锡青铜

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简史
早在公元前3000年以前，人们就开始制造和使用铜。但是，炼铜制成的物件太软，容易弯曲，并且很快就钝。接着人们发现把锡掺到铜里去制成铜锡合金——青铜。青铜器件的熔炼和制作比纯铜容易的多，比纯铜坚硬（假如把锡的硬度值定为5，那么铜的硬度就是30，而青铜的硬度则是100～150），历史上称这个时期为青铜时代。
我国战国时代的著作《周礼·冬官·辀人》总结了熔炼青铜的经验，讲述青铜铸造各种不同物件采用铜和锡的不同比例:“金有六齐（方剂）。六分其金（铜）而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢（箭）之齐；金锡半，谓之鉴（镜子）燧（利用镜子聚光取火）之齐。”这表明在3000多年前，我国劳动人民已经认识到，用途不同的青铜器所要求的性能不同，用以铸造青铜器的金属成分比例也应有所不同。
青铜由于坚硬，易熔，能很好的铸造成型，在空气中稳定，因而即使在青铜时代以后的铁器时代里，也没有丧失它的使用价值。例如在公元前约280年，欧洲爱琴海中罗得岛上罗得港口矗立的青铜太阳神，高达46米，其手指高度超过成人身高。
化学成分与性能
常用的中国牌号变形锡青铜的主要化学成分和力学性能见下表。
变形锡青铜的主要化学成分和力学性能
（（（（
牌 号
主要成分
力学性能
状态
抗拉强度/MPa
伸长率/%
布氏硬度/MPa
QSn 4-0.3
Cu-4Sn-0.3P
软
硬
340
600
52
8
55～70）×10（160～180）×10
QSn6.5-0.1
Cu-6.5Sn-0.15P
软
硬
350～450
700～800
60～70
7.5～12
70～90）×10（160～200）×10
QSn6.5-0.4
Cu-6.5Sn-0.4P
软
硬
350～450
700～800
60～70
7.5～12
70～90）×10（160～200）×10
QSn 7-0.2
Cu-7 Sn-0.2P
软
硬
340
600
52
8
55～70）×10（160～180）×10
QSn 4-3
Cu-4Sn-3Zn
软
硬
350
550
40
4
60×10
160×10
QSn4-4-2.5
Cu-4Sn-4Zn-2.5Pb
软
硬
300～350
550～650
35～45
2～4
60×10（160～180）×10
QSn 4-4-4
Cu-4Sn-4Zn-4Pb
软
硬
300～350
550～650
46
2～4
62×10（160～180）×10
特性
锡青铜除了含有3%～14%锡，此外还常常加入磷、锌、铅等元素。是人类应用最早的合金，至今已有约4000年的使用历史。它耐蚀、耐磨，有较好的力学性能和工艺性能，并能很好地焊接和钎焊，冲击时不产生火花。分为加工锡青铜和铸造锡青铜。用于压力加工的锡青铜含锡量低于6%～7%，铸造锡青铜的含锡量为10%～14%。常用牌号有QSn4-3，QSn4.4-2.5，QSn7-O.2，ZQSn10，ZQSn5-2-5，ZQSN6-6-3等。锡青铜是铸造收缩率最小的有色金属合金，可用来生产形状复杂、轮廓清晰、气密性要求不高的铸件。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中十分耐蚀，广泛用于蒸汽锅炉和海船零件。含磷锡青铜具有良好的力学性能，可用作高精密工作母机的耐磨零件和弹性零件。含铅锡青铜常用作耐磨零件和滑动轴承，含锌锡青铜可作高气密性铸件。
锡青铜的凝固范围大，枝晶偏析严重；凝固时不易形成集中缩孔，体积收缩很小；铸锭中易出现锡的逆偏析，严重时铸锭表面可见到白色斑点（8相析出），甚至出现富锡颗粒，一般称为锡汗（tinsweat），改进铸造方法和工艺条件可减轻逆偏析程度；液态合金中，锡易生成硬脆的夹杂物SnO2，熔炼要充分脱氧，防止由于夹杂物引起的合金力学性能的降低；对过热和气体的敏感性很小，能很好地焊接和钎焊；冲击时不发生火花，无磁性、耐寒，并有极高的耐磨性。
铜锡系状态图，如图1示。工业用锡青铜的锡含量一般在3%～14%之间，但变形锡青铜的锡含量不超过8%。 
分类
工业锡青铜锡青铜是工业上使用的重要铜合金。为改善其铸造、力学和耐磨性能，以及节约锡，在锡青铜中加入磷、锌、铅等合金元素。因而可把锡青铜分为锡磷青铜、锡锌青铜和锡锌铅三类。
锡磷青铜
磷是铜合金的良好脱氧剂，可增加合金的流动性，改善锡青铜的工艺和力学性能，但加大逆偏析程度。
锡青铜中磷的极限溶解度为0.15%，过多时将形成a+δ+Cu3P三元共晶，熔点为628℃，热轧时易产生热脆性，只能冷加工。因此，变形锡青铜中含磷量不应大于0.5%，热加工时，磷应小于0.25%。
含磷锡青铜是有名的弹性材料，在加工时，控制冷加工前的晶粒大小和加工后的低温退火很有必要。细晶粒加工材的强度、弹性模量和疲劳强度比其粗晶粒加工材为高，但塑性较低。冷加工材在200～260℃经1～2h低温退火、产生退火硬化效应，可进一步提高制品的强度、塑性、弹性极限和弹性模量，并增加弹性的稳定性。
现已列入中国国家标准中的含磷锡青铜共4个牌号。
其中QSn6.5-0.1合金主要制作弹性元件特别是电导性好的弹簧接触片，仪器仪表中的耐磨零件和抗磁元件等；
Qsn6.5一0.4合金主要用于造纸、化工和食品等工业制造金属网，也用于制造耐磨和弹簧零件；
QSn7-0.2合金用于在中等的载荷和滑动速度下承受摩擦的零件，如轴承、轴套、涡轮等，亦可制造弹性元件和其他机械电气零件；
QSn4-0.3合金用于生产压力表中的各种管材，作敏感元件，有压力表青铜之称。
锡锌青铜
锌大量溶解于铜锡合金中，在变形锡青铜中锌的加入量一般不大于4%。锌能改善合金的流动性，缩小结晶温度范围，减轻逆偏析。
列入现行中国国家标准中的锡锌青铜牌号为QSn4-3，具有良好的弹性、耐磨性和抗磁性，可在冷态和热态下压力加工，易于焊接和钎焊，切削性较好，在大气和淡水、海水中抗蚀性良好，用于各种弹性元件以及管配件、化工器械、耐磨零件和抗磁零件等。
锡锌铅青铜
铅实际不固溶于铜锡合金中，它以单相、呈黑色夹杂物分布在枝晶间。铸锭中铅分布不易均匀，通常加入少量镍可改善其分布，并细化组织。铅降低锡青铜的摩擦系数，改善耐磨性和切削性，但略降低力学性能。
在铜锡铅合金中常加入3%～5%的锌，以再提高力学性能。
加入0.02%～0.1%锆或0．02%～0.1%硼，特别是加入0.02%～0.2%稀土元素能细化铅质点，使之分布均匀，以改善含铅锡青铜的组织、铸造和力学性能。
列入现行中国国家标准的锡锌铅青铜有QSn4-4-2.5和QSn4-4-4两个牌号，具有高的耐磨性、易切削加工，主要以板、带材形式用于汽车、拖拉机、航空和机械工业，制造轴套和轴承衬垫，有汽车青铜之称。 
应用
铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。
锡青铜是铸造收缩率最小的有色金属合金，用来生产形状复杂、轮廓清晰、气密性要求不高的铸件。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中十分耐蚀，广泛用于蒸汽锅炉和海船零件。含磷锡青铜具有良好的力学性能，可用作高精密工作母机的耐磨零件和弹性零件。含铅锡青铜常用作耐磨零件和滑动轴承。含锌锡青铜可作高气密性铸件。
锡青铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线，电机和变压器的这种，开关以及印刷线路板　在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产300万发子弹，需用铜130-140吨。在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。

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