教学章节41.docx

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教学章节41

教学章节：

第四章4.1纯铜的性能特点

教学内容：

纯铜的性能特点

教学要求：

1、知道纯铜的物理性质；

2、了解纯铜的用途；

3、熟悉纯铜的性能特点。

重点难点：

纯铜的性能特点。

教学过程（板书设计）：

1、纯铜的物理性质

纯铜的新鲜表面是玫瑰红色的，当表面氧化形成氧化亚铜Cu2O膜后就呈紫色，所以纯铜就常被称为紫铜，密度为8-9g/cm3，熔点为1083°C。

纯铜具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。

纯铜产品有冶炼品及加工品两种。

二、纯铜的用途

1、导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；

2、导热性好，常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器、仪表，如罗盘、航空仪表等；

3、塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。

三、纯铜的性能特点

1、纯铜的性能优点

（1）优良的导电、导热性；见下表

名称

Ag

Cu

Al

电阻率（微欧.厘米）

1.59

1.613

2.655

导电率（卡/cm.秒.°C）

1.0

0.98

0.53

由此看出：

Cu的导电、导热仅次于Ag，所以纯铜广泛用于导电器（如：

电线、电缆、电器开关）和导热器（如：

冷凝管、散热管、热交换器）。

（2）良好的耐蚀性

铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在水溶液中不能置换氢，因此，铜在许多介质中化学稳定性好。

铜在大气中耐蚀性良好，暴露在大气中的铜能在表面生成难溶于水、并与基底紧密结合的碱性硫酸铜（即铜绿，CuS04·3Cu（OH）2）或碱性碳酸铜（CuCO3·Cu（OH）2）薄膜，对铜有保护作用，可防止铜继续腐蚀。

铜在淡水及蒸汽中抗蚀性能也很好。

所以野外架设的大量导线、水管、冷凝管等，均可不另加保护。

铜在海水中的腐蚀速度不大，约为0.05mm／a；加入0.15～0.3％As能显著提高铜对海水的抗蚀性。

铜在非氧化性的酸（如盐酸）、碱、多种有机酸（如醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸）中有良好的耐蚀性。

但是，铜在氧化剂和氧化性的酸（如硝酸）中不耐蚀。

氨、氯化铵，氰化物，汞盐的水溶液和湿润的卤素族元素等，均引起铜强烈的腐蚀。

铜在常温干燥空气中几乎不氧化，但当温度超过100℃时开始氧化，并在其表面生成黑色的CuO薄膜。

在高温下，铜的氧化速度大为增加，并在表面上生成红色的Cu20薄膜。

（3）有良好的塑性

退火工业纯铜的拉伸延伸率δ≈50%，所以纯Cu易加工成材。

（4）磁性

为逆磁性物质，磁化率为-0.085×10-6，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器，如罗盘、航空仪器。

铁磁性杂质（Fe、Co、Ni）在铜中呈不溶状态时，即显铁磁性。

用T1或T2铜来作磁性仪表的结构材料。

Fe是危害最大的杂质，应严格限制在0.01％以下。

2、纯铜的机械性能与工艺性能

软态铜：

σb=200～240MPa，35～45HB，δ≈50％，ψ达75％。

硬态铜：

σb≥350～400MPa，110～130HB，延伸率δ=6％。

铜为面心立方晶格，滑移系多，变形易，退火态铜不经中间退火可压缩85～95％而不产生裂纹。

纯铜在500～600℃呈现“中温脆性”，热加工需在高于脆性区温度下进行。

中温脆性是低熔点金属Pb、Bi与Cu生成低熔点共晶、分布在晶界上造成，因在中温区它以液体状态存在于晶界，造成热脆、热裂，而在较高温度时，由于Pb、Bi在Cu中的固溶度增大，微量Pb、Bi又固溶于铜的晶粒内，不造成危害，从而使塑性又升高。

课后习题：

1、纯铜无同素异构转变。

（）

2、纯铜塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。

（）

3、纯铜不具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。

（）

4、纯铜通常是不含有任何的杂质。

（）

教学章节：

第四章4.2杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响

教学内容：

杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响

教学要求：

1、知道纯铜中杂质的来源；

2、了解杂质的分类；

3、理解杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响。

重点难点：

杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响。

教学过程（板书设计）：

1、杂质的来源

1、杂质：

不是有意加入的，纯铜通常含有0.05-0.3%的杂质。

2、微量元素：

为了改善铜的性能，有意加入的某些微量元素。

二、杂质的分类

根据它们在铜中的溶解度及存在状态，分成如下三类：

⑴固溶于铜的杂质及微量元素；

⑵很少固溶于铜，并与铜形成易熔共晶的杂质及微量元素；

⑶几乎不固溶于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质及微量元素。

三、杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响

杂质元素对纯铜塑性的影响，取决于铜与元素的相互作用。

当杂质元素固溶于铜时，影响不大；若杂质元素与铜形成低熔点共晶时，则会产生“热脆”。

若杂质元素与铜形成脆性化合物分布于晶界时，则产生“冷脆”。

磷：

固溶于铜的杂质磷熔点44℃，700℃时磷在铜中的溶解度为1.75％，而200℃时则只溶解0.4％，温度下降磷在铜中的溶解度也下降。

磷显著降低铜的导电、导热性，但对铜的机械性能特别是对焊接性能有益。

磷常作为铜的脱氧剂使用，并提高铜液的流动性。

过量的磷会生成Cu3P脆性化合物，造成“冷脆”，所以过量的磷有害。

砷：

熔点613℃，在固态铜中可溶解7.5％。

少量As对机械性能没明显影响，但显著降低铜的导电、导热性。

砷可提高铜的再结晶温度，提高铜的耐热性；此外，砷显著提高铜的耐蚀性，作冷凝管用的铜管中均加入少量的砷；还可改善含氧铜的加工性能。

锑：

熔点630℃，共晶温度（645℃）下锑在铜中的固溶度11％。

随温度降低，锑在铜中的溶解度急剧降低，并形成脆性Cu3Sb，分布在晶界上而造成“冷脆”。

锑同时造成铜的导电性和导热性的严重降低，导电用铜的含锑量不允许超过0.002％。

铅：

熔点327℃，基本上不溶解于铜，微量的铅与铜形成低熔点共晶组织（Cu＋Pb），共晶温度为326℃，共晶体最后结晶并集中在晶界上，铅呈黑色颗粒状分布在晶界上，热加工时，铅先熔化，使金属晶粒之间的结合力受到破坏，造成“热脆”。

铅限制在0.005～0.05％。

铋：

熔点为271℃，不溶于Cu中，在270℃与Cu生成低熔点共晶（Cu+Bi）。

Bi在低熔点共晶中呈薄膜状分布在铜的晶界上，热加工时，薄膜熔化而造成“热脆”。

Bi本身也是脆性相，使铜在冷态下也会变脆，所以Bi不但造成“热脆”，也造成“冷脆”，对铜危害严重。

铋的极限含量不大于0.002％。

氧：

不固溶于铜，与铜形成高熔点脆性化合物Cu2O，含氧铜冷凝时，氧呈共晶体（Cu+Cu2O）析出，分布在晶界上。

共晶温度很高（1066℃），对热变形性能不产生影响，但Cu2O硬而脆，使冷变形产生困难，致使金属发生“冷脆"。

含氧铜在氢或还原性气氛中退火时，会出现“氢病”。

“氢病”的本质是由于退火时，氢或还原性气氛易于渗入铜中与CuO的氧化合而形成水蒸气或CO2。

100g含氧0.01％的铜在氢气中退火，会形成140cm3的蒸汽。

生成的水蒸汽无法扩散，在铜中形成很高的压力，使铜遭到破坏。

含氧量达0.005％的铜，即出现“氢病”。

根据氧含量和生产方法，纯铜可分无氧铜、脱氧铜和纯铜三类，其中只有无氧铜才能在高温还原性气氛中加工使用。

硫：

形成共晶系相图，共晶温度较高，对铜热变形影响不明显，共晶体（α+Cu2S）集中在晶界上，Cu2S硬而脆，致使金属发生“冷脆”。

硫的最大允许含量为0.005～0.01％。

硒、碲：

在固态铜中的溶解度极小，生成Cu2Se、Cu2Te脆性化合物，凝固时沿晶界析出，造成“冷脆”。

铜中含0.003％硒和0.005～0.003％碲即可使其焊接性能恶化。

课后习题：

1、黄铜中含锌量越高，其强度越高。

（）

2、特殊黄铜是不含有辛元素的黄铜。

（）

3、含锡量大于10%的锡青铜，塑性较差，只适合铸造。

（）

4、含锌量为30%左右的普通黄铜，塑性最好。

（）

教学章节：

第四章4.3氢病

教学内容：

氢病

教学要求：

1、知道氢病的定义；

2、能说出氢病的检验方法；

3、知道防止氢病的方法措施。

重点难点：

杂质元素对纯铜塑性变形性能的影响。

1、氢病定义及产生原因

紫铜在含氢或一氧化碳的还原性气氛中加热时，氢或一氧化碳易与晶界的氧化亚铜（Cu2O）作用，产生高压水蒸气或二氧化碳气体，可使铜破裂。

这种现象常称为铜的“氢病”。

这种现象的产生是由于退火时氢及其它气体渗透到铜的内部，与铜中所含的氧作用，形成水蒸汽或CO2：

二、氢病的检验方法

　　在生产中极为重视对铜中含氧量的检验。

检验的方法有以下几种：

（1）将铜丝或带材放在氢气中加热至820-850oC，保温40分钟，取出后反复进行90oC弯曲试验，曲率半径为铜丝直径或铜带厚度的2.5倍，含氧铜会因“氢病”而变脆，弯曲一、二次即折断，而合格的无氧铜则可弯曲六次以上。

（2）大直径的铜棒可放在氢气中加热至800oC后冷却，含氧铜会因“氢病”而使直径长大，如直径63mm的有氧铜可以增加0.25-0.5mm。

　　（3）金相法检验：

将经过抛光的铜样品在金相显微镜下用普通明场观察时，Cu2O颗粒呈玫瑰色，在偏振光场时为黑十字图象，在放大200倍的视场内，Cu2O颗粒不超过3个时方为合格。

　　（4）表面裂纹金相检查法：

样品经过抛光后在氢气中于840oC退火，保温20分钟，冷却后用200倍显微镜观察，根据试样表面裂纹严重程度分为六级，1、2、3级为合格无氧铜，4级以上为不合格。

三、防止氢病的方法措施

在冶炼时进行脱氧处理、调整加热介质的成分等。

课后习题：

1、简述何为氢病及其产生的原因。

教学章节：

第四章4.4工业纯铜的热处理

教学内容：

工业纯铜的热处理

教学要求：

1、知道工业纯铜的热处理方法及其目的；

2、知道退火过程中的注意事项；

重点难点：

工业纯铜的热处理方法及其目的。

1、工业纯铜的热处理方法及其目的

1、工业纯铜的热处理方法：

再结晶退火

2、退火温度：

一般为500-700℃

3、热处理目的：

为了消除内应力，使金属软化或改变晶粒度。

2、工业纯铜在退火过程中的注意事项

1、为了防止发生氢病，退火前必须将工件认真清洗干净，对于含氧铜，特别是含氧量大于0.02%的铜的退火，不能在木炭或其他还原性气氛保护下进行，只能在微氧化性气氛（例如燃烧完全的煤气炉）中进行，或将退火温度降低到500℃以下。

经验表明，在500℃以下由于氢、碳等元素在固态铜中扩散慢，氢病不容易发生。

2、退火完毕，应迅速将工件转入冷水中冷却，以减少氧化。

三、工业纯铜再结晶退火的影响因素

再结晶退火后铜的晶粒度决定于退火温度和保温时间。

实验表明，退火温度低时（550℃以下），保温时间的影响较小，若退火温度高则保温时间对晶粒度影晌颇大。

所以在高温下退火应尽量缩短保温时间，以避免粗大晶粒。

为了避免出现再结晶结构，退火前的冷变形度不应大于40-60%，退火温度不应超过700℃。

冷变形度越大，退火温度越高，再结晶结构越明显。

课后习题：

1、简述工业纯铜的热处理方法及其目的。

2、简述工业纯铜再结晶退火的影响因素并如何控制。

教学章节：

第四章4.5工业纯铜的牌号及应用

教学内容：

工业纯铜的牌号及应用

教学要求：

1、知道工业纯铜的范畴；

2、了解工业纯铜的用途；

3、能说出工业纯铜的牌号及应用。

重点难点：

工业纯铜的牌号及应用。

一、工业纯铜的定义（范畴）

含铜量大于99.50％的铜，因呈红色，又称赤铜、红铜、紫铜。

常含有氧、硫、铅、砷、铋、磷等杂质。

具有优良的导电性、导热性、适中的机械性能。

二、工业纯铜的用途

广泛用于电器电工领域作导电、导热材料。

用反射炉等火法冶炼铜，用电解法精炼铜。

3、工业纯铜的牌号及应用

组成

牌号

代号

化学成分（%）重量

杂质总和（%）（重量）

用途

铜+银

其它

纯铜

一号铜

T1

≥99.95

≤0.05

1.导电和高纯度合金用,2.导电用,3.一般用

二号铜

T2

≥99.90

≤0.10

三号铜

T3

≥99.70

≤0.30

无氧铜

一号无氧铜

TU1

≤0.03

电真空器件和仪器、仪表用

二号无氧铜

TU2

≤0.05

磷脱

一号脱氧铜

TP1

≥99.90

磷0.005-0.012

≤0.10

焊接等用

氧铜

二号脱氧铜

TP2

≥99.98

磷0.013-0.050

≤0.15

银铜

0.1银铜

TAg0.1

铜≥99.95

银0.06-0.12

≤0.30

教学章节：

第四章4.6铜的合金化

教学内容：

铜的合金化

教学要求：

1、知道合金化的定义及目的；

2、知道铜的合金化及铜合金的类型。

重点难点：

常用的基本二元铜合金

一、合金化的定义

就是在金属中加入合金元素以提高其性能的方法。

2、铜的合金化的目的

纯铜强度不高，要进步提高合金的强度，并保持较高的塑性，就必须在铜中加入适当的合金元素使其合金化。

三、铜的合金化及铜合金的类型

对铜来说，根据合金元素与Cu形成固溶体的情况， 最常用的固溶强化元素有：

Zn、Sn、Al、Be、Ni、Ti 。

因此铜合金常用类型有以下2类

1、常用的基本二元铜合金

（1）Cu-Zn合金，黄铜

（2）Cu-Sn、Cu-Al、Cu-Be，青铜

（3）Cu-Ni，白铜

2、多元铜合金：

以加强、改善某方面的性能。

教学章节：

第四章4.7铜合金的分类及编号

教学内容：

铜合金的分类及编号

教学要求：

1、掌握铜合金的分类；

2、熟悉铜合金的编号及性能特点

重点难点：

铜合金的编号及性能特点

1、铜合金的分类

1、黄铜

简单黄铜和复杂黄铜

简单黄铜：

为Cu—Zn二元合金，以“H”表示，H后面的数字表示合金的平均含铜量如H70表示含铜量为70％，其余为锌。

复杂黄铜：

在Cu-Zn会金中加入少量铅、锡、铝、锰等，组成多元合金。

第三组元为铅的称铅黄铜，为铝的称铝黄铜，如HSn70-1表示含70％Cu、1％Sn、余为锌的锡黄铜。

多元合金则以第三种含量最多的元素相称，如：

HMn57-3－1：

57％Cu、3％Mn、1％Al、余为锌的锰黄铜；

HAl66-6－3－2：

66％Cu、6％Al、3％Fe、2％Mn、余Zn的铝黄铜

2、白铜

铜为基、镍为主要合金元素的铜合金。

以B表示。

如：

B10为10％Ni、余为铜；B30为30%Ni、余Cu的铜镍合金。

3、青铜：

除黄铜、白铜之外的铜合金

按主加元素（如Sn、Al，Be等）命名为锡青铜、铝青铜、铍青铜，并以Q＋主添元素化学符号及百分含量表示，如QSn6.5-0.1为6.5％Sn、0.1％P、余为铜的锡磷青铜。

QA15为5％A1、余为铜的铝青铜。

QBe2为2%Be、余下为铜的铍青铜。

2、各铜合金的编号及性能特点

1、黄铜

改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。

黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。

工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。

为了改善黄铜的某种性能，在一元黄铜的基础上加入其它合金元素的黄铜称为特殊黄铜。

常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。

黄铜可分为铸造和压力加工两类产品。

常用加工黄铜的编号及化学成分见下表：

组别

编号

主要化学成分（%）（重量）

杂质总和（%）（重量）

铜

锌

其它合金元素

普通黄铜

H96

H90

H80

H68

H62

H59

95.0-97.0

88.0-91.0

79.0-81.0

67.0-70.0

60.5-63.5

57.0-60.0

余

量

≤0.2

≤0.2

≤0.3

≤0.3

≤0.5

≤1.0

铅黄铜

HPb63-3

HPb59-1

62.0-65.0

57.0-60.0

余量

铅2.4-3.0

铅0.8-1.9

≤0.75

≤1.0

锡黄铜

HSn62-1

61.0-63.0

余量

锡0.7-1.1

≤0.3

加砷黄铜

HSn70-1

69.0-71.0

余量

锡0.8-1.3,砷0.03-0.06

≤0.3

铝黄铜

HAl60-1-1

58.0-61.0

余量

铝0.7-1.5,砷0.1-0.6,铁0.7-1.5

≤0.7

铁黄铜

HFe59-1-1

57.0-60.0

余量

铁0.6-1.2,铝0.1-0.5,

≤0.3

≤0.5

HFe58-1-1

56.0-58.0

锰0.5-0.8,锡0.3-0.7

锰黄铜

HMn58-2

57.0-60.0

余量

锰1.0-2.0

≤1.2

镍黄铜

HNi65-5

64.0-67.0

余量

镍5.0-6.5

≤0.3

硅黄铜

HSi80-3

79.0-81.0

余量

硅2.5-4.0

≤1.5

2、青铜

锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和好的铸造性能；对过热和气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。

锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。

铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨、耐蚀、耐寒、耐热、无铁磁性，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件。

在铝青铜中加入铁、镍和锰等元素，可进一步改善合金的各种性能。

青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。

常用加工青铜的编号及化学成分见下表

组别

编号

主要化学成分（%）（重量）

杂质总和（%）（重量）

锡

铝

锰

其它

锡青铜

QSn4-3

QSn4-4-2.5

QSn6.5-0.1

QSn6.5-0.4

2.5-4.5

3.0-5.0

6.0-7.0

6.0-7.0

铅1.5-3.5

锌2.7-3.3

锌3.0-5.0

磷0.10-0.25

磷0.26-0.40

≤0.3

≤0.2

≤0.1

≤0.1

铝青铜

QA15

QA17

QA19-2

QA19-4

QA110-3-1.5

4.0-6.0

6.0-8.0

8.0-10.0

8.0-10.0

8.5-10.0

1.5-2.5

1.0-2.0

铁2.0-4.0

铁2.0-4.0

≤1.6

≤1.6

≤1.7

≤1.7

≤1.7

锰青铜

QMn1.5

QMn5

1.2-1.8

4.5-5.5

≤0.3

≤0.9

硅青铜

QSi1-3

QSi3-1

硅0.6-1.1

硅2.7-3.5

0.1-0.4

1.0-1.5

≤0.5

≤1.1

铍青铜

QBe2

铍1.80-2.10

镍0.2-0.5

≤0.5

3、白铜

铜镍二元合金称普通白铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。

工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。

白铜多经压力加工成白铜材，常用加工白铜的编号、化学成份见下表

组别

代号

主要化学成分（%）

杂质总和

（%）

镍+钴

铁

锰

铝

锌

铜

普

通

白

铜

B0.6

B5

B19

B25

0.57-0.63

4.4-5.0

18-20

24-26

余量

≤0.1

≤0.5

≤1.3

≤1.8

铁白铜

BFe10-1-1

BFe30-1-1

9-11

29-32

1-1.5

0.5-1

0.5-1

0.5-1.2

余量

≤0.7

≤0.7

锰

白

铜

BMn3-12

BMn40-1.5

BMN43-0.5

2-3.5

39-41

42-44

0.2-0.5

11.5-13.5

1-2

0.1-1

硅0.1-0.3

余量

≤0.5

≤0.9

≤0.6

锌

白

铜

BZn15-20

BZn15-21-1.8

BZn15-24-1.5

113.5-16.5

14-16

12.5-15.5

铅1.5-2

铅1.4-1.7

0.05-0.5

余量

62-65

60-63

58-60

≤0.9

≤0.9

≤0.75

铝白铜

BAl13-3

BA16-1.5

12-15

5.6-6.5

≤1.9

≤1.1

课后习题:

1、简述下铜合金的分类