1. 介绍
青铜的熔点 是冶金中的关键概念, 制造业, 和设计.
与纯属金属不同, 青铜是一个 合金 - 主要是铜和锡, 尽管许多现代青铜包括铝, 硅, 镍, 或磷.
因此, 青铜不会在一个温度下急剧融化，而是通过 固体之间的糊状区 (开始融化) 和液体 (完全熔化).
这种区别对于铸造工程师至关重要, 焊工, 材料设计师依靠精确的温度控制以确保声音, 无缺陷组件.
2. 什么是青铜?
青铜 是一个 基于铜的合金 在哪个铜 (铜) 是主要成分和锡 (sn) 传统上是主要合金元素.
与纯属金属不同, 青铜是一个 工程材料 - 机械, 热的, 化学性能可以通过调整组成和加工来量身定制.
现代青铜也可能包含铝, 硅, 磷, 镍, 锌, 或导致达到特定的性能特征.
历史观点
青铜是人类开发的最早合金之一, 回到 青铜时代 (大约 3300 公元前).
将锡的引入铜造成了更难的, 比纯铜更耐用的材料, 实现进步 工具, 武器, 艺术, 和建筑.
今天, 铜在两种传统的艺术应用中仍然至关重要 (雕塑, 铃铛) 和高级工程 (航天, 海洋, 和能源系统).
青铜合金分类
青铜不是单一合金，而是 铜合金家族 由其次要元素分类:
- 锡青铜器 - Cu – Sn合金 (通常为5–20％SN), 重视力量, 戴阻力, 和轴承特性.
- 磷青铜 - 锡青铜器与磷的少量添加 (0.01–0.5％), 提高疲劳性和耐腐蚀性.
- 铝青铜器 - 铜 - 合金 (5–12％Al, 经常与Fe或Ni), 提供出色的强度和海洋耐耐药性.
- 硅青铜器 - 与合金 (2–4％和), 将耐腐蚀性与良好的可铸性和可焊性相结合.
- 铅铜 - Cu – Sn – Pb合金, 铅可提高可加工性和轴承特性.
- 镍铝青铜 - 具有优质海水耐药性的Cu – Al – Ni合金, 经常用于造船.
青铜的关键特性
- 机械的: 比铜更高的强度和硬度, 具有良好的耐磨性.
- 热的: 高热电导率, 但由于合金而低于纯铜.
- 化学: 优异的耐腐蚀性, 特别是针对海水, 在海洋和化学工业中使青铜必不可少.
- 声学: 不同的共振属性, 用在乐器中, 铃铛, 和锣.
3. 合金的熔融行为 - 固相和液体
对于合金, 熔化发生在一个 温度间隔:
- 固定温度: 熔化开始的最低温度.
- 液体温度: 合金变为完全液体的温度.
- 冻结范围 (糊状区): 固体和液体共存的固相物和液体之间的间隔.
4. 青铜家庭的典型融化范围
因为青铜不是单一合金，而是一个家庭 基于铜的合金, 它的熔化行为因合金元素及其比例而变化很大.
而不是锐利的熔点 (如在纯金属中看到的), 铜牌展出 融化范围, 由 实心 (熔化开始的地方) 和 液体 (它变得完全熔化).
下表总结了主要青铜家族的典型融化范围:
| 青铜家庭 | 典型的组成 (wt。％) | 融化范围 (°C) | 融化范围 (°f) | 关键说明 |
| 锡青铜 | CU 80–95％, SN 5–20％ | 850–1,020 | 1,560–1,870 | 锡降低铜的熔点; 高SN (>20%) 会导致脆弱. |
| 磷青铜 | CU 88–94％, SN 5–11％, P 0.01–0.5％ | 930–1,050 | 1,710–1,920 | 出色的耐磨性; 磷略微升高. |
| 铝青铜 | CU 80–88％, Al 5–12％, 想要 /≤5％ | 1,040–1,070 | 1,900–1,960 | 高熔融范围; 优势强度和海水耐耐药性. |
| 硅青铜 | CU 94–96％, 和2–4％, Zn≤2％ | 1,020–1,050 | 1,870–1,920 | 良好的可铸性和可焊性; 耐腐蚀. |
| 铅铜 | CU 75–90％, SN 5–15％, PB 2–20％ | 850–930 | 1,560–1,710 | 铅降低熔点; 出色的可加工性和轴承应用. |
| 镍铝青铜 | CU 75–85％, Al 8–12％, 以3-5％, Fe 3–5％ | 1,050–1,100 | 1,920–2,010 | 最高熔点; 重型海洋硬件和航空航天的理想选择. |
5. 成分和合金元素如何影响熔点
青铜的融化范围从根本上控制了 化学组成.
纯铜在 1,085 °C (1,985 °f), 但是当合金元素（例如锡）, 铝, 硅, 磷, 镍, 或引入铅, 熔融行为发生了重大变化.
这些要素 降低或升高 固相的温度取决于它们与铜的相互作用.
主要合金元素的效果
| 元素 | 青铜的典型内容 (wt。％) | 对熔化行为的影响 | 冶金笔记 |
| 锡 (sn) | 5–20％ | 降低熔点 (到850–1,020°C / 1,560–1,870°F). | 在铜的熔点下方〜227°C下创建Cu – Sn Eutectic; 过多的SN (>20%) 增加脆弱性. |
| 铝 (al) | 5–12％ | 提高融化范围 (1,040–1,070°C / 1,900–1,960°F). | 与Cu形成强大的金属间; 稳定结构; 增强氧化抗性. |
| 硅 (和) | 2–4％ | 保持相对较高的熔点 (〜1,020–1,050°C / 1,870–1,920°F). | 提高可铸性和可焊性; 固定溶液加强效果. |
| 磷 (p) | 0.01–0.5％ | 略微提高固定温度. | 在熔化过程中充当脱氧剂; 改善磨损和抗疲劳性. |
镍 (在) |
1–5％ | 适度增加熔点 (〜10–20°C). | 改善耐腐蚀性和韧性; 通常与镍 - 铝青铜器中的铝配对. |
| 带领 (pb) | 2–20％ | 强烈降低熔点 (降至850–930°C / 1,560–1,710°F). | 铅在Cu中不溶, 形成软包裹物; 提高可加工性，但降低了高温强度. |
| 锌 (Zn) | 1–5％ (有时更多的硅青铜器) | 稍低的熔化温度. | 提高铸造过程中的流动性; 过多的Zn方法类似黄铜的特性. |
合金相互作用和微结构效应
- 共晶的形成 (cu-sn, CU -PB): 显着降低熔点, 导致更广泛的融化范围.
- 金属间化合物 (和 -, 与它): 提高熔融温度并创造更强的, 更稳定的合金.
- 实心溶液加强 (与 - 和, 与它): 保持相对较高的熔融范围，同时改善延展性和耐腐蚀性.
6. 微观结构和处理效果
虽然化学成分是确定青铜熔化行为的主要因素, 微观结构状态 和 处理历史 也发挥微妙而重要的作用.
这些因素会影响合金从固体到液体的均匀过渡，并可以将有效的固相或液体点逐渐转移.
微观结构状态: 晶粒尺寸和相分布
- 粒度: 细颗粒的青铜 (谷物直径 <10 μm) 通常表现出固定温度〜5–10°C比粗粒青铜低5-10°C (>50 μm).
这是因为细晶粒引入了更多的晶界区域, 原子扩散会加速局部熔化. - 相分离: 在多相合金中 (例如。, A+B青铜，例如C61400), 不均匀的相分布产生局部熔化行为.
β相区域可能开始在〜1,050°C下融化, 而α相区域持续到〜1,130°C. 这将有效熔点扩大了10–20°C. - 实际例子: 冷磷铜 (C52100) 通常，比其类似的对应物发展更细的谷物.
在退火期间, 冷工作的C52100显示了附近的固体 930 °C, 与铸造材料的〜950°C相比 - 要求更紧密的温度控制以避免初期熔化.
处理历史: 热周期和合金降解
- 锡汽化 (焊接/铸造): 长时间暴露于〜1,100°C以上的暴露会逐渐蒸发锡, 尽管沸点很高 (2,270 °C).
例如, 加热C92200青铜 (10% sn) 在 1,200 °C持续一小时可以将SN含量降低1-2％, 将其液体从〜1,020°C向上移动到〜1,030°C. - 热处理 (退火/均质化): 600–800°C的铜牌退火 (低于固相) 促进扩散并减少微膜片.
这将熔化间隔缩小了5-15°C. 例如, C92700 (15% sn) 退火 700 °C的熔融范围为880–1,030°C, 相比880–1,050°C在播种状态下. - 铸造率: 快速固化 (例如。, 寒冷的铸造) 产生较细的树突和更均匀的相分布, 减少过早局部熔化的可能性.
缓慢冷却增强了种族隔离, 扩大熔化间隔.
7. 青铜熔点的工业制造含义
精确控制青铜的融化范围是 不可谈判 在制造中.
甚至 10 °C偏差 从目标处理温度可以降低产量, 通过不完整的模具填充, 合金元素的蒸发, 或微观结构损害.
三个最敏感的操作 - 铸件, 焊接, 和热处理 - 很大程度上很大程度上可以准确地了解Solidus -Liquidus窗口.
铸件: 平衡流动性和合金完整性
在铸造中, 必须通过 50–100°C 为了获得足够的流动性来填充霉菌, 同时避免过度过热，以加速氧化 (滴落形成) 或挥发性合金元件（例如铅和锡）的汽化.
| 铸造过程 | 青铜等级 | 融化范围 (°C) | 浇注温度 (°C) | 流动性要求 | 关键结果 |
| 沙子铸造 (雕塑) | C92700 (15% sn) | 880–1,050 | 950–1,100 | 中等的 (厚的部分) | 收缩缺陷减少了〜35％ |
| 熔模铸造 (轴承) | C90700 (5% pb) | 900–980 | 950–1,050 | 高的 (薄壁 <3 毫米) | >95% 模具填充产量 |
| 压铸 (电触点) | C52100 (0.3% p) | 930–1,030 | 1,000–1,100 | 高的 (复杂形状) | 孔隙度最小化; 电导率提高了 |
关键控制: 用于铅青铜C90700, 倒在下面 950 °C导致 错误 (毫无用处的腔), 上面 1,050 °C铅汽化超过 1%, 降解可加工性并产生气体孔隙率.
焊接: 避免融化和合金降解
青铜焊接需要在液体下方的温度来防止倒数金属熔化, 使用熔融范围低于基本合金的填充金属.
- 提格焊接 (海洋螺旋桨): 使用C92200碱金属 (10% sn, 920–1020°C熔融范围) 带有C93200填充剂 (5% sn, 880–980°C熔融范围).
预热至200–300°C，并在900–950°C保持焊接池温度 (在填充液体和基础固相之间) 避免融合缺陷. - 悬挂 (电连接器): 使用铜磷填充剂 (p 5％p, 在714–800°C下熔化) 与C51000磷青铜 (970–1070°C熔融范围).
加热至750–800°C - 填充物融化，而碱金属保持固体, 防止失真.
故障模式: 在TIG焊接过程中过热C92200 (温度 >1020°C) 引起锡汽化 (2% SN损失), 通过降低拉伸强度 25% 并增加了海水的腐蚀敏感性.
热处理: 加强而不熔化
热处理温度严格限制为 在实体下方 避免部分熔化和微观结构损伤:
- 解决方案退火 (铝青铜): C63000 (15% al, 1080–1200°C熔融范围) 在800–900°C下退火以将β相溶于α相中, 改善延展性 (伸长率从 10% 到 30%).
- 老化 (磷青铜): C52100 (0.3% p) 年龄在400–500°C下 (远低于其930°C固相) 沉淀Cu₃p, 增加拉伸强度从 450 MPA到 550 MPA.
8. 青铜融化范围的测试方法
精确测量青铜的熔融范围需要针对精确和样本量的实验室或工业技术.
差异扫描量热法 (DSC)
- 原则: 在10°C/min加热时，将热量流入/输出5–10 mg青铜样品中.
固相被检测到吸热热吸收的开始; 液体是吸热的末端. - 精确: 固体 /液体的±1-2°100; 特征新青铜合金的理想选择 (例如。, 饮用水固定装置的低级成绩) 验证符合ASTM B505.
- 例子: DSC分析C61400 (10% al) 确认1050°C和1130°C的液体 - 至关重要的铸造温度.
高温熔化设备
- 原则: 将1–5 g青铜样品在石墨坩埚中加热，直接插入样品中的热电偶.
固相是当第一个液体形成时的温度; 液体是当样品完全熔化的时候. - 精确: ±5–10°C; 适合工业质量控制 (例如。, 验证铅铜的批处理一致性).
- 优势: 模拟真实的铸造条件, 考虑DSC可能会错过的杂质影响.
热重量分析 (TGA)
- 原则: 测量加热过程中青铜样品的质量损失.
锡或铅蒸发会导致质量损失在其沸点以上, 但是熔化的开始是通过微妙的质量变化来指示的 (由于表面氧化) 与固相一致. - 精确: 固体的±3–5°C; 通常与DSC一起用于交叉估算熔点数据.
- 应用: 在高键青铜中研究锡汽化 (C92700) 优化铸造时间 (将SN损失最小化 <0.5%).
9. 关于青铜熔点的常见误解
尽管具有工业意义, 铜的熔化行为常常被误解. 以下是关键澄清:
“青铜具有固定的熔点，例如纯铜。”
错误的: 纯铜在1083°C下融化 (固定的), 但是铜牌（一种合金）的融化范围.
例如, C92200锡青铜在920°C和1020°C之间融化, 不在单个温度下.
“添加更多的锡总是会降低青铜的融化范围。”
部分真实: 锡含量达到 15% 降低熔点 (纯铜从1083°C到880–1050°C 15% sn), 但是以上 15% sn, 脆性δ相 (cu₃sn) 表格, 扩大熔融范围并稍微提高液态.
“铅总是有益于降低青铜的融化范围。”
错误的: 铅降低熔点，但会导致炎热短缺 (高温下的脆性) 如果 >5% pb.
高级青铜 (C90700, 5% pb) 不能用于高热应用 (例如。, 炉零件) 由于风险破裂.
“如果将其加热到熔融范围，所有青铜器都是可焊接的。”
错误的: 液体上方的焊接青铜导致碱金属熔化和合金元素损失 (锡汽化).
青铜需要比基本合金低的熔融范围的填充金属，以避免融合缺陷.
10. 质量, 缺陷, 和缓解
这 青铜的融化行为 是产品质量的关键决定因素.
即使是与其定义的固相 - 液体窗口的小偏差也可能触发冶金缺陷，从而损害机械性能, 耐腐蚀性, 和维稳定性.
与熔点有关的常见缺陷
隔离和微结构不均匀性
- 原因: 缓慢冷却或熔融范围 (例如。, 高sn青铜器) 导致锡或铅在晶界的隔离.
- 影响: 韧性降低, 晶间腐蚀敏感性.
- 例子: 在C92700中 (15% sn), 过度的β期隔离降低了抗电阻约30％.
气孔和收缩腔
- 原因: 倒在推荐的超热之上 (> 液体 + 100 °C) 增加氧化和吸收气体.
- 影响: 孔隙率最多降低疲劳寿命 40%.
- 例子: 含铅青铜C90700如果倒了 >1,080 °C由于铅汽化而引起的.
热开裂 (固化破裂)
- 原因: 窄固化范围在某些合金中 (例如。, 与 - 青铜) 使它们在冷却过程中容易出现热应力.
- 影响: 裂纹在晶界发起, 损害结构完整性.
过热和合金元素损失
- 原因: 扩展曝光 >1,100 °C导致锡汽化 (每小时〜1–2％) 和铅古铜的铅损失.
- 影响: 较低的强度, 可加工性差, 并增加了脆弱性.
关键要点:
青铜制造中的大多数质量失败不是来自合金选择，而是来自 熔化和倒入期间的温度控制不当.
通过组合 严格的热管理, 合金优化, 和 高级检查技术, 缺陷率可以降低超过 70%.
11. 未来趋势: 低层和添加剂制造
青铜技术正在不断发展，以满足环境法规和先进的制造需求, 在最前沿的融化范围考虑:
低层和无铅青铜
- 司机: 环境法规 (例如。, 加利福尼亚命题 65, 我rohs) 限制饮用水固定装置和食品接触表面的铅.
- 融化范围挑战: 用bismuth代替铅 (双) 或硅 (和) 需要重新优化熔融范围 - Bismuth降低了液态的降低约10°C 1% 双, 但是多余的bi会导致脆弱性.
- 解决方案: C90800 (具有10％的SN-2％BI) 具有920–1000°C的熔点, 在达到无铅标准的同时，匹配铅铜牌的铸造性.
增材制造 (3数码印刷)
- 司机: 复杂的几何形状 (例如。, 定制轴承) 传统的演员无法实现.
- 融化范围挑战: 粉床融合 (PBF) 需要精确控制激光温度 (在液体上方以进行全熔, 下面是为了烧结).
- 解决方案: 对于C52100磷青铜PBF, 使用激光温度为1050–1100°C (液体 + 20–70°C) 确保层粘结而无需锡汽化.
12. 结论
这 熔点 青铜 最好理解为 由固体和液体温度定义的熔融范围.
该范围受合金组成的影响, 微观结构, 和杂质, 直接控制青铜 投掷, 焊接, 和热处理.
仔细控制熔化和浇注温度可确保无缺陷的组件, 延长服务寿命, 并降低成本.
通过将相图知识与实用铸造经验集成, 工程师和制造商可以充分利用青铜的多功能性，同时最大程度地降低生产的风险.
常见问题解答
海洋螺旋桨中使用的青铜的熔化范围是什么?
海洋螺旋桨通常使用C92200海军锡青铜 (10% sn) 或C61400中铝青铜 (10% al).
C92200在920–1020°C下融化, 而C61400在1050–1130°C融化. 由于高温下的强度较高，因此优选铝青铜.
铅含量如何影响青铜的融化范围?
铅充当熔点抑郁剂 - 1% 铅的增加降低了液态〜15°C.
例如, C90300 (2% pb) 有液体液体100, 而C90700 (5% pb) 液体为980°100.
然而, 带领 >5% 导致炎热的短缺, 在高温下使青铜脆弱.
我可以以与钢相同的温度焊接青铜吗?
不. 钢 (例如。, A36) 熔化在1425–1538°C, 远高于青铜.
焊接C92200锡青铜的最高温度为950°C (低于其1020°100条件) 避免锡汽化和倒金属熔化.
使用钢焊接温度会破坏青铜器.
我如何测量铸造厂中青铜的融化范围?
使用石墨坩埚和K型热电偶使用高温熔化设备.
加热a 5 G以5°C/min的GRONZE样品, 记录第一个液体时的温度 (实心) 当样品完全熔融时 (液体).
该方法具有±5–10°C的精度, 足够批次质量控制.
为什么铝青铜的熔融范围比锡青铜更高?
铝形成高融化金属间化合物 (例如。, cu₃al, 在1037°C下熔化) 用铜, 这会增加固定体和液体.
锡, 相比之下, 用铜形成更延性的固体溶液, 破坏原子键并降低熔点. 例如, 10% Al在青铜中将Liquidus提高〜100°C与. 10% sn.
