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合金元素對銅及銅合金的影響

發布時間:2019-06-25點擊:513來源:洛銅_銅板_銅帶_銅排_銅管_銅棒_銅箔_銅材價格_洛陽浩泰銅業有限公司

合金元素對銅及銅合金的影響

純銅

氧幾乎不固溶于銅,含氧銅凝固時,氧以共晶體的形式析出,分布于銅的晶界上。鑄態含氧銅中含氧量極低時,隨著氧含量的升高依次出現含Cu2O的亞共晶體、共晶體與過共晶體。

氧與其他雜質共存時則影響極為復雜,例如微量氧可氧化高純銅中的痕量雜質Fe、Sn、P等,提高銅的電導率,若雜質含量較多,氧的該作用則不明顯。

氧能部分削弱Sb、Cd對銅導電性的影響,但不改變As、S、Se、Te、Bi等對銅導電性的影響。

可采用P、Ca、Si、Li、Be、Al、Mg、Zn、Na、Sr、B等作為銅的脫氧劑,其中P是最常用的。含P量達到0.1%時,雖不影響銅的力學性能,卻嚴重降低銅的電導率,對于高導銅,磷含量不得大于0.001%。

某些情況下紫銅中特意保留一定量的氧,一方面它對銅性能的影響不大,另一方面Cu2O可與Bi、Sb、As等雜質起反應,形成高熔點的球狀質點分布于晶粒內,消除了晶界脆性。

當氧含量為0.016%~0.036%之間時,隨著氧含量增加銅的抗拉強度增加,但銅的塑性和疲勞極限會降低,氧含量增加對銅的電導率影響不大。

當氧含量為0.003%~0.008%,鐵含量為0.06%~2.09%之間時,隨著兩種元素含量的增加,銅的電導率和伸長率均顯著下降,而抗拉強度和疲勞強度顯著升高。

氧和砷共存時,對銅的力學性能無明顯影響,但顯著降低銅的電導率。


氫在液固與固態銅中的溶解度均隨著溫度的升高而增加。氫在固態銅中形成間歇固溶體,提高銅的硬度。

含氧銅在氫氣中退火時,氫可與銅中的Cu2O反應,產生高壓水蒸氣,使銅破裂,俗稱“氫病”。氫病的發生與危害程度與溫度有關。150℃時,因水蒸氣處于凝聚狀態,不引發氫病,含氧銅在氫氣中擱置10a也不破裂;200℃時可放置1.5a,在400℃氫氣中只能停放70h。以Mg或B脫氧的銅不發生氫病。


硫在室溫銅中的溶解度為零,硫在銅中以Cu2S的彌散質點存在,降低銅的電導率與熱導率,但極大地降低銅的塑性,顯著改善銅的可切削性能。


銅中的微量硒以Cu2Se化合物形式存在,硒在固態銅中的溶解度極低,對銅的電導率及熱導率的影響很小,但顯著降低銅的塑性,并大幅度提高銅的可切削性能。


碲在固態銅中的溶解度很小,以Cu2Te彌散質點存在,對銅的電導率及熱導率的影響很小,但能顯著改善銅的可切削性能。

含0.06%~0.70%Te的銅在工業中獲得了應用,并在淬火和加工狀態下應用,不要回火,以免Cu2Te沿晶界沉淀,使材料變脆。

微量(0.003%)硒和碲(0.0005%~0.0030%)顯著降低銅的可焊性能。


磷在銅中的最大溶解度(714℃共晶溫度時)為1.75%,室溫時幾乎為零,顯著降低銅的電導率及熱導率,但對鋼的力學性能與焊接性能有良好的影響。因此,在以磷脫氧的銅中,要求有一定量的殘留磷。磷能提高銅熔體的流動性。

直接封裝電真空用的無氧銅的含磷量最好不大于0.0003%,否則硼化處理氧化膜易剝落,可引起電子管泄漏。Si、Mg等也有與磷相似的影響。


在共晶溫度時,砷在銅中的溶解度可達6.77%。少量砷可改善含氧銅的加工性能,對力學性能的影響很小,顯著提高銅的再結晶溫度,降低銅的導電、導熱性能。

As可與銅中的Cu2O起反應形成高熔點的砷酸銅質點,消除了晶界上的Cu+Cu2O共晶體,從而提高了銅的塑性。

含0.15%~0.50%砷的銅可用于制造在高溫還原氣氛中工作的零部件、發電廠低壓給水加熱器。


在共晶溫度645℃時,銻在銅中的溶解量可達9.5%,并隨著溫度的下降而急速減少。

銻降低銅的抗蝕性、電導率與熱導率。電工銅含Sb量不得大于0.02%。銻可與含氧銅中的Cu2O反應形成高熔點的球狀質點,分布于晶粒內,可消除晶界上的Cu+Cu2O共晶體,提高銅的塑性。


鉍在銅中的溶解度可忽略不計,即使在800℃時的溶解度也只不過0.01%。在270℃鉍與銅形成共晶體,其中的鉍呈薄膜分布于晶界,嚴重降低銅的加工性能。因此,其含量不得大于0.002%。

Bi對銅的熱導率與電導率的影響不大,真空開關觸頭銅可含0.7%~1.0%Bi。因為它有高的電導率,并能防止開關粘結,提高其工作期限與確保運轉安全。


鉛不固溶于銅,呈黑色質點分布于易熔共晶體中,存在于晶界上。

Pb對銅的電導率與熱導率無顯著影響,還能大幅度提高銅的可切削性能。含1.0%Pb的銅合金用于加工高速切削零件。

Pb嚴重降低Cu的高溫塑性,即伸長率δ與面縮率ψ劇烈下降,同時高溫脆性區也隨著銅含量的增加而擴大。


1050℃時,鐵在銅中的溶解度可達3.5%,635℃時的溶解量下降到0.15%。鐵的有益作用是:細化銅晶粒,延遲銅的再結晶過程,提高其強度與硬度。

鐵會降低銅的塑性、電導率與熱導率。

如果鐵在銅中呈獨立的相,則銅具有鐵磁性。

含0.45%~4.5%Fe的銅合金既有高的強度又有良好的耐熱性、導電性、可焊性好與加工成型性,是一類獲得應用的電工材料。

在組裝某些電子器件時,引線框架需能承受350℃的高溫數分鐘,以及高達500℃的高溫數秒鐘。因此,含鐵的C19400及C19500合金被選為引線框架材料,因為它們的電導率、強度與抗氧化能力好。


在共晶溫度780℃時,銀在銅中的溶解度為7.9%,但室溫時的溶解度僅0.1%左右。盡管如此含0.5%Ag的銅合金在實際生產中仍可能為單一的固溶體。

銀與可固溶Cu的元素不同,含銀量少時,銅的電導率與熱導率的下降不多,對塑性的影響也甚微,并顯著提高銅的再結晶溫度與蠕變強度。因此,含0.03%~0.25%Ag高銅合金成為一類很有實用價值的電工材料,如C11300、C11400、C11500、C11600、C15500等。含銀的銅帶是一種廣為應用的汽車水箱材料。

含Ag的C15500合金(99.75Cu-0.11Ag-0.06P)是一種良好的引線框架材料,既有高的電導率又有相當高的強度與抗軟化能力。


鈹是銅的有效脫氧劑之一,但由于鈹的價格昂貴又不易添加,故不用作脫氧劑,而作為鈹青銅的主要合金元素。作為雜質存在的微量鈹固溶于銅中,對銅的力學性能及工藝性能的影響甚微,略使銅的電導率與熱導率下降,明顯提高銅的抗高溫氧化能力。


作為雜質存在的微量鋁固溶于銅,對銅的力學性能與工藝性能無明顯影響,但降低銅的電導率、熱導率、釬焊焊性能與鍍錫性能等,提高銅的抗氧能力。


在共晶溫度485℃時,鎂在銅中的固溶度為0.61%,并隨著溫度的下降而急劇減少,因而含鎂量高的(2.5%~3.5%)合金有沉淀硬化作用。

實際應用的Cu-Mg合金的鎂含量不到1%,如含0.3%~1.0%Mg的銅合金用于加工導電線材。這些合金無時效作用,只能通過冷加工強化。微量鎂略使銅的電導率下降,提高銅的抗高溫氧化能力,也對銅有脫氧作用。


鋰、硼、錳、鈣

這些元素對銅都有脫氧作用。作為雜質存在的鋰可與銅中的雜質鉍等生成高熔點化合物,呈細化彌散狀態分布于晶粒內,提高銅的高溫塑住,微量鋰幾乎不影響銅的電導率與熱導率。

作為銅脫氧劑而殘存的0.005%~0.015% B能細化銅晶粒,提高銅的力學性能與工藝性能。

錳可作為銅的脫氧劑,以錳脫氧的銅中一般含0.1%~0.3%Mn,固溶于銅,一方面提高銅的軟化溫度,另一方面有益于銅的力學性能與工藝性能。

鈣幾乎不固溶于銅,作為雜質存在的鈣可與雜質Bi等形成高熔點化合物,以質點形式均勻地分布于晶粒內,提高銅的高溫塑性。


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%混合稀土即可顯著改善銅的工藝性能;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、抗軟化溫度均優于Cu-0.15Ag合金,已在工業中獲得應用。


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)的銅合金已在工業上獲得應用,成為良好的電工材料。


2

黃銅

鐵在固態銅中的熔解極微,呈富鐵相質點分布于α基體中,有細化晶粒作用。H60黃銅添加0.3%~0.6%Fe,有較強的晶粒細化作用,但抗磁銅材的含鐵量應小于0.3%。

雜質鐵對黃銅的力學性能無明顯影響。


鉛和鉍

鉛和鉍對于一般黃銅中是有害雜質,鉍的危害比鉛的大。

鉛呈顆粒狀存在于晶界上的易熔共晶體中,α黃銅的含鉛量若大于0.03%會出現熱脆性,對冷加工性能無明顯影響。鉛對雙相黃銅的加工性能無大的影響,其允許含量可稍高一些。

鉍在黃銅中呈連續的脆性薄膜分布于晶界上,使黃銅在冷、熱加工時發脆。

含鉛、鉍量超過允許限度的冷軋黃銅在退火過程中若加熱速度過快,會產生“火裂”即突然爆裂。

含鉛、鉍的黃銅添加少量鋯之類的元素,使它們形成高熔點化合物,可消除它們的危害。


銻在銅中的溶解度隨著溫度的下降而急劇減小,在其含量還不到0.1%時,就會形成Cu2Sb,呈網狀分布于晶界,使黃銅的冷加工性能大幅度下降。

銻還使銅合金產生熱脆性。

黃銅添加微量鋰可形成高熔點化合物Li3Sb,呈細小顆粒均布于晶粒內,從而消除銻的不利影響。

由于銻在高溫下在銅中的熔解度較大,因而固溶處理可提高含銻黃銅的冷加工性能。


磷在α銅中的固溶度很小,少量磷有晶粒細化作用,提高黃銅的力學性能。黃銅中磷含量大于0.05%時,就會形成脆相的Cu3P,降低黃銅的加工性能。

磷顯著提高黃銅的再結晶溫度,使再結晶晶粒粗細不均勻。


砷在室溫黃銅中的溶解度小于0.01%,含量較大時則形成脆相化合物Cu3As,分布于晶界,降低黃銅的加工性能。含0.02%~0.05%As的黃銅的抗腐蝕性能能得到提高,不會產生脫鋅現象。


3

青銅


錫青銅


錫青銅的磷含量一般不超過0.45%。當磷含量大于0.5%時在637℃左右會發生共晶-包晶反應L+α?β+Cu3P,引起熱脆。合金的磷含量大于0.3%時,組織中會出現銅與銅的磷化物(Cu3P)組成的共晶體。

磷是銅合金的有效脫氧劑,提高錫青銅的流動性。缺點是加大鑄錠的逆偏析。

材料冷加工前的晶粒尺寸和加工后的低溫退火(180~300℃)對錫-磷青銅的力學性能有較大的影響。晶粒細小時,材料的強度、硬度、彈性模量、疲勞強度都比粗晶粒材料高,但塑性卻稍低一些。

冷加工錫-磷青銅在200~260℃退火1~2h后,其強度、塑性、彈性極限與彈性模量均有所提高,還能改善彈性穩定性。


鋅是錫青銅的合金元素之一,鋅在錫青銅α固溶體中的溶解度大。因此Cu-Sn-Zn加工青銅為單相α固溶體,Zn提高合金的流動性、縮小結晶溫度區間,減輕逆偏析,而對其組織與性能無大的影響。

Zn在加工錫青銅中的含量一般不大于5%。


Pb在錫青銅中的含量不超過5%,它不固溶于α相,以游離狀態存在,呈黑色質點分布于枝晶之間,但分布不均勻。

Pb可降低錫青銅的摩擦系數,改善耐磨性能,提高可切削性能,但略使合金的力學性能下降。


Fe是錫青銅的雜質,其最大含量為0.05%,有細化晶粒、延緩再結晶過程,提高強度與硬度作用。但含量不得超過極限值,否則會形成過多的富鐵相,降低合金的抗蝕性與工藝性能。


Mn是錫青銅的有害雜質之一,對其含量應嚴加控制,不得大于0.002%。

錳易氧化生成氧化物,降低合金熔體流動性,而在凝固后又分布于晶界上,削弱晶間結合,使強度下降。


Ti可與Sn形成化合物TiSn,固溶于銅,有沉淀強化作用,并能提高加工錫青銅退火后的硬度和軟化溫度。含0.20%~0.75%Ti與、5%Sn的青銅合金,在800℃固溶處理1h,淬火后在450℃時效1h可達到峰值硬度。


Be可與Sn形成金屬間化合物,使合金的強度升高。

Cu-4.5%Sn-1.0%Be青銅淬火后在325℃時效具有最大硬度值。


鋁與鎂

鋁在Sn青銅中的含量不宜大于0.002%,Mg的含量也應嚴加控制,因為它們的氧化物會使合金的強度下降及熔體流動性降低。而國外已開發出一些含Al及含Mg的錫青銅,不但有高的強度,而且抗蝕性也好,如Cu-5Sn-7Al合金有高的抗蝕性與強度,又如Cu-5Sn-lMg錫青銅在時效處理后的強度可達900 MPa、30 HRC,電導率為30%~35% IACS,可用于制造具有高的強度、較高的抗蝕性、電導率好的元器件。


Si 是錫青銅的有害雜質之一,微量Si可國溶于α相中,對合金的力學性能有益,但在高溫下易形成SiO2,會使熔體流動性下降。若殘留于鑄錠中,又有損于其強度。Si的最大含量為0.002%。


銻與鉍

銻與鉍都是錫青銅的有害雜質元素,其允許最大含量為0.002%。它們都不固溶于α相。


鋯、鈮、硼

三種元素幾乎不固溶于α相中,微量Zr、Nb、B有晶粒細化作用。因此對錫青銅的力學性能與壓力加工性能有益。


鋁青銅


少量Fe可固溶于Cu-Al合金的α固溶體中, 若過量則會形成針狀FeAl3,使合金的力學性能與抗蝕性降低。因此,合金中的Fe含量不應超過5%。

若合金中的Ni、Mn、Al 含量增多,會進一步降低Fe在固溶體中的溶解度。鐵可使鋁青銅中的原子擴散速度減慢,增加β相穩定性,因而能抑制引起合金變脆的“自退火”現象,使合金的脆性大大下降。

適量鐵能細化鋁青銅鑄造與再結晶晶粒,提高力學性能,加0.5%~1.0%Fe就有明顯的細化晶粒效果。


鎳在Cu-Al合金中有一定的固溶度,當Ni含量超過最大固溶度時會有K相NiAl相形成。Ni一方面提高鋁青銅的共析轉變溫度,另一方面又使共析點成分向升溫方向移動,還能改變α相的形態。Ni含量低時,α相呈針狀,鎳含量達3%時轉變為片狀。

在Cu-Al-Ni合金中添加Mn,β相發生共析轉變時有形成粒狀組織的傾向。

Ni能顯著提高鋁青銅的強度、硬度、熱穩定性與抗蝕性,含有一定量Ni的的Cu-Al-Ni-Fe合金在熱加工后不需要再固溶處理與淬火,即可直接時效。

鋁青銅中同時添加Ni和Fe,可獲得更佳的綜合性能。在Cu-A1-Ni-Fe合金中,κ相的析出形態對其力學性能的影響甚大。

Ni與Fe的最佳含量比為0.9~1.1。


Mn在Cu-Al合金α固溶體中有較大的溶解度,卻又降低鋁在α中的固溶度。錳對β相分解起穩定作用,降低相變開始溫度,推遲共析轉變。

鋁青銅中的含Mn量不超過最大溶解度極限,對合金的力學性能與抗蝕性有益,它們有良好的加工成形性能。

含0.3%~0.5%Mn的二元鋁青銅有相當好的熱加工性能,熱軋時的開裂傾向顯著減少。

含Mn的鋁青銅添加一定量Fe,合金的性能得到進一步攻善,因為Fe能細化晶粒,不過鐵會減弱Mn對β相的穩定作用。


錫與鉻

鋁青銅添加≤0.2%Sn,能提高合金在蒸汽和微酸性氣氛中抵抗應力腐蝕開裂的能力。

鉻可提高二元Cu-Al合金的力學性能,抑制合金退火時的晶粒長大,提高退火材料的硬度。


鋅與硅

鋅在Cu-Al合金α中有限溶解,擴大α相區。但Zn會減少Cu-Al-Ni-Fe合金的富鐵相質點,使耐磨性下降。加工鋁青銅的雜質鋅的最大含量為1.0%。

硅是鋁青銅的雜質,其含量不得越過0.2%,對大多數鋁青銅不得大于0.1%,否則會降低合金的力學性能與工藝性能,但能改善合金的可切削性能。


磷、硫、砷、銻、鉍

以上元素均為鋁青銅的有害雜質,降低合金的力學性能、工藝性能及其他性能,須嚴格控制在標準范圍內。


硅青銅


適量Mn對硅青銅的力學性能、抗蝕性能與工藝性能有益。含量小于3%Si、1%Mn的合金在高溫下為單一的α固溶體,當冷卻到450℃以下時,會析出脆性相Mn2Si,但幾乎無強化效果。

合金的Si含量越高,沉淀的Mn2Si也越多,發生自裂傾向也越大。把硅含量控制在3%以下對材料進行低溫退火可消除自裂現象。


含Ni的硅青銅有良好的力學性能、抗蝕性和導電性。

Ni與Si可形成化合物Ni2Si,Ni在共晶溫度1025℃在α固溶體中的固溶度溶度可達9%,而室溫時的固溶度幾乎為零。因此,當合金中的Ni、Si含量比為4:1時,可全部形成Ni2Si,有較強的時效硬化作用,使合金具有良好的綜合性能。

合金中的Ni/Si比值小于4時,雖有高的強度與硬度,但其電導率與塑性會降低,不利于壓力加工。Cu-Si-Ni合金添加少量(0.1%~0.4%)Mn,可改善合金的性能,因為Mn既有脫氧作用又有固溶強化效果。


Cr與Ni的作用相似,能形成固溶于α的硅化鉻,但沒有時效硬化效果,是硅青銅的有害雜質之一。


鈷與硅可形成能固溶于α中的Co2Si,并且其溶解度隨著溫度的下降而減少,有一定的時效強化效果。淬火溫度為1000~1050℃,時效溫度500~550℃。含少量鈷的合金已得到應用。如C66400等。


鋅可較多地固溶于Cu-Si合金的α中,提高合金的強度與硬度,縮小合金的凝固溫度范圍,提高合金的流動性,改善其鑄造性能。Cu-3.5Si-3Zn-1.5Fe青銅用于制造高溫軸套。


雖然Fe在α固溶體中的溶解度隨著溫度的降低而顯著減少,室溫溶解度幾乎為零。時效強化效果甚微。Cu-Si合金中的Fe含量不得大于0.3%。否則形成單獨的相,大大降低合金的抗蝕性。


Ti對硅青銅有晶粒細化效果,并能增強Cu-Si合金的時效硬化效果,提高材料的強度與硬度。


鉛、鋁、鉍、砷、銻、硫、磷

以上元素都是硅青銅中的有害雜質,須嚴加控制。

Pb雖提高合金的抗磨性和可切削性能,但會引起熱裂。

鋁對硅青銅的強度和硬度有益,但使焊接性能變差。



錳青銅


加工錳青銅為Cu-Mn二元合金,有相當高的力學性能,抗腐蝕、耐熱、可進行冷、熱壓力加工,多用于制造在高溫下工作的零件。

Mn可大量固溶于銅,有較高的固溶強化作用,Mn能提高銅的再結晶溫度(150~200℃)。含16.3 at.%Mn的銅合金在400℃形成面心立方晶格的有序相Cu5Mn。含25.0 at.%Mn的銅合金于450℃形成面心立方晶格的有序相Cu3Mn。

Mn提高合金的硬度與強度,伸長率開始階段隨Mn含量的提高而上升,于4%~5%Mn時達到最大值,然而后下降,但變化不大。


Zn在Cu-Mn合金中的固溶度很大,有一定的固溶強化作用。


Ni可固溶于Cu-Mn合金的α固溶體中,有固溶強化作用,同時提高合金的抗蝕性。Cu-20Mn-20Ni合金是一種時效硬化型銅合金,其硬狀態材料的力學性能為抗拉強度1200MPa~1300MPa,屈服強度1150MPa~1250MPa,伸長率1%~4%,維氏硬度370~410,彈性模量157GPa。


Sn是錳青銅中的雜質元素之一,其最大含量為0.1%,溶于Cu-Mn固溶體α中,Sn擴大錳青銅的凝固溫度范圍。


鋁、砷、硅、銻、鉛、磷、硫、鐵、鉍

以上元素都是錳青銅的雜質,含量應控制在標準規定的范圍,含2%Al的56Cu-42Mn合金是一種可熱處理強化的合金,經固溶處理與時效后,其強度幾乎與結構鋼相當,并且與很強的吸震能力,比灰鑄鐵的還高30%左右,是一種既可以壓力加工又可以鑄造的合金,還有良好的可焊性,已用于制造墊片、齒輪、鋸片之類的消震零件。


鉻青銅及鎘青銅


Cr及Cd均可與銅形成固溶體,而且其固溶度隨著溫度的下降而顯著減少,因此它們都有沉淀硬化作用。這兩類青銅由高的強度和硬度,抗磨、耐熱、電導率與熱導率高,加工成型性能好,是制造導電、耐磨零件的優選材料。

鎘是一種對人體有害的元素,在熔煉時應注意防護其蒸氣對人的危害。鎘含量低的Cu-Cd合金時效硬化效果很小,沒有實際生產意義。


鋁及鎂

Al與Mg可作為鉻青銅的合金元素,它們可在Cu-Cr合金表面形成一層薄而致密的與基體金屬結合牢靠的氧化物膜,提高合金的高溫抗氧化性能與耐熱性。不過Al及Mg在合金中的含量通常各不大于0.3%。


錫及鈦

鉻青銅中添加一定量的Sn和Ti,可形成有時效硬化作用的TiSn金屬間化合物,對合金強度、硬度和耐熱性有益。含0.3%~0.5%Cr、0.15%~0.25%Sn、0.05%~0.12%Ti是一種可在250℃下長期使用的導電材料。


Cr與Zr形成固溶于Cu的化合物Cr2Zr,而且其溶解度隨著溫度的降低而明顯減少,使合金的強度、硬度、耐熱性有所提高,同時對合金電導率的影響很小。


鉿在這類青銅中的作用與Zr相似,可與Cu 形成有一定時效強化作用的銅鉿化合物。Cu-0.6Cr合金在時效后的強度隨鉿含量的上升而提高,但其電導率則隨鉿含量的增加而下降。含0.6%Cr與0.2%~0.6%Hf的青銅于400~450℃時效3~20h后,既有高的力學性能又有良好的電導率,其抗拉強度≥600 MPa,電導率達80% IACS。


鋅與銀

鋅可溶于鉻青銅的α固溶體中,能提高合金的強度性能,而對其電導率的影響不大。鉻青銅添加約0.2%Ag,一方面能顯著提高合金的軟化溫度,另一方面又不降低合金的電導率。


鉻是鎘青銅的一種有益的微量元素,少量鉻(0.35%~0.65%)對其時效強化效果有較明顯的有益影響。


鐵、鉛、鉍、砷、磷

以上元素都是這兩類青銅的有害雜質,應嚴加控制,不得超過標準的最大值。



鋯青銅


在共晶溫度966℃時,鋯在銅中的極限溶解度只有0.15%,但隨著溫度的下降而急劇減少。因此鋯青銅有時效強化作用,強化相為β(Cu5Zr或Cu3Zr)。鋯青銅有高的導電性、導熱性與耐熱性,并有良好的抗蠕變性能。在400℃以下,鋯青銅的強度雖與鋯青銅的相當,但前者電導率與塑性卻比后者高。


鋯顯著提高銅合金的再結晶溫度,其效果比其它元素的都大。


在含有少量Cr的鋯青銅中,會出現可固溶于α相中的化合物Cr2Zr,在高溫下為密集六方晶格,低溫時為面心立方晶格。Cu-0.3Zr-0.34Cr合金有較明顯的時效強化作用,因為它含有約0.64%Cr2Zr。Cu-Zr-Cr合金因Zr、Cr含量的不同,而從固溶體中單獨析出Cr2Zr或同時析出β相與Cr2Zr,起合金強化作用。


砷可與Zr形成Zr-As化合物。

As可把Cu-Zr合金的共晶溫度提高到1000~1020℃,增加鋯在該溫度的溶解度而降低它在低溫下的溶解度,細化鉛青銅的晶粒,抑制合金在加熱時的晶粒長大。

銻、錫、鉛、硫、鐵、鉍、鎳等元素都是鋯青銅的有害雜質,不得超出標準規定的極限值。


鈹青銅


加工鈹青銅的正常鈹含量為0.20%~2.00%,一般還0.2%~2.7%Co或小于2.2%Ni。鈹青銅又分為兩類:①高強度合金,如C17200、C17000;②高導性合金,其鈹含量較低,通常不大于0.7%,如C17500、C17510、C17410。鈹含量接近12 at.%的高強度合金呈金黃色,而鈹含量較低的高導鈹青銅為淡紅色或珊珊金黃色。


鎳和鈷

鎳和鈷是鈹青銅的合金化元素, Ni與Be可形成有序體心立方晶格的化合物NiBe,NiBe硬度高達610 MPa。NiBe可溶于α固溶體,在共溫度1030℃的最大溶解度為3.25%(0.42%Be、2.83%Ni),NiBe的溶解度隨著溫度的下降而顯著減少,故此類合金有明顯的時效硬化效果。

Cu-Be合金中加人0.2%~0.5%Ni能延緩再結晶過程、阻礙晶粒長大、大大減慢冷卻時的相變過程、抑制時效時的晶界反應,因此少量Ni能進一步提高鈹青銅在時效后的力學性能。

不過工業鈹青銅含有少量Ni時會出現硬而脆的γ1相,降低合金的疲勞強度、彈性滯后和彈性穩定性。因此,既要控制γ1相的數量又要控制其分布形態。

高電導率鍍青銅常含有一定的Co。它可與形成化合物CoBe及Co5Be21。CoBe屬于體心立方晶格,其顯微硬度高達443 MPa。CoBe在α固溶體中的固溶量隨著溫度的下降而減少,在共晶溫度1011℃的最大溶解度為2.7%,因而當合金含有一定量Co,可通過固溶與時效處理提高鍍青銅的強度性能。

少量Co(0.2%~0.5%)能阻礙鈹青銅在加熱過程中的晶粒長大、延緩固溶體分解、抑制晶界反應、避免晶界附近由于過時效而形成的組織不均勻性,從而提高合金的沉淀硬化效果。


鈦可與鈹形成固溶于α固溶體的金屬化合物TiBe2,在共晶溫度825℃時的最大固溶度為3.7%,溫度下降時,其固溶度會急劇減少,因而TiBe2有沉淀硬化作用。含少量Ti的Cu-Be-Ni合金中有時會出現富鈦的化合物,如果呈條狀分布,會使合金在加工過程中出現層狀開裂。

含少量Ni的Cu-Be合金添加0.10%~0.25%Ti可使其硬脆γ1相的量減到最低限度,使合金組織均勻,一方面能改善合金的加工性能與提高疲勞強度,另一方面使時效后的材料有好的彈性穩定性和低的彈性滯后;少量鈦既能細化鑄錠的晶粒又能細化退火材料的晶粒,降低鈹的擴散速度,減弱晶界反應,阻礙脫溶相優先在晶界沉淀,使合金沉淀相分布均勻,提高材料的力學性能。


鎂降低鈹在固態銅中的溶解度。含2%Be的鍍青銅添加0.2%~0.5%Mg,在合金晶界上會出現低熔點共晶體Cu2Mg+Cu,其熔點約730℃,使材料在熱加工過程中易開裂。向QBe1.9和QBe2合金添加0.02%~0.15%Mg,不但能細化晶粒,而且會使γ1相質點既細小又均勻地分布,提高材料的力學性能及其穩定性。

少量鎂對鈹青銅的可焊性與抗蝕性無影響。


一般鈹青銅的含Fe量應小于0.1%。鐵含量過多,不但會形成含鐵的相,增加合金的組織不均勻,降低其抗蝕性,而且會減少Be在α固溶體中的過飽和度,即降低合金的沉淀硬化效果。

鐵能細化晶粒,而且固溶的Fe能延遲過飽和固溶體分解與抑制晶界反應。


少量錫能固溶于鈹青銅的α固溶體,延遲過飽和固溶體分解,顯著抑制晶界的不連續沉淀,防止過時效,故可用錫代替部分鈹,例如含1.30%Be、0.25%Co、3%Sn、1.0%Zn的銅合金的力學性能與QBe 2青銅的相當,且有很高的可切削性能。


錳可與鈹形成溶于α固熔體中的化合物MnBe2,在共晶溫度782℃時的最大溶解度為7.3%,而且會隨著溫度的下降而顯著減小,因而合金有明顯沉淀硬化效果。Mn對含Be量高的鈹青銅的力學性能沒有顯著影響,但對含Be量低的合金卻有積極的作用。


含0.25%~0.50%Be、1.1%~1.7%Co的鈹青銅加入0.9%~1.1%Ag,既能提高合金時效后的室溫強度,又使合金保持有高的電導率(50%~55%)。這種合金是制造焊接電極的良好材料。


合金中同時含有Co與Si時,可形成CoSi、Co2Si、Co3Si5以及CoSi2等化合物,提高合金的強度。硅含量足夠大時,可與鈹形成又硬、又脆的共晶體,使材料的韌性大幅度下降。


少量(0.4%~0.8%)鋁略使Cu-2%Be合金的力學性能上升。


磷促使Cu-Be合金晶粒在加熱過程中長大,加速固溶體分解,生成分布于晶界的易熔物,降低合金的熱硬性,提高其可切削加工性能。


鈹青銅中添加0.1%~0.2%As促進其晶界反應和過時效軟化過程。


鈹青銅添加0.2%~0.3%Pb,通常可顯著提高其可切削性能,如C17300合金。另外,含1.8%~2.0%Be、0.20%~0.25%Pb的鈹青銅是制造手表齒輪的良好材料。Pb加速鈹青銅的晶界反應,促進軟化。


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白銅

Cu與Ni形成無限固溶的連續固溶體,面心立方晶格,溫度低于322℃時,存在一個亞穩分解的相當寬的成分-溫度區域,向Cu-Ni合金添加第三元素諸如Fe、Cr、Sn、Ti、Co、Si、Al等,可改變亞穩分解的成分-溫度區域范圍和位置。同時也可改善合金的某些性能。白銅除是良好的結構材料外,還是一類重要的高電阻和熱電偶合金。


鋅在Cu-Ni固溶體中的溶解度相當大,有較大的固溶作用。

當Ni含量一定時,提高合金的鋅含量會增強合金抗大氣腐蝕的能力。

一般鋅白銅含5%~18%Ni和43%~72%Cu,其余為Zn,其抗蝕性、彈性與強度均高。


Fe在Cu-Ni合金中的固溶度較小,950℃時可固溶1.8%。300℃時則劇降到0.1%。鐵可提高Cu-Ni合金的在抗蝕性與力學性能,特別能大幅度提高Cu-Ni合金抗海水沖擊腐蝕的能力。一般Cu-Ni-Fe合金的Fe含量不大于2%,否則合金有應力腐蝕開裂傾向,若超過1%則腐蝕加劇。


Al在Cu-Ni合金中的固溶度較低,并隨著溫度的下降而減小。

Cu-Ni-Al合金中會產生Ni3Al化合物,有明顯的沉淀硬化作用,提高合金的強度和硬度。

鋁顯著提高白銅的強度與抗蝕性。但材料的冷成形性下降。合金的Ni/Al比為8~10時,具有最佳的綜合性能。


白銅中的錳含量一般不超過14%。

在Cu-Ni-Mn合金中可形成MnNi化合物,具有沉淀硬化作用,Mn提高合金的強度、抗蝕性與彈性,還能提高Cu-Ni合金抗湍流沖擊腐蝕的能力,不過會略使B19合金的抗應力腐蝕開裂的能力下降,但比Al、Si、Sn、Cr、Be等元素的影響小。

Mn能消除Cu-Ni合金中過量碳的不良影響,改善其工藝性能。Cu-Ni-Zn合金添加少量Mn,也有一定的有益作用。


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