铜及铜合金的特性及加工牌号介绍

纯铜具有优良的导电性和导热性。铜及铜合金具有良好的强度、塑性、压力加工性和耐磨性，易于成形与焊接。在压力容器和热交换器中主要利用铜优良的耐蚀性、导热性能和低温性能。

铜的标准电极电位为+0.345V，比氢高，在酸中不发生放氢反应，因此在没有氧存在的条件下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐蚀的（但在氧化性酸中不耐蚀）。在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，生成可溶性的络离子Cu（NH3）42+，故不耐蚀。铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体及潮湿的大气中会受腐蚀。

铜在低温下能保持较高的塑性和冲击韧度，是制造深冷设备的良好材料。

按传统的分类方法，铜及铜合金分纯铜、黄铜、白铜和青铜4大类。按照其使用的状态或成形的方法，又可分为铸造铜合金及加工铜合金两大类。

压力容器常用的铜和铜合金有纯铜、黄铜、锡青铜、铝青铜、硅青铜、白铜等。由于铜及铜合金的力学性能和工艺性能好，能用于压力容器的牌号很多。当用于压力容器受压元件时，铜及铜合金均应采用退火状态。

我国的加工铜及铜合金牌号按紫、黄、青、白分类标注，牌号组成见表2-9。

美国（UNS编号）加工铜及铜合金以字母+数字表示具体编号，见表2-10。

表2-9 我国的加工铜及铜合金牌号

①铜质量分数随着顺序号的增加而降低。

②元素质量分数为名义质量分数。

表2-10 美国加工铜及铜合金编号

1.加工铜

加工铜是供压力加工用的纯铜，铜的质量分数为99.90%～99.99%。铜在室温轻微氧化后呈紫红色（因此俗称紫铜），常含有少量的脱氧剂或其他微量元素。国家标准中加工铜有9个牌号，即3个纯铜牌号、3个无氧铜牌号、2个磷脱氧铜牌号和1个银铜牌号。纯铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，可用于化学工业。另外，纯铜有良好的焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。

纯铜塑性极好，可以进行冷热压力加工。纯铜中的铅、铋杂质与铜形成共晶体，当铜进行热加工时，易发生热脆现象。硫、氧与铜易形成脆性化合物，冷加工时产生冷脆。纯铜只能以冷作硬化的方式进行硬化。热处理只限于再结晶退火。

纯铜冶炼产品和加工铜的牌号、代号、化学成分参见GB/T5231—2001《加工铜及铜合金化学成分与产品形状》。较为常用的纯铜牌号和化学成分见表2-11。

表2-11 常用的纯铜牌号和化学成分

2.加工黄铜

铜和锌的合金叫黄铜，其颜色随含锌量的增加，由黄红色变为淡黄色。如果合金只有铜和锌组成，称普通黄铜。工业上使用的黄铜的锌含量均在50%以下。普通黄铜力学性能比纯铜高，价格也便宜。为了改善普通黄铜的性能，铜锌合金中加入锡、锰、铝多元合金就成为特殊黄铜。特殊黄铜有锡黄铜、铅黄铜、锰黄铜、铝黄铜等。锡黄铜主要用作高强、耐蚀冷凝管，热交换器，船舶零件等。铝黄铜以HA177-2用量最大，主要是制成高强、耐蚀的管材，广泛用作海船和发电站的冷凝器等。

黄铜具有良好的工艺性能、力学性能、耐蚀性、导电性和导热性，黄铜还具有价格便宜、色泽美丽的优点，是有色金属中应用最广的合金材料之一。黄铜在大气、淡水或蒸汽中有很好的耐蚀性，腐蚀速度约为0.0025～0.025mm/a，在海水中的腐蚀速度略有增加，约为0.0075～0.1mm/a。黄铜具有良好的力学性能，易加工成形。例如：H68塑性特别好，适于用冷冲压或深冲拉深法制造各种形状复杂的零件，大量用作枪弹壳和炮弹筒；H96、H90和H85具有良好的电导率、热导率和耐蚀性，有足够的强度和良好的冷、热加工性能，大量用来制作冷凝管、散热管、散热片、冷却设备及导电零件等；H70、H68具有高的塑性和较高的强度，冷成形性能特别好，适于用冷冲压或深拉深法制造各种形状复杂的零件：H62具有较高的强度，在热态下塑性良好，冷态下塑性也比较好，切削加工性好，耐蚀，易焊接，其板材、棒材、管材、线材等供工业大量使用，应用广泛。

黄铜根据工艺性能、力学性能和用途的不同，分为加工用黄铜和铸造用黄铜。常用加工黄铜的牌号和化学成分见表2-12。

表2-12 常用加工黄铜的牌号和化学成分

3.加工青铜

青铜是人类最早应用的一种合金。所谓青铜最早是指铜-锡合金，颜色呈青灰色，故称为青铜。但现在，工业上应用了大量含铝、硅、铍、锰和铅的铜基合金，习惯上亦称青铜。为了区别起见，人们把铜-锡合金称为锡青铜，其他的称为无锡青铜，或依加入的元素不同，分别称为铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。(www.xing528.com)

锡青铜的铸造性能、减摩性能和力学性能均好，适合于制造轴承、蜗轮、齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用于铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高，导电性好，适于制造精密弹簧和电接触元件，铍青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。铍青铜可以热处理强化，经800℃固溶处理，形成单相的固溶体，具有优异的塑性，可以制成形状复杂的零件。硅青铜可在冷加工状态下或铸造状态下使用，一般不进行热处理强化。

青铜所加入的合金元素含量控制在铜的溶解度范围内，所获得的合金基本上是单相组织，能保持青铜应有的综合性能。

常用的青铜牌号和化学成分见表2-13。

表2-13 常用的青铜牌号和化学成分

（续）

4.加工白铜

白铜即铜镍合金。铜镍组成的二元合金叫普通白铜，此基础上加入铁、锌、铝、锰等元素的就分别称之为铁白铜、锌白铜、铝白铜和锰白铜。

普通白铜的特点是力学性能好，具有较高的耐蚀性、抗腐蚀疲劳性能，以及优良的冷热加工性能，色泽美观。这种白铜广泛用于制造精密机械、化工机械和船舶构件。B5、B19等常用来制作在蒸汽和海水环境下工作的精密机械、仪表零件及冷凝器、蒸馏器、热交换器。常用白铜的牌号和成分见表2-14。

表2-14 白铜的牌号和化学成分

5.铸造铜

铸造铜合金的表示方法与加工铜合金不同，它不分青铜、白铜，而是以ZCu为首，后面跟其他元素符号，元素符号后面的数字是该元素在合金中的平均质量分数（%）。如ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。部分铸造铜的牌号和化学成分见表2-15。

表2-15 部分铸造铜的牌号和化学成分

6.铜和铜合金的其他性能

（1）力学性能

纯铜的抗拉强度较低，但比纯铝高，在低温下具有足够的强度和韧性。冷作硬化后强度提高，但韧性下降。合金化后，通过固溶强化处理，合金的力学性能高于纯铜。黄铜的强度要高于纯铜，黄铜的力学性能与锌含量有关，含锌量（质量分数）30%～32%的黄铜既有良好的塑性又有良好的强度，含锌量（质量分数）超过45%时，其塑性和强度都很低。锡青铜的力学性能与其含锡量有关，含锡量（质量分数）在5%～6%时，拉伸强度与伸长率都随含锡量的增加而增加，超过此范围塑性会下降。普通白铜有较好的强度和优良的塑性，而且低温力学性能较好。

纯铜和黄铜用于压力容器受压元件时，其设计温度不高于200℃。

（2）焊接性能

由于铜及铜合金导热性强，液态时具有较强的吸气性及一定的氧化性，而且高温时合金元素易氧化烧损，其强度和塑性剧烈下降，脆性增加，容易引起焊接裂纹及气孔等缺陷。铜氧化后生成的氧化亚铜与铜形成低熔点共晶体，分布在晶界上，使塑性降低，会引起裂纹。

铜及铜合金具有很高的导热性，比碳钢约大58倍，故焊接时必须采用热量集中的热源。铜及铜合金的线膨胀系数比钢约大0.5倍。铜合金中的合金元素（锌、锡、铅、铝及锰等）比铜更易氧化、蒸发和烧损，使合金成分发生变化，引起焊接性能下降，并促使热裂纹、气孔以及夹渣等缺陷的产生。

铜在液态时能溶解大量氢气，但在凝固和冷却过程中，溶解度大大降低。当焊缝金属冷却较快时，过剩的氢气来不及逸出，就会在焊缝及熔合区聚集后形成气孔。高温时，氧化亚铜与气体（H₂、CO）反应，生成不溶解于铜液中的水蒸气和二氧化碳气体。若这些气体在焊缝金属凝固前，未能全部逸出，就会在焊缝中形成气孔。

铜及铜合金焊接时，焊缝金属容易形成粗大的树枝状结晶，同时焊缝金属的合金元素（锡等）或杂质在晶界上的偏析，以及氧化亚铜与铜形成的低熔共晶体分布在晶界上，易在焊缝及融合区产生热裂纹。另外，铜在高温时的低强度和低塑性及过饱和氢的聚集析出等作用，也是形成裂纹的因素。

工业纯铜焊接时，热影响区宽，需要预热。焊接时黄铜中的锌易蒸发，故焊接黄铜常用气焊。白铜导热性能接近碳钢，容易焊接，不需预热，但对磷、硫敏感，焊接时易形成裂纹。铝青铜中的铝和锡青铜中的锡，极易氧化，焊接时，应采用含脱氧剂的焊丝。