材料科学金属材料学6铜合金91.docx

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材料科学金属材料学6铜合金91

材料学院陈铮本科生学位课金属材料学

越王勾践铜剑

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铜的发展史

铜是人类最早发现和使用的金属之一。

约在公元前7

世纪或更早，人类就利用自然铜锤打制小钉等简单物品。

今伊朗境内在公元前4世纪，已掌握了炼铜技术。

美索不达

米亚、埃及和印度等地区，约于公元前3世纪中期，先后出

现了较高技术水平的炼铜业。

中国在新石器时代晚期开始使用铜。

夏代（公元前21世

纪一前16世纪）进入青铜时代。

19世纪典型的火法炼铜工艺形成，20世纪末世界的铜

产量约为1450万吨。

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z从矿石中提炼铜——冶

金业的黎明

埃及古墓壁画是人类冶

金业的最早纪录之一

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（1）优异的物理化学性能：

导电性、导热性好；抗蚀能力

高；紫铜抗磁性；導電度58。

電阻係數0.01724。

熱與电

的良導體，質地軟而堅韌，強度小，熔點高。

（2）良好的加工性能：

塑性好，延展性僅次於金和銀，可

製成管、薄板及細線。

铸造性能好；

（3）特殊机械性能：

减摩性耐磨性好，高弹性极限和疲劳

极限；

（4）色泽美观。

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z铜属于活性小的金属，常温干燥的空气中稳定，加热时生

成黑色氧化铜（CuO）。

在含C02潮湿空气中，表面生成有

毒的铜绿[Cu（OH）2·CuC03]。

z高温下不与氢、氨或碳作用，常温下与卤素作用，与含

H2S的空气接触时，表面能生成硫化铜的黑色薄膜。

z在电位顺序中，位于氢后，盐酸和稀硫酸与铜不起作

用，有氧存在时，可缓慢溶解，生成相应的盐

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z铜在地壳的丰度为5.8g／t，陆地储量为

1627Mt，探明储量494Mt，潜在储量

1133Mt。

智利和美国铜储量分别占世界

储量的23．5％和15．3％。

z已知的含铜矿物240种，工业开采的铜矿

仅有十多种。

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z铜矿分自然铜、硫化铜矿和氧化铜矿三类。

世

界上90％的铜来自硫化铜矿，最常见是黄铜矿

（CuFeS2），其次是斑铜矿（Cu5FeS2）、辉铜矿

（Cu2S）和铜蓝（CuS）。

z氧化铜矿也常出现，以孔雀石[铜绿

CuC03·Cu（OH）2]分布最广，其次是蓝铜矿

[石青2CUC03·Cu（OH）2]。

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¾我国铜资源较少，主要分布在江西、山西、甘肃、新疆、

云南和长江中下游地区。

铜矿山共计747个，大中型矿山

云南和长江中下游地区。

铜矿山共计747个，大中型矿山

7座，大多为坑内开采，适合露天开采的铜矿较少。

¾经过几十年的强化开采，资源大幅度减少,铜矿产量很难

突破55万吨，铜精矿产量随时间下降。

¾我国铜矿自给率不足40%，贫矿

蓝

铜

矿

多、品位低,已探明铜矿资源中含

铜品位在0.7%以下的占56%。

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¾火法炼铜和湿法炼铜。

火法炼铜占全球精铜产量的

¾火法炼铜和湿法炼铜。

火法炼铜占全球精铜产量的

70%。

湿法炼铜在近些年获得广泛的应用，产量1980年

70%。

湿法炼铜在近些年获得广泛的应用，产量1980年

不到5%，2005年达到30%。

¾火法炼铜包括造硫熔炼和铜硫吹炼两个过程。

¾传统的造硫熔炼有鼓风炉、反射炉和电炉熔炼。

¾新熔炼工艺是富氧强化熔炼，分为两类：

闪速熔炼（年产

¾新熔炼工艺是富氧强化熔炼，分为两类：

闪速熔炼（年产

30万t的工厂）和熔池熔炼（年产20万t以下的工厂）。

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¾铜硫吹炼目前仍以P-S转炉为主，间断操作，在发展连

续吹炼。

关于铜的火法精炼阳极炉，除一些小厂还用反射

续吹炼。

关于铜的火法精炼阳极炉，除一些小厂还用反射

炉外，普遍采用回转式阳极炉。

¾电解工艺没有大的变化。

¾湿法炼铜可以处理低品位废杂铜矿，工艺简单、生产成

本也低，湿法炼铜堆浸向大型化和机械化发展，生物浸出

技术也得到了广泛的应用。

¾将来有可能将熔炼和吹炼合并为一台炉子，生产白冰

铜，然后用湿法处理以生产电铜。

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¾铜工业包括采矿、选矿、粗铜冶炼、精铜冶炼、铜加工

材和铜制品的生产。

¾铜加工业和铜深加工业没有明确的界限。

例如，精铜制

¾铜加工业和铜深加工业没有明确的界限。

例如，精铜制

成铜锭，再制成挤压管坯，可以称之为铜加工；但如果制

成的铜管坯生产精度高、工艺复杂，附加价值高，又可以

称之为铜深加工。

¾资金密集和技术密集是两个典型特征。

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¾加工技术向高效率、低成本、低能耗、短流程、环保型

发展。

¾在技术上突出的趋势之一是尽量减少固态下的加工量，

由熔铸或粉末直接得到制品或近似制品，减少挤压、拉拔

或者轧制等工序。

¾提高生产过程的稳定性，制品的性能、质量及可靠性，

提高成品率、降低成本，特别是工艺过程在线控制、计算

机控制及工艺参数的智能控制。

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z普通铸锭法使用的生铁模和水冷模铸锭法，分为水平模铸

造、立模铸造以及倾斜模铸造等,适用于小型铜加工厂。

z连续或半连续铸锭法允许使用较低的铸造温度，减少液流

冲击作用，减少夹杂、气孔和缩孔等，提高成材率和生产

效率。

因结晶器和二次冷却水的强烈冷却作用，可获得微

细晶组织。

z连续铸轧法将熔铸与轧制工序结合，液态金属一次成坯或

成材，减少设备投资和能源消耗，提高组织致密性，清除

缩孔、疏松，减少偏析，省去切尾，提高成材率。

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¾日本、德国等采用多辊轧机轧制控制晶面取向，用精确张

力退火炉完全退火生产高强、高导、高精度的铜合金框架

材料；

¾开发出高速锻，利用锻打宽展技术，生产高精度异型带

材，满足大功率塑封晶体管的需要。

¾为降低生产成本和稳定产品质量，向大型化、专业化、

规模化发展，国外新建的铜铝板带加工企业规模都在

20~50万t。

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z铜板材与铜箔材为轧制产品，厚度5.Omm以上的铜板称

为厚板，0.3～4.Omm的铜板称为薄板，厚度0．15～

0．2mm以下的称为箔材。

z热轧温度大于铜及铜合金的再结晶温度。

z冷轧在再结晶温度以下，是生产铜薄

板和铜薄带的主要方法,表面质量和

尺寸精度比热轧件的高，除紫铜外，

铜合金冷轧时要中间退火。

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铜及铜合金挤压加工是生产

铜及铜合金棒材、管材和线材的

重要方法，有正挤压法与反挤压

法。

不仅可生产断面形状比较简单

的管、型、线材等，也可生产断

面形状复杂的管材和型材、空心

型材及变断面管材等。

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外加拉力作用下，迫使金属

坯料通过模孔，获得相应形状与

尺寸的塑性加工方法称为拉拔，

按制品截面可分为实心材拉拔和

空心材拉拔。

空心材拉拔又可分为空拉、

长芯杆拉拔、固定芯头拉拔、游

动芯头拉拔等。

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铜及铜合金的分类

紫铜＝纯铜

铜及铜合金

黄铜＝Cu-Zn

青铜＝Cu-其他

白铜＝Cu-Ni

普特

通殊

黄黄

铜铜

普特

通殊

白白

铜铜

锡铝铍硅铅

青青青青青

铜铜铜铜铜

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大气、淡水中具有良好的耐蚀

性，在海水中较差。

具有面心立

紫铜丝

方结构，无同素异构转变，无磁

性。

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冷变形后强度可达400~500MPa，硬度提高

到100~200HBS，但伸长率下降到5%以下；

退火处理可消除铜的加工硬化；纯铜还具有优良

的焊接性能；工业纯铜代号为T1（wCu>99.95%）、

T2（wCu>99.9%）、T3（wCu>99.7%），主要用于配

制铜合金，制作导电、导热材料及耐蚀器件等。

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銅和鋅的合金，表面為黃色或金黃色，含鋅量在

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黄铜的分类

黄铜＝Cu-Zn

普通黄铜

特殊黄铜

单两

相相

黄黄

铜铜

矽

鋅

黃

銅

鐵鉛錫鋁錳

黃黃黃黃黃

銅銅銅銅銅

鎳

黃

銅

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普通黄铜：

Cu-Zn二元合金，代号H＋Cu％，如H68表示含

Cu68%的铜锌合金。

有良好耐蚀性，冷加工后在海水、湿

气、氨的环境中易产生应力腐蚀开裂，应进行去应力退火。

单相黄铜：

wZn<39%，强度低、塑性好，冷塑性加工成板

材、线材、管材等，常用H68、H70、H80，用作弹壳和精

密仪器；

两相黄铜：

wZn39~45%，热塑性好，一般热轧成棒材、板

材，常用H59、H62等，用作水管、油管、散热器、螺钉。

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1.七三黃銅：

含銅量為70%，製造彈殼，又名彈殼

黃銅。

2.二一黃銅：

含銅量約65%，可抽拉或冷壓製造銅

桿、銅線、銅片、銅管、木螺釘及彈簧等，黃

色，又名黃黃銅。

3.六四黃銅：

銅含量為60主要用製造冷暖氣管、銅

片、線、桿等。

含鋅40%黃銅又稱為孟慈合金，

能耐海水侵蝕，可作船舶外皮。

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特殊黄铜：

普通黄铜中加入Al、Si、Pb、Sn、Mn、

Fe、Ni等，称为铝黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。

Al、Sn、Mn、Ni提高耐蚀性和耐磨性，Mn提高耐热

性，Si改善铸造性能，Pb改善切削性能。

表示方法：

H＋主加元素符号＋铜及各合金元素的平均

质量分数（w×100），如HPb59-1表示含wCu59%、

wPb1%铅黄铜。

常用代号有HPb59-1、HSn90-1等，用

于制造冷凝管、齿轮、螺旋桨、钟表零件等。

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錫可提高黃銅的耐蝕性，含量少時增加熔液流動性，強

度增高，但超過1%延性降低，超過2%有害。

孟慈合金（六四黃銅）中Zn被1～1.5%Sn取代，稱為

「海軍黃銅」，適用為冷凝器板、船舶用品、推進器軸、活

塞桿、活門桿等，機械性能佳，海水中有脫鋅現象。

七三黃銅中1%Zn被Sn取代,如含Sn1%、Cu70%、若

添加0.02～0.05%As，對防止脫鋅更佳；常用冷凝器管、蒸

發器管、預熱器管、蒸餾器管等。

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黃銅中加錳者稱為「錳青銅」，成份除Cu、Zn、

Mn，有Al、Sn、Ni等。

常用57～60%Cu、36～41%

Zn、0.8～2%Fe、0.5～1.5%Sn、0.5%（最大）Mn；強度與

鋼匹敵，又叫「高強度黃銅」，抗拉強度50kgf/mm以上，

延伸率20%以上，靭性極佳。

易於熱加工，常用於嚙合盤、汽渦機翼、唧筒桿、軸、

活門桿等，又因對海水及礦水的耐蝕性優良，不脫鋅，故廣

用於船舶或礦場的耐蝕材，如水壓機之汽缸、船舶推進器、

水雷發射管、海水唧筒等。

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牌号：

Z＋铜元素符号＋主

加元素符号及平均质量分数

（w×100）＋其它元素符

号及平均质量分数

（w×100），如ZCuZn38

表示wZn38%、余量为铜的

铸造普通黄铜。

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青铜＝Cu-其它：

代号：

Q+主加元素符号及平

代号：

Q+主加元素符号及平均质量分数

（w×100）＋其它元素平均质量分数（w×100），

如QSn4-3表示含wSn4%、wZn3%的锡青铜。

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青铜，古称金或吉金，铜与其它化学

元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。

史学上的“青铜时代”从夏商周直

至秦汉，时间跨度约为两千年左右。

夏钺

春秋戰國時期，齊國工匠成

的《考工記》一書，提出「金有六

齊」，是世界科技史上最早的冶銅

經驗總結。

戈

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立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底

座高90厘米，通高262厘米，世界上最大的

青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。

突目面具铸于商代晚期，原件

高64.5厘米，宽138厘米，眼

球柱状外突长达13.5厘米，造

型在世界上首见。

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司母戊鼎，商代大鼎，1939

年出土，鼎高133厘米，重

875公斤，已知的中國古代

體量最大的青銅器

銅禁，中國已知最早應用失

蠟法鑄造的作品，春秋時代

的楚國王子午墓出土，年代

為公元前6世紀。

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青铜的分类

青铜＝Cu-其它

鋁青銅磷青銅鈹青銅

锡青铜

强度、

硬度、

耐磨

性、耐耐蝕性

热性、

固溶强化，

高强度、弹

性、耐磨、

耐蚀及耐低

温，受冲击

无火花

機軸硬

强度、

靭性及

鐘

用

青

銅

械承幣

用用用

青青青

銅銅銅

青

銅

器

鏡

銅

高

耐蚀性

高

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wSn<5%塑性好，适于冷变形；wSn=5～7%

热塑性好，适于热加工；wSn=10～14%塑性较

低，适于作铸造合金。

锡青铜的铸造流动性差，易形成分散缩孔，铸

件致密度低，体积收缩率小，适于铸造外形及尺

寸要求精确的铸件。

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良好的耐蚀性、减

磨性、抗磁性和低温韧

性，大气、海水、蒸

气、淡水及无机盐溶液

中的耐蚀性比纯铜和黄

铜好，亚硫酸钠、酸和

氨水中的耐蚀性较差。

力学性能的关系

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常用锡青铜：

QSn4-3、

QSn6.5-0.4、

ZCuSn10Pb1等，主要

用于制造弹性元件、耐

磨零件、抗磁及耐蚀零

件，如弹簧、轴承、齿

轮、蜗轮、垫圈等。

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1.機械用青銅

俗稱砲銅，昔日曾以含Sn10%左右的青銅鑄造砲

身，用途製造齒輪、閥、螺旋槳及其他抗蝕耐磨機件等。

2.軸承用青銅

含Sn量12~15%，鐵路車軸等低速度重負荷軸承

3.硬幣用青銅

含Sn量4~10%，延展性良好,鑄造性優異。

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4.鐘用青銅

鑄鐘用組織內雜質越少則聲音越清脆悅耳，500度以

上時使其急冷反較柔韌，含Sn量約20~32%。

5.青銅器

銅像極家飾用青銅，Cu80~90%,Sn2~8%,Zn1~

12%,Pb1~3%，含Zn提高熔液流動性,鑄件表面文路清晰

6.鏡銅

成分Cu2/3,Sn1/3,古代用以製鏡,加入少量的Ni及As

可以製造科學儀器

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10%左右Al；强度、硬度、

耐磨性、耐热性、耐蚀性都高于

黄铜和锡青铜，无锡青铜中应用

最广的一种。

導電度隨鋁含量降

低，鑄縮率約1.8%，疲勞限強

度與鋼比美，900°C不生銹（表

面生AlO保護膜），300°C時有

可觀強度。

力学性能的影响

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耐蝕零件：

如船舶的唧筒、軸、推進機、活門、化學

工業用具、造紙工業用具、冷凝器管等。

耐熱零件：

如內燃機零件、電氣熔接用之夾具、探照

燈零件等須耐高溫而又耐蝕者。

用於需靭性、耐磨、低磨擦係數、高制震能、高疲勞

強度之零件，如軸承、軸套、齒輪、齒桿、蝸輪、凸滾

子、不銹鋼抽線模等。

無火花工具：

礦山油井、煉油廠、火藥廠等的工具。

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低铝青铜如QAl5、QAl7等，具有一定的强

度，较高的塑性和耐蚀性，一般在压力加工状态

使用，主要用于制造高耐蚀弹性元件；

高铝青铜如QAl9-4、QAl10-4-4等，具有较

高的强度、耐磨性、耐蚀性，主要用于制造齿

轮、轴承、摩擦片、蜗轮、螺旋桨等。

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磷可作為青銅強力脫氧劑，使強度、靭性及對海水、礦

水、硫酸水、硫酸等的耐蝕性增大。

工業用磷青銅有三種：

（a）普通青銅內加磷脫氧，合金內幾乎不含磷。

（b）Sn含量10%以下，含微量磷增加鑄造流動性。

（c）含Sn量10%以上，加入0.3～1.5%之磷，作用軸

承，特別是大荷重軸承、活塞環等。

鍛造用磷青銅含Sn2～10%，P<0.6%；有高耐蝕性、

高彈性限及砲疲勞限，適為壓力計脹管、彈簧、嚙合盤、電

器開關、電車架空線、電器導體、化工器具及銅索等。

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唯一可固溶强化的性能最好的一种铜合金，有很高的

强度、弹性、耐磨性、耐蚀性及耐低温性，良好的导电、

导热性，无磁性、受冲击时不产生火花，具有良好的冷、

热加工和铸造性能；

Be含量1~3%,时效硬化性,抗拉強度可達100kgf/

mm²以上,加入Ni、Sn、Co、Cr等使性質更好。

常用代号QBe2、QBe1.9等；用于制造精密弹簧、膜

片等弹性元件，高速、高温、高压下工作的轴承等耐磨零

件，防爆工具等。

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易

编号为：

B+镍

含量，“B”指

“白铜”,B19

表示含19%Ni

的普通白铜。

切

削

白

铜

锌

白

铜

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Cu-Ni-Al合金，高溫性能優良

Cu-Ni-Si合金，伸長率及導電性佳,

Cu-Ni-Zn合金，機械性質、耐熱、耐蝕、耐疲

结构白铜，优良的耐蚀性和冷热

电工白铜，具有高电阻、高的热

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Cu-Ni-Al合金

含NI10~15%,A12~3%,高溫性能優良,適於內燃機等高溫零件。

Cu-Ni-Si合金

稱為Corson合金或C合金,加入適量的Si,抗拉強度70kgf/mm²以上,

伸長率及導電性佳,製造高強度長跨距輸電線、電車架空電線等。

Cu-Ni-Zn合金

含Cu60~65%、NI5~30%、Zn5-33%稱為白銅或銀，機械性質、耐

熱、耐蝕、耐疲勞性均佳,電阻的溫度係數小，製造彈簧及電熱材料。

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结构白铜包括普通白铜、铁白铜、锌白铜和铝白

铜，具有优良的耐蚀性和冷热加工性能，用于制造

冷凝器、热交换器、医疗器械、耐蚀零件、艺术晶

等。

电工白铜包括普通白铜和锰白铜，具有高电

阻、高的热电势和低的电阻温度系数，广泛用于补

偿导线、热电偶、电阻仪器和加热器等。

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