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    各種元素對銅主要產品的影響發展和改變狀況。

    來源:m.fcbnk.com   發布時間:2021/1/16

    各種元素對銅主要產品的影響發展和改變狀況。

    氫:

    氫在銅中的行為是人們正在研究的課題,氫與銅不形成氫化物,氫在液態和固態銅中的溶解度隨著溫度升高而增大,特別是在液態銅中有很大的溶解度,在凝固時,會在銅中形成氣孔,從而導致銅制品的脆性和表面起皮;在固態銅中,氫以質子狀態存在,氫的電子填充銅原子的S層軌道,形成質子型固溶體,氫對銅的性能雖然影響甚微,但氫對銅及銅合金來說是有害的,含氧銅在氫氣中退火時會產生裂紋,即“氫病”,原因是發生Cu2O+H2 ⇌ 2Cu+H2O反應,產生的水蒸氣會造成氣孔和裂紋;各種元素對氫在銅中的溶解度影響不一,其中Ni、Mn等元素引起溶解度增加,P、Si等元素減少氫在銅中的溶解度,可以通過減少熔煉時間,調整成分,控制爐料中氫氣含量,熔體表面采用木炭覆蓋等辦法減少銅中氫的含量。


    氧:

    氧在銅的生產過程中是不可避免的,其影響也非常重要,氧很少固溶于銅,1065℃時為0.06%,600℃時為0.002%(重量比);氧在銅中除極少易固溶外,均以Cu2O形式存在,銅的氧化物不固溶于銅,呈現Cu+Cu2O共晶組織,分布于晶界,共晶反應為:L含氧0.39% 1065℃ α含氧0.01%+Cu2O,亞共晶銅中的含氧量與共晶量成正比,可在顯微鏡下與標準圖片比較來精確測定銅中的含氧量。

     

    氧對銅及合金性能的影響是復雜的,微量氧對銅的導電率和機械性能影響甚微,工業銅具有很高的導電率,其原因是氧作為清潔劑,可以從銅中清除掉許多有害雜質,以氧化物形式進入爐渣,特別是能夠清除砷、銻、鉍等元素,含有少量氧的銅其導電率可以達到100-103%±ACS,高純銅如6N銅在深冷條件下電阻值是相當低的。

     

    電真空構件用銅應嚴格控制其中氧的含量,其原因是電真空器件需要在氫氣中密封,銅中氧的存在會導致氫病發生,引起器件高真空環境破壞,因此電真空用銅應該是無氧銅,中國國家標準中規定無氧銅中含氧量小于20ppm,美國ASTM標準中規定為3ppm,為控制氧含量,在無氧銅生產中都應選擇優質電解銅原料,在熔煉工藝中采取還原性氣氛,加強熔池表面覆蓋,一般使用木炭保護;銅及銅合金熔煉時,一般均應進行脫氧,脫氧劑有磷、硼、鎂等,以中間合金方式加入,磷是最有效的脫氧劑,不過應嚴格控制磷的殘留量,因其能夠強烈降低銅及合金的導電率。

     

    銻、鉍、硫、碲、硒:

    這些元素在銅中固溶度極小,室溫下基本不溶于銅,它們以金屬化合物形式存在,分布于晶界,對銅的的導電、導熱影響不大,但是都嚴重的惡化了銅及合金的塑性加工性能,應該嚴格控制其含量,各國標準中規定不應超出0.005%;由于含有這些元素的銅,具有良好的切削性能,在工程技術界也有應用,比如鉍鉬,可以作為真空開關中斷路器的觸頭,在斷路時,防止開關觸頭的沾結,鉍銅中含鉍量可高達0.5%-1.0%;含碲0.15-0.5%的碲銅合金,可作為高導電、易切削無氧銅使用,能夠加工成精密的電子原器件;作為特殊用途的銅合金,可以加入這些元素,但其加工工藝是特殊的,可采用包套擠壓、冷擠、鑄造、粉末冶金等方法。

     

    砷、硼:

    砷在銅中有很大的固溶度,在α固溶體中的可達6.8-7.0%,砷在銅中存在強烈的降低其導電率和導熱性能,一般作為變質劑加入,特別是對黃銅冷凝器合金來說更為寶貴,近一百年來火電和艦船冷凝器管材使用實踐表明,含砷0.1-0.15%的黃銅,能夠防止黃銅脫鋅腐蝕,解決了黃銅冷凝管早期泄漏的致命問題,所以各國材料標準中都規定必須加入砷,經驗表明,不含砷的HSn70-1冷凝管,經常在使用初期的2-3年內發生泄漏事故,而加入砷之后,壽命可增至15-20年,被稱為銅合金研究中重大的技術進步;砷之所以能夠防止黃銅脫鋅腐蝕,許多研究表明,砷能夠降低銅的電極電位,從而降低了電化學腐蝕傾向;由于砷的氧化物污染環境,對人體有害,所以熔煉合金的工廠都應有專門的環保和防護措施;砷應以中間合金方式加入,砷銅中間合金中砷含量可達15-20%,一般由熔煉工廠自己制作。


    硼在銅中固溶度不大,一般作為脫氧劑使用,殘余的硼可以細化晶粒,人們發現硼的變質作用十分顯著,在加砷黃銅合金中同時加入0.01-0.04%硼,具有更好的防止黃銅脫鋅腐蝕;硼的氧化物是銅合金熔煉時優良覆蓋劑,已經被廣泛的使用;在銅的焊接材料中也普遍的加入硼,可防止焊接金屬的氧化。

     

    磷:

    銅磷二元相固表明,在714℃時存在著共晶反應:L8.4%→α1.75%+Cu3P,隨著溫度降低,磷在銅中的固溶量迅速減少,300℃時為0.6%,200℃時為0.4%;固溶于銅中的磷顯著的降低其導電率,含P0.014%的軟帶導電率為94%IACS,含P0.14%的導電率僅為45.2%;磷是最有效、成本最低的脫氧劑,微量磷的存在,可以提高熔體的流動性,改善銅及合金的焊接性能、耐蝕性能、提高抗軟化程度,所以磷又是銅及合金的寶貴添加元素,含P0.015-0.04%的磷銅合金,廣泛用于生產建筑用水道管、制冷和空調用西安紫銅管、艦船海水管路;低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業中廣泛應用,集成電路引線框架銅帶也大量使用低磷銅合金;共晶成份的磷銅合金,是優良的焊接材料,高磷銅合金在580-620℃之間具有超塑性,可以熱擠成φ3-φ5毫米焊絲,是焊接銅及銅合金、鋼和銅零件的重要材料。

     

    鉛:

    鉛不固溶于銅,在銅合金中固溶度也很小,與銅形成易溶共晶組織,38。0-。。%范圍的鉛,液態下與銅液互不混熔,凝固時形成偏晶組織;固態下,鉛在銅中以單質狀態分布,可以分布在晶內和晶介,含鉛的銅合金,在發生相變或再結晶時,晶介的鉛可以轉移到晶內;鉛對銅及合金導電和導熱性能無顯著影響,但可以改善切削性能,鉛質點又是固相,正是軸承材料所希望的,所以含鉛銅及合金是寶貴的易切削材料與軸承材料,因其成本低廉更為市場所歡迎,含鉛黃銅使用極為廣泛,鉛的質點越細小,分布越均勻,性能越優良,含鉛銅及合金可以鑄態使用,也可以壓力加工,鉛黃銅在高溫(500℃以上)為單相β,熱加工性能優良,可以承受大的熱變形,而在常溫下F為α相和α+β相區,冷變形時變形抗力大,塑性較差,過大的加工率會使合金材料產生裂紋;隨著科學技術的發展,常規使用的鉛黃銅中含鉛量已由0.8-2.5%增加至5%以上,新型的含鉛紫銅、黃銅、青銅、白銅正不斷地被開發出來;特別應該指出的是,含鉛銅合金對原料的適應性極強,可以直接使用再生銅生產含鉛銅合金,這對銅加工企業非常重要。

     

    隨著技術進步發現,含鉛銅及合金在使用中,有鉛的溶出,對環境造成污染,因此具有優良切屑性能的無鉛銅合金研究正在展開,特別是廣泛使用的鉛黃銅材料的代用問題已經提到日程,其中可以考慮的替代元素是鉍、硫、硅等。

     

    鐵、鋯、鉻、硅、銀、鈹、鎘:

     

    這七種金屬元素的共同特點是:它們有限固溶于銅,固溶度隨著溫度變化而激烈的變化,當溫度從合金結晶完成之后開始下降時,它們在銅中的固溶度也開始降低,以金屬化合物或單質形態從固相中析出,當這些元素固溶于銅中,能夠明顯地提高其強度,具有固溶強化效應,當它們從固相中析出時,又產生了彌散強化效果,導電和導熱性能得到了恢復,它們是典型的時效熱處理型銅合金,通過淬火(950℃—980℃、淬水)和時效(450℃—550℃、2-4小時),可以獲得高強導電性能;其中微量銀,對銅的導電率、導熱率降低不大,并能顯著提高再結晶溫度、抗蠕變性能和耐磨性能,廣泛用于電機整流子,近來又普遍用于制造高速列車的接觸導線,鎘銅具有沖擊時不發生火花特性,是重要的航空儀表材料,由于鎘具有毒性,污染環境,用途日益縮;鈹銅是著名的彈性材料,鈹對銅的強化最為顯著,熱處理后的鈹銅強度,可達純銅的4-5倍;鐵可以細化晶粒,改善銅及合金性能,在要求抗磁的環境下,應嚴格控制鐵的含量,一般應控制在0.003%以下;鋯、鉻銅合金具有很高的導電率,在航天發動機中有重要的應用;硅青銅具有高的強度和耐磨性能,鐵、鋯、鉻青銅是著名的高強高導銅合金,在電極制造中有重要應用;鐵、硅、鋯、鉻銅合金成了集成電路引線框架銅合金的基礎,其合金成分、性能的研究非;钴S。

     

    鋅、錫、鋁、鎳:

    這四個元素的共同特點是在銅中固溶度很大,分別為39.9%、15.8%9.4%,鎳則無限互溶,它們與銅形成連續固溶體,具有寬闊的單相區,它們能夠明顯地提高銅的機械性能、耐蝕性能,但都使銅的導電、導熱性能降低,與其它金屬材料相比較,仍屬于優良的導電和導熱材料,它們與銅形成寶貴的合金,可分為黃銅、青銅、白銅合金,構筑了龐大合金系的基礎,這些合金具有優秀的綜合性能,比如,黃銅具有高強、耐磨、耐蝕、高導熱、低成本;青銅具有高強、耐磨、耐蝕;白銅具有極為優秀的耐惡劣水質和海水腐蝕性能,所有這些優點都是其它金屬材料不能代替的。

     

    難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮不固溶于銅,微量存在可以作為結晶核心細化晶粒、提高再結晶溫度,粉末法生產的鎢銅、鉬銅具有很高的耐熱性能,比容很大,導熱性優于難熔合金,是重要的熱沉材料,用于電子工業中的固體器件。

    稀貴金屬中金、鈀、鉑、銠與銅無限互溶,是寶貴的焊料合金,用于電子元器件的封裝和各種觸點;其它稀有、稀散和阿系元素微量存在于銅中,或與銅形成合金,在特殊環境中有著重要應用,許多元素在銅中行為的研究正不斷深化。

     

    其它金屬元素對銅的影響:

          鎂、鋰、鈣有限固溶于銅,錳與銅無限互溶,這四個元素都可作為銅的脫氧劑;錳可以提高銅的強度,低錳銅合金具有高強和耐蝕性能,在化學工程中有所應用,錳銅電阻溫度系很少,是優良的電阻合金;由于有同素異晶轉變,使銅錳合金固態下相變十分復雜,固相下具有調幅分解,變晶轉變等過程,具有減振降噪性能,是著名的阻尼合材料。

           以鈰為代表的稀土元素幾乎不固溶于銅,它們在銅中的作用是變質和凈化,可以脫硫與脫氧,并能與低熔點雜質形成高熔點化合物,消除有害作用,提高銅及合金的塑性,在上引鑄造線坯中加入稀土元素,能夠改善塑性,減少冷加工的裂紋。

     

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