第二講有色金屬及合金材料(2)第四節(jié)銅及銅合金熔點(diǎn)：1083℃密度：8.94g/cm3電阻率：1.78×10-8Ωm(退火態(tài))熱導(dǎo)率：400W(mK)-1熱膨脹系數(shù)：16.5×10-6m/K力學(xué)性能：280MPa(軟態(tài)),延伸率≥40%

銅具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的延展性能，是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域，在我國有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁。

銅及銅合金簡介基本性質(zhì)世界十大銅業(yè)公司排名公司名稱2010年產(chǎn)量/萬噸1智利國家銅業(yè)公司1762自由港麥克莫蘭公司1443必和必拓1144斯特拉塔公司90.75力拓公司70.16英美資源集團(tuán)64.57墨西哥集團(tuán)59.88嘉能可國際54.29南方銅業(yè)公司48.710波蘭銅業(yè)股份有限公司42.6中國主要銅業(yè)公司排名公司名稱2003年產(chǎn)量/萬噸1江西銅業(yè)集團(tuán)34.32銅陵有色金屬集團(tuán)33.73云南銅業(yè)集團(tuán)18.74大冶有色金屬公司11.95金川集團(tuán)10.36白銀有色金屬6.27上海大昌銅業(yè)5.48上海鑫冶銅業(yè)5.19葫蘆島有色金屬集團(tuán)5.010煙臺有色金屬4.9我國銅產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)：大而不強(qiáng)，亟待產(chǎn)業(yè)升級！銅及銅合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀銅加工企業(yè)中國銅材產(chǎn)量、國際貿(mào)易及消費(fèi)量中國是世界上最大的銅加工材生產(chǎn)國，消費(fèi)國、進(jìn)口國，也是重要的出口國。銅及銅合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀銅消費(fèi)量當(dāng)前2015年板帶材46.8109管材53.889.6棒材65.8117線材638900箔材40.150.9我國主要銅產(chǎn)品市場現(xiàn)狀及預(yù)測(萬噸)目前銅加工材主要有板帶材、管棒材、線材和箔材幾大類產(chǎn)品，主要應(yīng)用于電子電氣、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、建筑等行業(yè)。銅及銅合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀銅消費(fèi)量線材棒材板材帶材

管材

箔材銅粉

銅鑄件

銅及銅合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀產(chǎn)品類型紫銅簡介

純銅呈紫紅色面心立方（F.C.C）結(jié)構(gòu)

熔點(diǎn)1083℃

無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

比重8.98g/cm3純銅（紫銅）純銅的強(qiáng)度不高（抗拉強(qiáng)度200-250MPa）硬度低（40-50HBS）不宜作結(jié)構(gòu)材料；塑性好（延伸率45-55%）紫銅的牌號③無氧銅導(dǎo)電紫銅帶厚壁紫銅管薄壁紫銅管紫銅管接頭表面淬火感應(yīng)線圈紫銅香爐（大明宣德年制款）景泰藍(lán)工藝品紫銅黃銅1黃銅（Cu-Zn合金）以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。

H68、H70、H80等即七三黃銅（Cu70%，Zn30%左右），為單相黃銅（Zn＜39%），塑性好,深沖性能好，適于冷沖、冷拉板材、線材等，有彈殼黃銅之稱，也可熱加工；

H62、H59等即六四黃銅，強(qiáng)度較好（Zn39-45時抗拉強(qiáng)度最高），塑性差;在456℃，塑性好，只適合熱加工，常用作鉚釘、螺帽、墊圈等。黃銅的牌號普通黃銅通常把Cu-Zn二元合金稱為普通黃銅黃銅HXXCu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)H70:代表銅含量大約為70wt.%,Zn含量大約為30wt.%.H62:代表銅含量大約為62wt.%,Zn含量大約為38wt.%.H59:代表銅含量大約為59wt.%,Zn含量大約為41wt.%.黃銅的牌號特殊黃銅（復(fù)雜黃銅）在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Sn、Pb、Mn、Fe、Si、Ni等元素形成的銅合金特殊黃銅HXYY-ZCu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)HPb59-1:代表銅含量大約為59wt.%,Pb含量大約為1.0wt.%.HMn58-2:代表銅含量大約為58wt.%,Mn含量大約為2wt.%.主添加元素的化學(xué)符號主添加元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)青銅2

青銅（Cu-Sn合金或Zn、Ni以外的其它合金）最早的青銅為銅錫合金，現(xiàn)在將工業(yè)上除Zn、Ni以外的其他合金元素為主要添加元素的銅合金統(tǒng)稱為青銅，并冠以主要合金元素的名稱：錫青銅、鋁青銅、硅青銅、鈹青銅等。鋁青銅錫青銅青銅錫青銅

工業(yè)用錫青銅的Sn含量一般為3%-14%

Sn含量小于8%的錫青銅塑性好，適于壓力加工

Sn含量大于10%的錫青銅塑性低，只適于鑄造。錫青銅的鑄造流動性較差、易形成分散縮孔，鑄件致密度低，但其線收縮小，適于鑄造外形及尺寸要求精密的鑄件。耐腐蝕性好，在大氣、海水中優(yōu)于銅及黃銅，但在酸類及氨水中的耐蝕性較差。性能特點(diǎn)青銅的應(yīng)用“神鋒五千年中華刀劍”白銅2白銅（Cu-Ni合金）

白銅是以鎳為主要添加元素的銅基合金，呈銀白色，有金屬光澤，故名白銅。銅鎳之間彼此可無限固溶，從而形成連續(xù)固溶體，即不論彼此比例多少，而恒為α-單相合金。當(dāng)把鎳熔入紫銅，含量超過16%以上時，產(chǎn)生的合金色澤就變得相對近白如銀，鎳含量越高，顏色越白。通常白銅中鎳的含量一般為25%。Cu-Ni相圖Cu-Ni合金白銅的應(yīng)用白銅的發(fā)明是我國古代冶金技術(shù)中的杰出成就！早在唐朝就有白銅的冶煉?！杜f唐書·輿服志》載：“自馀一品乘白銅飾犢車?！备邚?qiáng)高導(dǎo)銅合金是一類具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的功能材料,它既具有高的強(qiáng)度和良好的塑性,又繼承了純銅的優(yōu)良導(dǎo)電性能。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金設(shè)計研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)：在保持銅合金高電導(dǎo)率的同時盡可能提高材料的強(qiáng)度。

高強(qiáng)高導(dǎo)銅高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金強(qiáng)化型銅合金性能合金材料成分制備方法極限抗拉強(qiáng)度σb/MPa導(dǎo)電率/%IACSCu-ZrCu-0.3Zr熱機(jī)械處理42092Cu-0.5Zr超音霧化46091Cu-CrCu-0.5Cr熱機(jī)械處理50085Cu-0.6Cr-0.1Zr-0.03Mg熱機(jī)械處理58685Cu-NiCu-0.1Ni----55265Cu-MgCu-0.25Mg-0.4Ag熱機(jī)械處理40075Cu-FeCu-1.0Fe-0.3Pb熱機(jī)械處理489----Cu-CdCu-1.0Cd熱機(jī)械處理30080性能電機(jī)導(dǎo)條、端環(huán)連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯精密儀器電氣化鐵路接觸導(dǎo)線集成電路引線框架電阻焊電極、噴嘴高強(qiáng)高導(dǎo)銅應(yīng)用銅合金的熔煉、鑄造技術(shù)向著高效率的工藝連續(xù)化、自動化、大尺寸鑄造等方向發(fā)展。并使用特殊的封閉式熔煉裝備避免吸氣，并采取外場（電磁場）輔助裝置來改善鑄錠組織。潛流式熔煉的保溫爐聯(lián)合爐組這項技術(shù)突破了銅合金熔煉鑄錠生產(chǎn)中銅液依靠中間流轉(zhuǎn)槽的模式使熔煉爐和保溫爐連為一體，形成聯(lián)體爐形式。從而消除了金屬液體轉(zhuǎn)運(yùn)過程中金屬的氧化、吸氣，特別是熔煉黃銅時鋅的揮發(fā)。這項創(chuàng)新簡化了熔煉保溫爐的結(jié)構(gòu)，推動了熔鑄生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化。保溫爐聯(lián)合爐組銅及銅合金的熔煉與鑄造鋅的熔點(diǎn)419.5℃。法國格里塞公司開發(fā)了錫青銅水平連鑄新工藝：水平連鑄—在線銑面—在線軋制—在線均勻化退火（850C）—切斷—卷取。該技術(shù)解決了錫青銅偏析問題，成分均勻，塑性改善，冷軋加工率達(dá)90%。連續(xù)鑄造裝備銅帶坯連續(xù)鑄造工藝與裝備銅及銅合金的熔煉與鑄造錫的密度：7.3g/mm3。十五期間，中國首先實現(xiàn)16X450mm錫磷青銅帶坯結(jié)晶過程電磁攪拌并迅速實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過電磁攪拌處理的錫磷青銅帶坯晶粒細(xì)化，塑性提高，石墨模具使用壽命延長，帶材成品率提高。這項技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。錫磷銅帶坯水平連鑄電磁鑄造銅及銅合金的熔煉與鑄造連鑄帶坯第五節(jié)鈦及鈦合金鈦是上世紀(jì)50年代興起的極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，被喻為二十一世紀(jì)的“智慧金屬”，在航空、航天、生物醫(yī)學(xué)工程、車輛工程、航海、石油、化工、建筑、體育用品等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，鈦及其合金的先進(jìn)熔煉工藝、超塑性成形工藝、先進(jìn)鈦基復(fù)合材料制備工藝不斷涌現(xiàn)出來，拓展了鈦及其合金在航空航天、生物醫(yī)學(xué)及民用方面的發(fā)展。

3.1鈦資源鈦合金鈦合金

3.1鈦資源鈦合金鈦合金的特點(diǎn)

密度低：純鈦4.51g/cm3

強(qiáng)度高：純鈦可達(dá)到550MPa以上，可直接使用，TC12室溫下可達(dá)到1150MPa耐高溫：TC12合金500℃可達(dá)到700MPa

耐低溫耐腐蝕無磁性線膨脹系數(shù)小

導(dǎo)熱性差難機(jī)加工鈦合金的比強(qiáng)度是目前工業(yè)金屬中最高的。鈦合金在540℃的比強(qiáng)度高于鋼，這種優(yōu)點(diǎn)首先應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。鈦合金的特點(diǎn)比強(qiáng)度高材料抗拉強(qiáng)度（MPa）模量（GPa）密度（g·cm-3）比強(qiáng)度（MPa·cm3·g-1）比模量（GPa·cm3·g-1）0Cr17Ni14Cu4Nb13102068.1016425.4TC410801134.4524325.4鈦合金與其它材料性能比較鈦合金又能抗低溫而不破壞。鈦合金是現(xiàn)代超音速飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)等可缺少的材料。鈦合金的特點(diǎn)耐低溫合金溫度抗拉強(qiáng)度（MPa）屈服強(qiáng)度（MPa）延伸率(%)TC4201080106015.5-701240122012.5-1961640157017.5-253182017703.5鈦合金與其它材料性能比較

鈦在含氧環(huán)境中生成薄而堅固的氧化物薄膜，氧化膜與基體結(jié)合牢固，破壞后能夠自愈，耐氧化溶液和氯化物溶液的腐蝕，最突出的是耐工業(yè)腐蝕氣氛及海水腐蝕。在海洋環(huán)境中腐蝕速率9.03×10-5mm/年；鈦合金具有良好的耐應(yīng)力腐蝕的能力，還具有耐淡水和海水的腐蝕疲勞性能。在靜止海水中數(shù)年仍非常光亮。鈦合金在海水中的腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。鈦合金的特點(diǎn)耐腐蝕鈦合金的特點(diǎn)比強(qiáng)度高全鈦合金機(jī)身F14A鈦合金占比25%采用全鈦合金建造的攻擊型核潛艇是蘇俄海軍所獨(dú)有，這種頗具神秘色彩的核潛艇，其在下潛深度、水下航速等技術(shù)性能方面的巨大優(yōu)勢絕對令人嘆為觀止、印象深刻，但巨大而高昂的造價也令其有“金魚”之稱。鈦合金的特點(diǎn)核潛艇金紅石（二氧化鈦）鈦鐵礦攀枝花鈦礦鈦資源鈦在地殼中的總含量為0.6%，在金屬中次于鐵、鋁和鎂居第4位，在所有元素中居第9位。據(jù)估計全球鈦礦儲藏量達(dá)32.4億噸。全球鈦資源主要分布在中國、澳大利亞、南非、挪威、印度和加拿大等國。

我國鈦資源總量居世界之首，占世界探明儲量的30%。主要集中在四川、云南、廣東、廣西及海南等地，其中四川攀西是中國最大的鈦資源基地。世界各國鈦鐵礦儲量及所占比例（以TiO2計，萬噸）

3.1鈦資源鈦資源分布2010年中國海綿鈦、鈦材產(chǎn)量分別占全球37%和34%，都居世界第1位！海綿鈦鈦材產(chǎn)品全球產(chǎn)量中國美國日本俄羅斯哈薩克斯坦烏克蘭歐洲海綿鈦1544705777087003600025000200007000-鈦材11172138323346151378321000--40002010年世界各國海綿鈦和鈦材的產(chǎn)量（噸）

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀世界鈦產(chǎn)量產(chǎn)品2005200620072008200920102011海綿鈦9510180374520049632407855777064952鈦材101351387923640277362496538323509622005-2011年中國海綿鈦和鈦材的產(chǎn)量（噸）數(shù)據(jù)來源：《鈦工業(yè)進(jìn)展》2012.No.12010年1月-2011年9月中國海綿鈦價格走勢2005-2011年中國海綿鈦和鈦材產(chǎn)量萬元/噸

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國鈦產(chǎn)量南京寶色鈦業(yè)、張家港海岸鈦業(yè)

上海寶鋼特鋼公司沈陽有色金屬加工廠沈陽東方鈦業(yè)撫順鈦業(yè)寧夏東方鉭業(yè)

寶鈦集團(tuán)、寶鈦股份西北有色院西部鈦業(yè)、西部超導(dǎo)

四川攀枝花東方鈦業(yè)

遵義鈦業(yè)

湖南湘投金天鈦業(yè)云南昆鋼

洛陽725所

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國鈦產(chǎn)業(yè)格局2010年中國各企業(yè)海綿鈦產(chǎn)量/噸總計：57770噸2010年中國各企業(yè)鈦錠產(chǎn)量/噸

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國鈦產(chǎn)業(yè)格局海綿鈦的“Kroll”生產(chǎn)工藝流程圖金紅石鈦鐵礦濃縮冶金工藝四氯化鈦鎂還原海綿鈦遵義鈦業(yè)生產(chǎn)的11.87噸海綿鈦海綿鈦

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀海綿鈦的制備真空自耗電弧爐熔煉：金屬本身作為負(fù)極，水冷坩堝作為正極，在低電壓大電流作用下金屬逐漸熔化，金屬本身為自耗電極。圖3鈦及鈦合金材料加工工藝流程圖海綿鈦壓制短坯自耗電極焊接熔煉錠坯開坯鍛造方坯軋制軋制鍛造

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀鈦及鈦合金型材的制備2010年中國鈦材在各領(lǐng)域的銷售量鈦制鉆井提升器關(guān)節(jié)植入材料-Ti合金Ti合金高爾夫球頭全鈦手表外殼、首飾、眼鏡架鈦鼓鈦制反應(yīng)罐西班牙博物館-純鈦制造

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀鈦產(chǎn)品的應(yīng)用鈦白粉(TiO2)世界上最好的白色顏料棒材管材板材絲材環(huán)材餅材鑄件

3.2我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀鈦合金的產(chǎn)品類型鈦合金的牌號A表示組織為α相的鈦合金B(yǎng)表示組織為β相的鈦合金C表示組織為α+β相的鈦合金TXY根據(jù)鈦合金在退火狀態(tài)下的相組成命名X=A、B、C數(shù)字代表順序號工業(yè)上使用的鈦合金大多數(shù)是（α＋β）雙相的。它們兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的塑性、容易鍛造、壓延和沖壓，并可以淬火時效強(qiáng)化。最常用的是TC4（Ti－6Al－4V）等。TC4合金生物醫(yī)用材料是近30年來發(fā)展起來的一類技術(shù)含量與附加值最高的產(chǎn)品！一個新興支柱產(chǎn)業(yè)！2）分類：醫(yī)用金屬材料(占40%)、醫(yī)用高分子材料、生物陶瓷和醫(yī)用復(fù)合材料。3）生物醫(yī)用材料的基本要求：

良好的生物相容性；優(yōu)異的耐腐蝕性能；生物力學(xué)適應(yīng)性：高強(qiáng)度、低彈性模量、高耐磨性、韌性好易于加工和成型。3.3生物醫(yī)用鈦合金1)

定義：用來對于生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。生物醫(yī)用鈦合金概述

目前中國醫(yī)用金屬材料市場規(guī)模約為200億元人民幣占國際生物醫(yī)用金屬材料市場份額的3%90%以上的高端醫(yī)用金屬材料制品依靠進(jìn)口3%-中國15%日本歐洲35%美國48%世界醫(yī)療器械和醫(yī)用材料市場格局為美、歐、日稱霸天下！中國僅3%！國內(nèi)市場需求巨大！3.3生物醫(yī)用鈦合金生物醫(yī)用鈦合金市場需求傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料

不銹鋼鈷鉻鉬合金傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料存在的問題生物相容性較差比重大使用壽命短鈦合金的優(yōu)點(diǎn)比重只有不銹鋼的57%彈性模量更接近人體骨骼生物相容性好，使用壽命長具有良好耐蝕性及高強(qiáng)度是不銹鋼等醫(yī)用植入產(chǎn)品的首選替代材料。3.3生物醫(yī)用鈦合金生物醫(yī)用鈦合金性能優(yōu)勢第一代第二代第三代20世紀(jì)50年代，鈦首次被Bathe等人研究證明無生物毒性。70年代美、日、英等國,嘗試用純Ti（α型）和Ti-6Al-4V(α+β型)作外科植入材料80-90年代中期，瑞士和德國先后開發(fā)出α+β型鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Fe，并列入國際生物材料標(biāo)準(zhǔn)，開始臨床應(yīng)用。近年來，醫(yī)用鈦合金重點(diǎn)轉(zhuǎn)向具有較低彈性模量的近β型鈦合金，以美國和日本科技投入和產(chǎn)出最多。代表合金有：(Ti-Mo、Ti-13Nb-13Zr、Ti-Nb-Ta-Zr等)，其中Ti-13Nb-13Zr是美國1994年研制成功且最早被正式列入國際標(biāo)準(zhǔn)的第一個近β型鈦合金。3.3生物醫(yī)用鈦合金生物醫(yī)用鈦合金發(fā)展歷史顱骨修復(fù)網(wǎng)關(guān)節(jié)修復(fù)支架髓內(nèi)釘脊柱修復(fù)支架牙種植體接骨板人工關(guān)節(jié)義齒支架1.骨科和齒科硬組織治療用主要器械產(chǎn)品3.3生物醫(yī)用鈦合金生物醫(yī)用鈦合金產(chǎn)品類型TiNi食道支架2.心血管介入等軟組織治療器械產(chǎn)品—TiNi形狀記憶合金TiNi心血管支架TiNi膽管支架動脈血管支架心臟瓣膜3.3生物醫(yī)用鈦合金產(chǎn)品類型生物醫(yī)用鈦合金鋁合金分類：變形鋁合金、鑄造鋁合金鋁合金強(qiáng)化：固溶處理+時效強(qiáng)化、變質(zhì)處理細(xì)晶強(qiáng)化常用鋁合金代號應(yīng)用（牌號）：例LF5、ZL10