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銅合金的分類及合金元素的作用

銅合金就是指在純銅的基礎上加入一種或幾種其他元素所構成的合金。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。

2022-04-28 09:16:54江陰市樂磊合金材料有限公司

一、分類

銅合金分類：按顏色分

1、黃銅：系指銅與鋅為基礎的合金，又可細分為簡單黃銅和復雜黃銅，復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、導電導熱用銅合金（主要有非合金化銅和微合金化銅。

2、結構用銅合金：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、固相下有復雜相變等，因此對銅性能的影響千差萬別。

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，導致銅制品的脆性。在固態(tài)銅中，氫以質子狀態(tài)存在，氫的電子填充銅原子的S層軌道，形成質子型固溶體。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，可在顯微鏡下與標準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雜的，微量氧對銅的電導率和力學性能影響甚微，工業(yè)銅具有很高的電導率，其原因是氧作為清潔劑，可以從銅中掉許多有害雜質，以氧化物形式進入爐渣，特別是能夠砷、銻、鉍等元素，含有少量氧的銅其電導率可以達到100％～103％IACS，高純銅如6N銅在深冷條件下電阻值是相當?shù)偷?。電真空構件用銅應嚴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，一般均應進行脫氧，脫氧劑有磷、硼、鎂等，以中間合金形式加入，磷是的脫氧劑，不過應嚴格控制磷的殘留量，因其能夠強烈降低銅及合金的電導率。

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，對銅的導電、導熱影響不大，但是都嚴重地惡化銅及合金的塑性加工性能，應該嚴格控制其含量，各國標準中規(guī)定不應超出0.005％;由于含有這些元素的銅，具有良好的切削性能，在工程技術界也有應用，比如鉻銅，可以作為真空開關中斷路器的觸頭，在斷路時，防止開關觸頭的粘接，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率和導熱性能，一般作為變質劑加入，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，所以各種材料標準中都規(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有專門的環(huán)保和防護措施；砷應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，殘余的硼可以細化晶粒，人們發(fā)現(xiàn)的變質作用十分，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％。固溶于銅中的磷地降低其電導率，含P0.014％的軟帶電導率為94％IACS。含P0.14％的電導率為45.2％。磷是、成本的脫氧劑，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，用于生產(chǎn)建筑水道管、制冷和空調器散熱管、艦船海水管路;低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業(yè)中應用，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，鉛在銅中以單質狀態(tài)分布，可以分布在晶內和晶界，含鉛的銅合金，在發(fā)生相變或再結晶時，晶界的鉛可以轉移到晶內。鉛對銅及合金導電和導熱性能無影響，但可以改善可切削性能，鉛質點又是固相，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，鉛的質點越細小，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。隨著科學技術的發(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。特別應該指出的是，含鉛銅合金對原料的適應性極強，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，當溫度從合金結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形態(tài)從固相中析出，當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，當它們從固相中析出時，又產(chǎn)生了彌散強化效果，導電和導熱性能得到了恢復，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），可以獲得高導電性能。微量銀對銅的電導率、熱導率降低不大，但能提高再結晶溫度、抗變性能和耐磨性能，用于電機整流子，近來，又普遍用于制造高速列車的接觸導線。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。鈹銅是的彈性材料，鈹對銅的強化為，熱處理后的鈹銅強度，可達純銅的4～5倍。鐵可以細化晶粒，改善銅及合金性能，在要求抗磁的環(huán)境下，應嚴格控制鐵的含量，一般應控制在0.003％以下。鋯、鉻銅合金具有很高的電導率、強度，良好的抗軟化性能，是的電極合金，在航天發(fā)動機中有重要的應用。硅青銅具有高的強度和耐磨性能。鐵、鋯、鉻青銅是的高導銅合金，在電極制造中有重要應用。鐵、硅、鋯、鉻銅合金成為集成電路引線框架銅合金的基礎，其合金成分、性能的研究非常活躍。

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性能、耐蝕性能，但都使銅的導電，導熱性能降低，與其他金屬材料相比，仍屬于優(yōu)良的導電和導熱材料，它們與銅形成寶貴的合金，可分為黃銅、青銅、白銅合金，構筑了龐大合金系的基礎，這些合金具有的綜合性能。比如，黃銅具有、耐磨、耐蝕、高導熱、低成本;青銅具有、耐磨、耐蝕;白銅具有極為的耐惡劣水質和海水腐蝕性能，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，都對銅的力學性能有益，而對銅的電導率影響又不大。這類元素可與銅中的雜質鉛、鉍等形成高熔點化合物，呈細小的球形質點均布于晶粒內，細化晶粒，提高鋼的高溫塑性。向銅中添加0.008%混合稀土即可改善銅的工藝性能;加入小于0.l%Y時，銅的力學性能與工藝性能就有所改善;含0.01%~0.15% La的銅合金的力學性能、電導率、抗軟化溫度均優(yōu)于Cu-0.15Ag合金，已在工業(yè)中獲得應用。

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化銅晶粒，提高其再結晶溫度，中和一些易熔雜質的有害作用，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)上獲得應用，成為良好的電工材料。

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