黄铜是由什么组成的?有什么性质?有什么用途?

Question

黄铜是由什么组成的?有什么性质?有什么用途?

Answer 1

黄铜是由铜和锌所组成的合金.如果只是由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜.如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜.如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金.黄铜有较强的耐磨性能.特殊黄铜又叫特种黄铜,它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强.还有切削加工的机械性能也较突出.由黄铜所拉成的无缝铜管,质软、耐磨性能强.黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管.制造板料、条材、棒材、管材,铸造零件等.含铜在62%～68%,塑性强,制造耐压设备等.
根据黄铜中所含合金元素种类的不同,黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜两种.压力加工用的黄铜称为变形黄铜.
1．普通黄铜
（1）普通黄铜的室温组织 普通黄铜是铜锌二元合金,其含锌量变化范围较大,因此其室温组织也有很大不同.根据Cu－Zn二元状态图（图6）,黄铜的室温组织有三种：含锌量在35%以下的黄铜,室温下的显微组织由单相的α固溶体组成,称为α黄铜；含锌量在36%～46%范围内的黄铜,室温下的显微组织由（α+β）两相组成,称为（α+β）黄铜（两相黄铜）；含锌量超过46%～50%的黄铜,室温下的显微组织仅由β相组成,称为β黄铜.
（2）压力加工性能 α单相黄铜（从H96至H65）具有良好的塑性,能承受冷热加工,但α单相黄铜在锻造等热加工时易出现中温脆性,其具体温度范围随含Zn量不同而有所变化,一般在200～700℃之间.因此,热加工时温度应高于700℃.单相α黄铜中温脆性区产生的原因主要是在Cu-Zn合金系α相区内存在着Cu3Zn和Cu9Zn两个有序化合物,在中低温加热时发生有序转变,使合金变脆；另外,合金中存在微量的铅、铋有害杂质与铜形成低熔点共晶薄膜分布在晶界上,热加工时产生晶间破裂.实践表明,加入微量的铈可以有效地消除中温脆性.
两相黄铜（从H63至H59）,合金组织中除了具有塑性良好的α相外,还出现了由电子化合物CuZn为基的β固溶体.β相在高温下具有很高的塑性,而低温下的β′相（有序固溶体）性质硬脆.故（α+β）黄铜应在热态下进行锻造.
含锌量大于46%～50%的β黄铜因性能硬脆,不能进行压力加工.
（3）机械性能 黄铜中由于含锌量不同,机械性能也不一样,图7是黄铜的机械性能随含锌量不同而变化的曲线.对于α黄铜,随着含锌量的增多,σb和δ均不断增高.对于（α+β）黄铜,当含锌量增加到约为45%之前,室温强度不断提高.若再进一步增加含锌量,则由于合金组织中出现了脆性更大的r相（以Cu5Zn8化合物为基的固溶体）,强度急剧降低.（α+β）黄铜的室温塑性则始终随含锌量的增加而降低.所以含锌量超过45%的铜锌合金无实用价值.
2．特殊黄铜
为了提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等,在铜-锌合金中加入少量（一般为1%～2%,少数达3%～4%,极个别的达5%～6%）锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素,构成三元、四元、甚至五元合金,即为复杂黄铜,亦称特殊黄铜.
（1）锌当量系数 复杂黄铜的组织,可根据黄铜中加入元素的“锌当量系数”来推算.因为在铜锌合金中加入少量其他合金元素,通常只是使Cu-Zn状态图中的α/（α+β）相区向左或向右移动.所以特殊黄铜的组织,通常相当于普通黄铜中增加或减少了锌含量的组织.例如,在Cu-Zn合金中加入1%硅后的组织,即相当于在Cu-Zn合金中增加10%锌的合金组织.所以硅的“锌当量”为10.硅的“锌当量系数”最大,使Cu-Zn系中的α/（α+β）相界显著移向铜侧,即强烈缩小α相区.镍的“锌当量系数”为负值,即扩大α相区.
（2）特殊黄铜的性能 特殊黄铜中的α相及β相是多元复杂固溶体,其强化效果较大,而普通黄铜中的α及β相是简单的Cu-Zn固溶体,其强化效果较低.虽然锌当量相当,多元固溶体与简单二元固溶体的性质是不一样的.所以,少量多元强化是提高合金性能的一种途径.
（3）几种常用的特殊变形黄铜的组织和压力加工性能
铅黄铜：铅实际不溶于黄铜内,呈游离质点状态分布在晶界上.铅黄铜按其组织有α和（α+β）两种.α铅黄铜由于铅的有害作用较大,高温塑性很低,故只能进行冷变形或热挤压.（α+β）铅黄铜在高温下具有较好的塑性,可进行锻造.
锡黄铜：黄铜中加入锡,可明显提高合金的耐热性,特别是提高抗海水腐蚀的能力,故锡黄铜有“海军黄铜”之称.
锡能溶入铜基固溶体中,起固溶强化作用.但是随着含锡量的增加,合金中会出现脆性的r相（CuZnSn化合物）,不利于合金的塑性变形,故锡黄铜的含锡量一般在0.5%～1.5%范围内.
常用的锡黄铜有HSn70-1,HSn62-1,HSn60-1等.前者是α合金,具有较高的塑性,可进行冷、热压力加工.后两种牌号的合金具有（α+β）两相组织,并常出现少量的r相,室温塑性不高,只能在热态下变形.
锰黄铜：锰在固态黄铜中有较大的溶解度.黄铜中加入1%～4%的锰,可显著提高合金的强度和耐蚀性,而不降低其塑性.
锰黄铜具有（α+β）组织,常用的有HMn58-2,冷、热态下的压力加工性能相当好.
铁黄铜：铁黄铜中,铁以富铁相的微粒析出,作为晶核而细化晶粒,并能阻止再结晶晶粒长大,从而提高合金的机械性能和工艺性能.铁黄铜中的铁含量通常在1.5%以下,其组织为（α+β）,具有高的强度和韧性,高温下塑性很好,冷态下也可变形.常用的牌号为Hfe59-1-1.
镍黄铜：镍与铜能形成连续固溶体,显著扩大α相区.黄铜中加入镍可显著提高黄铜在大气和海水中的耐蚀性.镍还能提高黄铜的再结晶温度,促使形成更细的晶粒.
HNi65-5镍黄铜具有单相的α组织,室温下具有很好的塑性,也可在热态下变形,但是对杂质铅的含量必须严格控制,否制会严重恶化合金的热加工性能.
我国最早用黄铜铸钱开始于明嘉靖年间. “黄铜”一词最早见于西汉东方朔所撰的(((}申异经·中荒经》:“西北有宫,黄铜为墙,题日地皇之宫.”这种“黄铜”指的是何种铜合金,待考.《新唐书·食货志》又有‘青铜”、“黄铜”的称谓,分别指矿石颜色和冶炼产品,并非现在的铜锡合金与铜锌合金.宋人洪咨夔撰《大冶赋》中又有“其为黄铜也,坑有殊名,山多众朴”,指的是火法炼制的纯铜.黄铜一词专指铜锌合金,则始于明代,其记载见于《明会典》:“嘉靖中则例,通宝钱六百万文,合用二火黄铜四万七千二百七十二斤…….”通过对明代铜钱成分的分析,发现《明会典》中所说的铸钱种真正意义上的黄铜的出现较其它几种铜合金晚很多,这是因为黄铜中金属锌的获得比较困难.氧化锌在950℃一1000℃的高温下才能较快地被还原成金属锌,而液态锌在906℃时已经沸腾,所以还原得到的金属锌以蒸气状存在.在冷却时反应逆转,蒸气锌为炉中的二氧化碳再氧化成氧化锌,因此要得到金属锌必须有特殊的冷凝装置.这是金属锌的使用比铜、铅、锡、铁的使用晚得多的原因,也是黄铜铸币出现较晚的原因之一.但是,在姜寨仰韶文化遗址中曾出土有含锌量超过20%的黄铜片和黄铜管,山东胶县三里河龙山文化的地层中也曾出土两种黄铜锥.显而易见,这些黄铜器物的出现并不是说人们在史前就掌握了黄铜的冶炼技术,而是人们在利用铜锌共生矿时无意中获得的.商周时期铜器的含锌量都很低,一般在10-z数量级.西汉、新莽的钱中有板个别的铜锌甘金钱,其中有的钱币中锌的含量达到7%,但是这并不能说明黄铜铸钱产生于西汉新莽之际.因为这些铜锌合金是极个别现象,其含锌量又普遍较真正意义上的黄铜含锌量15%一40%要小得多.所以我们认为这些含锌的铜钱是汉代在“即山铸钱”中使用铜锌共生矿时产生的.据对有关矿山进行调查后发现,山东的昌潍、烟台、临沂及湖北等地都有资源丰富的铜锌共生矿,这就使冶炼后的铜含有一小部分锌.到了唐代,由于铸钱材料的规范化,使所铸行的钱币中锌的含量均为恒量.