8.4第八章-有色金屬及其合金-銅合金匯總課件

1、銅及銅合金純銅：面心立方晶格，原子量 63.54，密度8.9，熔點(diǎn)1083電阻率0.01673 歐姆 mm2/m ，線性膨脹數(shù)17.610-6/，導(dǎo)熱率0-100 399W/mk。軟態(tài) 280MPA，延伸率40% 銅是人類最早使用的金屬。早在史前時(shí)代,人們就開(kāi)始采掘露天銅礦,并用獲取的銅制造武器、工具和其他器皿，銅的使用對(duì)早期人類文明的進(jìn)步影響深遠(yuǎn)。 銅存在于地殼和海洋中。銅在地殼中的含量約為0.01，在個(gè)別銅礦床中，銅的含量可以達(dá)到35。 自然界中的銅，多數(shù)以化合物即銅礦物存在。銅礦物與其他礦物聚合成銅礦石，開(kāi)采出來(lái)的銅礦石，經(jīng)過(guò)選礦而成為含銅品位較高的銅精礦。 銅礦石分為三類： （1）硫化

2、礦，如黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)和輝銅礦(Cu2S)等。 （2）氧化礦，如赤銅礦(Cu2O)、孔雀石CuCO3Cu(OH)2、藍(lán)銅礦2CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。 （3）自然銅。銅礦石中銅的含量1左右（0.53）便有開(kāi)采價(jià)值，因?yàn)椴捎酶∵x法可以把礦石中一部分脈石等雜質(zhì)除去，而得到含銅量較高（835）的精礦砂。從銅礦中開(kāi)采出來(lái)的銅礦石，經(jīng)過(guò)選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說(shuō)是銅礦砂，銅精礦需要經(jīng)過(guò)冶煉提成,才能成為精銅及銅制品. 目前，世界上銅的冶煉方式主要有兩種：火法冶煉與濕法冶煉1火法: 通過(guò)熔融冶煉和電解精火煉生產(chǎn)出陰極銅，也即電解銅

3、，一般適于高品位的硫化銅礦。除了銅精礦之外,廢銅做為精煉銅的主要原料之一，包括舊廢銅和新廢銅，舊廢銅來(lái)自舊設(shè)備和舊機(jī)器，廢棄的樓房和地下管道；新廢銅來(lái)自加工廠棄掉的銅屑(銅材的產(chǎn)出比為50左右),一般廢銅供應(yīng)較穩(wěn)定，廢銅可以分為：裸雜銅:品位在90以上；黃雜銅（電線）:含銅物料（舊馬達(dá)、電路板）；由廢銅和其他類似材料生產(chǎn)出的銅，也稱為再生銅。 2濕法:一船適于低品位的氧化銅，生產(chǎn)出的精銅稱為電積銅。銅及銅合金具有以下性能特點(diǎn)。1有優(yōu)異的物理化學(xué)性能。純銅導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性極佳，許多銅合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性也很好；銅及銅合金對(duì)大氣和水的抗腐蝕能力也很高；銅是抗磁性物質(zhì)。2有良好的加工性能。銅及某些銅合金

4、塑性很好，容易冷、熱成型；鑄造銅合金有很好的鑄造性能。3有某些特殊的機(jī)械性能。例如優(yōu)良的減摩性和耐磨性（如青銅及部分黃銅）；高的彈性極限及疲勞極限（鈹青銅等）。4色澤美觀。由于有以上優(yōu)良性能，銅及銅合金在電氣工業(yè)、儀表工業(yè)、造船工業(yè)及機(jī)械制造工業(yè)部門中獲得了廣泛的應(yīng)用。但銅的儲(chǔ)藏量較小，價(jià)格較貴，屬于應(yīng)節(jié)約使用的材料之一，只有在特殊需要的情況下，例如要求有特殊的磁性、耐蝕性、加工性能、機(jī)械性能以及特殊的外觀等條件下，才考慮使用。 50年內(nèi)將開(kāi)采殆盡的礦種有：金剛石（6年）；鉛（10年）；銀（16年）；金（18年）；石膏（21年）；鋅（22年）；石墨（22年）；銻（24年）；硫（24年）；銅（2

5、6年）；重晶石（26年）；硼（38年）；石油（40年）；鉬（42年）；錫（44年）；鎳（46年）。 50-100年間將開(kāi)采殆盡的礦種有：天然氣（64年）；鎢（64年）；磷（79年）；鈦（95年）；錳（97年）。 100-200年間將開(kāi)采殆盡的礦種有：鈾（110年）；石棉（126年）；鐵（150年）；鈷（166年）；鋁（192年）。 純銅（紫銅）純銅是玫瑰紅色金屬，表面形成氧化銅膜后，外觀呈紫紅色，故常稱為紫銅。純銅主要用于制作電工導(dǎo)體以及配制各種銅合金。工業(yè)純銅中含有錫、鉍、氧、硫、磷等雜質(zhì)，它們都使銅的導(dǎo)電能力下降。鉛和鉍能與銅形成熔點(diǎn)很低的共晶體（CuPb）和（CuBi），共晶溫度分別為3

6、26和270，分布在銅的晶界上。進(jìn)行熱加工時(shí)（溫度為820-860），因共晶體熔化，破壞晶界的結(jié)合，使銅發(fā)生脆性斷裂（熱裂）。硫、氧與銅也形成共晶體（CuCu2S）和（CuCu2O），共晶溫度分別為1067和1065，因共晶溫度高，它們不引起熱脆性。但由于Cu2S、Cu2O都是脆性化合物，在冷加工時(shí)易促進(jìn)破裂（冷脆）。工業(yè)純銅的牌號(hào)及應(yīng)用 純銅含銅 99.90-99.99%，加工銅國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有9個(gè)牌號(hào)：3個(gè)純銅牌號(hào)、3個(gè)無(wú)氧銅牌號(hào)、2個(gè)磷脫氧銅牌號(hào)、1個(gè)銀銅牌號(hào)；高純銅純度可達(dá) 99.99%99.9999% ，又稱為4N、5N、6N銅。 工業(yè)純銅的牌號(hào)用字母T加上序號(hào)表示，如T1，T2，T3等，

7、數(shù)字增加表示純度降低。 無(wú)氧銅用 “T”和“U”加上序號(hào)表示，如TUl、TU2。主要用來(lái)制作電真空器件及高導(dǎo)電性銅線。這種導(dǎo)線能抵抗氫的作用，不發(fā)生氫脆現(xiàn)象。導(dǎo)電率高，加工性能和焊接性能、耐蝕性能和低溫性能均好。 用磷和錳脫氧的無(wú)氧銅，在TU后面加脫氧劑化學(xué)元素符號(hào)表示，如TUP、TUMn。根據(jù)雜質(zhì)的含量，工業(yè)純銅可分為四種：T1、T2、T3、T4。“T”為銅的漢語(yǔ)拼音字頭，編號(hào)越大，純度越低。工業(yè)純銅的牌號(hào)、成分及用途見(jiàn)表:紫銅加工產(chǎn)品的牌號(hào)、成分及用途 黃 銅 銅鋅合金或以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅具有良好的塑性和耐腐蝕性，良好的變形加工性能和鑄造性能，在工業(yè)中有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值

8、。按化學(xué)成分的不同，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。表是常用黃銅的牌號(hào)、成分、性能和用途。 1普通黃銅 普通黃銅是銅鋅二元合金。相是鋅溶于銅中的固溶體，其溶解度隨溫度的下降而增大。相具有面心立方晶格，塑性好，適于進(jìn)行冷、熱加工，并有優(yōu)良的鑄造、焊接和鍍錫的能力。相是以電子化合物CuZn為基的有序固溶體，具有體心立方晶格，性能硬而脆。 Cu-Zn二元相圖黃銅的含鋅量對(duì)其機(jī)械性能有很大的影響。當(dāng)Zn30%32%時(shí)，鋅完全固溶于銅中形成相，隨著含鋅量的增加，強(qiáng)度和延伸率都升高；當(dāng)Zn32%后，因組織中出現(xiàn)相，強(qiáng)度繼續(xù)增加，而塑性開(kāi)始下降，強(qiáng)度在Zn=45%附近達(dá)到最大值。含Zn更高時(shí)，黃銅的組織全

9、部為相，強(qiáng)度與塑性急劇下降。 普通黃銅分為單相黃銅和雙相黃銅兩種類型。從變形特征來(lái)看，單相黃銅適宜于冷加工，而雙相黃銅只能熱加工。常用的單相黃銅牌號(hào)有H80、H70、H68等，“H”為黃銅的漢語(yǔ)拼音字首，數(shù)字表示平均含銅量。它們的組織為，塑性很好，可進(jìn)行冷、熱壓力加工，適于制作冷軋板材、冷拉線材、管材及形狀復(fù)雜的深沖零件。常用雙相黃銅的牌號(hào)有H62、H59等，退火狀態(tài)組織為。由于室溫相很脆，冷變形性能差，而高溫相塑性好，因此它們可以進(jìn)行熱加工變形。通常雙相黃銅熱軋成棒材、板材，再經(jīng)機(jī)加工制造各種零件。 單相黃銅 兩相黃銅 普通黃銅 Cu-Zn二元合金，性能與含鋅量有關(guān) 表示方法： 常用牌號(hào)及應(yīng)

10、用 H80、H92：藝術(shù)裝飾品、紀(jì)念章、鍍層、散熱器、雙金屬片 H68：冷沖壓管、套類零件，如彈殼、冷凝器管、散熱器管 H62：工業(yè)上應(yīng)用較多，散熱器、油管、墊片、螺釘、彈簧等 H 90含銅量 WCu = 90%黃銅2特殊黃銅 為了獲得更高的強(qiáng)度、抗蝕性和良好的鑄造性能，在銅鋅合金中加入鋁、鐵、硅、錳、鎳等元素，形成各種特殊黃銅。 黃銅鑄件黃銅棒特殊黃銅的編號(hào)方法是：“H主加元素符號(hào)銅含量主加元素含量”。例如：HPb60-1表示平均成分為60%Cu，1%Pb，余為Zn的鉛黃銅；特殊黃銅可分為壓力加工黃銅（以黃銅加工產(chǎn)品供應(yīng)）和鑄造黃銅兩類，其中鑄造黃銅在編號(hào)前加“Z”。 ZCuZn31Al2表

11、示平均成分為31%Zn，2%Al，余為Cu的鋁黃銅。 錫黃銅：錫可顯著提高黃銅在海洋大氣和海水中的抗蝕性，也可使黃銅的強(qiáng)度有所提高。壓力加工錫黃銅廣泛應(yīng)用于制造海船零件。 鉛黃銅：鉛能改善切削加工性能，并能提高耐磨性。鉛對(duì)黃銅的強(qiáng)度影響不大，略為降低塑性。壓力加工鉛黃銅主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件（如鐘表零件），鑄造鉛黃銅可以制作軸瓦和襯套。 鋁黃銅：鋁能提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，但使塑性降低。鋁能使黃銅表面形成保護(hù)性的氧化膜，因而改善黃銅在大氣中的抗蝕性。鉛黃銅可制作海船零件及其它機(jī)器的耐蝕零件。鉛黃銅中加入適量的鎳、錳、鐵后，可得到高強(qiáng)度、高耐蝕性的特殊黃銅，常用于制作大型蝸桿、

12、海船用螺旋槳等需要高強(qiáng)度、高耐蝕性的重要零件。 硅黃銅：硅能顯著提高黃銅的機(jī)械性能、耐磨性和耐蝕性。硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進(jìn)行焊接和切削加工。主要用于制造船舶及化工機(jī)械零件。 錳黃銅：錳能提高黃銅的強(qiáng)度，不降低塑性，也能提高在海水中及過(guò)熱蒸汽中的抗蝕性。錳黃銅常用于制造海船零件及軸承等耐磨部件。 鐵黃銅：黃銅中加入鐵，同時(shí)加入少量的錳，可起到提高黃銅再結(jié)晶溫度和細(xì)化晶粒的作用，使機(jī)械性能提高，同時(shí)使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優(yōu)良的抗蝕性，因而鐵黃銅可以用于制造受摩擦及受海水腐蝕的零件。 鎳黃銅：鎳可提高黃銅的再結(jié)晶溫度和細(xì)化其晶粒，提高機(jī)械性能和抗蝕性，降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾

13、向。鎳黃銅的熱加工性能良好，在造船工業(yè)、電機(jī)制造工業(yè)中廣泛應(yīng)用。 青 銅 青銅原指銅錫合金，但是，工業(yè)上習(xí)慣把銅基合金中不含錫而含有鋁、鎳、錳、硅、鈹、鉛等特殊元素組成的合金也叫青銅。所以青銅實(shí)際上包含錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和硅青銅等。青銅也可分為壓力加工青銅（以青銅加工產(chǎn)品供應(yīng)）和鑄造青銅兩類。青銅的編號(hào)規(guī)則是：“Q主加元素符號(hào)主加元素含量（其它元素含量）”，“Q”表示青的漢語(yǔ)拼音字頭。如QSn4-3表示成分為4%Sn、3%Zn、其余為銅的錫青銅。鑄造青銅的編號(hào)前加“Z”。 1錫青銅 錫青銅是我國(guó)歷史上使用得最早的有色合金，也是最常用的有色合金之一。當(dāng)Sn5%6%時(shí)，Sn溶于Cu中，形成面心

14、立方晶格的固溶體，隨著含錫量的增加，合金的強(qiáng)度和塑性都增加。當(dāng)Sn5%6%時(shí)，組織中出現(xiàn)硬而脆的相（以復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的電子化合物Cu31Sn8為基的固溶體），雖然強(qiáng)度繼續(xù)升高，但塑性卻會(huì)下降。當(dāng)Sn20%時(shí)，由于出現(xiàn)過(guò)多的相，使合金變得很脆，強(qiáng)度也顯著下降。因此，工業(yè)上用的錫青銅的含錫量一般為3%14%。Sn5%的錫青銅適宜于冷加工使用，含錫5%7%的錫青銅適宜于熱加工，大于10%Sn的錫青銅適合鑄造。錫青銅的性能：良好的耐蝕性、減磨性、抗磁性和低溫韌性，在大氣、海水、蒸氣、淡水及無(wú)機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在亞硫酸鈉、酸和氨水中的耐蝕性較差。常用錫青銅：QSn4-3、QSn6.5-0

15、.4、 ZCuSn10Pb1等，主要用于制造彈性元件、耐磨零件、抗磁及耐蝕零件，如彈簧、軸承、齒輪、蝸輪、墊圈等。除Sn以外，錫青銅中一般含有少量Zn、Pb、P、Ni等元素。Zn提高低錫青銅的機(jī)械性能和流動(dòng)性。Pb能改善青銅的耐磨性能和切削加工性能，卻要降低機(jī)械性能。Ni能細(xì)化青銅的晶粒，提高機(jī)械性能和耐蝕性。P能提高青銅的韌性、硬度、耐磨性和流動(dòng)性。 2鋁青銅 以鋁為主要合金元素的銅合金稱為鋁青銅。Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在12%以下。鋁青銅的強(qiáng)度和抗蝕性比黃銅和錫青銅還高，它是錫青銅的代用品，常用來(lái)制造彈簧、船舶零件等。 鋁青銅可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。其強(qiáng)化原理是利用淬火能獲得類似鋼的馬氏體的介

16、穩(wěn)定組織，使合金強(qiáng)化。鋁青銅有良好的鑄造性能。在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機(jī)酸中具有比黃銅和錫青銅更高的耐蝕性，此外，還有耐磨損、沖擊時(shí)不發(fā)生火花等特性。但鋁青銅也有缺點(diǎn)，它的體積收縮率比錫青銅大，鑄件內(nèi)容易產(chǎn)生難熔的氧化鋁，難于釬焊，在過(guò)熱蒸汽中不穩(wěn)定。 3鈹青銅 以鈹為合金化元素的銅合金稱為鈹青銅。鈹青銅的含鈹量在1.7%2.5%之間，鈹溶于銅中形成固溶體，固溶度隨溫度變化很大，它是唯一可以固溶時(shí)效強(qiáng)化的銅合金，經(jīng)過(guò)固溶處理和人工時(shí)效后，可以得到很高的強(qiáng)度和硬度。 熱處理強(qiáng)化后的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)12501500MPa，HB可達(dá)350400，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何銅合金，可與高強(qiáng)度合金鋼媲美。鈹青銅具有很高的彈性極限、疲勞強(qiáng)度、耐磨性和抗蝕性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性極好，并且耐熱、無(wú)磁性，受沖擊時(shí)不發(fā)生火花。因此鈹青銅常用來(lái)制造各種重要彈性元件，耐磨零件（鐘表齒輪，高溫、高壓、高速下的軸承）及防爆工具等。但鈹是稀有金屬，價(jià)格昂貴，在使用上受到限制。 4.白銅以鎳為