第四章　有色金屬合金及其熔煉

第一節(jié)　銅及銅合金

一、純銅

純銅呈紫紅色，俗稱紫銅，常用電解法生產(chǎn)成板狀，用反射爐煉銅鑄成銅錠（棒），則俗稱紅銅，二者的區(qū)別在于純度。電解銅的純度可達99.95％以上。電解銅的主要用途之一是軋制線材或帶材用于導電工程，純銅用于導電工程時，嚴格限制鉍和鉛作為雜質(zhì)的含量，用于電線時，常加入少許的鎘（Cd），以增大線的強度（導電性略降低）。各種雜質(zhì)元素對純銅導電性能的影響如圖4-1所示。

由于鉍（Bi）和鉛（Pb）在銅中都可發(fā)生共晶反應，存在于銅的晶粒邊界上，在壓力加工時產(chǎn)生熱脆性，故電解銅中，對Bi和Pb作為雜質(zhì)而嚴格限制，純銅的性能如表4-1所示。

二、黃銅

黃銅是指銅鋅合金，通常含鋅小于45％，其二元合金相圖如圖4-2所示，在溫室下可能有α、β、γ、δ、ε、η六個相出現(xiàn)，但當含鋅<45％時，只有α和β相出現(xiàn)，而且有使用價值；其他相性能不可用。銅和鋅都是面心立方（FCC）的晶型，鋅可溶入銅的晶體格子或叫原子點陣的間隙中，在463℃以上時，其溶解度隨溫度的升高而減?。ú皇窃龆啵?，原因是銅和鋅的原子尺寸差較小，可形成連續(xù)固溶體和其他相，如電子化合物等。由相圖可知，當鋅小于39％時，則常溫時，由α相單一的顯微組織存在，α相為面心立方晶體，有較好的韌塑性。當含鋅量達到并超過45％時，則出現(xiàn)β相，β相的結晶是體心立方晶型，β相是無序的固溶體，β相在463℃或470℃（虛線表示不確切）轉變成β'，此β’是有序的固溶體。所謂無序固溶體是指鋅在銅原子點陣中位置不固定。而有序則是位置固定。實際上從電子濃度或價電子角度考慮β’應叫做電子化合物。由β-β’的轉變，經(jīng)X光衍射或電阻測量可以表現(xiàn)出來，即衍射譜線增高和電阻突然增大。

γ相，由Cu₅Zn₈形成的化合物，對稱性很差，因而表現(xiàn)出硬脆的性質(zhì)，和δ相、ε相和η相一樣，一般都無工程應用價值。所以，工業(yè)黃銅多限定含鋅在40％以下。

黃銅的品種很多，如常見紅黃銅、彈簧黃銅、彈殼黃銅、裝飾黃銅、鋅黃銅、海軍黃銅等，可用于油泵、水泵的泵體和閥門，蒸汽零件，軸承座，浴室，廚房零件，建筑，彈簧，彈殼，無縫管，電器零件等場合。常用的分類方法是將黃銅分成普通黃銅和特殊黃銅。

特殊黃銅常加入的元素有鋁、鐵、錳、硅、鎳、鎘、鉛、錫、鎂等。在實際生產(chǎn)中，采用加入的合金元素可轉化為鋅當量來操作，一般每種元素1％相當鋅的百分數(shù)如表4-2所示。

加入鋁可提高合金強度，通過形成致密氧化膜而提高耐蝕性，同時可減少鋅的蒸發(fā)，但會造成合金鑄造性能變差。加入鐵，一般小于2.5％，否則澆鑄困難，因鐵熔點高，降低銅水的流動性，當加入鐵大于1％，則得不到純α相。但鐵卻可增加合金的強度，并且細化銅的晶粒，因為鐵在銅中的溶解度隨溫度下降而降低，鐵粒子沉淀出來成為α相的晶核，如鐵過多則獨立于α之外存在。加入錳，影響與加入鐵相似，溶入銅點陣中增大強度和硬度，而降低韌性。通常錳也應小于2％。例如：H60黃銅中加入錳的性能如表4-3所示。

黃銅中加入錫元素時，可增大耐腐蝕性，特別是有提高抗海水腐蝕的能力，故錫黃銅有“海軍黃銅”之稱。當錫>2％時，則有γ相析出。錫在銅中的溶解度受到鋅的排斥，故有個限度。經(jīng)大量統(tǒng)計得出經(jīng)驗公式（4-1）：

S_Sn=15-0.414S_Zn　　（4-1）

式中，S_Sn為錫的溶解度；S_Zn為鋅的百分含量。據(jù)此公式可知當合金中含鋅1％時，錫的最大溶解度為11％，當含鋅2％時，錫最大溶解度為6.75％。鎳的加入可提高合金的裝飾性，當加入鎳20％，則呈現(xiàn)出銀色光澤。

黃銅在使用過程中可能會出現(xiàn)季裂（season cracking）問題，所謂季裂是指黃銅在夏季儲存長時間之后，可能出現(xiàn)晶間裂紋，實際上是晶界上發(fā)生應力腐蝕，引起黃銅發(fā)生季裂的因素如下。

（1）化學成分　含鋅20％以上的黃銅容易發(fā)生季裂，可能與鋅中的雜質(zhì)有關，造成電位差的緣故。

（2）晶粒度　粗晶粒的易生季裂，細晶粒的不易生季裂，一般認為晶界多而彎曲，可避免季裂。

（3）殘余應力　軋制量大的殘余應力也大，但比僅在表層加工的好些，加工不透，反而因各處變形程度不同形成更大的內(nèi)應力。

（4）環(huán)境因素　潮濕的環(huán)境空氣中的氨氣可溶于銅的表層而發(fā)生溶蝕引發(fā)季裂。

防止季裂的辦法：由于鋅的含量與銅的強度成正比，不宜改變，因此很難改變化學成分去防止季裂，常用的辦法是采用消除內(nèi)應力的退火處理來降低季裂的發(fā)生。常用黃銅的退火溫度見表4-4。

人們發(fā)現(xiàn)黃銅在使用過程中還存在脫鋅腐蝕現(xiàn)象，所謂的脫鋅腐蝕是指黃銅中的合金元素在腐蝕介質(zhì)中不是按它們在合金中的比例溶解，而是電位較低、相對較有活性的鋅元素因電化學作用而被選擇性溶解的腐蝕現(xiàn)象。對于銅管脫鋅腐蝕機理的解釋目前尚無定論，一種理論認為脫鋅是合金中的鋅發(fā)生選擇性優(yōu)先溶解，即鋅優(yōu)先溶解歷程；另一種理論認為合金中的銅和鋅同時發(fā)生氧化溶解，而銅又可以從水中析出沉積在腐蝕部位，形成一層紫銅層，即所謂溶解—再沉積歷程。對于凝汽器黃銅管易于發(fā)生層狀脫鋅時，腐蝕后的銅管管壁厚度沒有變化或只有很小的減薄，但銅管的機械強度卻明顯降低。層狀脫鋅腐蝕多發(fā)生在硬度和pH值較低而含鹽量較大（尤其是氯化物含量較高）的水中，如咸水和海水。Mn、Sn、Al、Ni和Fe的特殊黃銅因具有一定的抗脫鋅腐蝕能力，因此可以作為船舶結構件使用，如螺旋槳等。

除錫黃銅和鋁黃銅外，一般不適用鍋爐給水系統(tǒng)。在無氧化環(huán)境中，許多酸對黃銅的腐蝕不嚴重，根據(jù)濃度和通風條件的不同，腐蝕速率為0.5～2mm/a。黃銅有良好的耐有機酸及其鹽類腐蝕的性能。鍍錫黃銅可用于食品工業(yè)，但含鉛黃銅不能使用。由于高鋅黃銅有應力腐蝕傾向，當鑄件存在較大應力時，如澆鑄后快冷、焊后冷卻或冷加工硬化等，應進行退火或作其他消除應力（振動時效）處理。

三、青銅

青銅是人類金屬冶鑄史上最早的合金材料，原是指銅錫合金。后來人們將除紫銅、黃銅﹑白銅以外的銅合金均稱青銅。為加以區(qū)分，通常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。如除錫青銅外，還有鋁青銅、鈹青銅和磷青銅等。

銅錫體系中含有多種相，如α、β、γ、ε和η等，具體相圖如圖4-3所示，當含錫<10％時，生成α固溶體，面心立方結晶（FCC）。而且液相線與固相線的間隔較大，凝固時容易發(fā)生成分偏析。β相，體心立方結晶，在570℃有共析轉變，由β轉變成α+γ。γ相，在500℃也發(fā)生共析轉變，由γ轉變成α+δ。ε相，δ相性硬而脆?？梢酝ǔ２扇″a5％以下得到α固溶體，當錫大于6％時，特別是激冷時，銅-錫圖線向左移，而生成α+δ組織，δ增加了脆性和硬度。

鋁青銅是銅與鋁的合金，其特點是β相在565℃時發(fā)生共析轉變成α+γ₂，鑄造青鋁銅≤10％，鑄態(tài)為α+β組織，就是發(fā)生所說的共析轉變。退火不能消除其樹枝狀的α結晶和針狀的γ₂相。只有淬火后至350～600℃回火才能使γ₂轉化成小顆粒狀，從而使合金韌性提高。如控制鋁在5％～7％（鍛鋁青銅的成分），則凝固后可得α固溶體組織，韌性良好。鋁青銅的特點是高強度，耐腐蝕，可用熱處理調(diào)節(jié)力學性能。

其他的錫磷青銅（錫10％，磷1％），鑄態(tài)為α+δ組織，用作軸及耐磨件；鈹青銅的彈性極限高，導電性好，適于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。

四、白銅

白銅通常是指在銅中加入合金元素鎳，通常呈銀白色，故名白銅。由于銅鎳之間彼此可無限固溶，因此工業(yè)白銅的組織均為單相固溶體，當鎳熔入紅銅（紫銅）中的含量超過16％以上時，產(chǎn)生的合金色澤就變得潔白如銀，鎳含量越高，顏色越白。此外加入鎳后能顯著提高強度、耐蝕性、硬度、電阻和熱電性，并降低電阻率（見表4-5）。因此白銅較其他銅合金的力學性能、物理性能及延展性顯著提高。同時白銅硬度高、色澤美觀、耐腐蝕、可進行深沖加工，被廣泛用于造船、石油化工、電器、儀表、醫(yī)療器械、日用品、工藝品等領域。加入錳后形成的錳白銅可作為熱電偶合金材料。由于白銅的主要添加元素鎳屬于稀缺的戰(zhàn)略物資，價格比較昂貴。

普通白銅僅含銅與鎳，其牌號通常為B（即白）+Ni的質(zhì)量分數(shù)，如B5、B19、B30等，當普通白銅加入合金元素可制備出特殊白銅，如鋅、錳、鐵、鋁等元素分別叫做鋅白銅、錳白銅、鐵白銅和鋁白銅，編號方法為B+其他元素符號+Ni的名義質(zhì)量分數(shù)+其他元素的名義質(zhì)量分數(shù)。其具體牌號及應用見表4-6。此外黃銅（銅鋅合金）中加入鎳后產(chǎn)生的合金色澤就變得潔白如銀，可作為仿銀合金，應用在貨幣或首飾領域。

五、銅-錳基阻尼合金

阻尼合金是指在一定的條件下，通過吸收能量使其具有可以減震、降噪等阻尼效應的金屬材料。在工程上應用較多的金屬材料有鋼鐵、鋁和銅。銅-錳基阻尼合金屬于孿晶型阻尼合金。阻尼機理是：合金在高溫緩冷過程中因尼爾轉變和馬氏體相變而產(chǎn)生大量（可移動）的顯微孿晶，在外力作用下，由于顯微孿晶晶界的移動和磁矩的偏轉使應力松弛。錳-銅阻尼合金可以起到減震、降噪和提高疲勞壽命的作用，在制作防震和消聲設備方面具有重要作用。主要用于防震設備的緊固件、泵體、機座、減速器上的齒輪如潛艇用螺旋槳。不同國家的銅-錳阻尼合金牌號及化學成分見表4-7。

銅-錳基阻尼合金的主要抗腐蝕性能比一般銅合金差，在海水中有脫化學成分腐蝕和應力腐蝕現(xiàn)象。因此，在海水中使用時，應附加涂層或作陰極保護。其物理性能見表4-8。

錳銅阻尼合金在鑄造過程中，合金元素錳易氧化生成MnO₂，MnO₂的熔點高（1785℃）、密度大（5.18g/cm³），容易使合金液受到污染。另外，錳的蒸氣壓很高，污染環(huán)境，增大燒損量，因此合金宜在熔劑保護下進行熔煉，推薦用冰晶石溶劑作覆蓋劑。合金的凝固區(qū)間較寬，易形成縮松和熱裂，澆鑄時應適當提高澆鑄溫度，采用保溫冒口或發(fā)熱冒口。合金的線收縮率為2.75％～3.2％，有較高的流動性，澆鑄溫度為1200～1220℃。

銅-錳阻尼合金屬于難焊接的金屬材料，要選擇合適的焊料和進行焊后熱處理。英國Sonoston合金采用的焊絲成分為：W_Al=7.5％，W_Mn=12％，W_Fe=3％和W_Ni=2％（即ZCuAl8Mn12Fe3Ni2合金）；俄羅斯Аврора合金采用的焊絲：МцАЖ20-20-1-1；我國2310合金采用焊絲成分為：W_Mn=20％～40％，W_Al=1.0％～5.0％，W_Fe=0.5％～4.0％，W_Ni=0.5％～4.0％，余量為Cu。該合金可采用惰性氣體保護焊和焊條電弧焊。焊條電弧焊建議采用下面成分的藥皮（質(zhì)量分數(shù)）：冰晶石67％，氯化鈉20％，氟石10％和木炭粉3％。焊接的預熱溫度為100～300℃。

合金的機械加工性能與不銹鋼大體相同。由于合金的剛性較低，對于薄壁件，如車床卡盤夾得過緊或吃刀量過大，都會使工件變形，影響尺寸精度。合金加工應使用硬質(zhì)合金刀具，其鏜孔成本比其他銅合金高15％，鏟削和拋光工時為其他銅合金成本的1.5～2倍。

合金經(jīng)過焊接或加工變形后，阻尼性能大幅度下降，薄壁鑄件和金屬型鑄件的阻尼性能也很低，為了恢復和獲得阻尼性能，應進行恢復處理，即將鑄件重新加熱至850℃，然后緩冷（約100℃/h）至室溫。