铜合金的分类及合金元素的作用
铜合金的分类及合金元素的作用
铜合金就是指在纯铜的基础上加入一种或几种其他元素所构成的合金。铜合金的分类还是挺好理解的。铜合金的颜色有很多种，不铜的铜合金种类，具有不同的颜色，铜合金主要有紫色、黄色、青色等颜色。
一、分类
铜合金分类：按颜色分
1、黄铜：系指铜与锌为基础的合金，又可细分为简单黄铜和复杂黄铜，复杂黄铜中又以第三组元冠名为镍黄铜、硅黄铜等;
2、青铜：系指除铜镍、铜锌合金以外的铜基合金，主要品种有锡青铜，铝青铜、特殊青铜(又称高铜合金);
4、紫铜：系指纯铜，主要品种有无氧铜、紫铜、磷脱氧铜、银铜。
铜合金分类：按合金系划分
1、非合金铜：非合金铜包括高纯铜、韧铜、脱氧铜、无氧铜等，习惯上，人们将非合金铜称为紫铜或纯铜，也叫红铜。
2、其他铜合金则属于合金铜。我国和俄罗斯把合金铜分为黄铜、青铜和白铜，然后在大类中划分小的合金系。
铜合金分类：按功能划分
3、耐蚀铜合金：主要有锡黄铜、铝黄铜、各种不白铜、铝青铜、钛青等。
4、耐磨铜合金：主要有含铅、锡、铝、锰等元素复杂黄铜、铝青铜等。
铜合金分类：按材料形成方法划分
1、铸造铜合金：铸造，又可以用于变形加工。
3、铸造铜合金和变形铜合金又可以细分为铸造用紫铜、黄铜、青铜和白铜。
二、合金元素的作用
微量元素进入铜是不可避免的，由于元素特性的不同，可以不固溶于铜、微量固溶、大量固溶、无限互溶，固溶度随温度下降而激烈降低、固相下有复杂相变等，因此对铜性能的影响千差万别。
三、合金元素
对铜合金电导率的影响
1、氢
氢与铜不形成氢化物，氢在液态和固态铜中的溶解度随着温度升高而增大，特别是在液态铜中有很大的溶解度。铜凝固时，氢在铜中形成气孔，导致铜制品的脆性。在固态铜中，氢以质子状态存在，氢的电子填充铜原子的S层轨道，形成质子型固溶体。单纯氢对铜的性能虽然影响甚微，但氢对铜及铜合金来说是有害的，含氧铜在氢气中退火时会产生裂纹。各种元素对氢在铜中的溶解度影响不一，其中Ni、Mn等元素增加溶解度，P、Si等元素减少溶解度，可以通过减少熔炼时间，调整成分，控制炉料中氢气含量，熔体表面采用木炭覆盖等办法以减少铜中氢的含量。
2、氧
氧在铜的生产过程中是不可避免的，其影响也非常重要。在铜中除极少量固溶外，均以Cu2O形式存在。铜的氧化物不固溶于铜，形成Cu+Cu2O共晶组织，分布于晶界，共晶反应为:L含氧0.39％----α含氧0.01％+Cu2O，亚共晶铜中的含氧量与共晶量成正比，可在显微镜下与标准图片比较来精确测定铜中的含氧量。
氧对铜及合金性能的影响是复杂的，微量氧对铜的电导率和力学性能影响甚微，工业铜具有很高的电导率，其原因是氧作为清洁剂，可以从铜中清除掉许多有害杂质，以氧化物形式进入炉渣，特别是能够清除砷、锑、鉍等元素，含有少量氧的铜其电导率可以达到100％～103％IACS，高纯铜如6N铜在深冷条件下电阻值是相当低的。
电真空构件用铜应严格控制其中的氧含量，其原因是电真空器件需要在氢气中封装，铜中氢的存在会导致氢病发生，引起器件在高真空环境中破坏。
铜及铜合金熔炼时，一般均应进行脱氧，脱氧剂有磷、硼、镁等，以中间合金形式加入，磷是***有效的脱氧剂，不过应严格控制磷的残留量，因其能够强烈降低铜及合金的电导率。
3、锑、铋、硫、碲、硒
这些元素在铜中固溶度极小，室温下基本不溶于铜，它们以金属化合物形式存在，分布于晶界，对铜的导电、导热影响不大，但是都严重地恶化铜及合金的塑性加工性能，应该严格控制其含量，各国标准中规定不应超出0.005％;由于含有这些元素的铜，具有良好的切削性能，在工程技术界也有应用，比如铬铜，可以作为真空开关中断路器的触头，在断路时，防止开关触头的粘接，铋铜中含鉍量可高达0.5％～1.0％;含碲0.15％～0.5％的碲铜合金，可作为高导电、易切削无氧铜使用，能够加工成精密的电子元器件。作为特殊用途的铜合金，可以加入这些元素，但其加工工艺是特殊的，可采用包套挤压、冷挤、铸造、粉末冶金等方法。
4、砷、硼
砷在铜中有很大的固溶度，在固溶体中的可达6.8％～7.0％，砷在铜中存在强烈的降低其电导率和导热性能，一般作为变质剂加入，特别是对黄铜冷凝器合金来说更为宝贵，近一百年来火电和舰船冷凝器管材使用实践表明，含砷0.1％～0.15％的黄铜，能够防止黄铜脱锌腐蚀，解决了黄铜冷凝管早期泄漏的致命问题，所以各种材料标准中都规定必须加入砷，经验表明，不含砷的HSn70-1冷凝管，经常在使用初期的2～3年内发生泄漏事故，而加入砷后，寿命可增至15～20年，被称为铜合金研究中重大的技术进步。砷之所以能够防止黄铜脱锌腐蚀，许多研究表明，砷能够降低铜的电极电位，从而降低了电化学腐蚀倾向。由于砷的氧化物污染环境，对人体有害，所以熔炼合金的工厂都应有专门的环保和防护措施；砷应以中间合金方式加入，砷铜中间合金中砷含量可达15％～30％。
硼在铜中固溶度不大，一般作为脱氧剂使用，残余的硼可以细化晶粒，人们发现的变质作用十分显著，在加砷黄铜合金中同时加入0.01％～0.04％硼，具有更好的防止黄铜脱锌腐蚀的特点。硼的氧化物是铜合金熔炼时优良覆盖剂，已经被广泛地使用。在铜的焊接材料中也普遍地加入硼，可防止焊接金属氧化。
5、磷
随着温度降低，磷在铜中的固溶量迅速减少，300℃时为0.6％，200℃时为0.4％。固溶于铜中的磷显著地降低其电导率，含P0.014％的软带电导率为94％IACS。含P0.14％的电导率仅为45.2％。磷是***有效、成本***低的脱氧剂，微量的存在，可以提高熔体的流动性，改善铜及合金的焊接性、耐蚀性、提高抗软化温度，所以磷又是铜及合金的宝贵添加元素，含P0.015％～0.04％的磷铜合金，广泛用于生产建筑水道管、制冷和空调器散热管、舰船海水管路;低磷铜合金板、带材在电子和化工工业中广泛应用，集成电路引线框架铜带也大量使用低确铜合金;共晶成分的磷铜合金，是优良的焊接材料，高铜合金在580～620℃具有超塑性，可以热挤成3～5mm的焊丝，是焊接铜及铜合金、钢和铜零件的重要材料。
6、铅
铅不固溶于铜，在铜合金中固溶度也很小，与铜形成易熔共晶组织，含铅在0～38％的铜，液态的铅，与铜液互不相溶，凝固时形成偏晶组织;固态下，铅在铜中以单质状态分布，可以分布在晶内和晶界，含铅的铜合金，在发生相变或再结晶时，晶界的铅可以转移到晶内。铅对铜及合金导电和导热性能无显著影响，但可以改善可切削性能，铅质点又是固相，正是轴承材料所希望的软相，所以含铅铜及合金是宝贵的易切削材料与轴承材料，因其成本低廉更为市场所欢迎。含铅黄铜使用极为广泛，铅的质点越细小，分布越均匀，性能越优良。含铅铜及合金可以铸态使用，也可以压力加工。铅黄铜在高温(500℃以上)为单相β，热加工性能优良，可以承受大的热变形，而在常温下为a相和a+β相，冷变形时变形抗力大，塑性较差，过大的加工率会使合金材料产生裂纹。
随着科学技术的发展，常规铅黄铜的含铅量已由0.8％～2.5％增加至5％以上，新型的含铅紫铜、黄铜、青铜、白铜正不断地被开发出来。特别应该指出的是，含铅铜合金对原料的适应性极强，可以直接使用再生铜生产，这对铜加工企业非常重要。
7、铁、锆、铬、硅、银、铍、镉
这七种金属元素的共同特点是:它们有限固溶于铜，固溶度随着温度变化而激烈地变化，当温度从合金结晶完成之后开始下降时，它们在铜中的固溶度也开始降低，以金属化合物或单质形态从固相中析出，当这些元素固溶于铜中，能够明显地提高其强度，具有固溶强化效应，当它们从固相中析出时，又产生了弥散强化效果，导电和导热性能得到了恢复，它们是典型的时效热处理型铜合金，通过淬火(950～980℃、淬水)和时效(450～550℃、2-4h），可以获得高强高导电性能。微量银对铜的电导率、热导率降低不大，但能显著提高再结晶温度、抗变性能和耐磨性能，广泛用于电机整流子，近来，又普遍用于制造高速列车的接触导线。铜具有冲击时不发生火花特性，是重要的航空仪表材料，由于镉具有毒性，污染环境，用途日益缩小。铍铜是***的弹性材料，铍对铜的强化***为显著，热处理后的铍铜强度，可达纯铜的4～5倍。
铁可以细化晶粒，改善铜及合金性能，在要求抗磁的环境下，应严格控制铁的含量，一般应控制在0.003％以下。
锆、铬铜合金具有很高的电导率、强度，良好的抗软化性能，是***的电极合金，在航天发动机中有重要的应用。
硅青铜具有高的强度和耐磨性能。铁、锆、铬青铜是***的高强高导铜合金，在电极制造中有重要应用。
铁、硅、锆、铬铜合金成为集成电路引线框架铜合金的基础，其合金成分、性能的研究非常活跃。
8、锌、锡、铝、镍
这四个元素的共同特点是在铜中固溶度很大，分别为39.9％、15.8％和9.4％。镍则无限互溶，它们与铜形成连续固溶体，具有宽阔的单相区，它们能够明显地提高铜的力学性能、耐蚀性能，但都使铜的导电，导热性能降低，与其他金属材料相比，仍属于优良的导电和导热材料，它们与铜形成宝贵的合金，可分为黄铜、青铜、白铜合金，构筑了庞大合金系的基础，这些合金具有***的综合性能。比如，黄铜具有高强、耐磨、耐蚀、高导热、低成本;青铜具有高强、耐磨、耐蚀;白铜具有极为***的耐恶劣水质和海水腐蚀性能，所有这些优点都是其他金属材料不能代替的。
9、稀土元素
稀土元素一般几乎不固溶于铜，但少量的稀土金属不管是单独还是混合的形式加入，都对铜的力学性能有益，而对铜的电导率影响又不大。这类元素可与铜中的杂质铅、铋等形成高熔点化合物，呈细小的球形质点均布于晶粒内，细化晶粒，提高钢的高温塑性。向铜中添加0.008%混合稀土即可显著改善铜的工艺性能;加入小于0.l%Y时，铜的力学性能与工艺性能就有所改善;含0.01%~0.15%La的铜合金的力学性能、电导率、抗软化温度均优于Cu-0.15Ag合金，已在工业中获得应用。
10、难熔金属及其他金属
钨、钼、铌、铀、钚等元素几乎不固溶于铜，钛、锆、铬、钴等元素少量固溶于铜，但它们都不同程度地细化铜晶粒，提高其再结晶温度，中和一些易熔杂质的有害作用，对改善高温塑性有益。
含少量锆(Cl5000、C15100、C18100))、钴(C17110、C17500)、铬(C18400、C18200、C18500)的铜合金已在工业上获得应用，成为良好的电工材料。
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