，Al1%)的Zn当量，判断组织。锌当量(dāngliàng)系数

共四十八页合金元素SiAlSnMgCdPbFeMnNi锌当量K10622110.90.5-1.4Zn当量(dāngliàng)系数K>1,缩小α相区；K<1,扩大α相区。共四十八页常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件(línɡjiàn)，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。共四十八页

锡黄铜在普通(pǔtōng)黄铜中+0.5~1.5%Sn，↑强度和硬度及耐蚀性，改善切削加工性。

锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制造工业，如冷凝管、船舶零件(línɡjiàn)、船舰焊接件的焊条等，故有海军黄铜之称。H62-1海军黄铜铸造组织(化染)共四十八页铝黄铜(huánɡtónɡ)

黄铜中加入少量铝（0.7~3.5%）可在表面形成致密和牢固的Al2O3膜，↑耐蚀性。铝能细化晶粒，↑硬度和强度。但＞2%Al时塑韧性↓。含2%Al、20%Zn的铝黄铜具有最高热塑性，所以HAl77-2合金得到广泛应用。含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力腐蚀倾向，必须进行充分低温退火(tuìhuǒ)加以消除。共四十八页镍黄铜(huánɡtónɡ)

添加镍可扩大α相区，故双相黄铜添加适当的镍可转变为单相黄铜。镍能↑强度、韧性、耐蚀性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热加工。镍黄铜具有小的应力腐蚀破裂倾向(qīngxiàng)，可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等，还可作锡磷青铜的代用品。共四十八页

硅黄铜加入1.5~4.0%Si，能↑↑黄铜在海水中的耐蚀性以及抗应力腐蚀(fǔshí)能力，改善铸造性和焊接性。HSi80-3硅黄铜显微组织为α+β，主要用于舰船制造和其它工业中的耐蚀零件和接触蒸汽的配件等。硅黄铜(huánɡtónɡ)

硅黄铜铸造组织(化染)50×共四十八页铅黄铜(huánɡtónɡ)HPb74-3是单相α铅黄铜，铅呈细小质点分布在晶界；HPb59-1是双相（α+β）铅黄铜。因为HPb59-1切削性特别好，称为易切黄铜，有足够高的强度(qiángdù)、耐磨性和耐蚀性。广泛用作钟表机芯的基础部件和汽车、拖拉机等机械零件如衬套、螺钉、电器插座等。

铅黄铜铸造组织(化染)70×挤压态共四十八页除黄铜(huánɡtónɡ)和白铜外的其他铜合金统称为青铜。

青铜制品

10.2青铜bronze

10.2.1青铜的牌号及表示(biǎoshì)方法牌号表示“Q”加上第一个主加元素化学符号及含量再加上其它合金元素含量。如QSn4-3为含4%Sn，3%Zn锡青铜；铸造青铜：“Z”表示铸造，“Cu”表示铜基体。如ZCuPb30表示铸造铅青铜，铅的平均质量分数为30%共四十八页10.2.2、锡青铜是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为3~14%。是最古老的铜合金，我国应用已有2000年历史(lìshǐ)，如古代的鼎、钟、武器、铜镜等。

锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小。锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。

锡青铜锭东汉晚期的青铜(qīngtóng)奔马（马踏飞燕）共四十八页香港大屿山天坛大佛(高26.4m)20世纪90年代初竣工(jùngōng)锡青铜共四十八页586℃共析：β-Cu5Sn

→α＋γ-CuSn520℃共析：γ-CuSn

→α＋δ-Cu31Sn8

350℃共析：

δ→α＋ε-Cu3Sn当wSn在7～30％时，铸造锡青铜得到(dédào)α＋（α＋δ

）组织，而非α+（α＋ε）组织。一、锡青铜(qīngtóng)中的组织图10.6Cu-Sn二元相图共四十八页组织α是Sn固溶于Cu固溶体，FCC结构；β是β电子化合物Cu5Sn为基的固溶体；γ是CuSn化合物为基的固溶体；δ是电子化合物Cu31Sn8；ε是电子化合物Cu3Sn。锡青铜的显微(xiǎnwēi)组织与锡含量和合金状态有关。共四十八页性能

较高强度、硬度和耐磨性。

Sn↑,强度↑，当Sn＞6%后，↓↓伸长率;Sn＞20%，出现大量δ相，合金变脆，强度↓。因此(yīncǐ)，工业用Sn青铜的Sn含量均在3~14%之间。

Sn＜7~8%的合金，有高的塑性和强度，适用于塑性加工；含Sn＞10%的合金，因塑性低，只适用于铸造用。共四十八页塑性在7％处最佳(zuìjiā)，强度在27％处最高。

图10.8ZQSn-10铸态

α

+（α+δ）共析组织(zǔzhī)图10.7共四十八页图10.11含铅青铜(qīngtóng)铸态组织图10.9含磷锡青铜(qīngtóng)铸态组织共四十八页主要用于耐蚀承载(chéngzài)件,如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)二、常用(chánɡyònɡ)锡青铜用途共四十八页特点

强度和耐蚀最好(zuìhǎo)，应用广泛。是锡青铜的重要代用品，但铸造性和焊接性较差。铝作用

↑Al，强度和硬度(yìngdù)↑，塑性↓。当Al＞10~11%时，强度、塑性均↓。→由于出现了硬脆γ2相所致。→≯12%Al

。压力加工用铝青铜Al≯5~7%.应用

铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐蚀和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及船舶制造中的特殊设备等10.2.3.铝青铜共四十八页Al<9.4%:组织(zǔzhī)单相α。Al>9.4%:565℃共析：β→α+γ2-Cu9Al4

（层片状）QAl-10-4-4（含Al10％，Fe4％，Ni4％）组织为α、γ2。铝青铜(qīngtóng)的组织与相变图10.9共四十八页QAL10铸态α(白色(báisè))+(α+γ2)共析(黑色)共四十八页QAL10固溶处理(chǔlǐ)930℃淬火β'(相当于M)共四十八页10.2.4.铍青铜以铍为主加元素(yuánsù)的铜合金，铍含量为1.7~2.5%。具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。“弹性之王”称号。常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等。用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆(fánɡbào)工具、航海罗盘等重要机件。铍青铜带材共四十八页性能特点

淬火状态塑性好，可冷加工成管、棒、带材等各种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能提高强度(qiángdù)（σb可1200MPa），而且能↑↑σp

，→特别适用于仪表弹簧处理特点

固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体，→时效强化。铍青铜淬火时必须严格控制加热温度。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富铍相不能充分(chōngfèn)溶解，↓沉淀硬化能力共四十八页Cu-Be合金的时效过程(guòchéng)也是过饱和固溶体的脱溶沉淀过程(guòchéng)，其时效序列：

α过饱和固溶体G.P.区（或γ’’）（共格）→γ

’（半共格）→

γ

2

淬火温度780～800℃，时效温度为300～350℃，淬火介质为水。图10.10共四十八页黄铜(huánɡtónɡ)普通(pǔtōng)黄铜特殊黄铜金色黄铜：H96;弹壳~:H70;商业~：H62<32%Zn,α>32%Zn,α+β海军黄铜：HSn70-1耐腐蚀性好易切黄铜：HPb59-1可切削性好商业黄铜：HAl77-2热塑性好青铜锡青铜铝青铜铍青铜<6~7%Sn，压力加工；10~14%Sn，铸造.铸造性比黄铜差，耐蚀性比黄铜好.+P、Zn、Ni等元素，为多元锡青铜.如QSn4-3:Sn-4%左右,Zn-3%左右大部分多元：Cu、Al+Mn、Fe、Ni等.如QAl9-2，+2%左右Mn比黄铜锡青铜有更高强度和硬度，更好的耐磨性和耐蚀性，塑性较差。如QBe2.具有高σbσp,耐磨，抗蚀，受冲击无火花。经淬火时效后，σb可达1200MPa共四十八页测验题1.下列是什么材料？(1)ZL108(2)KTH370-12(3)B30(4)QAl5(5)QT900—22．下列是什么材料？数字(shùzì)字母含义？(1)H68(2)HT300(3)QBe1.9(4)KTB450—07(5)ZCuZn38共四十八页作业(zuòyè)

1.防绣铝合金（）；硬铝合金（）；超硬铝合金（）；铸造铝合金（）；普通黄铜()；铸造黄铜（）；锡青铜（）；铍青铜（）；

(a)HPb59-1(b)3A21(c)ZCuZn38(d)7A75(e)QBe2(f)ZAlSi12(g)H68(h)2024(i)QSn4-3(j)2A24(k)70752.淬火加时效处理是（）合金强化的主要(zhǔyào)途经。

A．形变铝合金；B．铸造铝合金；C．黄铜；D．青铜3．HMn58-2是________的代号，它表示含_______量为58%，而含_______量为2％。

a.普通黄铜b.特