铜和铜合金概述

导 语

铜及其合金是人类早使用、至今也是应用广泛的金属材料之一,其特点是导电导热性好,耐蚀并具有较高的强度和优良的塑性、可焊接和冷热压力加工成形性,是电力、化工、航空、交通和矿山等领域不可缺少的贵重材料, 工业中广泛应用的铜和铜合金有工业纯铜、黄铜、青铜和白铜。

紫铜：工业纯铜

黄铜：Cu-Zn-M

青铜：除Zn、Ni外，Cu-M

锡青铜：Cu-Sn-M

特殊青铜：Cu-Al、Cu-Be······

白铜：Cu-Ni

01

纯铜

纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。

纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性，塑性好。

杂质元素：

铋或铅：容易与铜形成低熔点共晶，造成铜的热脆；

铋或锑等：与铜的原子尺寸相差大，容易引起铋或锑在铜

晶界处偏聚，产生强烈的晶界脆化倾向。

氧元素：含氧铜在氢气还原时，易裂纹。

工业纯铜的牌号及应用

根据O%和生产方法的不同，可分为三类:

韧铜：

0.02%-0.10%O；T1，T2，T3，T4；   

T1、T2：导电及高纯度铜合金用；     

T3、T4：一般用铜材及铜合金.

无氧铜：

<0.003%；   

TU1，TU2: 主要用于电子真空仪器仪表中导体

脱氧铜：

<0.01%；TUP，TUMn；

TUP：主要用于焊接用铜材，制作热交换器、排水管、 冷凝管等；       

TUMn：用于电子管用铜材。

02

铜合金

铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。

铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。

合金元素的溶解度：

无限互溶元素：Ni、Au、γ-Mn等；

有限溶解元素：除无限互溶元素外的大多数合金元素。注：当合金元素与铜原子尺寸差别很大时，溶解度一般较小，如Sn、As等。

1.黄铜

以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。

黄铜按成分分为普通黄铜和特殊黄铜；按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。

黄铜的牌号及表示方法：

铸造黄铜：

Z+Cu+主加元素及含量，例如：ZCuZn38

普通黄铜：

H+铜含量，例如：H62

复杂黄铜：

H+主加元素+铜含量+主加合金元素含量，例如：HMn58-2

普通黄铜的相组成：

α固溶体：Cu3Zn 有两个变体α1和α2, α固溶体有良好的力学性能和冷热加工性,是常用的合金成分范围。

β相电子化合物：以CuZn为基础的固溶体,具有体心立方结构。

高温无序的β相的塑性好，而有序的β′相难以冷变形。故含β′相的黄铜只能采用热加工成型。

γ相电子化合物：Cu5Zn8为基的固溶体，硬且脆，难以塑性加工，故含γ相的合金无实用价值。

w(Zn)<36%：α黄铜

铸态组织为单相树枝状晶;

形变及再结晶退火后：等轴α 相晶粒,具有退火孪晶。

w(Zn)=36~46%的合金为(α+β)黄铜。

普通黄铜的性能

单相的α黄铜具有塑性，能承受冷热塑性变形；在200~700℃间存在低塑性区。

因素：一种是存在Cu9Zn和Cu3Zn有序固溶体,在中温时发生原子有序化,使合金塑性下降;另一种是含有微量低熔点的铋、锑、铅等杂质元素引起的晶界脆性。

(α+β)黄铜在加热到高于500 ℃时,低温有序的β′相转变成无序的β相, β相极软,但晶体结构为体心立方,原子扩散快晶粒易长大。一般锻造温度略低于(α+β)/ β相线,以保留少量α 相,阻碍相晶粒长大。

黄铜有良好的铸造性能,在大气、淡水中耐蚀,在海水中耐蚀性尚可。黄铜的腐蚀表现在脱锌和应力腐蚀。

黄铜的腐蚀与防止

黄铜的腐蚀分为电化学腐蚀（脱锌）和应力腐蚀。

1）脱锌：是指锌在中性盐溶液中发生选择性水解。可加入微量的砷W（As）＝0.02～0.06％加以防止。

2）应力腐蚀：冷变形后的黄铜在张应力、腐蚀介质NH3、SO2和湿空气的联合作用，发生腐蚀。

应力腐蚀的防止：

1）去应力退火；

2）表面镀锌或镉； 

3）在黄铜中加入少量的Si和微量的砷可减小自裂倾向。

几种加工黄铜

低锌黄铜H96、H90、H85有良好的导电性、导热性和耐蚀性,有适宜的强度和良好的塑性,大量用于冷凝器和散热器。 

三七黄铜H70、H68强度高,塑性好,用于深冲或深拉制造形状复杂的零件,如散热器外壳、导管、波纹管壳体。 

四六黄铜H62、H59为(α+β)黄铜，可经受高温热加工，H62黄铜强度高，塑性较好，用于制造销钉、螺帽、导管及散热零件等。

特殊黄铜

加入其他合金元素如锡、铝、硅、铅、铁、镍等后， α/(α+β)相界发生移动,有的缩小α相区,有的扩大α相区。每w=1%的合金元素在组织上替代锌的量称“锌当量”（K)。锌当量小于1的是扩大α相区的元素。

由“虚拟锌含量”x   来判断相区移动

2.

青铜

青铜是Cu和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Co等元素组成的合金的统称。

青铜根据成分可分为锡青铜（Cu-Sn）和特殊青铜。在特殊青铜中，根据主加元素又分别命名为铝青铜（Cu-Al）、铍青铜（Cu-Be）等。

二元青铜：Cu-Sn， Cu-Al， Cu-Be，…；

多元青铜：Cu-Sn-M， Cu-Al-M， Cu-Be-M，…

青铜的牌号及表示方法

加工青铜：Q+主加元素及含量+其他元素含量

例如：QSn4-3

铸造青铜：Z+Cu+主加元素及含量

例如：ZCuPb30

1）锡青铜

锡青铜是历史上应用早的合金。

锡青铜的相组成：

α相：含锡的铜基固溶体,

β相：Cu5Sn体心立方结构, 降温时分解。

γ相：不稳的高温相,

δ相：Cu31Sn8,复杂立方结构,硬而且脆在。

ε相：Cu3Sn,具有密排六方结构。

锡青铜的组织：

w(Sn)<6%铸态组织:由树枝状α固溶体组成。 

w(Sn)>6%时:α固溶体和(α +ε)共析体所组成。

锡青铜的性能：

铸造性能：

优点：铸件收缩率小,适于铸造形状复杂,壁厚变化大的器件。

缺点：锡青铜存在枝晶间的分散缩孔,致密性差,在高压下容易渗漏,不适于制造密封性高的铸件。

同时铸件凝固时含锡高的低熔点液相易从中部向表面渗出,出现反偏析,严重时会在表面出现灰白色斑点的“锡汗”，它主要由δ相所组成。

力学性能：

有较高的强度、硬度和耐磨性。

工业锡青铜中锡含量不超14%，其中w(Sn) 低于7~8%为变形锡青铜，有高塑性和适宜的强度;

高于10% 的锡青铜为铸造合金，用于铸件。

化学性能：

锡青铜在大气、海水和碱性溶液中有良好的耐蚀性,用于铸造海上船舶和矿山机械零件。

2）多元锡青铜

二元锡青铜的工艺性能和力学性能需要进一步改进，一般工业用锡青铜部分别加入合金元素Zn、P、Pb、Ni等，得到多元锡青铜。

+P：能显著提高合金的弹性极限和疲劳极限，并能承受压 力加工，广泛用于制造各种弹性元件。如QSn6.5-0.1：可制造导电性好的弹簧、接触片、精密仪器中的齿轮等耐磨和抗磁元件。ZQSn10-1：Cu3P与δ相可作为青铜轴承材料的耐磨相，可做耐磨轴承合金。

 +Zn: 可提高力学性能和耐蚀性。QSn4-3 , 常用作制造弹簧、等弹性零件和抗磁零件。

3）铝青铜

铝青铜有良好的力学性能、耐蚀性和耐磨性,是青铜中应用广的一种。

铝青铜的相组成

α固溶体：铝在铜基α固溶体，铝青铜有高的强度和塑性。

β相：Cu3Al电子化合物为基的固溶体，具有体心立方相为点阵。

 γ 1、 γ2相：以Cu9Al4电子化合物为基的固溶体,γ2相硬而且脆,能提高合金的耐磨性。

铝青铜的性能

铸造性能：

二元铝青铜的结晶间隔小,液相有极高的流动性,缩孔集中,可获得高密度铸件;但体积收缩大,要求有大的冒口。

力学性能：

w(Al)=5~8%的合金为单相α 合金,有高的塑性,一般做变形合金;

 w(Al)高于8%的合金,在高温下为α+β双相合金,可经受热加工,一般用热挤压法成型。

化学性能： 

铝青铜可在表面生成含铝和铜的致密复合氧化膜,有良好的耐蚀性,在大气、海水、碳酸和有机酸中,耐蚀性优于黄铜和锡青铜。

工业中二元铝青铜有QAl5、QAl7和QAl10

4）多元铝青铜

添加铁、镍、锰等元素，获得多元铝青铜。QAl10-4-4 （Al-Fe-Ni）: Fe 细化;  Ni显著提高、热稳定性和耐蚀性。

加入少量铁后，在液相中形成细小的FeAl3质点，使合金在凝固时作为非自发形核核心，细化铸造组织，消除铸锭的粗大柱状晶，改善热塑性。铁阻碍铝青铜的再结晶,细化晶粒。铁还减慢β  相共析分解。

镍能显著提高铝青铜的强度、热稳定性和耐蚀性。Cu-14Al-4Ni合金是形状记忆合金。镍和铁同时加入时，会形成k相。当镍和铁加入量相当时得到细小而分散的k相分布,具有很好的力学性能,并在高温下有良好的热强度。

5）铍青铜

铍青铜一般w(Be)=1.5~2.5%。

铍青铜相组成：

α固溶体：Be在铜基α固溶体。

γ1相：CuBe电子化合物为基的无序固溶体，体心立方。高温有好的塑性。

γ2相：CuBe电子化合物为基的固溶体,体心立方有序结构，γ2相硬而脆。

铍青铜的性能与用途

铍青铜有强的沉淀强化效应，经固溶淬火和时效，得到高的强度和弹性极限； 

具有良好的导电和导热性能；耐蚀和耐磨；

无磁，冲击时无火花 ； 

可制造高级弹性元件和特殊耐磨元件，还用于电气转向开关、电接触器等；铍为强毒性金属，生产时需严格操作；  

QBe2, QBe1.9，强度可达成1200-1400 MPa 。

6）多元铍青铜

少量镍抑制淬火时α过饱和固溶体分解,使热处理效果好,降低铍在晶界的偏聚量,抑晶界不连续沉淀。

微量钛w(Ti)=0.1~0.25%可抑制过饱和固溶体脱溶,细化铸造和再结晶晶粒,减少晶界不连续沉淀，改善铍青铜的力学性能。

7）其他青铜

硅青铜

弹性好，耐蚀性极高，有良好的耐磨性，并且抗磁、耐寒，撞击无火花，工艺性能好。加入Mn（QSi3-1）, Ni(QSi1-3)可提高硅青铜的性能。 

耐热、高导电合金  

铬和锆：提高蠕变强度，提高再结晶温度，并且导电率降低小。铬和锆同时加入可形成Cr2Zr是良好的沉淀强化相，可得到耐热性高导电合金（高架线）。

3.

白铜

白铜按成分分为二元白铜（Cu-Ni）和多元白铜（Cu-Ni-(M)）。  

按用途分为结构白铜和电工白铜。 

铜与镍由于在电负性、尺寸因素和点阵类型上均满足无限固溶条件，因而可形成无限固溶体。

其硬度、强度、电阻率随溶质浓度升高而增加，塑性、电阻温度系数随之降低。

结构白铜

常用的牌号有B10、B20、B30； 

在大气、海水、过热蒸气和高温下有优良的耐蚀性，而且冷热加工性能都很好，可制造高温高压下的冷凝器、热交换器，广泛用于船舶、电站、石油化工、医疗器械等部门. B20也是常用的镍币材料，可制造高面额的硬币。

加入Fe, Zn, Al, 可提高其性能（多元白铜）。

电工白铜

1）康铜    

含Ni40％、Mn1.5％的锰白铜；     

具有高电阻、低电阻温度系数，与铜、铁、银配成热电偶对时，能产生高的热电势，组成铜-康铜、铁—康铜和银—康铜热电偶，测温，工作温度范围为-200℃--600℃。

2）考铜      

Ni43％、Mn0.5％的锰白铜；

有高的电阻, 与铜、镍铬合金、铁分别配成热电偶时，能产生高的热电势，考铜—镍铬热电偶的测温范围从-253℃(液氢沸点)到室温 。

3）B0.6      

B0.6在l00℃以下与铜线配成对, 其热电势与铂铑-铂热电偶的热电势相同，可做铂铑—铂热电偶的补偿导线。