金屬材料及熱處理07有色金屬材料篇(2)

1、1.1 1.1 銅及銅合金的主要特點與分類銅及銅合金的主要特點與分類1.2 1.2 紫銅紫銅1.3 1.3 銅的合金化銅的合金化1.4 1.4 黃銅黃銅1.5 1.5 青銅青銅1.6 1.6 白銅白銅1.7 1.7 銅的熱處理特點銅的熱處理特點第二節(jié)第二節(jié) 銅及銅合金銅及銅合金1.1 銅及銅合金的主要特點與分類銅及銅合金的主要特點與分類銅及銅合金是最重要的有色金屬材料之一，產(chǎn)量在有色金屬的中居第二位。1、特點（1）純銅有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，良好的抗蝕性，適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和塑性（FCC結(jié)構(gòu)）。 主要用于電力、電工以及各種儀器儀表材料。（2）銅合金具有優(yōu)異力學(xué)性能，如高的強(qiáng)度、彈性、抗蝕性、耐磨性等，以

2、及其它特殊性能，如形狀記憶等。 主要用于制造船舶、汽車、機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、儀表、功能元件。2、分類銅及銅合金經(jīng)不同合金化則呈現(xiàn)出不同的光澤和顏色，根據(jù)其顏色的不同，它們可分為四類：紫銅純銅+少量雜質(zhì)黃銅Zn+其它合金化元素青銅Sn、Al、或Be+其它合金化元素白銅Ni+其它合金化元素1、紫銅性質(zhì)（1）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好（2）化學(xué)穩(wěn)定性好 表面產(chǎn)生氧化銅膜，有水分時，生成銅綠，均有一定的保護(hù)作用；（3）力學(xué)性能適當(dāng) 比Al高，比Fe低。鑄態(tài) b=170Mpa， =17%；加工退火軟態(tài) b=200-240Mpa， =50%；加工硬化態(tài) b=400-500Mpa， =6%。2、牌號與用途（1）純銅（Tx，

3、x，純度）： T1、T2、T3（99.95%、99.90%、99.70%）（2）無氧銅（TUx，x，純度） ：TU1、TU2（99.97%、99.95%）（3）磷脫氧銅（TPx，x，純度）： TP1、TP2（99.90%、99.85%） 紫銅主要用于電線、電纜、電氣開關(guān)等 電器儀表等的墊圈、油管、冷凝管等有關(guān)零部件 配合金 TUx具有更高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可焊性，可用于電子管的封結(jié)，用于電真空器件等1.2 紫銅紫銅3、主要雜質(zhì)及其影響雜質(zhì)分三類：（1）在銅中溶解度較大，有害影響較小的合金元素）在銅中溶解度較大，有害影響較小的合金元素 Al、Fe、Ni、Sn、Cd、Zn、Au、Ag、As、P、S

4、b等， 變化不大，、HB升高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性下降；（2）幾乎不溶于）幾乎不溶于Cu，并形成易熔（低熔點）共晶組織的雜質(zhì)元素，并形成易熔（低熔點）共晶組織的雜質(zhì)元素 Pb、 Bi等，Pb導(dǎo)致熱脆，Bi則引起熱、冷脆； （十萬分之幾的Bi使熱加工困難，萬分之幾就明顯易裂，Pb也一樣）（產(chǎn)生原因：Cu通常在900熱加工，Cu+Bi共晶點為270 ，Cu+ Pb的為327，且易沿晶界呈網(wǎng)狀分布，在超過共晶點溫度加工，過燒，而引起熱脆。另外，Bi脆，冷加工時也會引起冷脆。 解決辦法：i、降低Bi、Pb含量；ii、加RE、Zr、Ca等可生成高熔點化合物（BiCe、PbCe、BixZry、CaPb、BiCa等）

5、的合金元素，晶內(nèi)分布，降低脆性；iii、加Ti、B、Zr、Fe等，細(xì)晶，減少雜質(zhì)在晶界處的相對含量。）CuBi或Pb270 或32799.8% 或99.7% Cu+Bi或Pb的偽共晶組織（或離異共晶）（3）與銅生成脆性化合物的雜質(zhì)元素）與銅生成脆性化合物的雜質(zhì)元素 S、O等，分別形成Cu2S、Cu2O，以及Cu+Cu2S、 Cu+Cu2O的共晶物（熔點高，不會引起熱脆），分布在晶界處，易引起冷脆。 另外，O還降低Cu的耐蝕性和焊接性，甚至?xí)稹皻溲醪　薄?（氫氧病O與H結(jié)合成H2O，Cu2O+HCu+H2O，引起晶界處產(chǎn)生氣泡，而導(dǎo)致脆裂。因此，在還原性氣氛中不可用。）Cu+Cu2O的偽共晶

6、組織（或離異共晶）可見，O對Cu是極其有害的雜質(zhì)元素，根據(jù)氧含量和生產(chǎn)方法，紫銅可以分為如下三類：（1）純銅（氧含量0.02-0.06%）（2）脫氧銅（氧含量小于0.01%）（3）無氧銅（氧含量小于0.003%）無氧銅可以用于高溫還原氣氛中1.3 銅的合金化與分類銅的合金化與分類像純鋁一樣，銅通常需要加入合金元素合金化，使強(qiáng)度提高。1、提高銅合金強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制主要包括：加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化（主要的）、彌散強(qiáng)化2、常見合金化元素合金元素在鋁中的極限固溶度（At%、Mass% ）ZnGa （鎵）In （銦）SnSb（銻）AlAgAs （砷）TiCoSiFeCd （鎘）39.020.

7、818.215.810.49.4 8.08.07.45.04.64.03.0MgBe （鈹）PZrCrNiPd （鈀）Pt （鉑）2.82.751.71.00.7無限無限無限i、Sb、 Ga、In、Pd、Pt等因稀少而少用ii、最常見的合金化元素有Zn、Sn、Al、Ni等；iii、其它也常以添加元素加入。iv、有時也以微量元素形式加入Sn、Si、Al、Fe、Ni、Mn、As等，以提高耐蝕性；v、加Pb，提高切削性能1.4 黃銅黃銅 Cu-Zn合金合金可分兩類：普通黃銅和特殊黃銅可分兩類：普通黃銅和特殊黃銅1、普通黃銅、普通黃銅（1）牌號 H+xx（xx銅含量100） 例如H68， 意味著“含C

8、u約68%、含Zn約32% 的普通黃銅” 若為鑄造黃銅，則ZH+xx（xx銅含量100） 例如ZH68， 意味著“含Cu約68%、含Zn約32% 的鑄造普通黃銅” （銅合金的鑄造、變形可能是同一種合金成分，因為包晶系，與Al合金不同）（2）合金相如CuZn相圖所示。Cu基固溶體（FCC），黃銅基體相CuZn基固溶體，電子濃度3/2，bcc；Cu5Zn8基固溶體，電子濃度21/13，復(fù)雜bcc，（焊料）；另外，還有、（電子濃度7/4，密排六方 ）黃銅中Zn含量小于50%，Cu 合金中主要相為、。 -Cu基固溶體為黃銅基體相。工業(yè)黃銅退火多為 、 + 、組織。-黃銅和純銅一樣，常有孿晶存在（層錯能

9、低）（3）工業(yè)黃銅的性質(zhì)與應(yīng)用一般處于H96H59 （如相圖所示）H96H65： 黃銅；H63H59： + 黃銅p在RT下， -Cu的塑性高于-CuZn的塑性，強(qiáng)度低于-CuZn的強(qiáng)度，而在HT下，正好相反。因此， + 黃銅熱塑性好，而 黃銅冷塑性好。p在相區(qū)內(nèi)，Zn，、。與紫銅相比， 黃銅的強(qiáng)度、塑性均優(yōu)，工藝性好，抗蝕性好（有ZnO膜），且價格低。因此，用途廣，可作各種零件、日用品、管道、散熱器、工藝品、炮彈等。 例如：H96、H90、H80 導(dǎo)熱、耐蝕而且光澤好，用作冷凝管、散熱器、美術(shù)工藝品； H80、H70（三七黃銅）強(qiáng)度高、塑性好，適于冷沖深拉，用作槍彈殼、炮彈筒（又稱彈殼黃銅）；

10、H62+ 黃銅，適于熱加工，具有高強(qiáng)高塑的優(yōu)點，常用做板、管等，又稱商業(yè)黃銅。（4）有關(guān)腐蝕性的兩個問題總體上講，黃銅的抗蝕性好，但有兩個需要引起重視的問題：A、應(yīng)力腐蝕問題（又稱季裂，季節(jié)性裂紋、一種自動破裂現(xiàn)象）、應(yīng)力腐蝕問題（又稱季裂，季節(jié)性裂紋、一種自動破裂現(xiàn)象）現(xiàn)象：Zn含量高于20%的黃銅，在有內(nèi)應(yīng)力作用的情況下，尤其是在拉應(yīng)力作用下，在潮濕的環(huán)境中，特別是在含氨、銨鹽的大氣或汞鹽溶液中，發(fā)生的腐蝕破裂現(xiàn)象。有季節(jié)性，含Zn量越高，越嚴(yán)重。原因：Zn的選擇性溶解。防止：i、低溫（260-300 ）退火去應(yīng)力；ii、鍍層（鍍錫或Zn）；iii、加入一定量的Sn、Si、Al、Mn、Ni

11、等可以顯著地降低應(yīng)力腐蝕傾向。B、 脫鋅腐蝕脫鋅腐蝕現(xiàn)象：黃銅在腐蝕介質(zhì)中，鋅優(yōu)先溶解（Zn電極電位遠(yuǎn)低于Cu的），而造成工件表面殘留一層薄薄的多孔純銅薄膜。含Zn量越高，越嚴(yán)重。原因：Zn的選擇性溶解。防止：加入少量的As（0.02-0.06%）、Al、Sn、Ni、Si、Sb、Be等。2、特殊黃銅、特殊黃銅加Sn、Si、Al、Fe、Ni、As、Mn、Pb等，形成特殊黃銅。改善力學(xué)性能 Si、Fe、Ni、Mn；提高耐蝕性能 Sn、Si、Al、Fe、Ni、As；改善切削性能 Pb。（1）牌號 H+第三組元元素符號+xx（xx銅含量100）-y(y第三組元含量）- z(z第四組元含量) 例如：HS

12、n70-1（海軍黃銅）， 意味著“含Cu約70%、含Zn約29% 、含Sn約1% 的特殊黃銅”HAl77-2（另加0.03-0.06%As，防脫鋅），意味著“含Cu約77%、含Zn約21% 、含Al約2% 的特殊黃銅”HFe59-1-1（Mn）， 意味著“含Cu約59%、含Zn約39% 、含F(xiàn)e約1% 的特殊黃銅”HNi65-5、HSi80-3、 HMn58-2、 HMn57-3-1（Al）、 HMn55-3-1（Fe）、HPb59-1 若為鑄造黃銅，則ZH+第三組元元素符號+xx（xx銅含量100）-y(y第三組元含量）-z(z第四組元含量) 例如ZHSn70-1 ，意味著“含Cu約70%、

13、含Zn約29% 、含Sn約1% 的鑄造特殊黃銅”（2）鋅當(dāng)量從Cu-Zn 相圖來看，加入第三其它元素，會造成/+界面向左或向右移動，即相當(dāng)于增加或減少Zn的含量。鋅當(dāng)量系數(shù)加入1%第三組元相當(dāng)于要加入多少Zn，才對組織造成相同的影響。 如，Si的Zn當(dāng)量系數(shù)為10，即表明加入1%Si就相當(dāng)于加入10%Zn（即縮小了相區(qū)），假如原本Zn量要加入達(dá)37%才能獲得+黃銅，而加入1%Si后，則Zn只需加入27%，即可得到+黃銅。合金元素的鋅當(dāng)量系數(shù)（+縮小相區(qū)，-表示擴(kuò)大相區(qū)）SiAlSnMgPbCdFe MnNi10-124-622110.9 0.5-1.4鋅當(dāng)量X（相當(dāng)于加入Zn的總量）計算X=Z

14、n+(Ci i)/Cn+Zn+(Ci i) 100%例如：HAl66-6-3-2（Fe、Mn）X= (23+（6 6+3 0.9+2 0.5）)/(66+23+（6 6+3 0.9+2 0.5）) 100%=48.6% 對比Cu-Zn相圖，Cu-48.6%Zn已處于 相區(qū)，即HAl66-6-3-2為黃銅1.5 青銅青銅 Cu-X（X=Zn、Ni之外的元素之外的元素）合金）合金1、牌號、牌號 Q+第二組元元素符號+x（x第二組元含量）-y(y第三組元含量）- z(z第四組元含量) 例如QSn4-3， 意味著“含Sn約4%、含其它元素（Zn)約3% 的青銅” 若為鑄造青銅，則ZQ+第二組元元素符號

15、+x（x第二組元含量）-y(y第三組元含量）- z(z第四組元含量) 例如QHSn4-3，意味著“含Sn約4%、含其它元素（Zn)約3% 的鑄造青銅” 青銅品種多， Cu-X，X=Zn、Ni之外的元素，有， 錫青銅錫青銅QSnxx 鋁青銅鋁青銅QAlxx 鈹青銅鈹青銅QBexx 硅青銅QSixx 錳青銅QMnxx 鈦青銅QTixx 鉻青銅QCrxx 鎘青銅QCdxx 鋯青銅QZrxx 等等2、錫青銅、錫青銅（1）牌號 QSn4-3（2）合金相 如CuSn相圖所示。 Cu基固溶體（FCC），青銅的基體相，存在退火孿晶； Cu5Sn基固溶體，電子濃度3/2，bcc； Cu3Sn基固溶體，電子濃度7

16、/4，fcc；Cu31Sn8基固溶體，電子濃度21/13，復(fù)雜立方；Cu3Zn基固溶體，電子濃度7/4，密排六方 ；值得注意的是，值得注意的是， + +（反應(yīng)慢）一般不出現(xiàn)，故，（反應(yīng)慢）一般不出現(xiàn)，故，i、一般合金RT組織通常為+（+）共晶組織；ii、 Sn擴(kuò)散慢，結(jié)晶范圍寬，偏析嚴(yán)重；iii、鑄錠中易于出現(xiàn)分散縮孔和反偏析（錫汗）現(xiàn)象。（3）性能 不出現(xiàn)相時，Sn，強(qiáng)度和塑性都，出現(xiàn)相時，Sn，而 。但是大量相也會引起（由于相硬而脆，這是一個很好的耐磨材料）； 具有良好的抗蝕性能，由于生成了Cu2O或2CuCO3Cu(OH)薄膜，故可作船舶零件，這也是青銅器可以長久保持的原因； 鑄造工藝性

17、能不好（相對而言的），但因分散縮孔多，體積縮小，可鑄造尺寸準(zhǔn)確、花紋清晰的工藝品熱軋難，擠壓易，通常需要均勻化退火。（4）工業(yè)錫青銅二元合金少，通常加P、Pb（古代青銅常加Pb）、Zn等變形加PQSn6.5-0.1（彈簧材料）加ZnQSn4-3（彈簧、耐磨材料）同時加P、ZnQSn4-4-4、 QSn4-4-2.5（耐磨件、軸承等）鑄造作為結(jié)構(gòu)件，加ZnZQSn10-2作為耐磨件，加P、PbZQSn10-1 (P) 、 ZQSn8-12 (Pb) （有時還加一點Pb）3、鋁青銅、鋁青銅作為錫青銅的替代品材料而發(fā)展起來的，綜合性能好（鑄造性、高強(qiáng)、耐蝕、耐磨、耐寒等），用途日益擴(kuò)大。（1）牌號與

18、錫青銅的相同（2）合金相 如CuAl相圖所示。 Cu基固溶體（FCC），鋁青銅的基體相，存在退火孿晶； Cu3Al基固溶體，電子濃度3/2，bcc；2 Cu4Al9基固溶體，電子濃度21/13，復(fù)雜立方；慢冷，在565，+2（自回火現(xiàn)象），導(dǎo)致合金脆化；快冷，低鋁者，(馬氏體) 高鋁者，1或（均為馬氏體）通常選擇快冷，而且工業(yè)鋁青銅Al13%，屬于低鋁者，快冷組織為馬氏體,但實際鑄造組織重也可能有+2組織存在。（3）性能 機(jī)械性能優(yōu)于黃銅、錫青銅； 大氣、海水、大多數(shù)有機(jī)酸中耐蝕性好； 耐磨、耐寒、沖擊不產(chǎn)生火花（有油而易燃時有利）。（4）工業(yè)鋁青銅二元合金QAl5、QAl7（屬于單相組織，枝

19、晶和孿晶，耐蝕、耐磨、彈性材料，如彈簧）多元合金（通常加Fe、Mn、Ni等）QAl9-4（Fe）： Fe加入，細(xì)化組織，HB，耐磨性，防止自回火，可熱處理強(qiáng)化，用于船舶電氣零件；QAl9-2（Mn）： Mn加入，耐蝕性，防止自回火，用于海輪上的零件；QAl10-5-1.5（Fe、Mn）： Fe、Mn復(fù)合加入，效果更明顯，用于船舶高強(qiáng)抗蝕零件；QAl10-4-4（Fe、Ni）： Ni加入進(jìn)一步，HB，耐蝕性，耐熱性，可熱處理強(qiáng)化，用于高強(qiáng)耐磨齒輪，可用溫度高達(dá)400；QAl11-6-6（Fe、Ni）： 綜合性能最佳，主要用于重要的重型零件，應(yīng)用于機(jī)械，航空工業(yè)的高強(qiáng)耐磨齒輪，可用溫度高達(dá)500；

20、4、鈹青銅、鈹青銅是硬度、強(qiáng)度最高的、也是綜合性能（尤其是彈性模量高、抗疲勞強(qiáng)度高、耐磨耐蝕，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，耐寒、無磁性、沖擊不差產(chǎn)生火花等）最好的銅合金，b1250-1500MPa，HB350-400，主要用于彈性零件和耐磨零件。最大的問題Be貴，而且有毒，限制了它的應(yīng)用。（1）牌號與成分牌號同錫青銅。鈹青銅中Be通常處于1.5-2.5%，雖少 但 作 用 大 ， 溶 解 度 從 高 溫Max2.7室溫0.2 ，變化大，而且脫溶有強(qiáng)烈時效強(qiáng)化效果。（2）合金相 如CuBe相圖所示。 Cu基固溶體（FCC），鈹青銅的基體相，存在退火孿晶；1 Cu2Be，bcc；2 Cu2Be，有序bcc；(時

21、效強(qiáng)化原因)（3）時效特點 脫溶序列過飽和-固溶體（片狀GP區(qū)） 2 其中， （片狀GP區(qū)） 發(fā)展時強(qiáng)度最高； 為了達(dá)到最高強(qiáng)度，時效溫度應(yīng)不超過330，否則，會發(fā)生晶界反應(yīng)，即，發(fā)生不連續(xù)脫溶，不利于性能。（4）工業(yè)鈹青銅二元合金QBe1.5、QBe2等時效時，時效時，1 1 + +2 2 ，因此，最終相組成：因此，最終相組成：+2 2，組織組成：，組織組成：+（+2 2） 1.6 白銅白銅 Cu-Ni合金合金CuNi相圖為勻晶相圖。白銅可分兩類：白銅可分兩類：普通白銅普通白銅Cu-Ni二元合金復(fù)雜白銅復(fù)雜白銅Cu-Ni-X多元合金，（X=Ni、Fe、Mn、Al、Zn、Pb等）1、牌號、牌號 普通白銅普通白銅 B+xx（xxNi含量100） 例如B19，意味著“含Ni約19%、含Cu約81%的Cu-Ni二元合金（白銅）”復(fù)雜白銅復(fù)雜白銅 B+第三組元元素符號+x（xNi含量）-y(y第三組元含量）- z(z第四組元含量) 例如BZn15-20， 意味著“含Ni約15%、含Zn約20% 、含Cu約65%的復(fù)雜白銅” 又如BMn40-1.5（2）合金元素的作用與復(fù)雜白銅）合金元素的作用與