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金属合金

合金元素对铜及铜合金的影响



纯铜

氧几乎不固溶于铜,含氧铜凝固时,氧以共晶体的形式析出,分布于铜的晶界上。铸态含氧铜中含氧量极低时,随着氧含量的升高依次出现含Cu2O的亚共晶体、共晶体与过共晶体。

氧与其他杂质共存时则影响极为复杂,例如微量氧可氧化高纯铜中的痕量杂质Fe、Sn、P等,提高铜的电导率,若杂质含量较多,氧的该作用则不明显。

氧能部分削弱Sb、Cd对铜导电性的影响,但不改变As、S、Se、Te、Bi等对铜导电性的影响。

可采用P、Ca、Si、Li、Be、Al、Mg、Zn、Na、Sr、B等作为铜的脱氧剂,其中P是最常用的。含P量达到0.1%时,虽不影响铜的力学性能,却严重降低铜的电导率,对于高导铜,磷含量不得大于0.001%。

某些情况下紫铜中特意保留一定量的氧,一方面它对铜性能的影响不大,另一方面Cu2O可与Bi、Sb、As等杂质起反应,形成高熔点的球状质点分布于晶粒内,消除了晶界脆性。

当氧含量为0.016%~0.036%之间时,随着氧含量增加铜的抗拉强度增加,但铜的塑性和疲劳极限会降低,氧含量增加对铜的电导率影响不大。

当氧含量为0.003%~0.008%,铁含量为0.06%~2.09%之间时,随着两种元素含量的增加,铜的电导率和伸长率均显著下降,而抗拉强度和疲劳强度显著升高。

氧和砷共存时,对铜的力学性能无明显影响,但显著降低铜的电导率。

氢在液固与固态铜中的溶解度均随着温度的升高而增加。氢在固态铜中形成间歇固溶体,提高铜的硬度。

含氧铜在氢气中退火时,氢可与铜中的Cu2O反应,产生高压水蒸气,使铜破裂,俗称“氢病”。氢病的发生与危害程度与温度有关。150℃时,因水蒸气处于凝聚状态,不引发氢病,含氧铜在氢气中搁置10a也不破裂;200℃时可放置1.5a,在400℃氢气中只能停放70h。以Mg或B脱氧的铜不发生氢病。

硫在室温铜中的溶解度为零,硫在铜中以Cu2S的弥散质点存在,降低铜的电导率与热导率,但极大地降低铜的塑性,显著改善铜的可切削性能。

铜中的微量硒以Cu2Se化合物形式存在,硒在固态铜中的溶解度极低,对铜的电导率及热导率的影响很小,但显著降低铜的塑性,并大幅度提高铜的可切削性能。

碲在固态铜中的溶解度很小,以Cu2Te弥散质点存在,对铜的电导率及热导率的影响很小,但能显著改善铜的可切削性能。

含0.06%~0.70%Te的铜在工业中获得了应用,并在淬火和加工状态下应用,不要回火,以免Cu2Te沿晶界沉淀,使材料变脆。

微量(0.003%)硒和碲(0.0005%~0.0030%)显著降低铜的可焊性能。

磷在铜中的最大溶解度(714℃共晶温度时)为1.75%,室温时几乎为零,显著降低铜的电导率及热导率,但对钢的力学性能与焊接性能有良好的影响。因此,在以磷脱氧的铜中,要求有一定量的残留磷。磷能提高铜熔体的流动性。

直接封装电真空用的无氧铜的含磷量最好不大于0.0003%,否则硼化处理氧化膜易剥落,可引起电子管泄漏。Si、Mg等也有与磷相似的影响。

在共晶温度时,砷在铜中的溶解度可达6.77%。少量砷可改善含氧铜的加工性能,对力学性能的影响很小,显著提高铜的再结晶温度,降低铜的导电、导热性能。

As可与铜中的Cu2O起反应形成高熔点的砷酸铜质点,消除了晶界上的Cu+Cu2O共晶体,从而提高了铜的塑性。

含0.15%~0.50%砷的铜可用于制造在高温还原气氛中工作的零部件、发电厂低压给水加热器。

在共晶温度645℃时,锑在铜中的溶解量可达9.5%,并随着温度的下降而急速减少。

锑降低铜的抗蚀性、电导率与热导率。电工铜含Sb量不得大于0.02%。锑可与含氧铜中的Cu2O反应形成高熔点的球状质点,分布于晶粒内,可消除晶界上的Cu+Cu2O共晶体,提高铜的塑性。

铋在铜中的溶解度可忽略不计,即使在800℃时的溶解度也只不过0.01%。在270℃铋与铜形成共晶体,其中的铋呈薄膜分布于晶界,严重降低铜的加工性能。因此,其含量不得大于0.002%。

Bi对铜的热导率与电导率的影响不大,真空开关触头铜可含0.7%~1.0%Bi。因为它有高的电导率,并能防止开关粘结,提高其工作期限与确保运转安全。

铅不固溶于铜,呈黑色质点分布于易熔共晶体中,存在于晶界上。

Pb对铜的电导率与热导率无显著影响,还能大幅度提高铜的可切削性能。含1.0%Pb的铜合金用于加工高速切削零件。

Pb严重降低Cu的高温塑性,即伸长率δ与面缩率ψ剧烈下降,同时高温脆性区也随着铜含量的增加而扩大。

1050℃时,铁在铜中的溶解度可达3.5%,635℃时的溶解量下降到0.15%。铁的有益作用是:细化铜晶粒,延迟铜的再结晶过程,提高其强度与硬度。

铁会降低铜的塑性、电导率与热导率。

如果铁在铜中呈独立的相,则铜具有铁磁性。

含0.45%~4.5%Fe的铜合金既有高的强度又有良好的耐热性、导电性、可焊性好与加工成型性,是一类获得应用的电工材料。

在组装某些电子器件时,引线框架需能承受350℃的高温数分钟,以及高达500℃的高温数秒钟。因此,含铁的C19400及C19500合金被选为引线框架材料,因为它们的电导率、强度与抗氧化能力好。

在共晶温度780℃时,银在铜中的溶解度为7.9%,但室温时的溶解度仅0.1%左右。尽管如此含0.5%Ag的铜合金在实际生产中仍可能为单一的固溶体。

银与可固溶Cu的元素不同,含银量少时,铜的电导率与热导率的下降不多,对塑性的影响也甚微,并显著提高铜的再结晶温度与蠕变强度。因此,含0.03%~0.25%Ag高铜合金成为一类很有实用价值的电工材料,如C11300、C11400、C11500、C11600、C15500等。含银的铜带是一种广为应用的汽车水箱材料。

含Ag的C15500合金(99.75Cu-0.11Ag-0.06P)是一种良好的引线框架材料,既有高的电导率又有相当高的强度与抗软化能力。

铍是铜的有效脱氧剂之一,但由于铍的价格昂贵又不易添加,故不用作脱氧剂,而作为铍青铜的主要合金元素。作为杂质存在的微量铍固溶于铜中,对铜的力学性能及工艺性能的影响甚微,略使铜的电导率与热导率下降,明显提高铜的抗高温氧化能力。

作为杂质存在的微量铝固溶于铜,对铜的力学性能与工艺性能无明显影响,但降低铜的电导率、热导率、钎焊焊性能与镀锡性能等,提高铜的抗氧能力。

在共晶温度485℃时,镁在铜中的固溶度为0.61%,并随着温度的下降而急剧减少,因而含镁量高的(2.5%~3.5%)合金有沉淀硬化作用。

实际应用的Cu-Mg合金的镁含量不到1%,如含0.3%~1.0%Mg的铜合金用于加工导电线材。这些合金无时效作用,只能通过冷加工强化。微量镁略使铜的电导率下降,提高铜的抗高温氧化能力,也对铜有脱氧作用。

锂、硼、锰、钙

这些元素对铜都有脱氧作用。作为杂质存在的锂可与铜中的杂质铋等生成高熔点化合物,呈细化弥散状态分布于晶粒内,提高铜的高温塑住,微量锂几乎不影响铜的电导率与热导率。

作为铜脱氧剂而残存的0.005%~0.015% B能细化铜晶粒,提高铜的力学性能与工艺性能。

锰可作为铜的脱氧剂,以锰脱氧的铜中一般含0.1%~0.3%Mn,固溶于铜,一方面提高铜的软化温度,另一方面有益于铜的力学性能与工艺性能。

钙几乎不固溶于铜,作为杂质存在的钙可与杂质Bi等形成高熔点化合物,以质点形式均匀地分布于晶粒内,提高铜的高温塑性。

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。

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。


黄铜

铁在固态铜中的熔解极微,呈富铁相质点分布于α基体中,有细化晶粒作用。H60黄铜添加0.3%~0.6%Fe,有较强的晶粒细化作用,但抗磁铜材的含铁量应小于0.3%。

杂质铁对黄铜的力学性能无明显影响。

铅和铋

铅和铋对于一般黄铜中是有害杂质,铋的危害比铅的大。

铅呈颗粒状存在于晶界上的易熔共晶体中,α黄铜的含铅量若大于0.03%会出现热脆性,对冷加工性能无明显影响。铅对双相黄铜的加工性能无大的影响,其允许含量可稍高一些。

铋在黄铜中呈连续的脆性薄膜分布于晶界上,使黄铜在冷、热加工时发脆。

含铅、铋量超过允许限度的冷轧黄铜在退火过程中若加热速度过快,会产生“火裂”即突然爆裂。

含铅、铋的黄铜添加少量锆之类的元素,使它们形成高熔点化合物,可消除它们的危害。

锑在铜中的溶解度随着温度的下降而急剧减小,在其含量还不到0.1%时,就会形成Cu2Sb,呈网状分布于晶界,使黄铜的冷加工性能大幅度下降。

锑还使铜合金产生热脆性。

黄铜添加微量锂可形成高熔点化合物Li3Sb,呈细小颗粒均布于晶粒内,从而消除锑的不利影响。

由于锑在高温下在铜中的熔解度较大,因而固溶处理可提高含锑黄铜的冷加工性能。

磷在α铜中的固溶度很小,少量磷有晶粒细化作用,提高黄铜的力学性能。黄铜中磷含量大于0.05%时,就会形成脆相的Cu3P,降低黄铜的加工性能。

磷显著提高黄铜的再结晶温度,使再结晶晶粒粗细不均匀。

砷在室温黄铜中的溶解度小于0.01%,含量较大时则形成脆相化合物Cu3As,分布于晶界,降低黄铜的加工性能。含0.02%~0.05%As的黄铜的抗腐蚀性能能得到提高,不会产生脱锌现象。


青铜

锡青铜

锡青铜的磷含量一般不超过0.45%。当磷含量大于0.5%时在637℃左右会发生共晶-包晶反应L+α⇄β+Cu3P,引起热脆。合金的磷含量大于0.3%时,组织中会出现铜与铜的磷化物(Cu3P)组成的共晶体。

磷是铜合金的有效脱氧剂,提高锡青铜的流动性。缺点是加大铸锭的逆偏析。

材料冷加工前的晶粒尺寸和加工后的低温退火(180~300℃)对锡-磷青铜的力学性能有较大的影响。晶粒细小时,材料的强度、硬度、弹性模量、疲劳强度都比粗晶粒材料高,但塑性却稍低一些。

冷加工锡-磷青铜在200~260℃退火1~2h后,其强度、塑性、弹性极限与弹性模量均有所提高,还能改善弹性稳定性。

锌是锡青铜的合金元素之一,锌在锡青铜α固溶体中的溶解度大。因此Cu-Sn-Zn加工青铜为单相α固溶体,Zn提高合金的流动性、缩小结晶温度区间,减轻逆偏析,而对其组织与性能无大的影响。

Zn在加工锡青铜中的含量一般不大于5%。

Pb在锡青铜中的含量不超过5%,它不固溶于α相,以游离状态存在,呈黑色质点分布于枝晶之间,但分布不均匀。

Pb可降低锡青铜的摩擦系数,改善耐磨性能,提高可切削性能,但略使合金的力学性能下降。

Fe是锡青铜的杂质,其最大含量为0.05%,有细化晶粒、延缓再结晶过程,提高强度与硬度作用。但含量不得超过极限值,否则会形成过多的富铁相,降低合金的抗蚀性与工艺性能。

Mn是锡青铜的有害杂质之一,对其含量应严加控制,不得大于0.002%。

锰易氧化生成氧化物,降低合金熔体流动性,而在凝固后又分布于晶界上,削弱晶间结合,使强度下降。

Ti可与Sn形成化合物TiSn,固溶于铜,有沉淀强化作用,并能提高加工锡青铜退火后的硬度和软化温度。含0.20%~0.75%Ti与、5%Sn的青铜合金,在800℃固溶处理1h,淬火后在450℃时效1h可达到峰值硬度。

Be可与Sn形成金属间化合物,使合金的强度升高。

Cu-4.5%Sn-1.0%Be青铜淬火后在325℃时效具有最大硬度值。

铝与镁

铝在Sn青铜中的含量不宜大于0.002%,Mg的含量也应严加控制,因为它们的氧化物会使合金的强度下降及熔体流动性降低。而国外已开发出一些含Al及含Mg的锡青铜,不但有高的强度,而且抗蚀性也好,如Cu-5Sn-7Al合金有高的抗蚀性与强度,又如Cu-5Sn-lMg锡青铜在时效处理后的强度可达900 MPa、30 HRC,电导率为30%~35% IACS,可用于制造具有高的强度、较高的抗蚀性、电导率好的元器件。

Si 是锡青铜的有害杂质之一,微量Si可国溶于α相中,对合金的力学性能有益,但在高温下易形成SiO2,会使熔体流动性下降。若残留于铸锭中,又有损于其强度。Si的最大含量为0.002%。

锑与铋

锑与铋都是锡青铜的有害杂质元素,其允许最大含量为0.002%。它们都不固溶于α相。

锆、铌、硼

三种元素几乎不固溶于α相中,微量Zr、Nb、B有晶粒细化作用。因此对锡青铜的力学性能与压力加工性能有益。

铝青铜

少量Fe可固溶于Cu-Al合金的α固溶体中, 若过量则会形成针状FeAl3,使合金的力学性能与抗蚀性降低。因此,合金中的Fe含量不应超过5%。

若合金中的Ni、Mn、Al 含量增多,会进一步降低Fe在固溶体中的溶解度。铁可使铝青铜中的原子扩散速度减慢,增加β相稳定性,因而能抑制引起合金变脆的“自退火”现象,使合金的脆性大大下降。

适量铁能细化铝青铜铸造与再结晶晶粒,提高力学性能,加0.5%~1.0%Fe就有明显的细化晶粒效果。

镍在Cu-Al合金中有一定的固溶度,当Ni含量超过最大固溶度时会有K相NiAl相形成。Ni一方面提高铝青铜的共析转变温度,另一方面又使共析点成分向升温方向移动,还能改变α相的形态。Ni含量低时,α相呈针状,镍含量达3%时转变为片状。

在Cu-Al-Ni合金中添加Mn,β相发生共析转变时有形成粒状组织的倾向。

Ni能显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性与抗蚀性,含有一定量Ni的的Cu-Al-Ni-Fe合金在热加工后不需要再固溶处理与淬火,即可直接时效。

铝青铜中同时添加Ni和Fe,可获得更佳的综合性能。在Cu-A1-Ni-Fe合金中,κ相的析出形态对其力学性能的影响甚大。

Ni与Fe的最佳含量比为0.9~1.1。

Mn在Cu-Al合金α固溶体中有较大的溶解度,却又降低铝在α中的固溶度。锰对β相分解起稳定作用,降低相变开始温度,推迟共析转变。

铝青铜中的含Mn量不超过最大溶解度极限,对合金的力学性能与抗蚀性有益,它们有良好的加工成形性能。

含0.3%~0.5%Mn的二元铝青铜有相当好的热加工性能,热轧时的开裂倾向显著减少。

含Mn的铝青铜添加一定量Fe,合金的性能得到进一步攻善,因为Fe能细化晶粒,不过铁会减弱Mn对β相的稳定作用。

锡与铬

铝青铜添加≤0.2%Sn,能提高合金在蒸汽和微酸性气氛中抵抗应力腐蚀开裂的能力。

铬可提高二元Cu-Al合金的力学性能,抑制合金退火时的晶粒长大,提高退火材料的硬度。

锌与硅

锌在Cu-Al合金α中有限溶解,扩大α相区。但Zn会减少Cu-Al-Ni-Fe合金的富铁相质点,使耐磨性下降。加工铝青铜的杂质锌的最大含量为1.0%。

硅是铝青铜的杂质,其含量不得越过0.2%,对大多数铝青铜不得大于0.1%,否则会降低合金的力学性能与工艺性能,但能改善合金的可切削性能。

磷、硫、砷、锑、铋

以上元素均为铝青铜的有害杂质,降低合金的力学性能、工艺性能及其他性能,须严格控制在标准范围内。

硅青铜

适量Mn对硅青铜的力学性能、抗蚀性能与工艺性能有益。含量小于3%Si、1%Mn的合金在高温下为单一的α固溶体,当冷却到450℃以下时,会析出脆性相Mn2Si,但几乎无强化效果。

合金的Si含量越高,沉淀的Mn2Si也越多,发生自裂倾向也越大。把硅含量控制在3%以下对材料进行低温退火可消除自裂现象。

含Ni的硅青铜有良好的力学性能、抗蚀性和导电性。

Ni与Si可形成化合物Ni2Si,Ni在共晶温度1025℃在α固溶体中的固溶度溶度可达9%,而室温时的固溶度几乎为零。因此,当合金中的Ni、Si含量比为4:1时,可全部形成Ni2Si,有较强的时效硬化作用,使合金具有良好的综合性能。

合金中的Ni/Si比值小于4时,虽有高的强度与硬度,但其电导率与塑性会降低,不利于压力加工。Cu-Si-Ni合金添加少量(0.1%~0.4%)Mn,可改善合金的性能,因为Mn既有脱氧作用又有固溶强化效果。

Cr与Ni的作用相似,能形成固溶于α的硅化铬,但没有时效硬化效果,是硅青铜的有害杂质之一。

钴与硅可形成能固溶于α中的Co2Si,并且其溶解度随着温度的下降而减少,有一定的时效强化效果。淬火温度为1000~1050℃,时效温度500~550℃。含少量钴的合金已得到应用。如C66400等。

锌可较多地固溶于Cu-Si合金的α中,提高合金的强度与硬度,缩小合金的凝固温度范围,提高合金的流动性,改善其铸造性能。Cu-3.5Si-3Zn-1.5Fe青铜用于制造高温轴套。

虽然Fe在α固溶体中的溶解度随着温度的降低而显著减少,室温溶解度几乎为零。时效强化效果甚微。Cu-Si合金中的Fe含量不得大于0.3%。否则形成单独的相,大大降低合金的抗蚀性。

Ti对硅青铜有晶粒细化效果,并能增强Cu-Si合金的时效硬化效果,提高材料的强度与硬度。

铅、铝、铋、砷、锑、硫、磷

以上元素都是硅青铜中的有害杂质,须严加控制。

Pb虽提高合金的抗磨性和可切削性能,但会引起热裂。

铝对硅青铜的强度和硬度有益,但使焊接性能变差。

锰青铜

加工锰青铜为Cu-Mn二元合金,有相当高的力学性能,抗腐蚀、耐热、可进行冷、热压力加工,多用于制造在高温下工作的零件。

Mn可大量固溶于铜,有较高的固溶强化作用,Mn能提高铜的再结晶温度(150~200℃)。含16.3 at.%Mn的铜合金在400℃形成面心立方晶格的有序相Cu5Mn。含25.0 at.%Mn的铜合金于450℃形成面心立方晶格的有序相Cu3Mn。

Mn提高合金的硬度与强度,伸长率开始阶段随Mn含量的提高而上升,于4%~5%Mn时达到最大值,然而后下降,但变化不大。

Zn在Cu-Mn合金中的固溶度很大,有一定的固溶强化作用。

Ni可固溶于Cu-Mn合金的α固溶体中,有固溶强化作用,同时提高合金的抗蚀性。Cu-20Mn-20Ni合金是一种时效硬化型铜合金,其硬状态材料的力学性能为抗拉强度1200MPa~1300MPa,屈服强度1150MPa~1250MPa,伸长率1%~4%,维氏硬度370~410,弹性模量157GPa。

Sn是锰青铜中的杂质元素之一,其最大含量为0.1%,溶于Cu-Mn固溶体α中,Sn扩大锰青铜的凝固温度范围。

铝、砷、硅、锑、铅、磷、硫、铁、铋

以上元素都是锰青铜的杂质,含量应控制在标准规定的范围,含2%Al的56Cu-42Mn合金是一种可热处理强化的合金,经固溶处理与时效后,其强度几乎与结构钢相当,并且与很强的吸震能力,比灰铸铁的还高30%左右,是一种既可以压力加工又可以铸造的合金,还有良好的可焊性,已用于制造垫片、齿轮、锯片之类的消震零件。

铬青铜及镉青铜

Cr及Cd均可与铜形成固溶体,而且其固溶度随着温度的下降而显著减少,因此它们都有沉淀硬化作用。这两类青铜由高的强度和硬度,抗磨、耐热、电导率与热导率高,加工成型性能好,是制造导电、耐磨零件的优选材料。

镉是一种对人体有害的元素,在熔炼时应注意防护其蒸气对人的危害。镉含量低的Cu-Cd合金时效硬化效果很小,没有实际生产意义。

铝及镁

Al与Mg可作为铬青铜的合金元素,它们可在Cu-Cr合金表面形成一层薄而致密的与基体金属结合牢靠的氧化物膜,提高合金的高温抗氧化性能与耐热性。不过Al及Mg在合金中的含量通常各不大于0.3%。

锡及钛

铬青铜中添加一定量的Sn和Ti,可形成有时效硬化作用的TiSn金属间化合物,对合金强度、硬度和耐热性有益。含0.3%~0.5%Cr、0.15%~0.25%Sn、0.05%~0.12%Ti是一种可在250℃下长期使用的导电材料。

Cr与Zr形成固溶于Cu的化合物Cr2Zr,而且其溶解度随着温度的降低而明显减少,使合金的强度、硬度、耐热性有所提高,同时对合金电导率的影响很小。

铪在这类青铜中的作用与Zr相似,可与Cu 形成有一定时效强化作用的铜铪化合物。Cu-0.6Cr合金在时效后的强度随铪含量的上升而提高,但其电导率则随铪含量的增加而下降。含0.6%Cr与0.2%~0.6%Hf的青铜于400~450℃时效3~20h后,既有高的力学性能又有良好的电导率,其抗拉强度≥600 MPa,电导率达80% IACS。

锌与银

锌可溶于铬青铜的α固溶体中,能提高合金的强度性能,而对其电导率的影响不大。铬青铜添加约0.2%Ag,一方面能显著提高合金的软化温度,另一方面又不降低合金的电导率。

铬是镉青铜的一种有益的微量元素,少量铬(0.35%~0.65%)对其时效强化效果有较明显的有益影响。

铁、铅、铋、砷、磷

以上元素都是这两类青铜的有害杂质,应严加控制,不得超过标准的最大值。

锆青铜

在共晶温度966℃时,锆在铜中的极限溶解度只有0.15%,但随着温度的下降而急剧减少。因此锆青铜有时效强化作用,强化相为β(Cu5Zr或Cu3Zr)。锆青铜有高的导电性、导热性与耐热性,并有良好的抗蠕变性能。在400℃以下,锆青铜的强度虽与锆青铜的相当,但前者电导率与塑性却比后者高。

锆显著提高铜合金的再结晶温度,其效果比其它元素的都大。

在含有少量Cr的锆青铜中,会出现可固溶于α相中的化合物Cr2Zr,在高温下为密集六方晶格,低温时为面心立方晶格。Cu-0.3Zr-0.34Cr合金有较明显的时效强化作用,因为它含有约0.64%Cr2Zr。Cu-Zr-Cr合金因Zr、Cr含量的不同,而从固溶体中单独析出Cr2Zr或同时析出β相与Cr2Zr,起合金强化作用。

砷可与Zr形成Zr-As化合物。

As可把Cu-Zr合金的共晶温度提高到1000~1020℃,增加锆在该温度的溶解度而降低它在低温下的溶解度,细化铅青铜的晶粒,抑制合金在加热时的晶粒长大。

锑、锡、铅、硫、铁、铋、镍等元素都是锆青铜的有害杂质,不得超出标准规定的极限值。

铍青铜

加工铍青铜的正常铍含量为0.20%~2.00%,一般还0.2%~2.7%Co或小于2.2%Ni。铍青铜又分为两类:①高强度合金,如C17200、C17000;②高导性合金,其铍含量较低,通常不大于0.7%,如C17500、C17510、C17410。铍含量接近12 at.%的高强度合金呈金黄色,而铍含量较低的高导铍青铜为淡红色或珊珊金黄色。

镍和钴

镍和钴是铍青铜的合金化元素, Ni与Be可形成有序体心立方晶格的化合物NiBe,NiBe硬度高达610 MPa。NiBe可溶于α固溶体,在共温度1030℃的最大溶解度为3.25%(0.42%Be、2.83%Ni),NiBe的溶解度随着温度的下降而显著减少,故此类合金有明显的时效硬化效果。

Cu-Be合金中加人0.2%~0.5%Ni能延缓再结晶过程、阻碍晶粒长大、大大减慢冷却时的相变过程、抑制时效时的晶界反应,因此少量Ni能进一步提高铍青铜在时效后的力学性能。

不过工业铍青铜含有少量Ni时会出现硬而脆的γ1相,降低合金的疲劳强度、弹性滞后和弹性稳定性。因此,既要控制γ1相的数量又要控制其分布形态。

高电导率镀青铜常含有一定的Co。它可与形成化合物CoBe及Co5Be21。CoBe属于体心立方晶格,其显微硬度高达443 MPa。CoBe在α固溶体中的固溶量随着温度的下降而减少,在共晶温度1011℃的最大溶解度为2.7%,因而当合金含有一定量Co,可通过固溶与时效处理提高镀青铜的强度性能。

少量Co(0.2%~0.5%)能阻碍铍青铜在加热过程中的晶粒长大、延缓固溶体分解、抑制晶界反应、避免晶界附近由于过时效而形成的组织不均匀性,从而提高合金的沉淀硬化效果。

钛可与铍形成固溶于α固溶体的金属化合物TiBe2,在共晶温度825℃时的最大固溶度为3.7%,温度下降时,其固溶度会急剧减少,因而TiBe2有沉淀硬化作用。含少量Ti的Cu-Be-Ni合金中有时会出现富钛的化合物,如果呈条状分布,会使合金在加工过程中出现层状开裂。

含少量Ni的Cu-Be合金添加0.10%~0.25%Ti可使其硬脆γ1相的量减到最低限度,使合金组织均匀,一方面能改善合金的加工性能与提高疲劳强度,另一方面使时效后的材料有好的弹性稳定性和低的弹性滞后;少量钛既能细化铸锭的晶粒又能细化退火材料的晶粒,降低铍的扩散速度,减弱晶界反应,阻碍脱溶相优先在晶界沉淀,使合金沉淀相分布均匀,提高材料的力学性能。

镁降低铍在固态铜中的溶解度。含2%Be的镀青铜添加0.2%~0.5%Mg,在合金晶界上会出现低熔点共晶体Cu2Mg+Cu,其熔点约730℃,使材料在热加工过程中易开裂。向QBe1.9和QBe2合金添加0.02%~0.15%Mg,不但能细化晶粒,而且会使γ1相质点既细小又均匀地分布,提高材料的力学性能及其稳定性。

少量镁对铍青铜的可焊性与抗蚀性无影响。

一般铍青铜的含Fe量应小于0.1%。铁含量过多,不但会形成含铁的相,增加合金的组织不均匀,降低其抗蚀性,而且会减少Be在α固溶体中的过饱和度,即降低合金的沉淀硬化效果。

铁能细化晶粒,而且固溶的Fe能延迟过饱和固溶体分解与抑制晶界反应。

少量锡能固溶于铍青铜的α固溶体,延迟过饱和固溶体分解,显著抑制晶界的不连续沉淀,防止过时效,故可用锡代替部分铍,例如含1.30%Be、0.25%Co、3%Sn、1.0%Zn的铜合金的力学性能与QBe 2青铜的相当,且有很高的可切削性能。

锰可与铍形成溶于α固熔体中的化合物MnBe2,在共晶温度782℃时的最大溶解度为7.3%,而且会随着温度的下降而显著减小,因而合金有明显沉淀硬化效果。Mn对含Be量高的铍青铜的力学性能没有显著影响,但对含Be量低的合金却有积极的作用。

含0.25%~0.50%Be、1.1%~1.7%Co的铍青铜加入0.9%~1.1%Ag,既能提高合金时效后的室温强度,又使合金保持有高的电导率(50%~55%)。这种合金是制造焊接电极的良好材料。

合金中同时含有Co与Si时,可形成CoSi、Co2Si、Co3Si5以及CoSi2等化合物,提高合金的强度。硅含量足够大时,可与铍形成又硬、又脆的共晶体,使材料的韧性大幅度下降。

少量(0.4%~0.8%)铝略使Cu-2%Be合金的力学性能上升。

磷促使Cu-Be合金晶粒在加热过程中长大,加速固溶体分解,生成分布于晶界的易熔物,降低合金的热硬性,提高其可切削加工性能。

铍青铜中添加0.1%~0.2%As促进其晶界反应和过时效软化过程。

铍青铜添加0.2%~0.3%Pb,通常可显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的铍青铜是制造手表齿轮的良好材料。Pb加速铍青铜的晶界反应,促进软化。


白铜

Cu与Ni形成无限固溶的连续固溶体,面心立方晶格,温度低于322℃时,存在一个亚稳分解的相当宽的成分-温度区域,向Cu-Ni合金添加第三元素诸如Fe、Cr、Sn、Ti、Co、Si、Al等,可改变亚稳分解的成分-温度区域范围和位置。同时也可改善合金的某些性能。白铜除是良好的结构材料外,还是一类重要的高电阻和热电偶合金。

锌在Cu-Ni固溶体中的溶解度相当大,有较大的固溶作用。

当Ni含量一定时,提高合金的锌含量会增强合金抗大气腐蚀的能力。

一般锌白铜含5%~18%Ni和43%~72%Cu,其余为Zn,其抗蚀性、弹性与强度均高。

Fe在Cu-Ni合金中的固溶度较小,950℃时可固溶1.8%。300℃时则剧降到0.1%。铁可提高Cu-Ni合金的在抗蚀性与力学性能,特别能大幅度提高Cu-Ni合金抗海水冲击腐蚀的能力。一般Cu-Ni-Fe合金的Fe含量不大于2%,否则合金有应力腐蚀开裂倾向,若超过1%则腐蚀加剧。

Al在Cu-Ni合金中的固溶度较低,并随着温度的下降而减小。

Cu-Ni-Al合金中会产生Ni3Al化合物,有明显的沉淀硬化作用,提高合金的强度和硬度。

铝显著提高白铜的强度与抗蚀性。但材料的冷成形性下降。合金的Ni/Al比为8~10时,具有最佳的综合性能。

白铜中的锰含量一般不超过14%。

在Cu-Ni-Mn合金中可形成MnNi化合物,具有沉淀硬化作用,Mn提高合金的强度、抗蚀性与弹性,还能提高Cu-Ni合金抗湍流冲击腐蚀的能力,不过会略使B19合金的抗应力腐蚀开裂的能力下降,但比Al、Si、Sn、Cr、Be等元素的影响小。

Mn能消除Cu-Ni合金中过量碳的不良影响,改善其工艺性能。Cu-Ni-Zn合金添加少量Mn,也有一定的有益作用。

锡、铍、钛、硅、碳、铬、锆、碳、硼

以上元素及S、P、As、Sb、Bi等都是白铜的杂质元素,应控制在标准规定范围之内。


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