黃銅

從利用純銅,到冶煉銅礦石獲得純銅,再到冶煉出青銅合金,人類經(jīng)歷了相當(dāng)漫長(zhǎng)的一段摸索時(shí)光,就好比是魔法世界里用銅一點(diǎn)一點(diǎn)地打造一個(gè)閃閃發(fā)光的時(shí)空隧道。
目前世界上最早的冶煉銅發(fā)現(xiàn)于中國(guó)的陜西。1973年,在陜西臨潼姜寨文化遺址中,發(fā)現(xiàn)了一塊半圓形黃銅片和一塊黃銅管狀物,年代測(cè)定為公元前4700年左右。值得指出的是,最近在上海光源,采用X射線熒光面掃描分析,發(fā)現(xiàn)姜寨黃銅片不同區(qū)域的鋅含量差異顯著,而鉛元素呈零星點(diǎn)狀分布,其特征與固態(tài)還原法制備的黃銅完全相同,從而證明先民在使用天然金屬與發(fā)明金屬鑄造之間,都曾采用熱煅法或固體還原法冶煉金屬。
我國(guó)最早用黃銅鑄錢(qián)開(kāi)始于明嘉靖年間。
“黃銅”一詞最早見(jiàn)于西漢東方朔所撰的《申異經(jīng)·中荒經(jīng)》:“西北有宮,黃銅為墻,題日地皇之宮。”
這種“黃銅”指的是何種銅合金,待考!缎绿茣(shū)·食貨志》又有‘青銅”、“黃銅”的稱謂,分別指礦石顏色和冶煉產(chǎn)品,坑有殊名,山多眾樸”,指的是火法煉制的純銅。
黃銅一詞專指銅鋅合金,則始于明代,其記載見(jiàn)于《明會(huì)典》:“嘉靖中則例,通寶錢(qián)六百萬(wàn)文,合用二火黃銅四萬(wàn)七千二百七十二斤……!蓖ㄟ^(guò)對(duì)明代銅錢(qián)成分的分析,發(fā)現(xiàn)《明會(huì)典》中所說(shuō)的鑄錢(qián)種真正意義上的黃銅的出現(xiàn)較其它幾種銅合金晚很多,這是因?yàn)辄S銅中金屬鋅的獲得比較困難。
氧化鋅在950℃一1000℃的高溫下才能較快地被還原成金屬鋅,而液態(tài)鋅在906℃時(shí)已經(jīng)沸騰,所以還原得到的金屬鋅以蒸氣狀存在。在冷卻時(shí)反應(yīng)逆轉(zhuǎn),蒸氣鋅為爐中的二氧化碳再氧化成氧化鋅,因此要得到金屬鋅必須有特殊的冷凝裝置。這是金屬鋅的使用比銅、鉛、錫、鐵的使用晚得多的原因,也是黃銅鑄幣出現(xiàn)較晚的原因之一。
商周時(shí)期銅器的含鋅量都很低,一般在10-z數(shù)量級(jí)。西漢、新莽的錢(qián)中有板個(gè)別的銅鋅甘金錢(qián),其中有的錢(qián)幣中鋅的含量達(dá)到7%,但是這并不能說(shuō)明黃銅鑄錢(qián)產(chǎn)生于西漢新莽之際。因?yàn)檫@些銅鋅合金是極個(gè)別現(xiàn)象,其含鋅量又普遍較真正意義上的黃銅含鋅量15%一40%要小得多。所以我們認(rèn)為這些含鋅的銅錢(qián)是漢代在“即山鑄錢(qián)”中使用銅鋅共生礦時(shí)產(chǎn)生的。據(jù)對(duì)有關(guān)礦山進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn),山東的昌濰、煙臺(tái)、臨沂及湖北等地都有資源豐富的銅鋅共生礦,這就使冶煉后的銅含有一小部分鋅。到了唐代,由于鑄錢(qián)材料的規(guī)范化,使所鑄行的錢(qián)幣中鋅的含量均為恒量。
從約公元1230年起,黃銅制品在歐洲流行了約300年之久,因?yàn)樗鼈儽却笮偷牡袼芷繁阋说枚唷J加?231年的威爾普大主教的銅像,是人們所知的用黃銅制作的最早的銅像。鑄造黃銅制品的過(guò)程是這樣的:先把粉碎的鋅礦和木炭跟銅塊混合起來(lái)加熱,使鋅和銅結(jié)合在一起,再加熱使合金熔融,然后將銅液灌入鑄模。英國(guó)最早的黃銅器是進(jìn)口的,主要是從圖爾內(nèi)進(jìn)口。委托人可以從圖爾內(nèi)訂購(gòu)已經(jīng)裝在漂亮的底板或大理石底座里的完整的墓碑。制作銅制墓碑的辦法,是先鑄好銅像,通常還要鑄好周?chē)襞锏募粲?再把它放在預(yù)制的石板里,用刀子在銅像上面刻出人的細(xì)部。有時(shí)銅像的手和面部要使用雪花石膏或其他鑲嵌材料。銅像完全做好后,用裝在鉛栓里的暗銷(xiāo)固定在石頭底座上。銅像本身放在一層瀝青上。很大的銅像就分段鑄造,然后接合起來(lái)。
普通黃銅是銅鋅二元合金,其含鋅量變化范圍較大,因此其室溫組織也有很大不同。根據(jù)Cu-Zn二元狀態(tài)圖(圖6),黃銅的室溫組織有三種:含鋅量在35%以下的黃銅,室溫下的顯微組織由單相的α固溶體組成,稱為α黃銅;含鋅量在36%~46%范圍內(nèi)的黃銅,室溫下的顯微組織由(α+β)兩相組成,稱為(α+β)黃銅(兩相黃銅);含鋅量超過(guò)46%~50%的黃銅,室溫下的顯微組織僅由β相組成,稱為β黃銅。
壓力加工性能
α單相黃銅(從H96至H65)具有良好的塑性,能承受冷熱加工,但α單相黃銅在鍛造等熱加工時(shí)易出現(xiàn)中溫脆性,其具體溫度范圍隨含Zn量不同而有所變化,一般在200~700℃之間。因此,熱加工時(shí)溫度應(yīng)高于700℃。單相α黃銅中溫脆性區(qū)產(chǎn)生的原因主要是在Cu-Zn合金系α相區(qū)內(nèi)存在著Cu3Zn和Cu9Zn兩個(gè)有序化合物,在中低溫加熱時(shí)發(fā)生有序轉(zhuǎn)變,使合金變脆;另外,合金中存在微量的鉛、鉍有害雜質(zhì)與銅形成低熔點(diǎn)共晶薄膜分布在晶界上,熱加工時(shí)產(chǎn)生晶間破裂。實(shí)踐表明,加入微量的鈰可以有效地消除中溫脆性。
兩相黃銅(從H63至H59),合金組織中除了具有塑性良好的α相外,還出現(xiàn)了由電子化合物CuZn為基的β固溶體。β相在高溫下具有很高的塑性,而低溫下的β′相(有序固溶體)性質(zhì)硬脆。故(α+β)黃銅應(yīng)在熱態(tài)下進(jìn)行鍛造。含鋅量大于46%~50%的β黃銅因性能硬脆,不能進(jìn)行壓力加工。
力學(xué)性能
黃銅中由于含鋅量不同,機(jī)械性能也不一樣,圖7是黃銅的機(jī)械性能隨含鋅量不同而變化的曲線。對(duì)于α黃銅,隨著含鋅量的增多,σb和δ均不斷增高。對(duì)于(α+β)黃銅,當(dāng)含鋅量增加到約為45%之前,室溫強(qiáng)度不斷提高。若再進(jìn)一步增加含鋅量,則由于合金組織中出現(xiàn)了脆性更大的r相(以Cu5Zn8化合物為基的固溶體),強(qiáng)度急劇降低。(α+β)黃銅的室溫塑性則始終隨含鋅量的增加而降低。所以含鋅量超過(guò)45%的銅鋅合金無(wú)實(shí)用價(jià)值。
普通黃銅的用途極為廣泛如水箱帶、供排水管、獎(jiǎng)?wù)、波紋管、蛇形管、冷凝管、彈殼及各種形狀復(fù)雜的沖制品、小五金件等。隨著鋅含量的增加從H63到H59,它們均能很好地承受熱態(tài)加工,多用于機(jī)械及電器的各種零件、沖壓件及樂(lè)器等處。
為了提高黃銅的耐蝕性、強(qiáng)度、硬度和切削性等,在銅-鋅合金中加入少量(一般為1%~2%,少數(shù)達(dá)3%~4%,極個(gè)別的達(dá)5%~6%)錫、鋁、錳、鐵、硅、鎳、鉛等元素,構(gòu)成三元、四元、甚至五元合金,即為復(fù)雜黃銅,亦稱特殊黃銅。
鋅當(dāng)量系數(shù)
復(fù)雜黃銅的組織,可根據(jù)黃銅中加入元素的“鋅當(dāng)量系數(shù)”來(lái)推算。因?yàn)樵阢~鋅合金中加入少量其他合金元素,通常只是使Cu-Zn狀態(tài)圖中的α/(α+β)相區(qū)向左或向右移動(dòng)。所以特殊黃銅的組織,通常相當(dāng)于普通黃銅中增加或減少了鋅含量的組織。例如,在Cu-Zn合金中加入1%硅后的組織,即相當(dāng)于在Cu-Zn合金中增加10%鋅的合金組織。所以硅的“鋅當(dāng)量”為10。硅的“鋅當(dāng)量系數(shù)”最大,使Cu-Zn系中的α/(α+β)相界顯著移向銅側(cè),即強(qiáng)烈縮小α相區(qū)。鎳的“鋅當(dāng)量系數(shù)”為負(fù)值,即擴(kuò)大α相區(qū)。
特殊黃銅中的α相及β相是多元復(fù)雜固溶體,其強(qiáng)化效果較大,而普通黃銅中的α及β相是簡(jiǎn)單的Cu-Zn固溶體,其強(qiáng)化效果較低。雖然鋅當(dāng)量相當(dāng),多元固溶體與簡(jiǎn)單二元固溶體的性質(zhì)是不一樣的。所以,少量多元強(qiáng)化是提高合金性能的一種途徑。
鉛實(shí)際不溶于黃銅內(nèi),呈游離質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布在晶界上。鉛黃銅按其組織有α和(α+β)兩種。α鉛黃銅由于鉛的有害作用較大,高溫塑性很低,故只能進(jìn)行冷變形或熱擠壓。(α+β)鉛黃銅在高溫下具有較好的塑性,可進(jìn)行鍛造。
錫黃銅
黃銅中加入錫,可明顯提高合金的耐熱性,特別是提高抗海水腐蝕的能力,故錫黃銅有“海軍黃銅”之稱。
錫能溶入銅基固溶體中,起固溶強(qiáng)化作用。但是隨著含錫量的增加,合金中會(huì)出現(xiàn)脆性的r相(CuZnSn化合物),不利于合金的塑性變形,故錫黃銅的含錫量一般在0.5%~1.5%范圍內(nèi)。
常用的錫黃銅有HSn70-1,HSn62-1,HSn60-1等。前者是α合金,具有較高的塑性,可進(jìn)行冷、熱壓力加工。后兩種牌號(hào)的合金具有(α+β)兩相組織,并常出現(xiàn)少量的r相,室溫塑性不高,只能在熱態(tài)下變形。
錳黃銅
錳在固態(tài)黃銅中有較大的溶解度。黃銅中加入1%~4%的錳,可顯著提高合金的強(qiáng)度和耐蝕性,而不降低其塑性。
錳黃銅具有(α+β)組織,常用的有HMn58-2,冷、熱態(tài)下的壓力加工性能相當(dāng)好。
鐵黃銅
鐵黃銅中,鐵以富鐵相的微粒析出,作為晶核而細(xì)化晶粒,并能阻止再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大,從而提高合金的機(jī)械性能和工藝性能。鐵黃銅中的鐵含量通常在1.5%以下,其組織為(α+β),具有高的強(qiáng)度和韌性,高溫下塑性很好,冷態(tài)下也可變形。常用的牌號(hào)為Hfe59-1-1。
鎳黃銅
鎳與銅能形成連續(xù)固溶體,顯著擴(kuò)大α相區(qū)。黃銅中加入鎳可顯著提高黃銅在大氣和海水中的耐蝕性。鎳還能提高黃銅的再結(jié)晶溫度,促使形成更細(xì)的晶粒。
HNi65-5鎳黃銅具有單相的α組織,室溫下具有很好的塑性,也可在熱態(tài)下變形,但是對(duì)雜質(zhì)鉛的含量必須嚴(yán)格控制,否制會(huì)嚴(yán)重惡化合金的熱加工性能。
測(cè)量黃銅的純度可以用阿基米德原理測(cè)量,測(cè)量出樣品的體積和質(zhì)量,再根據(jù)銅的密度和鋅的密度計(jì)算可以得出黃銅中所含銅的比例。
普通黃銅
它是由銅和鋅組成的合金。
當(dāng)含鋅量小于35%時(shí),鋅能溶于銅內(nèi)形成單相α,稱單相黃銅,塑性好,適于冷熱加壓加工。
當(dāng)含鋅量為36%~46%時(shí),有α單相還有以銅鋅為基的β固溶體,稱雙相黃銅,β相使黃銅塑性減小而抗拉強(qiáng)度上升,只適于熱壓力加工。
若繼續(xù)增加鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù),則抗拉強(qiáng)度下降,無(wú)使用價(jià)值。
代號(hào)用“H+數(shù)字”表示,H表示黃銅,數(shù)字表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
如H68表示含銅量為68%,含鋅量為32%的黃銅,鑄造黃銅則在代號(hào)前加“Z”字,如ZH62。
如ZCuZnzn38表示含鋅量為38%,余量為銅的鑄造黃銅。
H90、H80屬于單相黃銅,金黃色。
H59屬于雙相黃銅,廣泛用于電器上的結(jié)構(gòu)件,如螺栓,螺母,墊圈、彈簧等。
一般情況下,冷變形加工用單相黃銅,熱變形加工用雙相黃銅。
特殊黃銅
在普通黃銅中加入其它合金元素所組成的多元合金稱為黃銅。常加入的元素有鉛、錫、鋁等,相應(yīng)地可稱為鉛黃銅、錫黃銅、鋁黃銅。加合金元素的目的。主要是提高抗拉強(qiáng)度改善工藝性。
代號(hào):為“H+主加元素符號(hào)(除鋅外)+銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)+主加元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)+其它元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)”表示。
如:HPb59-1表示銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%,含主加元素鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,余量為鋅的鉛黃銅。
環(huán)保黃銅C26000 C2600塑性優(yōu)良,強(qiáng)度較高,切削加工性好,焊接,耐蝕性好,熱交換器,造紙用管,機(jī)械,電子零件。
規(guī)格(mm):規(guī)格:厚度:0.01-2.0mm,寬度:2-600mm;
硬度:O、1/2H、3/4H、H、EH、SH等;
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江蘇偉昌銅鋁有限公司