銅和銅合金概述

導 語

銅及其合金是人類早使用、至今也是應用廣泛的金屬材料之一,其特點是導電導熱性好,耐蝕并具有較高的強度和優良的塑性、可焊接和冷熱壓力加工成形性,是電力、化工、航空、交通和礦山等領域不可缺少的貴重材料, 工業中廣泛應用的銅和銅合金有工業純銅、黃銅、青銅和白銅。

紫銅：工業純銅

黃銅：Cu-Zn-M

青銅：除Zn、Ni外，Cu-M

錫青銅：Cu-Sn-M

特殊青銅：Cu-Al、Cu-Be······

白銅：Cu-Ni

01

純銅

純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。

純銅具有優良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性，塑性好。

雜質元素：

鉍或鉛：容易與銅形成低熔點共晶，造成銅的熱脆；

鉍或銻等：與銅的原子尺寸相差大，容易引起鉍或銻在銅

晶界處偏聚，產生強烈的晶界脆化傾向。

氧元素：含氧銅在氫氣還原時，易裂紋。

工業純銅的牌號及應用

根據O%和生產方法的不同，可分為三類:

韌銅：

0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4；   

T1、T2：導電及高純度銅合金用；     

T3、T4：一般用銅材及銅合金.

無氧銅：

<0.003%；   

TU1，TU2: 主要用于電子真空儀器儀表中導體

脫氧銅：

<0.01%；TUP，TUMn；

TUP：主要用于焊接用銅材，制作熱交換器、排水管、 冷凝管等；       

TUMn：用于電子管用銅材。

02

銅合金

銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強度，又保持了純銅特性。

銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。

合金元素的溶解度：

無限互溶元素：Ni、Au、γ-Mn等；

有限溶解元素：除無限互溶元素外的大多數合金元素。注：當合金元素與銅原子尺寸差別很大時，溶解度一般較小，如Sn、As等。

1.黃銅

以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。

黃銅按成分分為普通黃銅和特殊黃銅；按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。

黃銅的牌號及表示方法：

鑄造黃銅：

Z+Cu+主加元素及含量，例如：ZCuZn38

普通黃銅：

H+銅含量，例如：H62

復雜黃銅：

H+主加元素+銅含量+主加合金元素含量，例如：HMn58-2

普通黃銅的相組成：

α固溶體：Cu3Zn 有兩個變體α1和α2, α固溶體有良好的力學性能和冷熱加工性,是常用的合金成分范圍。

β相電子化合物：以CuZn為基礎的固溶體,具有體心立方結構。

高溫無序的β相的塑性好，而有序的β′相難以冷變形。故含β′相的黃銅只能采用熱加工成型。

γ相電子化合物：Cu5Zn8為基的固溶體，硬且脆，難以塑性加工，故含γ相的合金無實用價值。

w(Zn)<36%：α黃銅

鑄態組織為單相樹枝狀晶;

形變及再結晶退火后：等軸α 相晶粒,具有退火孿晶。

w(Zn)=36~46%的合金為(α+β)黃銅。

普通黃銅的性能

單相的α黃銅具有塑性，能承受冷熱塑性變形；在200~700℃間存在低塑性區。

因素：一種是存在Cu9Zn和Cu3Zn有序固溶體,在中溫時發生原子有序化,使合金塑性下降;另一種是含有微量低熔點的鉍、銻、鉛等雜質元素引起的晶界脆性。

(α+β)黃銅在加熱到高于500 ℃時,低溫有序的β′相轉變成無序的β相, β相極軟,但晶體結構為體心立方,原子擴散快晶粒易長大。一般鍛造溫度略低于(α+β)/ β相線,以保留少量α 相,阻礙相晶粒長大。

黃銅有良好的鑄造性能,在大氣、淡水中耐蝕,在海水中耐蝕性尚可。黃銅的腐蝕表現在脫鋅和應力腐蝕。

黃銅的腐蝕與防止

黃銅的腐蝕分為電化學腐蝕（脫鋅）和應力腐蝕。

1）脫鋅：是指鋅在中性鹽溶液中發生選擇性水解。可加入微量的砷W（As）＝0.02～0.06％加以防止。

2）應力腐蝕：冷變形后的黃銅在張應力、腐蝕介質NH3、SO2和濕空氣的聯合作用，發生腐蝕。

應力腐蝕的防止：

1）去應力退火；

2）表面鍍鋅或鎘； 

3）在黃銅中加入少量的Si和微量的砷可減小自裂傾向。

幾種加工黃銅

低鋅黃銅H96、H90、H85有良好的導電性、導熱性和耐蝕性,有適宜的強度和良好的塑性,大量用于冷凝器和散熱器。 

三七黃銅H70、H68強度高,塑性好,用于深沖或深拉制造形狀復雜的零件,如散熱器外殼、導管、波紋管殼體。 

四六黃銅H62、H59為(α+β)黃銅，可經受高溫熱加工，H62黃銅強度高，塑性較好，用于制造銷釘、螺帽、導管及散熱零件等。

特殊黃銅

加入其他合金元素如錫、鋁、硅、鉛、鐵、鎳等后， α/(α+β)相界發生移動,有的縮小α相區,有的擴大α相區。每w=1%的合金元素在組織上替代鋅的量稱“鋅當量”（K)。鋅當量小于1的是擴大α相區的元素。

由“虛擬鋅含量”x   來判斷相區移動

2.

青銅

青銅是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素組成的合金的統稱。

青銅根據成分可分為錫青銅（Cu-Sn）和特殊青銅。在特殊青銅中，根據主加元素又分別命名為鋁青銅（Cu-Al）、鈹青銅（Cu-Be）等。

二元青銅：Cu-Sn， Cu-Al， Cu-Be，…；

多元青銅：Cu-Sn-M， Cu-Al-M， Cu-Be-M，…

青銅的牌號及表示方法

加工青銅：Q+主加元素及含量+其他元素含量

例如：QSn4-3

鑄造青銅：Z+Cu+主加元素及含量

例如：ZCuPb30

1）錫青銅

錫青銅是歷史上應用早的合金。

錫青銅的相組成：

α相：含錫的銅基固溶體,

β相：Cu5Sn體心立方結構, 降溫時分解。

γ相：不穩的高溫相,

δ相：Cu31Sn8,復雜立方結構,硬而且脆在。

ε相：Cu3Sn,具有密排六方結構。

錫青銅的組織：

w(Sn)<6%鑄態組織:由樹枝狀α固溶體組成。 

w(Sn)>6%時:α固溶體和(α +ε)共析體所組成。

錫青銅的性能：

鑄造性能：

優點：鑄件收縮率小,適于鑄造形狀復雜,壁厚變化大的器件。

缺點：錫青銅存在枝晶間的分散縮孔,致密性差,在高壓下容易滲漏,不適于制造密封性高的鑄件。

同時鑄件凝固時含錫高的低熔點液相易從中部向表面滲出,出現反偏析,嚴重時會在表面出現灰白色斑點的“錫汗”，它主要由δ相所組成。

力學性能：

有較高的強度、硬度和耐磨性。

工業錫青銅中錫含量不超14%，其中w(Sn) 低于7~8%為變形錫青銅，有高塑性和適宜的強度;

高于10% 的錫青銅為鑄造合金，用于鑄件。

化學性能：

錫青銅在大氣、海水和堿性溶液中有良好的耐蝕性,用于鑄造海上船舶和礦山機械零件。

2）多元錫青銅

二元錫青銅的工藝性能和力學性能需要進一步改進，一般工業用錫青銅部分別加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多元錫青銅。

+P：能顯著提高合金的彈性極限和疲勞極限，并能承受壓 力加工，廣泛用于制造各種彈性元件。如QSn6.5-0.1：可制造導電性好的彈簧、接觸片、精密儀器中的齒輪等耐磨和抗磁元件。ZQSn10-1：Cu3P與δ相可作為青銅軸承材料的耐磨相，可做耐磨軸承合金。

 +Zn: 可提高力學性能和耐蝕性。QSn4-3 , 常用作制造彈簧、等彈性零件和抗磁零件。

3）鋁青銅

鋁青銅有良好的力學性能、耐蝕性和耐磨性,是青銅中應用廣的一種。

鋁青銅的相組成

α固溶體：鋁在銅基α固溶體，鋁青銅有高的強度和塑性。

β相：Cu3Al電子化合物為基的固溶體，具有體心立方相為點陣。

 γ 1、 γ2相：以Cu9Al4電子化合物為基的固溶體,γ2相硬而且脆,能提高合金的耐磨性。

鋁青銅的性能

鑄造性能：

二元鋁青銅的結晶間隔小,液相有極高的流動性,縮孔集中,可獲得高密度鑄件;但體積收縮大,要求有大的冒口。

力學性能：

w(Al)=5~8%的合金為單相α 合金,有高的塑性,一般做變形合金;

 w(Al)高于8%的合金,在高溫下為α+β雙相合金,可經受熱加工,一般用熱擠壓法成型。

化學性能： 

鋁青銅可在表面生成含鋁和銅的致密復合氧化膜,有良好的耐蝕性,在大氣、海水、碳酸和有機酸中,耐蝕性優于黃銅和錫青銅。

工業中二元鋁青銅有QAl5、QAl7和QAl10

4）多元鋁青銅

添加鐵、鎳、錳等元素，獲得多元鋁青銅。QAl10-4-4 （Al-Fe-Ni）: Fe 細化;  Ni顯著提高、熱穩定性和耐蝕性。

加入少量鐵后，在液相中形成細小的FeAl3質點，使合金在凝固時作為非自發形核核心，細化鑄造組織，消除鑄錠的粗大柱狀晶，改善熱塑性。鐵阻礙鋁青銅的再結晶,細化晶粒。鐵還減慢β  相共析分解。

鎳能顯著提高鋁青銅的強度、熱穩定性和耐蝕性。Cu-14Al-4Ni合金是形狀記憶合金。鎳和鐵同時加入時，會形成k相。當鎳和鐵加入量相當時得到細小而分散的k相分布,具有很好的力學性能,并在高溫下有良好的熱強度。

5）鈹青銅

鈹青銅一般w(Be)=1.5~2.5%。

鈹青銅相組成：

α固溶體：Be在銅基α固溶體。

γ1相：CuBe電子化合物為基的無序固溶體，體心立方。高溫有好的塑性。

γ2相：CuBe電子化合物為基的固溶體,體心立方有序結構，γ2相硬而脆。

鈹青銅的性能與用途

鈹青銅有強的沉淀強化效應，經固溶淬火和時效，得到高的強度和彈性極限； 

具有良好的導電和導熱性能；耐蝕和耐磨；

無磁，沖擊時無火花 ； 

可制造高級彈性元件和特殊耐磨元件，還用于電氣轉向開關、電接觸器等；鈹為強毒性金屬，生產時需嚴格操作；  

QBe2, QBe1.9，強度可達成1200-1400 MPa 。

6）多元鈹青銅

少量鎳抑制淬火時α過飽和固溶體分解,使熱處理效果好,降低鈹在晶界的偏聚量,抑晶界不連續沉淀。

微量鈦w(Ti)=0.1~0.25%可抑制過飽和固溶體脫溶,細化鑄造和再結晶晶粒,減少晶界不連續沉淀，改善鈹青銅的力學性能。

7）其他青銅

硅青銅

彈性好，耐蝕性極高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞擊無火花，工藝性能好。加入Mn（QSi3-1）, Ni(QSi1-3)可提高硅青銅的性能。 

耐熱、高導電合金  

鉻和鋯：提高蠕變強度，提高再結晶溫度，并且導電率降低小。鉻和鋯同時加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀強化相，可得到耐熱性高導電合金（高架線）。

3.

白銅

白銅按成分分為二元白銅（Cu-Ni）和多元白銅（Cu-Ni-(M)）。  

按用途分為結構白銅和電工白銅。 

銅與鎳由于在電負性、尺寸因素和點陣類型上均滿足無限固溶條件，因而可形成無限固溶體。

其硬度、強度、電阻率隨溶質濃度升高而增加，塑性、電阻溫度系數隨之降低。

結構白銅

常用的牌號有B10、B20、B30； 

在大氣、海水、過熱蒸氣和高溫下有優良的耐蝕性，而且冷熱加工性能都很好，可制造高溫高壓下的冷凝器、熱交換器，廣泛用于船舶、電站、石油化工、醫療器械等部門. B20也是常用的鎳幣材料，可制造高面額的硬幣。

加入Fe, Zn, Al, 可提高其性能（多元白銅）。

電工白銅

1）康銅    

含Ni40％、Mn1.5％的錳白銅；     

具有高電阻、低電阻溫度系數，與銅、鐵、銀配成熱電偶對時，能產生高的熱電勢，組成銅-康銅、鐵—康銅和銀—康銅熱電偶，測溫，工作溫度范圍為-200℃--600℃。

2）考銅      

Ni43％、Mn0.5％的錳白銅；

有高的電阻, 與銅、鎳鉻合金、鐵分別配成熱電偶時，能產生高的熱電勢，考銅—鎳鉻熱電偶的測溫范圍從-253℃(液氫沸點)到室溫 。

3）B0.6      

B0.6在l00℃以下與銅線配成對, 其熱電勢與鉑銠-鉑熱電偶的熱電勢相同，可做鉑銠—鉑熱電偶的補償導線。