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一文讀懂銅合金的分類及合金元素的作用

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銅合金就是指在純銅的基礎(chǔ)上加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。

  合金就是指在純銅的基礎(chǔ)上加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。銅合金的分類還是挺好理解的。銅合金的顏色有很多種,不銅的銅合金種類,具有不同的顏色,銅合金主要有紫色、黃色、青色等顏色。

  一、分類

  銅合金分類:按顏色分

  1、黃銅:系指銅與鋅為基礎(chǔ)的合金,又可細(xì)分為簡單黃銅和復(fù)雜黃銅,復(fù)雜黃銅中又以第三組元冠名為鎳黃銅、硅黃銅等;

  2、青銅:系指除銅鎳、銅鋅合金以外的銅基合金,主要品種有錫青銅、鋁青銅、特殊青銅(又稱高銅合金);

  3、白銅:系指銅鎳系合金;

  4、紫銅:系指純銅,主要品種有無氧銅、紫銅、磷脫氧銅、銀銅。

  銅合金分類:按合金系劃分

  1、非合金銅:非合金銅包括高純銅、韌銅、脫氧銅、無氧銅等,習(xí)慣上,人們將非合金銅稱為紫銅或純銅,也叫紅銅。

  2、其他銅合金則屬于合金銅。我國和俄羅斯把合金銅分為黃銅、青銅和白銅,然后在大類中劃分小的合金系。

  銅合金分類:按功能劃分

  1、導(dǎo)電導(dǎo)熱用銅合金(主要有非合金化銅和微合金化銅。

  2、結(jié)構(gòu)用銅合金:幾乎包括所有銅合金。

  3、耐蝕銅合金:主要有錫黃銅、鋁黃銅、各種不白銅、鋁青銅、鈦青銅等。

  4、耐磨銅合金:主要有含鉛、錫、鋁、錳等元素復(fù)雜黃銅、鋁青銅等。

  5、易切削銅合金:銅-鉛、銅-碲、銅-銻等合金。

  6、彈性銅合金:主要有銻青銅、鋁青銅、鈹青銅、鈦青銅等。

  7、阻尼銅合金:高錳銅合金等。

  8、藝術(shù)銅合金:純銅、黃銅、錫青銅、鋁青銅、白銅等。

  銅合金分類:按材料形成方法劃分為

  1、鑄造銅合金:鑄造,又可以用于變形加工。

  2、變形銅合金:變形銅合金可以用于鑄造。

  3、鑄造銅合金和變形銅合金又可以細(xì)分為鑄造用紫銅、黃銅、青銅和白銅。

  二、合金元素的作用

  微量元素進入銅是不可避免的,由于元素特性的不同,可以不固溶于銅、微量固溶、大量固溶、無限互溶,固溶度隨溫度下降而激烈降低、固相下有復(fù)雜相變等,因此對銅性能的影響千差萬別。

  合金元素對銅合金電導(dǎo)率的影響

  1、氫

  氫與銅不形成氫化物,氫在液態(tài)和固態(tài)銅中的溶解度隨著溫度升高而增大,特別是在液態(tài)銅中有很大的溶解度。銅凝固時,氫在銅中形成氣孔,導(dǎo)致銅制品的脆性。在固態(tài)銅中,氫以質(zhì)子狀態(tài)存在,氫的電子填充銅原子的S層軌道,形成質(zhì)子型固溶體。單純氫對銅的性能雖然影響甚微,但氫對銅及銅合金來說是有害的,含氧銅在氫氣中退火時會產(chǎn)生裂紋。各種元素對氫在銅中的溶解度影響不一,其中Ni、Mn等元素增加溶解度,P、Si等元素減少溶解度,可以通過減少熔煉時間,調(diào)整成分,控制爐料中氫氣含量,熔體表面采用木炭覆蓋等辦法以減少銅中氫的含量。

  2、氧

  氧在銅的生產(chǎn)過程中是不可避免的,其影響也非常重要。在銅中除極少量固溶外,均以Cu2O形式存在。銅的氧化物不固溶于銅,形成Cu+Cu2O共晶組織,分布于晶界,共晶反應(yīng)為:L含氧0.39%----α含氧0.01%+Cu2O,亞共晶銅中的含氧量與共晶量成正比,可在顯微鏡下與標(biāo)準(zhǔn)圖片比較來精確測定銅中的含氧量。

  氧對銅及合金性能的影響是復(fù)雜的,微量氧對銅的電導(dǎo)率和力學(xué)性能影響甚微,工業(yè)銅具有很高的電導(dǎo)率,其原因是氧作為清潔劑,可以從銅中清除掉許多有害雜質(zhì),以氧化物形式進入爐渣,特別是能夠清除砷、銻、鉍等元素,含有少量氧的銅其電導(dǎo)率可以達到100%~103%IACS,高純銅如6N銅在深冷條件下電阻值是相當(dāng)?shù)偷摹?/p>

  電真空構(gòu)件用銅應(yīng)嚴(yán)格控制其中的氧含量,其原因是電真空器件需要在氫氣中封裝,銅中氫的存在會導(dǎo)致氫病發(fā)生,引起器件在高真空環(huán)境中破壞。

  銅及銅合金熔煉時,一般均應(yīng)進行脫氧,脫氧劑有磷、硼、鎂等,以中間合金形式加入,磷是最有效的脫氧劑,不過應(yīng)嚴(yán)格控制磷的殘留量,因其能夠強烈降低銅及合金的電導(dǎo)率。

  3、銻、鉍、硫、碲、硒

  這些元素在銅中固溶度極小,室溫下基本不溶于銅,它們以金屬化合物形式存在,分布于晶界,對銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱影響不大,但是都嚴(yán)重地惡化銅及合金的塑性加工性能,應(yīng)該嚴(yán)格控制其含量,各國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不應(yīng)超出0.005%;由于含有這些元素的銅,具有良好的切削性能,在工程技術(shù)界也有應(yīng)用,比如鉻銅,可以作為真空開關(guān)中斷路器的觸頭,在斷路時,防止開關(guān)觸頭的粘接,鉍銅中含鉍量可高達0.5%~1.0%;含碲0.15%~0.5%的碲銅合金,可作為高導(dǎo)電、易切削無氧銅使用,能夠加工成精密的電子元器件。作為特殊用途的銅合金,可以加入這些元素,但其加工工藝是特殊的,可采用包套擠壓、冷擠、鑄造、粉末冶金等方法。

  4、砷、硼

  砷在銅中有很大的固溶度,在固溶體中的可達6.8%~7.0%,砷在銅中存在強烈的降低其電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性能,一般作為變質(zhì)劑加入,特別是對黃銅冷凝器合金來說更為寶貴,近一百年來火電和艦船冷凝器管材使用實踐表明,含砷0.1%~0.15%的黃銅,能夠防止黃銅脫鋅腐蝕,解決了黃銅冷凝管早期泄漏的致命問題,所以各種材料標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定必須加入砷,經(jīng)驗表明,不含砷的HSn70-1冷凝管,經(jīng)常在使用初期的2~3年內(nèi)發(fā)生泄漏事故,而加入砷后,壽命可增至15~20年,被稱為銅合金研究中重大的技術(shù)進步。砷之所以能夠防止黃銅脫鋅腐蝕,許多研究表明,砷能夠降低銅的電極電位,從而降低了電化學(xué)腐蝕傾向。由于砷的氧化物污染環(huán)境,對人體有害,所以熔煉合金的工廠都應(yīng)有專門的環(huán)保和防護措施;砷應(yīng)以中間合金方式加入,砷銅中間合金中砷含量可達15%~30%。

  硼在銅中固溶度不大,一般作為脫氧劑使用,殘余的硼可以細(xì)化晶粒,人們發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)作用十分顯著,在加砷黃銅合金中同時加入0.01%~0.04%硼,具有更好的防止黃銅脫鋅腐蝕的特點。硼的氧化物是銅合金熔煉時優(yōu)良覆蓋劑,已經(jīng)被廣泛地使用。在銅的焊接材料中也普遍地加入硼,可防止焊接金屬氧化。

  5、磷

  隨著溫度降低,磷在銅中的固溶量迅速減少,300℃時為0.6%,200℃時為0.4%。固溶于銅中的磷顯著地降低其電導(dǎo)率,含P0.014%的軟帶電導(dǎo)率為94%IACS。含P0.14%的電導(dǎo)率僅為45.2%。磷是最有效、成本最低的脫氧劑,微量的存在,可以提高熔體的流動性,改善銅及合金的焊接性、耐蝕性、提高抗軟化溫度,所以磷又是銅及合金的寶貴添加元素,含P0.015%~0.04%的磷銅合金,廣泛用于生產(chǎn)建筑水道管、制冷和空調(diào)器散熱管、艦船海水管路;低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業(yè)中廣泛應(yīng)用,集成電路引線框架銅帶也大量使用低確銅合金;共晶成分的磷銅合金,是優(yōu)良的焊接材料,高銅合金在580~620℃具有超塑性,可以熱擠成3~5mm的焊絲,是焊接銅及銅合金、鋼和銅零件的重要材料。

  6、鉛

  鉛不固溶于銅,在銅合金中固溶度也很小,與銅形成易熔共晶組織,含鉛在0~38%的銅,液態(tài)的鉛,與銅液互不相溶,凝固時形成偏晶組織;固態(tài)下,鉛在銅中以單質(zhì)狀態(tài)分布,可以分布在晶內(nèi)和晶界,含鉛的銅合金,在發(fā)生相變或再結(jié)晶時,晶界的鉛可以轉(zhuǎn)移到晶內(nèi)。鉛對銅及合金導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能無顯著影響,但可以改善可切削性能,鉛質(zhì)點又是固相,正是軸承材料所希望的軟相,所以含鉛銅及合金是寶貴的易切削材料與軸承材料,因其成本低廉更為市場所歡迎。含鉛黃銅使用極為廣泛,鉛的質(zhì)點越細(xì)小,分布越均勻,性能越優(yōu)良。含鉛銅及合金可以鑄態(tài)使用,也可以壓力加工。鉛黃銅在高溫(500℃以上)為單相β,熱加工性能優(yōu)良,可以承受大的熱變形,而在常溫下為a相和a+β相,冷變形時變形抗力大,塑性較差,過大的加工率會使合金材料產(chǎn)生裂紋。

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,常規(guī)鉛黃銅的含鉛量已由0.8%~2.5%增加至5%以上,新型的含鉛紫銅、黃銅、青銅、白銅正不斷地被開發(fā)出來。特別應(yīng)該指出的是,含鉛銅合金對原料的適應(yīng)性極強,可以直接使用再生銅生產(chǎn),這對銅加工企業(yè)非常重要。

  7、鐵、鋯、鉻、硅、銀、鈹、鎘

  這七種金屬元素的共同特點是:它們有限固溶于銅,固溶度隨著溫度變化而激烈地變化,當(dāng)溫度從合金結(jié)晶完成之后開始下降時,它們在銅中的固溶度也開始降低,以金屬化合物或單質(zhì)形態(tài)從固相中析出,當(dāng)這些元素固溶于銅中,能夠明顯地提高其強度,具有固溶強化效應(yīng),當(dāng)它們從固相中析出時,又產(chǎn)生了彌散強化效果,導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到了恢復(fù),它們是典型的時效熱處理型銅合金,通過淬火(950~980℃、淬水)和時效(450~550℃、2-4h),可以獲得高強高導(dǎo)電性能。微量銀對銅的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率降低不大,但能顯著提高再結(jié)晶溫度、抗變性能和耐磨性能,廣泛用于電機整流子,近來,又普遍用于制造高速列車的接觸導(dǎo)線。銅具有沖擊時不發(fā)生火花特性,是重要的航空儀表材料,由于鎘具有毒性,污染環(huán)境,用途日益縮小。鈹銅是著名的彈性材料,鈹對銅的強化最為顯著,熱處理后的鈹銅強度,可達純銅的4~5倍。

  鐵可以細(xì)化晶粒,改善銅及合金性能,在要求抗磁的環(huán)境下,應(yīng)嚴(yán)格控制鐵的含量,一般應(yīng)控制在0.003%以下。

  鋯、鉻銅合金具有很高的電導(dǎo)率、強度,良好的抗軟化性能,是著名的電極合金,在航天發(fā)動機中有重要的應(yīng)用。

  硅青銅具有高的強度和耐磨性能。鐵、鋯、鉻青銅是著名的高強高導(dǎo)銅合金,在電極制造中有重要應(yīng)用。

  鐵、硅、鋯、鉻銅合金成為集成電路引線框架銅合金的基礎(chǔ),其合金成分、性能的研究非?;钴S。

  8、鋅、錫、鋁、鎳

  這四個元素的共同特點是在銅中固溶度很大,分別為39.9%、15.8%和9.4%。鎳則無限互溶,它們與銅形成連續(xù)固溶體,具有寬闊的單相區(qū),它們能夠明顯地提高銅的力學(xué)性能、耐蝕性能,但都使銅的導(dǎo)電,導(dǎo)熱性能降低,與其他金屬材料相比,仍屬于優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料,它們與銅形成寶貴的合金,可分為黃銅、青銅、白銅合金,構(gòu)筑了龐大合金系的基礎(chǔ),這些合金具有優(yōu)秀的綜合性能。比如,黃銅具有高強、耐磨、耐蝕、高導(dǎo)熱、低成本;青銅具有高強、耐磨、耐蝕;白銅具有極為優(yōu)秀的耐惡劣水質(zhì)和海水腐蝕性能,所有這些優(yōu)點都是其他金屬材料不能代替的。

  9、稀土元素

  稀土元素一般幾乎不固溶于銅,但少量的稀土金屬不管是單獨還是混合的形式加入,都對銅的力學(xué)性能有益,而對銅的電導(dǎo)率影響又不大。這類元素可與銅中的雜質(zhì)鉛、鉍等形成高熔點化合物,呈細(xì)小的球形質(zhì)點均布于晶粒內(nèi),細(xì)化晶粒,提高鋼的高溫塑性。向銅中添加0.008%混合稀土即可顯著改善銅的工藝性能;加入小于0.l%Y時,銅的力學(xué)性能與工藝性能就有所改善;含0.01%~0.15%La的銅合金的力學(xué)性能、電導(dǎo)率、抗軟化溫度均優(yōu)于Cu-0.15Ag合金,已在工業(yè)中獲得應(yīng)用。

  10、難熔金屬及其他金屬

  鎢、鉬、鈮、鈾、钚等元素幾乎不固溶于銅,鈦、鋯、鉻、鈷等元素少量固溶于銅,但它們都不同程度地細(xì)化銅晶粒,提高其再結(jié)晶溫度,中和一些易熔雜質(zhì)的有害作用,對改善高溫塑性有益。

  含少量鋯(Cl5000、C15100、C18100))、鈷(C17110、C17500)、鉻(C18400、C18200、C18500)的銅合金已在工業(yè)上獲得應(yīng)用,成為良好的電工材料。(機械電子工程技術(shù))

銅合金

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