（1）不宜忽视对青铜牌号及名称含义的认识 铸造铜合金是现代工业中广泛应用的结构材料之一。铜合金具有较高的力学性能和耐磨性能，很高的导热性和导电性。铜合金的电极电位高，在大气、海水、盐酸、磷酸溶液中均有良好的耐蚀性，因此常用作船舰、化工机械、电工仪表中的重要零件及换热器。

图3-135 减压凝固法装置示意图

1—电动机 2—真空泵 3—真空表 4—真空阀 5—小坩埚（样杯） 6—真空玻璃罩（也有用其他材质的罩，在其顶部开有窥视孔） 7—真空密封环 8—排气阀 9—工作台

铸造铜合金可分为两大类，即青铜和黄铜。以锌为主加元素的称为黄铜，而青铜原指铜锡合金，后来在寻找贵重金属锡的代用材料和提高合金性能过程中，制成许多新的不含锡的合金，但仍然使用青铜这个名称。把含锡的青铜称为锡青铜，不含锡的青铜称为无锡青铜，以示区别。而锡青铜，除包括铜锡二元合金外，还有铜锡铅，铜锡锌铅，铜锡磷等多元合金；无锡青铜，则有铝青铜，铅青铜等。其牌号、名称，根据我国国家标准GB 1176—1987，用拼音字母“铸”的字头“Z”表示为铸造合金；接着为Cu，表示为铸造铜合金，随后为属于哪一种青铜，就将那种元素的符号写在ZCu后面，其含量写在元素符号后面。其他元素含量，按含量多少顺序排列。例如合金牌号为ZCuSn3Zn8Pb6Ni1的3—8—6—1锡青铜，为含锡3%、锌8%、铅6%和镍1%，其余为铜的铜锡锌铅锡青铜；牌号为ZCuSn10P1的10—1锡青铜，是含锡10%和磷1%，其余为铜的铜锡磷锡青铜；牌号为ZCuAl8Mn13Fe3Ni2的8—13—3—2铝青铜，为含铝8%、含锰13%、含铁3%和含镍2%，其余为铜的铝青铜等。铸造青铜不同牌号的具体化学成分、杂质含量、力学性能，可见我国国家标准GB 1176—1987。

（2）铸造锡青铜及其禁忌

1）为确保铸造锡青铜具有最佳的综合力学性能，其中锡的质量分数不宜太低，也不可过高；还不可忽视所生产铸件的壁厚。锡青铜的力学性能在铜合金中不算高，其抗拉强度约为150～350MPa（与灰铸铁相当），伸长率约为6%～12%（与铸钢相当）。

锡青铜的力学性能主要取决于组织中（α+δ）共析体所占的比例，即锡含量及冷却速度决定合金的力学性能。从实用相图3-136所示可以看出，随锡含量的增加，锡青铜组织由单一α相进入多相α+δ区，共析体（α+δ）所占的数量逐步增多，其结果是直接影响锡青铜的力学性能。当锡含量小于5%～7%时，铸态能得到单一α相组织（参见图3-136），这时，如果锡含量增加，由于锡在铜中的固溶强化作用，使合金的抗拉强度和伸长率都有所提高（见图3-137）。进一步增加锡含量，组织中（α+δ）共析体数量也增加，强度提高，但塑性急剧下降。当锡含量达到20%左右时，由于共析体（α+δ）数量太多，合金的伸长率已降至很低，而且强度也急剧下降。所以锡含量大于20%的铸造锡青铜，在工业上使用价值不大。以前只用来铸钟，故名“钟青铜”（锡含量在17%～25%）。为了保证获得较高的抗拉强度和一定的塑性，也就是使铸造锡青铜具有最佳的综合力学性能，通常锡含量选择在7%～10%之间。而锡含量小于7%的锡青铜，则多用于压力加工，制成棒、线、板材。

此外，铸件壁厚对锡青铜力学性能也有着显著的影响。如在相同的铸造条件下，当铸件壁厚由10mm增至30mm时，其抗拉强度由360MPa降至240MPa（参见图3-138），这是由于具有糊状凝固特点的锡青铜，在厚壁处冷却速度慢，组织疏松，力学性能就差；而在薄壁处，由于冷却速度快，组织紧密，因而力学性能就高。为了保证较大壁厚处的强度，就必须采取工艺措施加大该处的冷却速度。

图3-136 Cu-Sn二元合金实用相图

实线—砂型 虚线—金属型

图3-137 锡含量对锡青铜力学性能的影响

2）二元锡青铜的性能还不够理想，不可忽视常加入某些合金元素，如锌、铅、磷、镍等元素的目的。二元锡青铜由于在性能上不够理想，成本较高，因此常常加入一些合金元素，如锌、铅、磷、镍等，其目的是为了进一步改善锡青铜的性能和降低合金成本（可减少锡的用量），下面分别予以介绍。

①锌：锌加入铜-锡二元合金后组成三元合金。锌缩小了青铜的凝固温度范围，从而改善了流动性和减少缩松倾向，这对于获得致密铸件，提高耐水压性能是很重要的。

图3-138 阶梯状铸件壁厚对锡青铜力学性能的影响

注：合金成分：8%Sn、4%Zn；干砂型铸造；浇注温度1150℃。

锌可溶于固溶体中，强化α相，使锡青铜强度提高。同时锌能减小α固溶体中锡的溶解度，使高温α区缩小，（α+δ）区向左移，使组织中的（α+δ）共析体数量增加，其结果相当于在铜-锡二元相图中增加了锡。每增加1%的锌，相当于增加0.5%锡。这个关系称为锡当量。锌的“锡当量”为0.5%。锡青铜中加入锌取代一部分锡，可以改善铸造性能，降低成本，并保证合金具有一定的强度和耐磨性。但锌的加入量过多，会使性能变脆，耐蚀性降低。其加入量通常为5%～12%。

锌的蒸气压力大（沸点为907℃），可以防止熔炼时吸气。

②铅：铅不溶于α固溶体，以软质点的形态分布在锡青铜组织中，可显著改善青铜的耐磨性；另外铅的熔点低，在凝固后期，它能填充树枝晶间的孔隙，减少微观缩松，从而提高铸件的耐水压性能；铅在锡青铜组织中是不连续的独立相，含铅锡青铜，在切削加工时，容易断屑，能改善切削加工性能。铅在锡青铜中的加入量，一般为3%～6%。

③磷：磷在锡青铜中有两个作用，一是脱氧和提高流动性，另一是提高耐磨性。对铜合金来说，磷是很好的脱氧剂，几乎所有的铜合金都用磷来脱氧。为了脱氧，铜合金中要含有0.03%～0.06%的磷。磷降低铜液的表面张力，增加易熔成分，能有效地提高锡青铜的流动性。锡青铜磷含量大于0.1%时，组织中就会有Cu₃P出现。它以α+Cu₃P二元共晶或者α+δ+Cu₃ P三元共析形式出现，使青铜的抗拉强度和塑性都明显提高；磷含量0.5%时，强度达最高值；磷含量1.0%以上，塑性很低。Cu₃P硬而脆，含磷高时，能提高锡青铜的耐磨性。含磷青铜易吸气，铸件易产生气孔缺陷。磷的加入量，一般为0.15%～0.50%，高含量为0.5%～1.0%。

④镍：溶于α固溶体中，可以细化晶粒，并使铅的分布均匀，改善力学性能、耐蚀性和耐磨性。ZCuSn3Zn8Pb6Ni1合金中，加入1%镍时，可增加强度和减轻厚截面铸件的缩松，常用于制造大型阀体和阀座。

锡青铜中镍的加入量，通常为0.5%～1.5%。(www.daowen.com)

3）锡青铜中如果含有铝、硅、镁，切忌过高。铝、硅、镁都是锡青铜中极为有害的杂质，在熔炼和浇注过程中形成Al₂O₃、SiO₂、MgO等难熔氧化物，弥散状分布于铜液中，很难从铜液中清除出去，降低合金液的流动性，阻塞补缩通道，降低铸件致密性，容易渗漏；其次，这些氧化物凝固时往往被推向晶界上，削弱了晶界，降低合金的力学性能。在铸造铜合金的国标GB1176—1987中，铝、硅、镁的含量均限制在不大于0.01%或0.02%。因此，熔炼不同牌号铜合金的坩埚必须作标记，分别存放，不得混用。

4）生产锡青铜铸件，切忌可能产生冒“锡汗”，即反偏析，不可不防。冒“锡汗”是锡青铜铸件中常见的缺陷，铸件表面会渗出许多灰白色颗粒状的富锡析出物，学名反偏析。这种现象，在砂型铸造厚大件时特别严重。

“锡汗”中，富集δ相（Cu₃₁Sn₈），造成铸件内外成分不均匀，降低合金力学性能；而且使组织更加疏松，显著降低其耐水压性能；同时，铸件表面富集坚硬的δ相（“锡汗”的主要成分），恶化切削加工性能；加工后的表面会出现灰白色斑点，影响表面质量。锡汗层一般有5mm左右，严重时，可深入表皮下25～30mm。凝固速度越慢，冒锡汗越严重。

出现冒锡汗的原因是锡青铜的结晶温度范围宽，枝晶发达，低熔点的富锡δ相被包围在α枝晶间隙中，此时氢的溶解度因温度下降而急剧降低，呈气泡形式析出，产生背压，把富锡熔体推向枝晶间隙中心。而在凝固后期，铸件从内到外仍存在着大量的显微通道，在氢气泡形成的背压和固态收缩力内外作用下，迫使富锡熔体沿α枝晶间的显微通道向铸件表面渗出，堆积在铸件表面。

二元锡青铜如加入磷，易发生下述反应：

2P+5H₂O→P₂O₅+5H₂

即会产生大量的氢气，因此铸造10—1锡青铜时，冒锡汗特别严重。

防止冒锡汗的工艺措施有：

①放置冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固。

②调整化学成分，如加入锌和适当减少锡、磷含量，可以缩小结晶温度范围，有利于防止锡汗。

③采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量。

④注意控制浇注温度，防止过高。

（3）铸造铝青铜及其禁忌

1）为保证铸造铝青铜件有良好的强度和一定的伸长率，其铝含量不宜超过11%。铸造铝青铜是无锡青铜中最常用的一种，它比锡青铜有更高的力学性能，更好的耐磨性及耐蚀性，常用来做高负荷、高速条件下工作的耐磨零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。铝青铜的力学性能主要决定于铝含量，如图3-139所示。含铝6%处有伸长率的峰值，继续增加铝含量，伸长率开始下降，强度则仍旧升高，而在铝11%处，强度达到峰值，此后随铝量的增加，不仅使伸长率下降得很低，而且强度也急剧下降。因此，铝青铜的铝含量一般不超过11%，常用铸造铝青铜的铝含量一般控制在7%～11%。

2）从强度和伸长率的测试结果已知：铸造铝青铜的铝含量不宜超过11%，但导致的原因不可不究；也不可忽视铝青铜的“缓冷脆性”。从图3-140所示的Cu-Al二元相图可以看出，在铝青铜的含铝范围内，其相图比较简单。温度为1036℃时有共晶转变（L→α+β），共晶点含铝为8.3%。当温度为565℃时有共析转变（β→α+γ₂），共析点含铝11.8%，共析组织呈层片状。而组织中的α相，是铝在铜中的固溶体，具有面心立方晶格。由于铝溶于铜而产生固溶强化作用，因而α固溶体的强度和塑性都比纯铜高得多，而且随着铝含量的增加而增高，因此，单相α铝青铜适用于冷、热压力加工成型材；β相是以金属化合物Cu₃Al为基的固溶体，体心立方晶格，仅在高温时稳定，降温至565℃时，在缓慢冷却条件下要进行共析转变，出现脆性相γ₂；该γ₂相是以Cu₃ Al₄为基的固溶体，具有复杂的立方晶格，性质硬而脆，加上这些脆性共析体呈网状在α相晶界上析出，形成隔离晶粒连接的脆性硬壳，从而严重地削弱了晶间结合力，使合金的脆性急剧增加。

图3-139 铝青铜力学性能（砂型）与铝含量的关系

图3-140 Cu-Al二元相图

在平衡的条件下，α相区很宽，室温下含铝小于9.4%的合金组织为单一的α相，含铝大于9.4%合金中出现了α+γ₂共析组织。而在铸造条件下，发生非平衡结晶，α相区缩至铝7.5%，甚至以下。也就是说，只要铝大于7.5%，就可能出现α+γ₂共析组织。不过，由于铸件冷却较快，β相来不及发生共析转变，只完成晶格转变，即β→β′。而β′是具有密排立方晶格的介稳定相，强度、硬度较高，塑性较低。当含有适量的β′相，且分布均匀时，合金有较高的综合力学性能。但β′超过30%时，合金变脆。如果铸件冷却较慢，则β相可分解为硬而脆的α+γ₂共析体。β相分解越多，合金越脆。这种因缓慢冷却所引起的脆性称为“缓冷脆性”，也叫做“自动退火脆性”。因此我们希望铸造铝青铜的铸态组织应是α+β′或α+β′+少量的α+γ₂共析体。这就是为确保铸造铝青铜件有良好的强度和一定的伸长率，从其组织结构来看，铝含量一般不宜超过11%的原因。

当然，在铸造条件下，即使铝含量不超过11%，如果冷却缓慢，β相还是会分解为硬而脆的α+γ₂共析体。冷却速度愈慢（如干砂型铸造厚大件），β相共析转变的量愈多，合金缓冷脆性愈严重。为避免或消除缓冷脆性，采取的工艺措施有：

①提高冷却速度，使β相来不及分解，从而可减轻或避免缓冷脆性：如浇注后提早打箱；将铸件置于空气中或水中冷却；也可采用金属型铸造。

②加入铁、锰等合金元素，增加β相的稳定性，不使β相分解。

③加入镍以扩大α相区，以减少或消除β相。