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錫青銅

鎖定
以錫為主要合金元素的青銅。含錫量一般在3~14%之間,主要用於製作彈性元件和耐磨零件。變形錫青銅的含錫量不超過 8%,有時還添加磷、鉛、鋅等元素。磷是良好的脱氧劑,還能改善流動性和耐磨性。錫青銅中加鉛可改善可切削性和耐磨性,加鋅可改善鑄造性能。這種合金具有較高的力學性能、減磨性能和耐蝕性,易切削加工,釺焊和焊接性能好,收縮係數小,無磁性。可用線材火焰噴塗和電弧噴塗製備青銅襯套、軸套、抗磁元件等塗層。尺寸規格有Ф1.6mm、Ф2.3mm。具有較高的強度、耐蝕性和優良的鑄造性能,長期以來廣泛應用於各工業部門中。 [1] 
中文名
錫青銅
外文名
Tin bronze
所含元素
磷、鉛、鋅等
含錫量
一般在3~14%之間
優    點
耐蝕、耐磨
類    別
有色金屬

錫青銅簡史

早在公元前3000年以前,人們就開始製造和使用銅。但是,鍊銅製成的物件太軟,容易彎曲,並且很快就鈍。接着人們發現把摻到銅裏去製成銅錫合金——青銅。青銅器件的熔鍊和製作比純銅容易的多,比純銅堅硬(假如把錫的硬度值定為5,那麼銅的硬度就是30,而青銅的硬度則是100~150),歷史上稱這個時期為青銅時代。
我國戰國時代的著作《周禮·冬官·輈人》總結了熔鍊青銅的經驗,講述青銅鑄造各種不同物件採用銅和錫的不同比例:“金有六齊(方劑)。六分其金(銅)而錫居一,謂之鐘鼎之齊;五分其金而錫居一,謂之斧斤之齊;四分其金而錫居一,謂之戈戟之齊;三分其金而錫居一,謂之大刃之齊;五分其金而錫居二,謂之削殺矢(箭)之齊;金錫半,謂之鑑(鏡子)燧(利用鏡子聚光取火)之齊。”這表明在3000多年前,我國勞動人民已經認識到,用途不同的青銅器所要求的性能不同,用以鑄造青銅器的金屬成分比例也應有所不同。
青銅由於堅硬,易熔,能很好的鑄造成型,在空氣中穩定,因而即使在青銅時代以後的鐵器時代裏,也沒有喪失它的使用價值。例如在公元前約280年,歐洲愛琴海中羅得島上羅得港口矗立的青銅太陽神,高達46米,其手指高度超過成人身高。

錫青銅化學成分與性能

常用的中國牌號變形錫青銅的主要化學成分和力學性能見下表。
變形錫青銅的主要化學成分和力學性能
((((
牌 號
主要成分
力學性能
狀態
抗拉強度/MPa
伸長率/%
布氏硬度/MPa
QSn 4-0.3
Cu-4Sn-0.3P
340
600
52
8
55~70)×10(160~180)×10
QSn6.5-0.1
Cu-6.5Sn-0.15P
350~450
700~800
60~70
7.5~12
70~90)×10(160~200)×10
QSn6.5-0.4
Cu-6.5Sn-0.4P
350~450
700~800
60~70
7.5~12
70~90)×10(160~200)×10
QSn 7-0.2
Cu-7 Sn-0.2P
340
600
52
8
55~70)×10(160~180)×10
QSn 4-3
Cu-4Sn-3Zn
350
550
40
4
60×10
160×10
QSn4-4-2.5
Cu-4Sn-4Zn-2.5Pb
300~350
550~650
35~45
2~4
60×10(160~180)×10
QSn 4-4-4
Cu-4Sn-4Zn-4Pb
300~350
550~650
46
2~4
62×10(160~180)×10

錫青銅特性

錫青銅除了含有3%~14%錫,此外還常常加入磷、鋅、鉛等元素。是人類應用最早的合金,至今已有約4000年的使用歷史。它耐蝕、耐磨,有較好的力學性能和工藝性能,並能很好地焊接和釺焊,衝擊時不產生火花。分為加工錫青銅和鑄造錫青銅。用於壓力加工的錫青銅含錫量低於6%~7%,鑄造錫青銅的含錫量為10%~14%。常用牌號有QSn4-3,QSn4.4-2.5,QSn7-O.2,ZQSn10,ZQSn5-2-5,ZQSN6-6-3等。錫青銅是鑄造收縮率最小的有色金屬合金,可用來生產形狀複雜、輪廓清晰、氣密性要求不高的鑄件。錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中十分耐蝕,廣泛用於蒸汽鍋爐和海船零件。含磷錫青銅具有良好的力學性能,可用作高精密工作母機的耐磨零件和彈性零件。含鉛錫青銅常用作耐磨零件和滑動軸承,含鋅錫青銅可作高氣密性鑄件。
錫青銅的凝固範圍大,枝晶偏析嚴重;凝固時不易形成集中縮孔,體積收縮很小;鑄錠中易出現錫的逆偏析,嚴重時鑄錠表面可見到白色斑點(8相析出),甚至出現富錫顆粒,一般稱為錫汗(tinsweat),改進鑄造方法和工藝條件可減輕逆偏析程度;液態合金中,錫易生成硬脆的夾雜物SnO2,熔鍊要充分脱氧,防止由於夾雜物引起的合金力學性能的降低;對過熱和氣體的敏感性很小,能很好地焊接和釺焊;衝擊時不發生火花,無磁性、耐寒,並有極高的耐磨性。
銅錫系狀態圖,如圖1示。工業用錫青銅的錫含量一般在3%~14%之間,但變形錫青銅的錫含量不超過8%。 [2] 
圖1  圖1

錫青銅分類

工業錫青銅錫青銅是工業上使用的重要銅合金。為改善其鑄造、力學和耐磨性能,以及節約錫,在錫青銅中加入磷、鋅、鉛等合金元素。因而可把錫青銅分為錫磷青銅、錫鋅青銅和錫鋅鉛三類。

錫青銅錫磷青銅

磷是銅合金的良好脱氧劑,可增加合金的流動性,改善錫青銅的工藝和力學性能,但加大逆偏析程度。
錫青銅中磷的極限溶解度為0.15%,過多時將形成a+δ+Cu3P三元共晶,熔點為628℃,熱軋時易產生熱脆性,只能冷加工。因此,變形錫青銅中含磷量不應大於0.5%,熱加工時,磷應小於0.25%。
含磷錫青銅是有名的彈性材料,在加工時,控制冷加工前的晶粒大小和加工後的低温退火很有必要。細晶粒加工材的強度、彈性模量和疲勞強度比其粗晶粒加工材為高,但塑性較低。冷加工材在200~260℃經1~2h低温退火、產生退火硬化效應,可進一步提高製品的強度、塑性、彈性極限和彈性模量,並增加彈性的穩定性。
現已列入中國國家標準中的含磷錫青銅共4個牌號。
其中QSn6.5-0.1合金主要製作彈性元件特別是電導性好的彈簧接觸片,儀器儀表中的耐磨零件和抗磁元件等;
Qsn6.5一0.4合金主要用於造紙、化工和食品等工業製造金屬網,也用於製造耐磨和彈簧零件;
QSn7-0.2合金用於在中等的載荷和滑動速度下承受摩擦的零件,如軸承、軸套、渦輪等,亦可製造彈性元件和其他機械電氣零件;
QSn4-0.3合金用於生產壓力錶中的各種管材,作敏感元件,有壓力錶青銅之稱。

錫青銅錫鋅青銅

鋅大量溶解於銅錫合金中,在變形錫青銅中鋅的加入量一般不大於4%。鋅能改善合金的流動性,縮小結晶温度範圍,減輕逆偏析。
列入現行中國國家標準中的錫鋅青銅牌號為QSn4-3,具有良好的彈性、耐磨性和抗磁性,可在冷態和熱態下壓力加工,易於焊接和釺焊,切削性較好,在大氣和淡水、海水中抗蝕性良好,用於各種彈性元件以及管配件、化工器械、耐磨零件和抗磁零件等。

錫青銅錫鋅鉛青銅

鉛實際不固溶於銅錫合金中,它以單相、呈黑色夾雜物分佈在枝晶間。鑄錠中鉛分佈不易均勻,通常加入少量鎳可改善其分佈,並細化組織。鉛降低錫青銅的摩擦係數,改善耐磨性和切削性,但略降低力學性能。
在銅錫鉛合金中常加入3%~5%的鋅,以再提高力學性能。
加入0.02%~0.1%鋯或0.02%~0.1%硼,特別是加入0.02%~0.2%稀土元素能細化鉛質點,使之分佈均勻,以改善含鉛錫青銅的組織、鑄造和力學性能。
列入現行中國國家標準的錫鋅鉛青銅有QSn4-4-2.5和QSn4-4-4兩個牌號,具有高的耐磨性、易切削加工,主要以板、帶材形式用於汽車、拖拉機、航空和機械工業,製造軸套和軸承襯墊,有汽車青銅之稱。 [3] 

錫青銅應用

錫青銅管 錫青銅管
銅是與人類關係非常密切的有色金屬,被廣泛地應用於電氣、輕工、機械製造、建築工業、國防工業等領域,在我國有色金屬材料的消費中僅次於鋁。
錫青銅是鑄造收縮率最小的有色金屬合金,用來生產形狀複雜、輪廓清晰、氣密性要求不高的鑄件。錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中十分耐蝕,廣泛用於蒸汽鍋爐和海船零件。含磷錫青銅具有良好的力學性能,可用作高精密工作母機的耐磨零件和彈性零件。含鉛錫青銅常用作耐磨零件和滑動軸承。含鋅錫青銅可作高氣密性鑄件。
錫青銅在電氣、電子工業中應用最廣、用量最大,佔總消費量一半以上。用於各種電纜和導線,電機和變壓器的這種,開關以及印刷線路板 在機械和運輸車輛製造中,用於製造工業閥門和配件、儀表、滑動軸承、模具、熱交換器和泵等。在化學工業中廣泛應用於製造真空器、蒸餾鍋、釀造鍋等。在國防工業中用以製造子彈、炮彈、槍炮零件等,每生產300萬發子彈,需用銅130-140噸。在建築工業中,用做各種管道、管道配件、裝飾器件等。
參考資料
  • 1.    鄧安華 編.金屬材料簡明辭典.北京:冶金工業出版社.1992.第337頁.
  • 2.    王明傑;張國偉;劉少傑; 微量元素對鉛錫青銅組織與性能的影響. 熱加工工藝 ,2016,(05)
  • 3.    中國冶金百科全書總編輯委員會《金屬材料卷》編輯委員會 編.中國冶金百科全書·金屬材料.北京:冶金工業出版社.2001.第854-856頁.