銅是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬,被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域,在我國有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁。
常用的銅合金分為黃銅﹑青銅﹑白銅3大類,紫銅一般指的就是純銅,有時還加入少量脫氧元素或其他元素以改善材質(zhì)和性能,因此也歸入銅合金。
黃銅、紫銅、青銅、白銅有何區(qū)別?
1、黃銅 黃銅(Brass)是紅銅及鋅的合金,因色黃而得名。黃銅有較強(qiáng)的耐磨性能。銅含量62%~68%的黃銅,其熔點(diǎn)為934~967度。 黃銅的機(jī)械性能和耐磨性能都很好,可用于制造精密儀器、船舶的零件、槍炮的彈殼等。含鋅量不同,也會有不同的顏色,如含鋅量為18%-20%會呈紅黃色,而含鋅量為20%-30%就會呈棕黃色。另外黃銅敲起來聲音獨(dú)特,因此東方的鑼、鈸、鈴、號等樂器,還有西方的銅管樂器都是用黃銅制作的。
1)如果只是由銅、鋅組成的黃銅就叫作普通黃銅。
2)為了提高黃銅的耐蝕性、強(qiáng)度、硬度和切削性等,在銅-鋅合金中加入少量(一般為1%~2%,少數(shù)達(dá)3%~4%,極個別的達(dá)5%~6%)錫、鋁、錳、鐵、硅、鎳、鉛等元素,構(gòu)成三元、四元、甚至五元合金,即為復(fù)雜黃銅,亦稱特殊黃銅。
①低於36%的黃銅合金由固溶體組成,稱單相黃銅 具有良好的冷加工性能,如含鋅30%的黃銅常用來制作彈殼,俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。
②含鋅在36~42%之間的黃銅合金由和固溶體組成,稱雙相黃銅,只適于熱壓力加工。其中最常用的是含鋅40%的六四黃銅。
若繼續(xù)增加鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ,則抗拉強(qiáng)度下降,無使用價(jià)值。
用途:一般情況下,冷變形加工用單相黃銅 熱變形加工用雙相黃銅。普通黃銅的用途極為廣泛如水箱帶、供排水管、獎?wù)?、波紋管、蛇形管、冷凝管、彈殼及各種形狀復(fù)雜的沖制品、小五金件等。隨著鋅含量的增加從H63到H59,它們均能很好地承受熱態(tài)加工,多用于機(jī)械及電器的各種零件、沖壓件及樂器等處。
為了改善普通黃銅的性能,常添加其他元素,如【鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛】等。
鋁能提高黃銅的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性,但使塑性降低,適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件。
錫能提高黃銅的強(qiáng)度和對海水的耐腐性,故稱海軍黃銅,用作船舶熱工設(shè)備和螺旋槳等。
鉛能改善黃銅的切削性能;這種易切削黃銅常用作鐘表零件。
黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。
①鉛黃銅
鉛實(shí)際不溶于黃銅內(nèi),呈游離質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布在晶界上。鉛黃銅按其組織有α和(α+β)兩種。α鉛黃銅由于鉛的有害作用較大,高溫塑性很低,故只能進(jìn)行冷變形或熱擠壓。(α+β)鉛黃銅在高溫下具有較好的塑性,可進(jìn)行鍛造。
為了讓黃銅更好加工,黃銅里面通常有2%的鉛,由于黃銅廣泛用于自來水管線中,造成了健康問題。
美國加州因此起訴了相關(guān)廠商,也立法規(guī)定飲用水管線中鉛含量,尤其是黃銅部分。
②錫黃銅
黃銅中加入錫,可明顯提高合金的耐熱性,特別是提高抗海水腐蝕的能力,故錫黃銅有“海軍黃銅”之稱。
錫能溶入銅基固溶體中,起固溶強(qiáng)化作用。但是隨著含錫量的增加,合金中會出現(xiàn)脆性的r相(CuZnSn化合物),不利于合金的塑性變形,故錫黃銅的含錫量一般在0.5%~1.5%范圍內(nèi)。
常用的錫黃銅有HSn70-1,HSn62-1,HSn60-1等。前者是α合金,具有較高的塑性,可進(jìn)行冷、熱壓力加工。后兩種牌號的合金具有(α+β)兩相組織,并常出現(xiàn)少量的r相,室溫塑性不高,只能在熱態(tài)下變形。
③錳黃銅
錳在固態(tài)黃銅中有較大的溶解度。黃銅中加入1%~4%的錳,可顯著提高合金的強(qiáng)度和耐蝕性,而不降低其塑性。
錳黃銅具有(α+β)組織,常用的有HMn58-2,冷、熱態(tài)下的壓力加工性能相當(dāng)好。
④鐵黃銅
鐵黃銅中,鐵以富鐵相的微粒析出,作為晶核而細(xì)化晶粒,并能阻止再結(jié)晶晶粒長大,從而提高合金的機(jī)械性能和工藝性能。鐵黃銅中的鐵含量通常在1.5%以下,其組織為(α+β),具有高的強(qiáng)度和韌性,高溫下塑性很好,冷態(tài)下也可變形。常用的牌號為Hfe59-1-1。
⑤鎳黃銅
鎳與銅能形成連續(xù)固溶體,顯著擴(kuò)大α相區(qū)。黃銅中加入鎳可顯著提高黃銅在大氣和海水中的耐蝕性。鎳還能提高黃銅的再結(jié)晶溫度,促使形成更細(xì)的晶粒。
HNi65-5鎳黃銅具有單相的α組織,室溫下具有很好的塑性,也可在熱態(tài)下變形,但是對雜質(zhì)鉛的含量必須嚴(yán)格控制,否制會嚴(yán)重惡化合金的熱加工性能。
代號表示方法
根據(jù)中國《有色金屬及合金產(chǎn)品牌號表示方法》的規(guī)定,黃銅采用代號(漢語拼音字母)“H“表示。
普通黃銅用”H“加基本元素銅的含量表示,如:代號用“ H +數(shù)字”表示, H 表示黃銅,數(shù)字表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
如 H68 表示含銅量為 68% ,含鋅量為 32%的黃銅。
H90 、H80單相,金黃色,故有金色共稱之,稱為鍍層,裝飾品,獎?wù)碌取?br /> H68、 H59 屬于雙相黃銅,廣泛用于電器上的結(jié)構(gòu)件,如螺栓,螺母,墊圈、彈簧等。
鑄造黃銅則在代號前“ Z ”字,如 ZH62 如 Zcuzn38 表示含鋅量為 38% ,余量為銅的鑄造黃銅。
特殊黃銅:用“ H +主加元素符號(除鋅外)+銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)+主加元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)+其它元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)”表示。
如: HPb59-1 表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 59% ,含主加元素鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1% ,余量為鋅的鉛黃銅。
2、青銅 原指銅錫合金,后除黃銅、白銅以外的銅合金均稱青銅,并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。
具有較高的強(qiáng)度、耐磨、耐蝕性和優(yōu)良的鑄造性能, 并能很好地焊接和釬焊,沖擊時不產(chǎn)生火花。主要用于制作彈性元件和耐磨零件,長期以來廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門中。
尺寸規(guī)格有Ф1.6mm、Ф2.3mm。
常用牌號有QSn4-3,QSn4.4-2.5,QSn7-O.2,ZQSn10,ZQSn5-2-5,ZQSN6-6-3等。
青銅以錫為主要合金元素,含錫量一般在3~14%之間,分為加工錫青銅和鑄造錫青銅。
用于壓力加工的錫青銅含錫量低于6%~7%,鑄造錫青銅的含錫量為10%~14%。
變形錫青銅的含錫量不超過 8%。
有時還添加【磷、鉛、鋅】等元素,因而可把錫青銅分為錫磷青銅、錫鋅青銅和錫鋅鉛青銅三類。
磷是良好的脫氧劑,還能改善流動性和耐磨性。
加鉛可改善可切削性和耐磨性。
加鋅可改善鑄造性能,這種合金具有較高的力學(xué)性能、減磨性能和耐蝕性,易切削加工,釬焊和焊接性能好,收縮系數(shù)小,無磁性。
[ 錫青銅 ] 鑄造性能、減摩性能好和機(jī)械性能好,適合於制造軸承、蝸輪、齒輪等。
[ 錫鋅青銅 ] 鋅大量溶解于銅錫合金中,在變形錫青銅中鋅的加入量一般不大于4%。鋅能改善合金的流動性,縮小結(jié)晶溫度范圍,減輕逆偏析。
列入現(xiàn)行中國國家標(biāo)準(zhǔn)中的錫鋅青銅牌號為QSn4-3,具有良好的彈性、耐磨性和抗磁性,可在冷態(tài)和熱態(tài)下壓力加工,易于焊接和釬焊,切削性較好,在大氣和淡水、海水中抗蝕性良好,用于各種彈性元件以及管配件、化工器械、耐磨零件和抗磁零件等。
[ 錫磷青銅 ] 含2%~8%錫、0.1%~0.4%磷,余為銅的銅合金。主要用作耐磨零件和彈性元件。
錫磷青銅牌號的意義
QSn6.5-0.1的理論意義:含錫(Sn)6.5%,含鋅(Zn)+其他雜質(zhì)0.1%,銅(Cu)為余量
[ 錫鋅鉛青銅 ] 鉛實(shí)際不固溶于銅錫合金中,它以單相、呈黑色夾雜物分布在枝晶間。鑄錠中鉛分布不易均勻,通常加入少量鎳可改善其分布,并細(xì)化組織。鉛降低錫青銅的摩擦系數(shù),改善耐磨性和切削性,但略降低力學(xué)性能。
在銅錫鉛合金中常加入3%~5%的鋅,以再提高力學(xué)性能。
加入0.02%~0.1%鋯或0.02%~0.1%硼,特別是加入0.02%~0.2%稀土元素能細(xì)化鉛質(zhì)點(diǎn),使之分布均勻,以改善含鉛錫青銅的組織、鑄造和力學(xué)性能。
列入現(xiàn)行中國國家標(biāo)準(zhǔn)的錫鋅鉛青銅有QSn4-4-2.5和QSn4-4-4兩個牌號,具有高的耐磨性、易切削加工,主要以板、帶材形式用于汽車、拖拉機(jī)、航空和機(jī)械工業(yè),制造軸套和軸承襯墊,有汽車青銅之稱。是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)和磨床廣泛使用的軸承材料。
[ 鋁青銅 ] 強(qiáng)度高,耐磨性和耐蝕性好,用於鑄造高載荷的齒輪、軸套、船用螺旋槳等。
[ 鈹青銅和磷青銅 ] 的彈性極限高,導(dǎo)電性好,適於制造精密彈簧和電接觸元件,鈹青銅還用來制造煤礦、油庫等使用的無火花工具。[ 錫鋅鉛青銅 ] 鉛實(shí)際不固溶于銅錫合金中,它以單相、呈黑色夾雜物分布在枝晶間。鑄錠中鉛分布不易均勻,通常加入少量鎳可改善其分布,并細(xì)化組織。鉛降低錫青銅的摩擦系數(shù),改善耐磨性和切削性,但略降低力學(xué)性能。
在銅錫鉛合金中常加入3%~5%的鋅,以再提高力學(xué)性能。
加入0.02%~0.1%鋯或0.02%~0.1%硼,特別是加入0.02%~0.2%稀土元素能細(xì)化鉛質(zhì)點(diǎn),使之分布均勻,以改善含鉛錫青銅的組織、鑄造和力學(xué)性能。
列入現(xiàn)行中國國家標(biāo)準(zhǔn)的錫鋅鉛青銅有QSn4-4-2.5和QSn4-4-4兩個牌號,具有高的耐磨性、易切削加工,主要以板、帶材形式用于汽車、拖拉機(jī)、航空和機(jī)械工業(yè),制造軸套和軸承襯墊,有汽車青銅之稱。是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)和磨床廣泛使用的軸承材料。
[ 鋁青銅 ] 強(qiáng)度高,耐磨性和耐蝕性好,用於鑄造高載荷的齒輪、軸套、船用螺旋槳等。
可用線材火焰噴涂和電弧噴涂制備青銅襯套、軸套、抗磁元件等涂層。
青銅的應(yīng)用
錫青銅是鑄造收縮率最小的有色金屬合金,用來生產(chǎn)形狀復(fù)雜、輪廓清晰、氣密性要求不高的鑄件。錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中十分耐蝕,廣泛用于蒸汽鍋爐和海船零件。含磷錫青銅具有良好的力學(xué)性能,可用作高精密工作母機(jī)的耐磨零件和彈性零件。含鉛錫青銅常用作耐磨零件和滑動軸承。含鋅錫青銅可作高氣密性鑄件。
錫青銅在電氣、電子工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最大,占總消費(fèi)量一半以上。用于各種電纜和導(dǎo)線,電機(jī)和變壓器的這種,開關(guān)以及印刷線路板 在機(jī)械和運(yùn)輸車輛制造中,用于制造工業(yè)閥門和配件、儀表、滑動軸承、模具、熱交換器和泵等。
在化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用于制造真空器、蒸餾鍋、釀造鍋等。
在國防工業(yè)中用以制造子彈、炮彈、槍炮零件等,每生產(chǎn)300萬發(fā)子彈,需用銅130-140噸。
在建筑工業(yè)中,用做各種管道、管道配件、裝飾器件等。
3、白銅 白銅是銅鎳合金的雅稱,以鎳為主要添加元素的銅合金。白銅的密度:密度在銅和鎳之間 8.9--8.88。
1) 銅鎳二元合金稱 普通白銅;在普通白銅中,字母B表示加鎳的含量,如:B5表示鎳含量為約5%,其余約為銅含量。型號有B0.6、B19、B25、B30。
加有【錳、鐵、鋅、鋁】等元素的白銅合金稱復(fù)雜白銅(即三元以上的白銅),包括鐵白銅、錳白銅、鋅白銅和鋁白銅等。在復(fù)雜白銅中,第二個主要元素符號及銅含量以外的成分?jǐn)?shù)字組表示各種元素的含量。如BMn3-12表示鎳含量約為3%,錳含量約為12%。
復(fù)雜白銅有4個型號:
①鐵白銅:型號有BFe5-1.5(Fe)-0.5(Mn)、Bfe10-1(Fe)-1(Mn)、Bfe30-1(Fe)-1(Mn)。鐵白銅中鐵的加入量不超過2%以防腐蝕開裂,其特點(diǎn)是強(qiáng)度高,抗腐蝕特別是抗流動海水腐蝕的能力可明顯提高。
②錳白銅:型號有BMn3-12、BMn4.0-1.5、BMn43-0.5。錳白銅具有低的電阻溫度系數(shù),可在較寬的溫度范圍內(nèi)使用,耐腐蝕性好,還具有良好的加工性。
③鋅白銅:型號有BZn18-18、BZn18-26、BZn18-18、BZn15-12(Zn)-1.8(Pb)、BZn15-24(Zn)-1.5(Pb)。鋅白銅具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能,耐腐蝕性優(yōu)異、冷熱加工成型性好,易切削,可制成線材、棒材和板材,用于制造儀器、儀表、醫(yī)療器械、日用品和通訊等領(lǐng)域的精密零件。
④鋁白銅:型號有Bal13-3、Bal16-1.5。是以銅鎳合金為基加入鋁形成的合金,密度為8.54—0.3。合金性能與合金中鎳量和鋁量的比例有關(guān),當(dāng)Ni:Al=10:1時,合金性能最好。常用的鋁白銅有Cu6Ni1.5Al,Cul3Ni3Al等,主要用于造船、電力、化工等工業(yè)部門中各種高強(qiáng)耐蝕件。
2) 工業(yè)白銅
工業(yè)用白銅分為結(jié)構(gòu)白銅和精密電阻合金用白銅(電工白銅)兩大類。
(1)結(jié)構(gòu)白銅:
結(jié)構(gòu)白銅的特點(diǎn)是機(jī)械性能和耐蝕性好,色澤美觀。結(jié)構(gòu)白銅中,最常用的是B30、B10和鋅白銅。另外,還有鋁白銅、鐵白銅和鈮白銅等。B30在白銅中耐蝕性最強(qiáng),但價(jià)格較貴。鋁白銅的性能同B30接近,價(jià)格低廉,可作B30的代用品。鋅白銅于15世紀(jì)時就已在中國生產(chǎn)使用,被稱為“中國銀”,所謂鎳銀或德銀也屬此類鋅白銅。鋅能大量固溶于銅鎳之中,產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用,且抗腐蝕。鋅白銅加鉛以后能順利的切削加工成各種精密零件,故廣泛使用于儀器儀表及醫(yī)療器件中。這種合金具有高的強(qiáng)
度和耐蝕性,彈性也較好,外表美觀,價(jià)格低廉。鋁白銅中的鋁能顯著提高合金的強(qiáng)度及耐蝕性,其析出物還可產(chǎn)生沉淀硬化作用。
結(jié)構(gòu)白銅廣泛用于制造精密機(jī)械、化工機(jī)械和船舶構(gòu)件。
(2)精密電阻合金用白銅(電工白銅):
精密電阻合金用白銅(電工白銅)有良好的熱電性能。BMn 3-12錳銅、BMn 40-1.5康銅、BMn 43-0.5考銅以及以錳代鎳的新康銅(又稱無鎳錳白銅,含錳10.8~12.5%、鋁2.5~4.5%、鐵1.0~1.6%)是含錳量不同的錳白銅。錳白銅是一種精密電阻合金。這類合金具有高的電阻率和低的電阻率溫度系數(shù),適于制作標(biāo)準(zhǔn)電阻元件和精密電阻元件。是制造精密電工儀器、變阻器、儀表、精密電阻、應(yīng)變片等用的材料??点~和考銅的熱電勢高,還可用作熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線。
普通白銅板具有良好的冷、熱加工性能??身樌募庸こ砂濉?、管、棒、型、線等各種形狀。焊接性能良好,可進(jìn)行軟、硬釬焊、氣體保護(hù)弧焊和電阻焊等;切削性能是易切削黃銅HPb63-3的20%。 普通白銅板具有較好的耐蝕性,中等強(qiáng)度、高塑性,能冷熱壓力加工,以及很好的電學(xué)性能,除用作結(jié)構(gòu)材料,還是重要的高電阻和熱電偶合金。
4、紫銅 熔點(diǎn)為1083℃ 純銅密度為8.96,為鎂的五倍 同體積的質(zhì)量比普通鋼重約15%。
純凈的銅是紫紅色的金屬,俗稱“紫銅”、“紅銅”或“赤銅”。因其具有玫瑰紅色,表面形成氧化膜后呈紫色,故一般稱為紫銅。它是含有一定氧的銅,因而又稱含氧銅。
純銅是紫銅,但紫銅不一定都是純銅,有時還加入少量脫氧元素或其他元素以改善材質(zhì)和性能,因此也歸入銅合金。
1) 紫銅分類
中國紫銅加工材按成分可分為四類:
普通紫銅(T1、T2、T3、T4)
無氧銅(TU1、TU2和高純、真空無氧銅)
脫氧銅(TUP、TUMn)
添加少量合金元素的特種銅【砷銅、碲銅、銀銅】
2) 紫銅牌號對照表
名 稱 中國牌號 日本牌號 德國牌號 美國牌號 英國
零號無氧銅 TU0 C1011 -- C10100 C110
一號無氧銅 TU1 C1020 OF-Cu C10200 C103
二號無氧銅 TU2 C1020 OF-Cu C10200 C103
一號銅 T1 C1020 OF-Cu C10200 C103
二號銅 T2 C1100 SE-Cu C11000 C101
三號銅 T3 C1221
一號磷脫氧銅 TP1 C1201 SW-Cu C12000 --
二號磷脫氧銅 TP2 C1220 SF-Cu C12000
3) 紫銅用途
①紫銅的用途比純鐵廣泛得多,每年有50%的銅被電解提純?yōu)榧冦~,用于電氣工業(yè)。這里所說的紫銅,確實(shí)要非常純,含銅達(dá)99.95%以上才行,極少量的雜質(zhì),特別是磷、砷、鋁等,會大大降低銅的導(dǎo)電率。主要用于制作發(fā)電機(jī)﹑母線﹑電纜﹑開關(guān)裝置﹑變壓器等電工器材和熱交換器﹑管道﹑太陽能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材。
銅中含氧(煉銅時容易混入少量氧)對導(dǎo)電率影響很大,用于電氣工業(yè)的銅一般都必須是無氧銅。
另外,鉛、銻、鉍等雜質(zhì)會使銅的結(jié)晶不能結(jié)合在一起,造成熱脆,也會影響純銅的加工。
這種純度很高的純銅,一般用電解法精制:把不純銅(即粗銅)作陽極,純銅作陰極,以硫酸銅溶液為電解液。當(dāng)電流通過后,陽極上不純的銅逐漸熔解,純銅便逐漸沉淀在陰極上。這樣精制而得的銅;純度可達(dá)99.99%。
②紫銅還用于電機(jī)短路環(huán),電磁加熱感應(yīng)器的制作,和大功率電子元件上面,接線排接線端子之類的。
③紫銅也運(yùn)用到了門、窗、扶手等家具及裝飾上。
4) 紫銅性能
①普通性能
紫銅是比較純凈的一種銅,一般可近似認(rèn)為是純銅,導(dǎo)電性、塑性都較好,但強(qiáng)度、硬度較差一些。紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性﹑延展性和耐蝕性。紫銅中的微量雜質(zhì)對銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能有嚴(yán)重影響。其中鈦、磷、鐵、硅等顯著降低電導(dǎo)率,而鎘、鋅等則影響很小。硫、硒、碲等在銅中的固溶度很小,可與銅生成脆性化合物,對導(dǎo)電性影響不大,但能降低加工塑性。
紫銅在大氣、海水和某些非氧化性酸(鹽酸、稀硫酸)、堿、鹽溶液及多種有機(jī)酸(醋酸、檸檬酸)中,有良好的耐蝕性,用于化學(xué)工業(yè)。另外,紫銅有良好的焊接性,可經(jīng)冷、熱塑性加工制成各種半成品和成品。20世紀(jì)70年代,紫銅的產(chǎn)量超過了其他各類銅合金的總產(chǎn)量。
②物理性能
普通紫銅在含氫或一氧化碳的還原性氣氛中加熱時,氫或一氧化碳易與晶界的氧化亞銅(Cu2O)作用,產(chǎn)生高壓水蒸氣或二氧化碳?xì)怏w,可使銅破裂。這種現(xiàn)象常稱為銅的“氫病”。氧對銅的焊接性有害。鉍或鉛與銅生成低熔點(diǎn)共晶,使銅產(chǎn)生熱脆;而脆性的鉍呈薄膜狀分布在晶界時,又使銅產(chǎn)生冷脆。磷能顯著降低銅的導(dǎo)電性,但可提高銅液的流動性,改善焊接性。適量的鉛、碲、硫等能改善可切削性。紫銅退火板材的室溫抗拉強(qiáng)度為22~25公斤力/毫米2,伸長率為45~50%,布氏硬度(HB)為35~45。