铜合金铸件铸造缺陷及防止对策 (2).ppt

铜合金铸件铸造缺陷及防止对策
清华大学 曾大本
1、铜合金铸件缺陷及其主要原因
2、艺术铸造铜合金的冶金特性
3、铜合金的熔炼原理及工艺
铜合金铸造缺陷的大分类
表1
铜合金铸造缺陷的大分类（ 铁
铁的主要作用与镍相似，可以细化晶粒，提高强度，改善着色性能。但含量必须控制在5%以下，否则使青铜发脆，同时降低耐腐蚀性能。
锡青铜中合金元素的作用
⑤ 铝
在锡青铜中铝是有害杂质，它使着色困难。%，表面便从暗红色转为金黄色，进而成银白色。但在无锡铝青铜中，铝能提高强度、耐腐蚀性和铸造性能。
⑥ 磷
%～%的磷来脱氧，以改善铸造性能，过量易产生脆性相Cu3P，且降低着色效果。
⑦ 硅
青铜中加入硅，便会使其机械性能及铸造性能恶化，但能增加耐腐蚀性能，硅使表面呈暗赤色到茶色，有时呈葡萄色，因表面覆有一层很致密的SiO2膜，使着色困难。
艺术铸造用的锡青铜
表4
（1）铸造响铜是一种锡青铜或硅青铜，含锡量一般较高，由图4可知，这种锡青铜具有高的强度和低的塑性。表5为部分响铜的化学成分。
响铜的铸造性能很好，可浇出各种精巧艺术品，但是含锡量过高易碎，并且硬度高，加工也困难。

部分响铜的化学成分
表5
（2）铜镜问世于玻璃镜之前，人们以锡青铜经研磨抛光后制成燧（聚光镜，取火用）和鉴（镜子）。表6为部分战国、汉、唐铜镜的化学成分。由图5、图7可见，铜镜的含锡量很高，故色白，硬而脆，磨抛后镜面既白且亮，反光性能好，利于映像，但易碎。唐以后，铜镜中锡量渐少，锌量增多，颜色变黄，映像效果变差。
表6 部分战国、汉、唐铜镜的化学成分
铝青铜
铝青铜是含8%～12%Al的铜铝合金，色泽金黄，大气中变色缓慢，也可作为艺术铸件用铜。
图8 Cu-Al二元相图
α相为铝溶于铜的固溶体；
β相是以电子化合物Cu3Al为基的固溶体，强度高，塑性好；
γ2相是以电子化合物Cu32Al19为基的固溶体，性硬而脆。
因此，合金中γ2相含量过多会使合金变脆。
在缓慢冷却条件下，β相发生共析转变
形成的γ2相使合金变脆——称“缓冷脆性”。
快冷时，β相来不及共析转变，合金组织为α+β相，强度高，塑性好。所以，铸件可在750℃左右空冷或水冷，以防缓冷脆性。加入合金元素，如Mn、Ni等可抑制缓冷脆性。
铝青铜是工业中最常用的一种无锡青铜，其强度、塑性、化学稳定性及致密性均由于锡青铜，且铝青铜中不含锡，成本也较低，可用来代替锡青铜浇注艺术铸品。但铝青铜熔炼浇注时极易氧化吸气，且收缩大，铸件易产生气孔、缩孔，表面夹渣和裂纹。

黄铜有普通黄铜和特殊黄铜之分，普通黄铜为铜锌二元合金，若加入少量其他元素就构成特殊黄铜。黄铜由于色泽金黄而诱人喜爱，是一种主要的艺术铸造合金材料。著名的武当山金殿、宣德炉等明代艺术铸件就是用黄铜铸造的。

锌在黄铜中作用主要是提高强度，改善铸造性能。
图9 Cu-Zn二元相图
常用的二元黄铜平衡状态组织有三种：
含锌量小于38%时为单相α——小黄铜
含锌量为38%～47%时为α+β——α+β黄铜
为47%～50%时为单相β——β黄铜
普通黄铜的耐蚀性和加工性能等不够好，然而含8%～20%Zn的黄铜色泽金黄，为α单相组织，抛光后经大气腐蚀，会显出金黄色的斑块，因此在铸造艺术品中应用较多。

在铜锌合金的基础上加入锰、铝、硅、铁、锡、铅、镍等合金元素，就构成了三元或多元铜合金。加入少量合金元素后，黄铜的机械性能、铸造性能和耐腐蚀性能都能得到显著的提高。特殊黄铜的组织和普通黄铜相似，主要组成仍然是β和α相。


加入合金元素对组织的影响反映在二元相图上，主要是使相区分界线的位置移动了，改变了组织中β和α两相的组成比例。因此可把合金元素对黄铜组织性能的影响，折算成锌的影响，称为“锌当量”。
表8 各合金元素的锌当量
合金元素的作用 ：
（1）铁
黄铜中加入铁的加入量一般为1%～3%。它可细化晶粒，提高强度和硬度，增加耐腐蚀性，但超过这个数值，则使合金发脆，降低塑性和耐腐蚀性。

（2）锰
锰能提高黄铜的强度和硬度，同时增加抗腐蚀性能，且不降低塑性。
Cu-Zn-Mn系合金的颜色逐渐由红变黄，由黄变白（图10）。当含锌量为30%时，只要加入10%的锰就可使合金变为类似镍白铜所具有的美丽银白色