铜及其合金

任务2　铜及其合金

铜及铜合金是人类历史上应用最早的、具有跨时代意义的有色金属。目前，工业上使用的铜及铜合金主要有工业纯铜、黄铜和青铜，主要用于具有导电、导热、耐磨、抗磁、防暴（受冲无火花）等性能要求并兼有耐腐蚀性的器件。

一、工业纯铜

工业纯铜呈紫红色，常称为紫铜，密度为8．9g／cm³，熔点为1 083℃，具有面心立方晶格，无同素异晶转变。纯铜的电导性、热导性优良，耐腐蚀性和塑性很好（δ＝40%～50%），但强度较低（σ_b＝230～250MPa），硬度很低（30～40HBS），不能热处理强化，只能通过冷变形强化，但塑性降低。例如，当变形为50%时，强度σ_b为400～430MPa，硬度为100～200HBS，塑性δ下降1%～2%。

工业纯铜的纯度为w_Cu＝99．5%～99．95%，主要有铅、铋、氧、硫、磷等，杂质含量越多，其电导性越差，并易产生热脆和冷脆。

工业纯铜的牌号用T（“铜”的汉语拼音字首）及顺序号（数字）表示，共有4个牌号：T1、T2、T3和T4，其后数字越大，纯度越低。

工业纯铜广泛用于制造电线、电缆、电刷、铜管及配制合金，因其强度较低，不宜制造受力大的结构件。工业纯铜的牌号、含铜量、杂质成分、杂质成分总含量及用途如表8－4所示。

表8－4　工业纯铜的牌号、铜的质量分数、杂质成分、杂质成分总含量及用途

二、铜合金

铜中加入合金元素后，可获得较高的强度和硬度，韧性好，同时保持纯铜的某些优良性能。铜合金比工业纯铜的强度高，且具有许多优良的物理化学性能，常用于工程结构材料。

根据化学成分的不同，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜；根据生产方法的不同，铜合金可分为压力加工铜合金和铸造铜合金，常用的铜合金是黄铜和青铜。

1．黄铜

以锌为主要添加元素的铜合金称为黄铜。按其化学成分不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜；按生产方法不同，黄铜可分为压力加工黄铜和铸造黄铜。

1）普通黄铜

铜和锌组成的二元合金称为普通黄铜。加入锌可提高合金的强度、硬度和塑性，还可改善铸造的性能。黄铜的组织和力学性能与锌的质量分数的关系如图8－5所示，在平衡状态下，当w_Zn＜32%时，锌全部溶入铜中，室温下形成单相α固溶体，随着锌的质量分数的增加，其强度增加，塑性有所改善，适于冷变形加工；当w_Zn＝32%～45%时，其室温组织α固溶体与少量硬而脆的β′相（以CuZn为基的固溶体），少量β′相对强度无影响，随着锌的质量分数的增加而强度继续增加，塑性开始下降，不宜冷变形加工，但高温下塑性好，可进行热变形加工；当w_Zn＞45%时，其组织全部为β′相，甚至出现极脆的γ′相（以Cu₅Zn₈为基的固溶体），强度、塑性急剧下降，脆性很大，无实用意义。

图8－5　黄铜的组织和力学性能与锌的质量分数的关系

当黄铜w_Zn＜7%时，耐海水和大气的腐蚀性好；当w_Zn＞7%时，经冷变形加工后有残余应力存在，在海水和潮湿的大气中，尤其是在含有氨的环境，易产生应力腐蚀开裂（亦称为季裂）。为消除应力，应在冷变形加工后进行去应力退火。

黄铜不仅有良好的变形加工性能，而且有优良的铸造性。由于结晶温度间隔很小，它的流动性很好，易形成集中缩孔，铸件组织致密，偏析倾向小。黄铜的耐腐蚀性比较好，与纯铜接近，超过铁、碳钢及许多合金钢。

压力加工普通黄铜的牌号用H（“黄”的汉语拼音字首）及数字表示，其数字表示铜平均含量的百分数。例如，H68表示平均w_Cu＝68%，其余为锌的普通黄铜。

常用单相黄铜有H70、H68，其组织为α固溶体，强度较高，冷、热变形能力好，适于用冲压法制造形状复杂、要求耐腐蚀的零件，如弹壳、冷凝器等，H62、H59为双相黄铜（α＋β′），强度较高，有一定的耐腐蚀性，不适宜冷变形加工，可进行热变形加工，广泛用于制造热轧、热压零件，如散热器、垫圈、弹簧等。

铸造黄铜的牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜和合金元素符号、合金元素平均含量的百分数组成。如ZCuZn38为w_Zn＝38%，其余为铜的铸造黄铜。铸造黄铜的熔点低于纯铜，铸造性能好，且组织致密，主要用于制作一般结构件和耐腐蚀件。

常用的压力加工普通黄铜的牌号、化学成分、加工状态、力学性能及用途如表8－5所示。

表8－5　压力加工普通黄铜的牌号、化学成分、加工状态、力学性能及用途

（摘自GB 5231—2001，GB 1176—1987，GB／T 2040—2002）

注：软—600℃退火；硬—变形度50%。

2）特殊黄铜

为了获得更高的硬度、抗腐蚀性和良好的铸造性能，在铜锌合金（普通黄铜）中加入锡、铅、铝、硅、锰、铁等合金元素所形成的铜锌合金称为特殊黄铜，相应的称这些特殊黄铜为锡黄铜、铝黄铜、铅黄铜、硅黄铜等。加入的合金元素均可提高黄铜的强度，锡、铝、锰可提高耐腐蚀性和减少应力腐蚀破裂的产生倾向；铅可改善黄铜的切削加工性能和提高耐磨性；硅可改善铸造性能；铁可细化晶粒。

特殊黄铜分为压力加工特殊黄铜和铸造特殊黄铜两种。前者加入的合金元素较少；后者因对塑性要求不高，为提高强度和铸造性能，可加入较多合金元素。

压力加工特殊黄铜的牌号依次为H（“黄”字汉语拼音字首）、主加合金元素符号、铜平均含量的百分数、合金元素平均含量的百分数组成。例如，HSn62－1表示平均w_Sn＝1%、w_Cu＝62%，其余为锌的锡黄铜。

特殊黄铜的牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜和合金元素符号、合金元素平均含量的百分数。例如，ZCuZn31A12为平均w_Zn＝31%，w_A1＝2%，其余为铜的铸造铝黄铜。锡黄铜的耐腐蚀性得到显著提高，常用牌号有HSn90－1、HSn62－1，主要用于船舶零件及汽车、拖拉机弹簧、套管等。

铅黄铜主要是改善耐磨性和切削加工性，常用牌号有HPb63－3等，主要用于要求有良好切削性及耐腐蚀性的零件，如钟表零件。

铝黄铜的强度、硬度、耐腐蚀性都有所提高，但韧性下降，常用牌号有HA177－2、HA160－1－1，主要用于耐腐蚀零件，如海船冷凝器管、化工机械零件等。

硅黄铜除了提高机械性能外，还提高了铸造流动性和耐腐蚀性，镍黄铜、铁黄铜等均能改善机械性能，提高耐腐蚀性，应用于造船工业。

部分特殊黄铜的类别、牌号、化学成分、加工状态或铸造方法、力学性能及用途如表8－6所示。

表8－6　部分特殊黄铜的牌号、成分、加工状态或铸造方法、力学性能及用途

（摘自GB 5231—2001，GB 1176—1987，GB 2040—2002）

注：软—600℃退火；硬—变形度50%；S—砂型制造；J—金属制造。

2．青铜

青铜原指铜锡合金，但工业上把含铝、硅、铍、锰的铜基合金也称为青铜。常用的青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、铅青铜等。按生产方式，青铜可分为压力加工青铜和铸造青铜。

青铜的牌号依次由Q（“青”字汉语拼音字首）、主加元素符号及其平均含量的百分数、其他元素平均含量百分数组成。例如，QSn4－3表示平均w_Sn＝4%、w_Zn＝3%，其余为铜含量的锡青铜。铸造用青铜，其牌号依次由Z（“铸”字汉语拼音字首）、铜及合金元素符号、合金元素平均含量百分数组成。例如，ZCuSn10Zn2表示平均w_Sn＝10%、w_Zn＝2%，其余为铜的铸造锡青铜。

（1）锡青铜。以锡为主要添加元素的铜基合金称为锡青铜。锡在铜中形成固溶体，也可形成金属化合物。因此，根据锡的质量分数的不同，锡青铜的组织和性能也不同。

由图8－6可知，当w_Sn＜7%时，锡溶入铜中形成α固溶体，具有良好的塑性。随着锡的质量分数的增加，强度、塑性增加，适宜压力加工。

图8－6　锡青铜的组织和力学性能与含锡量关系

当w_Sn＞7%以后，组织中出现硬而脆的β相（以Cu₃₁Sn₈为基体的固溶体），强度继续升高，塑性急剧下降，所以适宜铸造。

当w_Sn＞20%时，由于β相过多，合金变脆，强度显著降低，无实用价值。工业用的锡青铜w_Sn一般为3%～14%。

锡青铜的铸造收缩率很小，可铸造形状复杂的零件。但铸件易生成分散缩孔，使致密性降低，在高压下容易渗漏。锡青铜在大气、淡水、海水及蒸汽中的抗腐蚀性比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸和氨水中的抗腐蚀性较差。在锡青铜中加入少量的铅，可提高耐腐蚀性和切削加工性能；加入磷可提高弹性极限、疲劳极限；加入锌可缩小结晶范围，改善铸造性能。

锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要用于制造抗腐蚀零件、弹性零件，以及抗磁零件和致密性要求不高的耐磨件，如轴瓦、轴套、齿轮、蜗轮、蒸汽等。

（2）铝青铜。以铝为主要添加元素的铜合金称为铝青铜。一般当w_Al＝8．5%～11%。它具有高的耐腐蚀性，较高的耐热性、硬度、耐磨性、韧性和强度。铸造铝青铜由于结晶温度范围窄，流动性好，偏析和分散孔小，故能获得致密的铸件，但收缩率大。当w_Al＝5%～7%时，塑性好，适合于冷变形加工；当w_Al为10%左右时，强度最高，一般为铸造铝青铜。

为了进一步提高铝青铜的强度、耐磨性及抗腐蚀性，可添加合金元素锰、铁、镍等。铝青铜主要用于制造仪器中要求抗腐蚀的零件和弹性元件；铸造铝青铜常用于制造要求有较高强度和耐磨性的摩擦零件。

（3）铍青铜。以铍为主要添加元素的铜合金称为铍青铜，一般w_Be＝1．7%～2．5%，铍青铜经固溶热处理和时效后具有较高的强度、硬度和弹性极限，另外，还具有良好的耐腐蚀性、电导性、热导性和工艺性，无磁性、耐寒，受冲击不产生火花等优点，铍青铜可进行冷、热加工和铸造成形，主要用于制造仪器、仪表中的重要弹性元件和耐腐蚀、耐磨零件，如钟表齿轮、航海罗盘、电焊机电极、防爆工具等，但铍青铜成本高，应用受限。

常用青铜的类别、牌号、化学成分、制品种类或铸造方法、力学性能及用途如表8－7所示。

表8－7　常用青铜的类别、牌号、化学成分、制品种类或铸造方法、力学性能及用途

（摘自GB 5231—2001，GB 1176—1987，GB 2040—2002）

（4）硅青铜。以硅为主要添加元素的铜合金称为硅青铜。硅青铜的机械性能比锡青铜好，它有很好的铸造性能和冷热加工性能。硅在铜中的最大溶解度为4．6%，室温状态下降为3%。将镍元素加到硅青铜中，因形成金属化合物Ni₂Si，可进行时效处理，获得高的强度和硬度，硅青铜广泛应用于航空工业，可制作弹簧、齿轮、蜗轮、蜗杆等耐腐蚀、耐磨零件。

3．白铜

以镍为主要添加元素的铜合金称为白铜。普通白铜仅含铜和镍，其牌号依次由B（“白”字汉语拼音字首）、镍的平均含量的百分数组成，例如B5、B19等。普通白铜中加入锌、锰、铁等合金元素后分别称为锌白铜、锰白铜、铁白铜。

白铜具有较好的强度和优良的塑性，能进行冷、热变形。冷变形能提高白铜的强度和硬度。它的抗腐蚀性很好，电阻率较高。白铜主要用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。含锰量高的锰白铜可制作热电偶丝。