铜合金的分类、特点及应用

铜合金的分类、特点及应用
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杨轶全
铜合金是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。

铜能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁、硅等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。

黄铜以锌作主要添加元素的铜合金,铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。

三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。

黄铜的机械性能和耐磨性能都很好，可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。

黄铜敲起来声音好听，因此锣、钹、铃、号等乐器都是用黄铜制做的。

铜与锌、锡的合金，抗海水侵蚀，可用来制作船的零件、平衡器。

一、黄铜
1、黄铜的成分与组织：
黄铜是Cu-Zn合金，包括 a：简单黄铜（普通黄铜） Zn<5%
b：复杂黄铜（特殊黄铜） Cu-Zn+其它合金元素工业黄铜（Zn<5%），室温组织是α相、β相。

α相：Zn溶入Cu形成的有限固溶体（具有面心立方晶格），塑性好，具有优良的成型加工性。

β相：以电子化合物CuZn为基的固溶体，电子浓度3/2（β相），具有体心立方晶格，高温下的β相中的Zn、Cu原子分布没有规律，处于无序状态，具有良好的塑性，可进行热加工变形。

缓冷至456~468℃时，β相发生有序化转变→β’，塑性显著降低，含有β’的黄铜不适于冷加工变形。

加热到有序温度以上β’→β，塑性恢复。

工业黄铜按组织分 a：单项黄铜α，Cu=100~62.4%
b：两相黄铜α+β，Cu=56~62.4%
2、Zn含量对黄铜性能的影响：
Zn含量对黄铜的物理、机械与工艺性能有很大影响。

①随着Zn含量增加，黄铜的导电性、导热性降低。

②随着Zn含量增加，当组织为单α相时，黄铜的强度、塑性都增大；Zn含
量30~32%，塑性δ达到最大；继续增加Zn含量，由于β’出现，塑性下降，
而强度σ
b 继续提高，至45～46%Zn；合金进入单相β’区，σ
b
急剧降低。

③随着Zn含量增加，黄铜“自裂”倾向增大。

“自裂”：Zn>20%的黄铜，经冷变形后，在潮湿的大气或海水中，尤其有氨存在时，会发生自动破裂（应力腐
蚀破裂）。

防止自裂的措施：a、低温去应力退火 260～300℃，1～2小时
b、往黄铜中加入Sn、Si、Al、Ni等元素
c、表面镀Sn或Zn
④黄铜的铸造性能良好，Zn<10%或Zn>38%时，由于结晶温度间隙较小，流动性好。

ZHAl 67-2.5 ：表示含Al 2.5%，Cu67%的铸造黄铜。

HSn 70-1：表示含Sn 1%、Cu70%的特殊黄铜（海洋黄铜，防脱锌）
二、青铜
青铜使人类历史上应用最早的一种合金，我国公元前2000多年的夏商时期就开始使用青铜铸造钟、鼎、武器、镜等。

经对出土汉镜分析，成分如下：Cu
（65~70%），Sn（24~26%），Pb（1~9%），Zn（0~5%）。

金相组织几乎完全是Cu
31Sn
8
（δ相），颜色呈青灰色—故称青铜。

青铜最早是指Cu-Sn合金，后来把Cu-Al、Cu-Si、Cu-Be、Cu-Mn、Cu-Pb合金都称为青铜。

为了区别，分别称为铝青铜、硅青铜、… …铅青铜等。

青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。

用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。

青铜还有一个反常的特性——“热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。

铜与锡、磷的合金，坚硬，可制弹簧。

1、锡青铜：
a、组织
Cu-Sn合金相图非常复杂，由几个包晶转变和共析转变组成，转变产物有：α、β、γ、δ、ε等相。

α相：Sn在Cu中的置换固溶体，具有面心立方晶格，塑性良好，适于冷热变形加工。

β相：以电子化合物Cu
5
Sn为基的固溶体，电子浓度3/2，体心立方晶格。

586℃以上稳定存在，塑性良好，适于热加工；586℃发生共析反应，形成α+β相，塑性急剧降低。

γ相：以电子化合物为基的固溶体，晶格结构尚未确定，只能在520℃以上
稳定存在，520℃发生共析反应，分解为α+δ相。

δ相：以电子化合物Cu
31Sn
8
为基的固溶体，电子浓度21/13，具有复杂立方
晶格，硬而脆。

δ相很稳定，在350℃发生共析转变，形成α+ε相。

但转变速度极其缓慢，一般很难进行。

只有经70～80%的变形，数千小时退火，才能完成转变，故称δ相是青铜的基本室温组织。

ε相：以电子化合物Cu
3
Sn为基的固溶体，密排六方晶格，即硬而脆，在青铜中无使用价值。

b、Sn含量对青铜性能的影响
Sn含量较低时，Sn↑→σ
b
↑，塑性δ变化不大。

Sn>7%时，由于组织中出现δ相，塑性急剧降低。

Sn>20%时，不仅塑性降低，强度也急剧下降。

故工业上锡青铜Sn含量在3~14%范围。

压力加工锡青铜：6~7%Sn，铸造锡青铜：10~14%Sn
锡青铜的铸造性
Sn：3~14%范围内，青铜的结晶温度间隔很大，流动性差，易产生偏析，铸造性能差。

但铸造收缩率很小，使有色合金中收缩率最小的合金，可用来生产形状复杂、气密性要求不高的铸件。

其它合金元素（磷、镁、铅等）
P—脱氧，0.02~0.035% 改善铸造性能，提高强度。

（传说）
Zn—节约部分锡，缩小合金结晶温度间隔，改善铸造性能，提高铸件气密性。

Pb—提高耐磨性。

青铜的其它性能
良好的抗蚀性（除酸外），优于纯铜和黄铜；无磁性，冲击不产生火花，无冷脆现象，耐磨性高（δ相）。

2、铝青铜：
铝铜强度高﹐耐磨性和耐蚀性好﹐用於铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等。

a、组织
常用铝青铜 Al<12%，组织为α、β、γ
2
α相：Al在Cu中的固溶体，面心立方晶格，塑性好。

β相：以电子化合物Cu
3
Al为基的固溶体，电子浓度3/2，体心立方晶
格，565℃以上稳定存在，565℃发生共析反应，形成α+γ
2
相。

但必须充分
缓冷，快冷（>5~6/min）β→α+γ
2
被抑制，而发生类似钢的马氏体转变，形成密排六方晶格的介稳态β’相，β’适量且分布均匀时，强度高，数量太多，则合金变脆。

γ
2相：以电子化合物Cu
9
Al
4
为基的固溶体，复杂立方晶格，硬而脆。

b、Al含量对铝青铜性能的影响
Al↑→强度、塑性提高， Al>4~5%时，塑性降低。

Al>7~8%，塑性急剧降低，Al>10~11%，强度降低。

故压力加工铝青铜：Al 5~7%；铸造铝青铜：Al>7~12%。

c、其它元素
Fe—细化晶粒；Mn—提高强度、耐蚀性，不降低塑性；Ni—提高耐蚀性、耐磨性、热强度。

3、其他常见青铜：
铍铜合金是一种可锻和可铸合金，属时效析出强化的铜基合金，经淬火时效处理后具有高的强度、硬度、弹性极限，并且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性、导电导热性好、冲击时不会产生火花等一系列优点。

铍铜材基本上分为高强高弹性铍铜合金（含铍量为1．6％－2．1％）和高导电铜铍合金（含铍量为0．2％－0．7％）。

铍铜合金常被用作高级精密的弹性元件，如插接件、换向开关、弹簧构件、电接触片、弹性波纹，还有耐磨零器材、模具及矿山和石油业用于冲击不产生火花的工具。

现在铍铜材料已被广泛应用于航空航天、电器、大型电站、家电、通信、计算机、汽车、仪表、石油、矿山等行业，享有有色金属弹性王的美誉。

钨铜合金一般采用粉末合金技术进行生产。

这种合金主要用于制造高压触头，用在断路器、负荷开关、环网柜等高压电器上，其具有优良的耐电蚀性，抗熔焊性及耐压性。

钨铜合金还应于高尔夫球头配件，屏蔽材料，电工材料。

1954年，美国对铜阳极在硫酸盐光亮镀铜工艺的发展研究中，发现在铜阳极中添加少量的磷，在电镀过程中铜阳极的表面生成一层黑色的“磷膜”，这层“磷膜”具有金属导电性，控制电镀的速度，使镀层均匀，无铜粉产生，大大减少阳极泥的生成，提高镀层的质量，从而出现“磷铜阳极”这种磷铜合金品。

磷铜合金主要应用于印制电路板、五金、塑料和电铸电镀用磷铜阳极；电气接点和插接件用铜带；引线框架用铜带；用于电机、空调、冷冻机行业的代银钎料；铜及铜合金材料的脱氧剂和铝合金铸造物的晶粒细化剂。

银铜合金是通过将纯铜和纯银加入电熔炉进行熔炼，经铸造得到坯料，再加
工成各种规格的成品。

银铜合金的主要应用为电接触材料、焊接材料、银铜合金排及铜银合金接触线
三、白铜
白铜的应用较少，它是以镍为主要添加元素的铜合金。

铜镍二元合金称普通白铜﹔加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜合金称复杂白铜。

纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性，主要应用在海水淡化及海水热交换系统、汽车制造、船舶工业、硬币、电阻线、热电偶。

其色泽和银一样，银光闪闪，不易生锈。

常用于制造硬币、电器、仪表和装饰品.按产品形态分类：铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等。