銅基合金

以銅為基加入一定量其他元素組成的合金。銅合金強度中等，易於加工，較耐疲勞，色澤美觀，並具有良好的電導性、熱導性和耐蝕性，是重有色金屬材料中的一個重要分支。銅合金廣泛使用於工業各部門中，其產量僅次於鋼鐵和鋁，是金屬材料中的第三大合金類別。

基本介紹

• 中文名：銅基合金
• 外文名：copper alloy
• 學科：材料科學
• 強度：中等
• 套用：各種工業部門
• 類型：有色金屬

銅基合金性能

銅合金具有較好的導電、導熱性能，中等的力學性能和較高的化學穩定性，切削性能較差。隨著添加合金元素的種類不同和數量多寡，各種銅合金的性能有較大的差異。

電導性

銅合金是較好的電導體。純銅的電導率在100%～103%IACS(IACS的定義見銅)。添加任何固溶合金元素都會降低銅的電導率，單位原子濃度的降低量，主要取決於合金元素對銅晶格的影響，在固溶範圍內隨添加量增加而加大。

色澤

銅具有美麗的玫瑰紅色澤，添加鋅、鋁、鎳、等合金元素後，色澤向金黃色和銀白色轉變，因而可用於製作各種裝飾品和錢幣。

強度 銅合金具有中等強度，退火狀態下的工業純銅的抗拉強度在240MPa左右。通過固溶強化、加工硬化、沉澱硬化(包括亞穩分解)、細化晶粒和彌散強化等途徑，可提高銅合金的強度。冷加工既可以單獨用來硬化合金，亦可以與沉澱硬化或亞穩分解共同作用實現強化。

銅中添加任何固溶合金元素都會提高銅的強度，單位原子濃度對銅切變模量強化程度與所添加的元素和銅的原子尺寸之差有關。

切削性 一般銅合金的切削性較差，添加鉛、硫、碲等元素能改善銅合金的切削性。根據切削性的好壞，變形銅合金可分為3類：(1)切削性在70%以上的易切削合金，包括含鉛、硫或碲的易切削銅，易切削黃銅，各種鉛黃銅和含鉛在2%左右的青銅和鋅白銅等;(2)切削性在30%～60%的中等切削性合金，包括含銅60%～85%的黃銅和含鉛1%左右的青銅和鋅白銅等;(3)切削性在20%以下的難切削性合金，包括低鋅黃銅、鋅白銅、錫青銅、銅鎳合金和鈹青銅等(一般以易切削黃銅的切削性為100%作比較)。

抗應力鬆弛性

純銅的抗應力鬆弛性能較差，添加能提高銅軟化溫度或原子尺寸與銅相差大的可溶元素能提高銅的抗應力鬆弛能力。鈹青銅、白銅和鋅白銅的抗應力鬆弛性能最好，其次是錫青銅和錫黃銅，再其次是矽青銅，普通黃銅的抗應力鬆弛性能最差。就應力鬆弛能力這點而言，銅合金的最高使用溫度約為200℃。抗應力鬆弛能力低的黃銅，只能用於製作稍高於室溫的零件，鈹青銅和加錫、矽、鋁或鋅的三元銅鎳合金，即使在目前器件常用的最高溫度下，其抗應力鬆弛的能力仍然相當高。

分類

根據添加合金元素的種類，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅三類。黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金;白銅是以鎳為主要合金元素的銅合金;青銅是除黃銅和白銅以外的其他銅合金。為與國際標準一致，中國國家標準GB 11086—89把銅和銅合金分為銅、銅鋅合金(黃銅)、銅錫合金(青銅)、銅鋁合金、銅鎳合金、銅鎳鋅合金(鎳銀)和特殊銅合金七類。當前在工業上仍沿用原分類方法。另外，銅合金材料還可根據用途和性能單獨劃分出銅釺料、超塑性銅合金和功能銅合金等類別。

用途

一些黃銅、青銅和白銅廣泛用於製造汽車散熱器、換熱器以及需要快速穿過或沿著金屬傳導熱量的各種工業裝置的部件。黃銅、一些青銅和白銅用於製造需要耐蝕的冷凝器、管道和閥門等輸送氣液體系統中。專用的銅合金，如銅釺料用作釺焊金屬之用，超塑性銅合金通過超塑成形製成各種器件，功能銅合金用來製作錢幣、裝飾品、樂器等。此外，各種銅合金還是機械工業不可缺少的材料，用以加工成彈簧、緊固件、墊等各種機械零件。

實例

銅鈹合金

銅鈹合金是一種過飽和固溶體銅基合金，是機械性能，物理性能，化 學性能及抗蝕性能良好結合的有色合金，經固溶和時效處理後，具有與特 殊鋼相當的高強度極限、彈性極限、屈服極限和疲勞極限，同時又具備有 高的導電率，導熱率，高硬度和耐磨性，高的蠕變抗力及耐蝕性，廣泛套用 於製造各類模具鑲嵌件，替代鋼材製作精度高，形狀複雜的模具，焊接電極 材料壓鑄機，注塑機沖頭，耐磨耐蝕工件，微電機電刷，手機電池、電腦接 外掛程式，各類開關觸點等，是國民經濟建設中不可缺少的重要工業材料。

1) 銅鈹合金的化學成分

銅鈹合金的化學成分與力學性能見表：

2) 銅鈹合金的特點

①銅鈹合金是屬過飽和固溶體銅基合金，力學、物理、化學綜合性能 良好，合金密度8.3 g/cm，電導率≥18%IACS，導熱率≥105 w/m·k (20℃)，無磁性，硬度36～42 HRC。固溶時效處理後具有很高強度、耐磨 性、耐熱性、耐寒性、彈性極限和疲勞極限，彈性滯後小，碰擊時無火花， 易於焊接和釺焊。

②銅鈹合金在大氣、淡水和海水中耐蝕性極好，海水耐蝕速度為 (1.1～1.4)×10 mm/年，腐蝕深度為 (10.9～13.8)×10 mm/年。腐 蝕後，合金強度、延伸率均無變化。在硫酸介質中，在<80%濃度的硫酸 中 (室溫)年腐蝕深度為0.0012～0.1175mm，濃度>80%則腐蝕稍加快。

3) 銅鈹合金的熱處理工藝

①固溶處理： 鈹銅工件加熱到800℃～815℃，並恆溫2～3 h，使鈹完 全溶解於銅中，形成均勻分布狀態。

②淬火工藝： 出爐後，將工件在水中急速冷卻，使鈹原子來不及擴散， 形成過飽和狀態。

③時效處理： 在真空熱處理爐將過飽和狀態工件加熱至較低的時效溫 度340℃±5℃，因過飽和狀態不穩定，額外的鈹原子短距地擴散並析出， 經保溫2～3 h，析出的過量鈹和銅將達到平衡，此時的機械性能明顯提高。

4) 銅鈹合金的套用

銅鈹合金具有優良的使用性能和工藝性能。常用來製造鋅基合金壓鑄 模、不鏽鋼器皿的拉伸模和塑膠注塑成型模具的內鑲件、模心、壓鑄沖頭、 熱流道冷卻系統、導熱嘴、吹塑模具的整體型腔、磨耗板等。亦用於製造 膜片、膜盒、彈簧管、彈簧等各種彈性元件。

簡史

銅合金是最古老的金屬材料之一。根據在埃及和西亞出土文物了解，大約在公元前6000年就有鍛造的自然銅製件出現;公元前5000年開始使用青銅器皿。公元前1世紀，當時居住在黑海海岸附近的民族曾用鋅礦石加入銅中製造黃銅。16世紀時，英國人愛本耐爾(E.Ebener)提出改用鋅直接加入銅的方法生產黃銅。

中國在公元前1200年前商朝時期，就能合理使用金、銅、錫、鉛四種金屬，青銅(銅錫合金)冶鑄技術已達成熟階段。公元前1世紀，西漢開始使用含鋅礦石煉製黃銅。3、4世紀東漢三國時，張揖所著《廣雅》 一書中記載的“鋈”即為白銅中之一種(銅鋅鎳合金)。4、5世紀南北朝的煉丹士，已能用爐甘石即碳酸鋅礦石直接加入銅中煉得黃銅。明代用鋅直接加入銅鎳合金中製成鋅白銅，並出口到歐洲，後為德國仿製，國外有人誤名為德國銀(german silver)。

19世紀末，隨著鋁的大量生產，鋁青銅也開始問世。20世紀20年代，美國人科森(M.G.Corson)和德國人達爾(O.Dahl)等研製成強度高、導電性能較好的鈹青銅，在銅合金中開發了沉澱硬化的新品種。70年代中期，美國人普柳(J.T.Plew)等在前人研究的基礎上，研製成了在工業上套用的、性能與鈹青銅相近的亞穩分解的銅鎳錫合金。