黄铜合金及其性能特点

黄铜是以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。黄铜有良好的工艺性能、力学性能和耐蚀性，有的还有较高的导电性和导热性。黄铜是工业上应用最广的一种铜合金，Zn在Cu中的最大固溶度可达39%（456℃）。改变黄铜中锌的含量可以得到不同力学性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。黄铜中锌含量不超过45%（质量分数），锌含量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。含锌低于36%（质量分数）的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含锌30%（质量分数）的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌为36%~42%（质量分数）的黄铜由固溶体组成，其中最常用的是含锌40%（质量分数）的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。在黄铜中加1%（质量分数）的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡还能改善黄铜的可加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善可加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的力学性能、热稳定性和耐蚀性；在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得到表面光洁的铸件。

黄铜可分为铸造黄铜和加工黄铜两类产品。普通加工黄铜的代号以“黄”字的汉语拼音字头“H”加数字表示，数字代表铜的质量分数；特殊黄铜的代号以“H”+主加元素符号+铜的质量分数+主加元素的质量分数来表示。此外，对于铸造生产的黄铜，其代号前需加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。其后加基体元素Cu，再后为主要合金元素符号，数字为元素的平均质量分数。

普通加工黄铜是铜锌二元合金。Cu-Zn二元合金相图如图6-23所示。α相是锌溶入铜中形成的固溶体，锌的溶解度随温度变化而变化，在456℃（溶解度最大为39%Zn）以下降温，溶解度略有下降。β相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，具有体心立方晶格，当温度降至456~468℃以下时，发生有序化转变，β相转化为有序固溶体β′相，硬且脆，难以进行冷加工变形。γ相是以电子化合物CuZn₃为基的固溶体，具有六方晶格，更脆，强度和塑性极差。工业上使用的黄铜中Zn的含量一般不超过47%（质量分数），否则因性能太差而无使用价值。Zn含量小于36%（质量分数）的合金为单相α黄铜，如图6-25和图6-26所示。Zn含量为36%~46%（质量分数）的合金为双相（α+β）黄铜，其铸态组织如图6-27和图6-28所示。

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图6-23　Cu-Zn三元合金相图

铜中加入少量铝（质量分数为：0.7%~3.5%）可在合金表面形成致密并和基体结合牢固的Al₂O₃氧化膜，提高对气体、溶液、特别是对海水的耐蚀性。铝有细化晶粒的作用，可防止退火时晶粒粗化，还可提高合金的硬度和强度。铜锌二元黄铜加铝后，由于铝的锌当量较高，所以加铝后，将使α及（α+β）区域间的边界向铜的方向显著移动，也就是含锌量虽少，但加若干铝后已能获得α+β两相组织，甚至是β或β+γ组织。其组织如图6-29所示。