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2023-06-15
铜合金：特性与应用
【摘要】：1.2.5.2铜合金的分类纯铜的强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但却会使其塑性大大降低，因此，常用合金化的方法来获得强度较高的铜合金。
在有色金属中，铜的产量仅次于铝。铜及铜合金在我国有着悠久的使用历史，并且使用范围很广。
1.2.5.1 纯 铜
纯铜是玫瑰红色金属，但容易与氧发生反应，在表面形成氧化铜薄膜，外观呈紫红色。故工业纯铜常称紫铜或电解铜。纯铜密度为8.96 g/cm3，熔点为1 083 °C，具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银，故主要用作导电材料。铜是逆磁性物质，用纯铜制作的各种仪器和机件不受外磁场的干扰，故纯铜适合制作磁导仪器、定向仪器和防磁器械等，图1-33所示为纯铜制作的防磁游标卡尺。
图1-33 防磁纯铜游标卡尺
纯铜的强度很低，软态铜的抗拉强度不超过240 MPa，但是具有极好的塑性，可以承受各种形式的冷热压力加工。因此，铜制品多是经过适当形式的压力加工制成的。在冷变过程中，铜有明显的加工硬化现象，并且导电性略微降低。加工硬化是纯铜的唯一强化方式。冷变形铜材退火时，也和其他金属一样，产生再结晶。再结晶的程度和晶粒的大小显著影响铜的性能，再结晶软化退火温度一般为500～700 °C。
纯铜的化学性能比较稳定，在大气、水、水蒸气、热水中基本上不会被腐蚀。工业纯铜中常含有微量的杂质元素，降低纯铜的导电性，使铜出现热脆性和冷脆性。
纯铜中还有无氧铜，牌号有TU1、TU2，它们的含氧量极低，不大于0.003%，其他杂质也很少，主要用于制作电真空器件及高导电性铜线。无氧铜制作的导线能抵抗氢的作用，不发生氢脆现象。
1.2.5.2 铜合金的分类
纯铜的强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但却会使其塑性大大降低，因此，常用合金化的方法来获得强度较高的铜合金。常用的铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三类。
1. 黄 铜
图1-34 黄铜Y形过滤器
以锌为唯一或主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜具有良好的塑性、耐蚀性、变形加工性和铸造性，在工业中有很好的应用价值，图1-34所示为黄铜制造的Y形过滤器。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。
（1）普通黄铜。由铜和锌组成的二元合金称为普通黄铜，其牌号由“H+数字”组成。其中，“H”是“黄”字的汉语拼音首字母，数字表示铜的平均质量分数。
（2）特殊黄铜。为了获得更高的强度、耐蚀性和某些良好的工艺性能，在铜锌合金中加入铅、锡、铝、铁、硅、锰、镍等元素，形成各种特殊黄铜。
特殊黄铜的牌号由“H+主加元素符号（锌除外）+铜的平均质量分数+主加元素的平均质量分数”组成。特殊黄铜可分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品供应）和铸造黄铜两类，其中铸造黄铜在牌号前加“Z”。例如，HSn70-1表示铜的质量分数为69.0%～71.0%，锡的质量分数为1.0%～1.5%，其余为锌的锡黄铜；ZHPb59-1表示铜的质量分数为57.0%～61.0%，铅的质量分数为0.8%～1.9%，其余为锌的铸造铅黄铜。
2. 青 铜
图1-35 商晚期青铜器 ——共父乙鼎
青铜是人类历史上应用较早的合金，它是Cu-Sn合金，因合金中有δ相，呈青白色而得名。它在铸造时体积收缩量很小，充模能力强，耐蚀性好，有极高的耐磨性，故得到广泛的应用，图1-35所示为商晚期的青铜器——共父乙鼎。近几十年来由于采用了大量的含Al、Si、Be、Pb和Mn的铜合金，习惯上也将其称为青铜，为了区别起见，把Cu-Sn合金称为锡青铜，而其他铜合金分别称为铝青铜、硅青铜、铍青铜、铅青铜和锰青铜等。
青铜按生产方式分为压力加工青铜和铸造青铜两类。其牌号是用“Q+主加元素符号+主加元素平均含量（或+其他元素平均含量）” 表示，“Q”是“青”字的汉语拼音首字母。例如，QAl5表示铝的平均质量分数为5%的铝青铜，QSn4-3表示锡的平均质量数为4%、锌的平均质量分数为3%的锡青铜。铸造青铜的牌号前加“Z”，如ZQSn10-5表示Sn的平均质量分数为10%，Pb的平均质量分数为5%，其余为Cu的铸造锡青铜。此外，青铜还可以合金成分的名义百分含量命名。例如，ZCuSn10Pb5表示锡的平均质量分数为10%、铅的平均质量分数为5%的铸造锡青铜。
3. 白 铜
以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故称为白铜。白铜根据加入的合金元素种类不同可分为普通白铜和复杂白铜。铜镍二元合金（即二元白铜）称为普通白铜。加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称为复杂白铜（即三元以上的白铜），包括铁白铜、锰白铜、锌白铜和铝白铜等。
普通白铜的代号以“B＋数字表示”，字母B表示镍的含量，如B5表示镍的含量为5%，其余为铜的含量。复杂白铜的代号以“B+元素符号+数字-数字”表示，第一个数字表示镍的含量，第二个数字表示第二主加元素的含量。如BMn3-12表示镍的含量约为3%，锰的含量约为12%。
由于镍和铜能形成无限互溶的固溶体，在铜中加入镍元素可以显著提高其强度、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率、温度系数，因此白铜较其他铜合金的力学性能、物理性能都异常良好，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、深冲性能好，被广泛用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，图1-36所示为白铜制作的工艺品。白铜还是重要的电阻及热电耦合金。白铜的缺点是主加元素镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。
图1-36 白铜龙龟壶
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