按铜合金的成形方法可将其分为变形铜合金及铸造铜合金。除高锡、高锰、高铅等专用铸造铜合金外,大部分的铜合金既可用作变形铜合金,又可用作铸造铜合金。工业中常按化学成分特点或者主加元素对铜合金分类,包括黄铜、青铜和白铜三大类。
①黄铜
黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金,根据其成分特点又分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是指Cu-Zn二元合金,其中Zn的质量分数小于50%,牌号以“H”加数字表示,数字代表Cu的质量分数(以百分数表示)。如H62表示 w (Cu)=62%和 w (Zn)=38%的普通黄铜。特殊黄铜是在普通黄铜的基础上又加入Al、Mn、Si、Pb等元素的黄铜,其牌号以“H+主加元素的化学符号+Cu的质量分数及主加元素质量分数”表示。如HMn58-2表示 w (Cu)=58%和 w (Mn)=2%,其余为Zn的特殊黄铜。若材料为铸造黄铜,则在其牌号前加“Z”,如ZH62、ZHMn58-2。
a.普通黄铜。普通黄铜的性能与其中Zn的质量分数有关。一般来说,当Zn的质量分数低于32%时,黄铜为单相α黄铜,其具有良好的力学性能,易进行各种冷、热加工,并对大气、海水具有相当好的耐蚀能力,且成本低,色泽美丽,但强度较低。常用的黄铜有H62、H68、H80等。其中H62被誉为“商业黄铜”,广泛用于制作水管、油管、散热器垫片及螺钉等;H68强度较高,塑性好,适于经冷冲压或冷拉伸制造各种复杂零件,曾大量用于制作弹壳,有“弹壳黄铜”之称;H80因色泽美观,故多用于制作镀层及装饰品。
对于普通黄铜,当其Zn的质量分数为32%~47%时,低温下塑性较低,不能进行冷变形加工,但可进行热变形加工(<500℃),一般轧成板材、棒材,再经切削加工制成各种耐蚀零件,如螺钉、弹簧等。
普通黄铜易产生脱锌腐蚀和应力腐蚀。采用低锌黄铜或加入少量的Mg形成致密氧化膜来避免或抑制脱锌腐蚀;黄铜零件采用260~280℃去应力退火(或表面喷丸)或表面沉积防护层(如电镀Zn、Sn)可以防止应力腐蚀。
b.特殊黄铜。特殊黄铜按主要的辅加元素又分为锰黄铜、铝黄铜、铅黄铜、硅黄铜等。这些元素的加入除可不同程度地提高黄铜的强度、硬度外,其中Al、Sn、Mn、Ni等元素还可提高合金的耐蚀性和耐磨性;Mn用于提高耐热性;Si可改善合金的铸造性能;Pb则改善了材料的切削加工性能和润滑性等。生产中特殊黄铜常用于制造螺旋桨、紧压螺帽等船用重要零件和其他耐蚀零件。
②青铜
青铜是指以除Zn和Ni以外的其他元素为主要合金元素的铜合金,其牌号为“Q+主加元素符号+主加元素的质量分数”(若后面还有数字,则为其他辅加元素的质量分数);若为铸造青铜,则在牌号前再加“Z”。青铜合金中,工业用量最大的为锡青铜和铝青铜,强度最高的为铍青铜。
a.锡青铜。Sn的质量分数是决定锡青铜性能的关键,Sn的质量分数为5%~7%的锡青铜塑性最好,适用于冷、热变形加工;而Sn的质量分数大于10%时,合金强度升高,但塑性却很低,只适于作铸造用。锡青铜在大气、海水和无机盐类溶液中有极好的耐蚀性,但在氨水、盐酸和硫酸中耐蚀性较差。
b.铝青铜。根据合金的性能特点,铝青铜中Al的质量分数一般控制在12%以下。铝青铜强度高、韧性好、疲劳强度高、受冲击不产生火花,在大气、海水、碳酸及多数有机酸中有比黄铜和锡青铜更好的耐蚀性。因此铝青铜在结构件上应用极广,主要用于制造在复杂条件下工作且要求高强度、高耐磨、高耐蚀的零件和弹性零件,如齿轮、摩擦片、蜗轮、弹簧和船用设备等。
c.铍青铜。铍青铜是指Be的质量分数为1.7%~2.5%的铜合金,其时效硬化效果极为明显,通过淬火时效,可获得很高的强度和硬度,抗拉强度可达1250~1500MPa,硬度可达350~400HBS,远远超过了其他铜合金,且可与高强度合金钢相媲美。由于铍青铜没有自然时效效应,因此其一般供应态为淬火态,易于成形加工,可直接制成零件后再时效强化。
铍青铜不但强度、硬度高,而且有很高的疲劳强度和弹性极限,弹性稳定、滞后小,导热性、导电性好,无磁性,耐磨、耐蚀、耐寒、耐冲击,因此被广泛地用于制造精密仪器仪表的重要弹性元件,耐磨、耐蚀零件,航海罗盘仪中的零件和防爆工具等。但其生产工艺复杂,价格昂贵。
③白铜
白铜是指以Ni为主要合金元素(质量分数低于50%)的铜合金,按成分可将白铜分为简单白铜和特殊白铜。简单白铜即铜镍二元合金,其牌号以“B+数字”表示,后面的数字表示Ni的质量分数,如B30表示Ni的质量分数为30%的铜合金;特殊白铜是在简单白铜的基础上加入了Fe、Zn、Mn、Al等辅助合金元素的铜合金,其牌号以“B+主要辅加元素符号+Ni的质量分数(以百分之几表示)+主要辅加元素质量分数”表示,如BFe5-1,表示 w (Ni)=5%、 w (Fe)=1%的白铜合金。
白铜按用途又可分为耐蚀白铜和电工白铜两类。
a.耐蚀结构用白铜。耐蚀结构用白铜主要为简单白铜,其具有较高的化学稳定性、耐腐蚀疲劳性,且冷热加工性能优异,其主要用于制造海水和蒸汽环境中的精密仪器仪表零件,热交换器和高温高压工作的管道。常用的有B5、B19及B30。若在上述合金中加入少量Fe、Zn、Al、Nb等元素,则会进一步改善白铜的使用性能和某些工艺性能。
b.电工用白铜。白铜的高电阻、高热电势和极小的电阻温度系数使其成为重要的电工材料,已广泛用于制造电阻器、低温热电偶及其补偿线、变阻器和加热器等电工器件。常用的有B16等简单白铜,以及BMn3-12(锰铜)、BMn40-1.5(康铜)和BMn43-0.5(考铜)等。