銅及銅合金具有優異的導電、導熱、耐蝕等特性以及良好的工藝性能、力學性能，廣泛應用於電力、電子、通訊、化工、機械、交通運輸、海洋工程、航空航天、建築裝飾等領域。在經濟建設、科技領域和人類生活中發揮著巨大作用，特別是隨著人類文明的進步和物質文化生活水平的提高，銅及銅合金越來越成為重要的基礎金屬材料。


   
銅及銅合金的性能與其金相組織有著極為密切的內在聯繫。檢驗分析和控制不同狀態下的金相組織，對於提高金屬材料的產品質量、改進生產工藝、研制新型材料、準確選用材料等具有重要的實際意義。


   
原《銅及銅合金金相圖譜》一書於1983年由原洛陽銅加工廠中心實驗室金相組編寫、冶金工業出版社出版，該書全面詳盡地介紹了當時我國銅及銅合金的合金繫列、牌號、成分、組織以及生產過程中出現的各種缺陷。作為銅及銅合金金相組織研究的基礎和權威著作，20多年來，該書指導了我國銅及銅合金的材料研制和生產控制，得到業界的廣泛認同，是廣大工程技術人員的工具書。


   
改革開放後，國內銅加工企業、科研院所自主研發的新型銅合金和直接引進國外成熟的合金數量龐大。這些新型銅合金，大部分是在銅中添加微量素的微合金化銅和高銅合金，以及具的復雜合金，他們具有復雜的組織和相變特征。原圖譜滿足不了新合金組織分析的需要，因此有必要編寫新的銅及銅合金金相圖譜。按照國家“十一五”重點圖書出版規劃，中南大學出版社組織《中國有色金屬叢書》的出版要求，由中鋁洛陽銅業有限公司負責編寫新的《加工銅及銅合金金相圖譜》。


   
本書共分6章：第1章概述；第2章紫銅的金相組織；第3章黃銅的金相組織；第4章青銅的金相組織；第5章白銅的金相組織；第6章常見缺陷。

第1章 概述

1.1 加工銅及銅合金的分類和牌號

1.1.1 我國加工銅及銅合金的分類和牌號

1.1.2 美國材料與試驗協會標準加工銅及銅合金的分類

1.1.3 其他國際組織和國家銅及銅合金的分類

1.1.4 各國加工銅及銅合金牌號的對照

1.2 銅及銅合金的相、 相圖及相組成

1.2.1 銅及銅合金中的相及其晶體結構

1.2.2 銅合金相圖

1.2.3 銅及銅合金的相組成

1.3 銅及銅合金各種狀態的組織特點

1.3.1 銅及銅合金的鑄造組織   

1.3.2 銅及銅合金的壓力加工組織

1.3.3 銅合金的熱處理組織

第2章 紫銅的金相組織

2.1 紫銅的牌號和化學成分

2.2素和雜質的影響

2.2.1素和雜質對銅的性能的影響

2.2.2素與銅的作用特點

2.2.3 氫素與銅的作用特點

2.3 紫銅的組織與相組成

2.3.1 純銅、 無氧銅與磷脫氧銅

2.3.2 銀銅

2.3.3 碲銅

2.3.4 硫銅

2.3.5 鋯銅

2.3.6 鐵銅(Cu-Fe-P繫合金)

2.3.7 鎂銅

2.3.8  錫銅

2.3.9 彌散強化銅

2.3.10 鉻銅與鉻鋯銅

2.3.11 鎳鉻銅

2.3.12 鈹銅

2.3.13 鉛銅

2.3.14 鈦銅

2.3.15 鎘銅

第3章 黃銅的金相組織

3.1 黃銅的牌號和化學成分

3.2 普通黃銅

3.2.1 普通黃銅的組織及相組成

3.2.2 黃銅的工藝性能

3.2.3 黃銅的耐蝕性

3.3 復雜黃銅

3.3.1 錫黃銅

3.3.2 鉛黃銅

3.3.3 鋁黃銅

3.3.4 錳黃銅

3.3.5 鐵黃銅

3.3.6 鎳黃銅

3.3.7 硅黃銅

3.3.8 環保易切削黃銅

第4章 青銅的金相組織

4.1 青銅的牌號和化學成分

4.2 錫青銅

4.2.1 合金的組織及相組成

4.2.2素對錫青銅的影響

4.3 鋁青銅

4.3.1 合金的組織及相組成

4.3.2素對鋁青銅的影響

4.4 硅青銅

4.4.1 合金的組織及相組成

4.4.2素對硅青銅的影響

4.5 鎳硅青銅(Cu-Ni-Si繫合金)

4.6 錳青銅

第5章 白銅的金相組織

5.1 白銅的牌號和化學成分

5.2 普通白銅

5.2.1 普通白銅的組織

5.2.2素對白銅的影響

5.3 復雜白銅

5.3.1 鐵白銅

5.3.2 鋁白銅

5.3.3 鋅白銅

5.3.4 錳白銅

第6章 常見缺陷

6.1 鑄造制品缺陷

6.1.1 偏析

6.1.2 氣孔

6.1.3 縮孔與縮松

6.1.4 夾雜

6.1.5 裂紋

6.1.6 冷隔

6.1.7 晶粒不均

6.1.8 其他表面缺陷

6.2 加工制品常見缺陷

6.2.1 過熱與過燒

6.2.2 裂紋與開裂

6.2.3 夾雜

6.2.4 異物壓入

6.2.5 鼓泡

6.2.6 分層

6.2.7 脫鋅

6.2.8 腐蝕

6.2.9 氧化

6.2.10 起皮、 起刺

6.2.11 起皺

6.2.12 麻面

6.2.13 機械損傷

6.2.14 成分不均、 組織不均

6.2.15 燒黏、 撕裂

6.2.16 綠鏽、 印痕、 污斑

6.2.17 壓折、 壓漏

6.2.18 輥印

6.2.19 板形缺陷

6.2.20 板帶材側邊缺陷

6.2.21 管材偏心、 破肚

6.2.22 型材扭擰

6.2.23 表面環狀痕

6.2.24 凸筋

6.2.25 過酸洗、 酸洗不良

6.2.26 應力腐蝕開裂

6.2.27 擠制品縮尾

6.2.28 斷口缺陷

參考文獻

附錄

第1章 概述

1.1 加工銅及銅合金的分類和牌號

銅及銅合金的種類和牌號繁多, 不同國家和國際組織的分類和命名各不相同, 其中代表性且比較統一的標準有:
中國國家標準(GB)、美國材料與試驗協會標準(ASTM)、 國際標準化組織標準(ISO)、 德國工業標準(DIN)、
日本工業標準(JIS)、英國標準(BS)、 法國標準(NF)、 俄羅斯標準(ΓOCT)以及歐共體(歐盟)標準(EN)等。

上述9類標準的牌號表示方法可概括分為3大類: ①按紫、 黃、 青、 白分類標注。如中國標準(GB)、 俄羅斯標準(ΓOCT);③以字母+數字表示。如美國ASTM、 日本JIS、 英國BS(數字無特定含意)。

在這些標準中, 除中國國家標準(GB)外, 對我國影響較大的是美國材料與試驗協會標準(ASTM)。

1.1.1 我國加工銅及銅合金的分類和牌號

我國傳統上按合金繫劃分為紫銅(純銅和高銅)、
黃銅、青銅和白銅4大類。牌號命名是以“銅的種類代號+化學符素含量或順序號”來表示, 其中紫銅(純銅和高銅)以“T”表示,
黃銅以“H”表示 , 青銅以“Q”表示, 白銅以“B”表示。

純銅和高銅的具體命名方法為: 純銅以“T+順序號”命名; 無氧銅以“TU+順序號” 命名; 磷脫氧銅以“TP+順序號” 命名;
添素的純銅和高銅以“T素化學符號素含量” 命名。

黃銅的具體命名方法為: 普通黃銅以“H+銅含量”命名;
復雜黃銅以“H+第二素化學符號+除鋅素含量(數字間以“-”隔開)”命名。

青銅以“Q+素化學符號+除銅素含量(數字間以“-”隔開)”命名。

白銅以“Q+素化學符號+除銅素含量(數字間以“-”隔開)”命名。

表1-1給出了加工銅及銅合金的牌號組成及示例。

表1-1 加工銅及銅合金的牌號組成

 

在加工銅及銅合金的牌號前冠以“鑄造”一詞漢語拼音的個大寫字母“Z”表示鑄造銅及銅合金的牌號,
冠以“再生”英文單詞regenerative的個大寫字母“R”表示再生銅及銅合金的牌號。

為了便於同ASTM接軌, 我國同時對銅及銅合金以代號來表示, 方法為“字母T+5位阿拉伯數字”,
5位阿拉伯數字同ASTM對應牌號相一致。

加工銅及銅合金的代號範圍為“T10000~T79999”, 鑄造銅及銅合金的代號範圍為“T80000~T99999”。

加工銅及銅合金代號的具體命名按表1-2的規定。

表1-2 加工銅及銅合金代號的命名

 

紫銅包括純銅和高銅, 純銅又細分為普通純銅、 無氧銅及脫氧銅、 添加微素的微合金化銅,
其銅含量大於等於99.3%。參照美國ASTM標準, 定義銅含量在99.3%~96.0%之間的合金為高銅合金。

黃銅是以鋅為主素的銅合金, 分為普通黃銅和復雜黃銅兩大類。普通黃銅即Cu-合金,
復雜黃銅是在Cu-Zn基礎上添素形合金。青銅是以除鋅和鎳以素為主素的銅合金。白銅是以鎳為主素的銅合金,
Cu-合金稱為普通白銅, 在普通白銅基礎上添素形成諸如鋅白銅、 鐵白銅白銅。

除了國標列出的202個銅及銅合金牌號外, 近幾年來國內銅加工企業、 科研院所自主研發的新型銅合金數量龐大, 據不完全統計,
近10年來申請專利的新型合金就達70餘個, 同時生產企業直接引進國外成熟的合金牌號也有一定的數量,
極大地豐富了我國銅及銅合金家族。新研發和引進的銅合金大部分的復雜合金, 具有優良性能或特殊功能,
比如同步器齒環材料、發動機散熱材料、 高速鐵路材料、 框架材料等,
銅合金材料的功能性得到了強化。每一類功能材料往往是由多個牌號組成的繫列, 比如框架材料包含了TP2、 KFC、 TFe0.1、
TFe2.5、 C70250等數10種牌號, 它們分屬於不同的合金類別。另外隨著專業化生產趨勢的不斷發展, 合金繫列化程度在迅速提高,
為適應不同用戶不同生產線工藝條件的要求, 對銅合金材料的成分進行微調, 形成細化分類的合金繫列。

1.1.2 美國材料與試驗協會 (ASTM) 標準加工銅及銅合金的分類

美國UNS編號制度(ASTM E527)規定, 銅及銅合金均采用5位數字作為代號, 表示為“C+XXXXX(五位數字)”, 其中,
加工銅為“C10000~C15999”, 加工銅合金為“C16000~C79999”。

分類和具體編號情況如表1-3所示。

表1-3 ASTM銅及銅合金的分類和編號

 

1.1.3 其他國際組織和國家銅及銅合金的分類

(1)國際標準化組織標準(ISO)

國際標準化組織標準(ISO 1190/1—1982)規定,
銅及銅合金的牌號用材料的化學成分表示素和主要素應采用國素符號,
其後加上表示金屬特征的字母或表示合金名義成分的數字。加工銅及銅合金牌號的組成如表1-4所示。

表1-4 ISO加工銅及銅合金分類和牌號

 

2)德國。在德國工業標準中, 有色金屬材料的表示方法有兩個體繫。一種是素符號、 標記字母和阿拉伯數字組成的牌號;
另一種是7位數字代號繫統。在現行的DIN技術標準文件中, 兩種體繫並用, 相互對照列出。

1)素為基礎的牌號表示方法, 見表1-5。

表1-5 德國素為基礎的表示方法

 

2)數字代號表示方法。采用7位數字代號的形式如下: X?XXXX?XX(即: 組別號?類別號?附加號)。

其中: 組別號——共分為10大組, 銅及銅合金為第2組;

類別號——表示具體合金, 主要根據材料的化學成分、 制備方式編制;

附加號——用以標記諸如熔煉、 澆注、 熱處理的方式及有否加工硬化和外形、 表面狀況等。

銅及銅合金的具體數字代號如表1-6所示。

表1-6 德國數字代號表示方法

 

3)日本。采用銅的英文Copper的首字母C+4位數字表示, 即:
C+XXXX(4位數字)。其表示方法與美國UNS編號基本相同(少2位數字)。

位數字表示合金繫列, 用1~9表示。各數字的含意如下: 1——純銅、 高銅繫合金; 2——銅鋅繫合金; 3——銅鋅鉛繫合金;
4——銅鋅錫繫合金; 5——銅錫繫、 銅錫鉛繫合金; 6——銅鋁繫、 銅硅繫、 特殊銅鋅繫合金; 7——銅鎳繫、 銅鎳鋅繫合金; 8、
9——尚未使用。

4)英國。英國對有色金屬牌號沒有制定統一的表示方法標準, 隻有一些籠統的原則,
加工銅及銅合金的牌號即由“銅類型的字母代號+3位數字順序號” 表示。

字母代號代表的含意如下: C——純銅; CA——鋁青銅; CB——鈹青銅; CC——鉻青銅; CN——銅鎳合金(白銅);
CS——硅青銅; CZ——黃銅; NS ——鋅白銅; PB——磷青銅。

順序號數字本身沒有確定含意, 僅表示同一繫列中不同成分的金屬和合金。

5)法國。法國規定的加工銅及銅合金牌號,
原則上由銅素符號和表示材料類型的字母代號或素化學符號及其名義含量成分數字組成。牌號的組成如表1-7所示。


表1-7 法國加工銅及銅合金的分類和牌號

 

6)俄羅斯。俄羅斯是以素或產品名稱的俄文字母代素含量或順序號”表示。牌號的組成如表1-8所示。

表1-8 俄羅斯加工銅及銅合金的分類和牌號

 

常用的銅及銅合金俄文字母代號如表1-9所示。

表1-9 常用銅及銅合金俄文字母代號

 

7)歐共體。兩種表示方法: 素為基礎的牌號表示方法(同ISO); 數字代號表示方法,
CW+XXX+特定英文大寫字母。

1.1.4 各國加工銅及銅合金牌號的對照

附表1-1給出各國加工銅及銅合金相應牌號的對照。

由於各國使用的加工銅及銅合金類別上基本相近但又不完全一致, 對照表主要依據主成分素成分是否相同或相近而定,
而不素的含量完全相同, 僅是近似的對照。

1.2 銅及銅合金的相、 相圖及相組成

1.2.1 銅及銅合金中的相及其晶體結構

在銅及銅合金中, 除紫銅和彼此無限固溶的銅-鎳(白銅)外, 鋅、 錳、 鋁、 鈣、 锗、 硅、 鎵、素亦能大量固溶於銅中,
而形成α單相合金。

α相為面心立方晶格的固溶體, 素的不同, 性能有很大的差異。通常其塑性較高, 冷變形時極易加工硬化, 晶內出現大量滑移帶,
經退火後呈典型的孿晶組織。

鑄態下的某些合金會在α相基體上出現少量非平衡相,
通常經高溫或長時間退火後即行消失(如某些黃銅出現的γ相及某些錫青銅出現的α+δ共析體)。但素含量過高或相變進行的特別緩慢,
則第二相可能殘留(如在H68中偶爾見到的β相)。

氧、 硫、 鉛、素在多數合金中均被視作有害雜質, 它們含量很少也會與銅形成共晶。含量甚微時,
又多呈離異共晶形態出現於晶界或枝晶網絡。

在銅角與銅形成共晶的常素還有磷、 砷、 鈰、 鉻、 鋯、 鈦、 鐠等。合金不同, 共晶形態差異很大。

鋅、 鈷、 鐵、 鎵、 锗素在銅角與銅發生包晶反應, 其中Cu-Zn包晶反應(即黃銅的包晶反應)為典型。

當鋅含量或鋅當量超過36%時, 黃銅即為多相合金, 其組織由α、 β、
γ及某些遊離相所組成(如鉛相、鐵相等)。β相為體心立方結構。以β相為基的合金, β相界面平直, 晶粒呈規則形狀的多面體,
再結晶退火後不出現孿晶。α+β黃銅中, β相的含量和分布形態, 會影響黃銅的強度和塑性。γ相為復雜立方結構, 多呈顆粒狀或星花狀、
性脆而硬、 對加工不利, 通常隻在復雜黃銅中出現。

青銅除少量為單相合金外, 其餘多由兩個以至更多的相組成。其中鈹青銅中的γ相、 BeNi相、 Be2Ti相, 硅青銅中的Ni2Si相,
鈦青銅中的Cu3Ti相, Cr青銅中的Cr相, 鋯青銅中的Cu3Zr相等的固溶度, 隨溫度的升降有明顯的改變,
生產中可借淬火及時效處理使合金強化。而硅青銅中的Mn2Si相, 鎘青銅中的Cu2Cd相等其固溶度雖然隨溫度的升降變化很大,
但強化效果並不顯著。

青銅中還有些相實際是高溫下的平衡相, 如鈹青銅中的β相, 硅青銅中的K相, 錫青銅中的δ相等按狀態圖在室溫下應已分解,
但由於相變過程緩慢, 有些在實際生產中相變根本無法實現, 因而在組織中得以保留。

多相鋁青銅是銅合金中組織及相變過程為復雜的合金。隨著冷卻條件和化學成分的改變會產生“自發退火”、 “馬氏體相變”以及相的脫溶等現像,
並出現α、 γ2、 β′、 β1、 Fe3Al、
K等組成相。鋁鐵鎳青銅中的K相還會素的含量的不同而影響其析出形態。

近來研究的彌散無氧銅, 是利用加入彌散強化相Al2O3來提高材料的強度的。研究結果表明: 彌散相間的距離為20~50原子間距時,
材料具有的屈服極限。

在銅加工制品實際金相分析中常見到3類相: α固溶體、 其他端際固溶體和金屬間化合物。

銅的α固溶體是常見的相之一, 大部分變形銅合金的組織均為以α固溶體為基, 其上分布有其他端際固溶體, 如Cr相、
Pb相質點或Cu素形成的金屬間化合物。α固溶體為置換固溶體, 晶體結構與純銅一致, 為面心立方結構, 由於溶入素原子,
因而晶格常數有所改變。幾素在銅中均能形成置換固溶體, 素在銅中固溶度差別較大, 比如Ni與Cu能無限互溶, Zn在
Cu中的溶解度達39%, Al在 Cu中的溶解度達9%,
而Pb在固態銅中幾乎不溶。可通過查閱相素在銅中的溶解情況。

在大多數液態產生混溶間隙(雙液區)以及發生共晶反應、 包晶反應但無中間相的銅合金繫中固態第二相均為端際固溶體。常見的有: ①Pb相。
Pb在Cu中固溶度極小, 常以單質相存在; ②Ag相。Ag在Cu中有較大固溶度, 若無存在,
從過飽和固溶體析出的第二相或共晶中除α固溶體的第二相外均為以Ag為基的固溶體; ③Fe相。Fe在Cu中有一定固溶度,
若無或存在與Fe無化合作用的, 則銅中含Fe量超過一定值後, 組織中就會出現單質Fe相,
這種Fe相實際上是溶有一定量銅的α-Fe固溶體; ④Cr相。鉻與銅不產生任何化合物,
共晶中的Cr和從過飽和固溶體中析出的Cr均是以質點形式; ⑤Bi相。Bi與Cu在固態基本上均不互溶,
少量Bi以單獨質點形式存在。

脹?轄鷸械慕鶚艏浠?銜鍤親鈧匾?囊煥嘞啵?對合金性能貢獻較大, 是研究的重點。它們在相圖中表現為一根豎線, 可用化學分子式表示,
比如Cu5Zn8、 Cu31Sn8、 Cu3P、 Al4Cu9等, 也有很多呈現出一定成分範圍的單相區,
即可以形成以這種化合物為基的二次固溶體。

表1-1銅合金的金屬間化合物及其晶體結構

 

1.2.2 銅合金相圖

1.銅相圖

目前研究的銅相圖有50多個, 常用到的大約有十幾個, 對這些相圖進行研究分類, 大致可分為以下類型:

1)液態產生混溶間隙且無中間相生繫。屬於此類的有Cu-Cr、 Cu-Pb、 Cu-Ti、 Cu-繫。

2)形成連續固溶體或大範圍固溶繫。屬於此類的有Cu-Au、 Cu-Mn、 Cu-Ni、 Cu-Pd、 Cu-Pt、
Cu-R繫。

3)產生共晶反應但無中間繫。包括Cu-Ag、 Cu-B、 Cu-Bi、 Cu-L繫。

4)產生包晶反應但無中間繫。包括Cu-Co、 Cu-Fe、 Cu-In、 Cu-N繫。

5)生成中間繫。其中相圖銅側發生共晶反應的有Cu-Al、 Cu-As、 Cu-Ca、 Cu-稀土金屬、 Cu-Mg、
Cu-O、 Cu-S、 Cu-P、 Cu-Se、 Cu-Sb、 Cu-Pu、 Cu-Th、 Cu-U、
Cu-Z繫。相圖銅側發生包晶反應的有Cu-Ba、 Cu-Be、 Cu-Cd、 Cu-Ga、 Cu-Ge、 Cu-In、
Cu-Si、 Cu-Sn、 Cu-Sr、 Cu-Ti、 Cu-Z繫。

6)相圖銅側發生偏晶反應且生成中間繫為Cu-Te繫。

7)在液態和固態銅中僅有極微溶解繫有Cu-C和Cu-H繫。

在本書以後的章節中將依據合金類別介紹相圖以利於金相組織分析。

2.銅相圖
通過溫度變化相的變化來研究合金相變過程和終相組成。銅合金以銅為基, 其素含量較少,
相圖銅角部分是研究的重點。

主相圖有20幾種, 本書將根據實際組織分析的需要有選擇性的介紹。

1.2.3 銅及銅合金的相組成

銅及銅合金的相組成是由基體(固溶體)、 其他端際固溶體和金屬間化合物等組成。實際的顯微組織是由化學成分和工藝條件決定的,
影響的因素較多, 往往還有不均勻分布的過量的純金屬顆粒、 各類氧化夾雜以及外來異物等。在分析過程中, 要結合具體的情況進行具體分析,
表1-11給出常見銅及銅合金的一般理論相組成。

表1-11 常見銅及銅合金的相組成