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各微量元素对铜性能的影响
铜与微量元素接触不可避免的,由于元素特性的不同,对铜性能的影响也是千差万别的。
氢
氢在铜中的行为是人们正在研究的课题,氢与铜不形成氢化物,氢在液态和固态铜中的溶解度随着温度升高而增大,特别是在液态铜中有很大的溶解度,在凝固时,会在铜中形成气孔,从而导致铜制品的脆性和表面起皮;在固态铜中,氢以质子状态存在,氢的电子填充铜原子的S层轨道,形成质子型固溶体,氢对铜的性能虽然影响甚微,但氢对铜及铜合金来说是有害的,含氧铜在氢气中退火时会产生裂纹,即“氢病”,原因是发生Cu2O+H2 ⇌ 2Cu+H2O反应,产生的水蒸气会造成气孔和裂纹;各种元素对氢在铜中的溶解度影响不一,其中Ni、Mn等元素引起溶解度增加,P、Si等元素减少氢在铜中的溶解度,可以通过减少熔炼时间,调整成分,控制炉料中氢气含量,熔体表面采用木炭覆盖等办法减少铜中氢的含量。
氧
氧在铜的生产过程中是不可避免的,其影响也非常重要,氧很少固溶于铜,1065℃时为0.06%,600℃时为0.002%(重量比);氧在铜中除极少易固溶外,均以Cu2O形式存在,铜的氧化物不固溶于铜,呈现Cu+Cu2O共晶组织,分布于晶界,共晶反应为:L含氧0.39% 1065℃ α含氧0.01%+Cu2O,亚共晶铜中的含氧量与共晶量成正比,可在显微镜下与标准图片比较来精确测定铜中的含氧量。
氧对铜及合金性能的影响是复杂的,微量氧对铜的导电率和机械性能影响甚微,工业铜具有很高的导电率,其原因是氧作为清洁剂,可以从铜中清除掉许多有害杂质,以氧化物形式进入炉渣,特别是能够清除砷、锑、铋等元素,含有少量氧的铜其导电率可以达到100-103%±ACS,高纯铜如6N铜在深冷条件下电阻值是相当低的。
铅
铅不固溶于铜,在铜合金中固溶度也很小,与铜形成易溶共晶组织,38。0-。。%
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范围的铅,液态下与铜液互不混熔,凝固时形成偏晶组织;固态下,铅在铜中以单质状态分布,可以分布在晶内和晶介,含铅的铜合金,在发生相变或再结晶时,晶介的铅可以转移到晶内;铅对铜及合金导电和导热性能无显著影响,但可以改善切削性能,铅质点又是固相,正是轴承材料所希望的,所以含铅铜及合金是宝贵的易切削材料与轴承材料,因其成本低廉更为市场所欢迎,含铅黄铜使用极为广泛,铅的质点越细小,分布越均匀,性能越优良,含铅铜及合金可以铸态使用,也可以压力加工,铅黄铜在高温(500℃以上)为单相β,热加工性能优良,可以承受大的热变形,而在常温下F为α相和α+β相区,冷变形时变形抗力大,塑性较差,过大的加工率会使合金材料产生裂纹;随着科学技术的发展,常规使用的铅黄铜中含铅量已由0.8-2.5%增加至5%以上,新型的含铅紫铜、黄铜、青铜、白铜正不断地被开发出来;特别应该指出的是,含铅铜合金对原料的适应性极强,可以直接使用再生铜生产含铅铜合金,这对铜加工企业非常重要。
随着技术进步发现,含铅铜及合金在使用中,有铅的溶出,对环境造成污染,因此具有优良切屑性能的无铅铜合金研究正在展开,特别是广泛使用的铅黄铜材料的代用问题已经提到日程,其中可以考虑的替代元素是铋、硫、硅等。
铁、锆、铬、硅、银、铍、镉
这七种金属元素的共同特点是:它们有限固溶于铜,固溶度随着温度变化而激烈的变化,当温度从合金结晶完成之后开始下降时,它们在铜中的固溶度也开始降低,以金属化合物或单质形态从固相中析出,当这些元素固溶于铜中,能够明显地提高其强度,具有固溶强化效应,当它们从固相中析出时,又产生了弥散强化效果,导电和导热性能得到了恢复,它们是典型的时效热处理型铜合金,通过淬火(950℃—980℃、淬水)和时效(450℃—550℃、2-4小时),可以获得高强导电性能;其中微量银,对铜的导电率、导热率降低不大,并能显著提高再结晶温度、抗蠕变性能和耐磨性能,广泛用于电机整流子,近来又普遍用于制造高速列车的接触导线,镉铜具有冲击时不发生火花特性,是重要的航空仪表材料,由于镉具有毒性,污染环境,用途日益缩小;铍铜是著名的弹性材料,铍对铜的强化最为显著,热处理后的铍铜强度,可达纯铜的4-5倍;铁可以细化晶粒,改善铜及合金性能,在要求抗磁的环境下,应严格控制铁的含量,一般应控制在0.003%以下;锆、铬铜合金具有很高的导电率,在航天发动机中有重要的应用;
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硅青铜具有高的强度和耐磨性能,铁、锆、铬青铜是著名的高强高导铜合金,在电极制造中有重要应用;铁、硅、锆、铬铜合金成了集成电路引线框架铜合金的基础,其合金成分、性能的研究非常活跃。
锌、锡、铝、镍
这四个元素的共同特点是在铜中固溶度很大,分别为39.9%、15.8%9.4%,镍则无限互溶,它们与铜形成连续固溶体,具有宽阔的单相区,它们能够明显地提高铜的机械性能、耐蚀性能,但都使铜的导电、导热性能降低,与其它金属材料相比较,仍属于优良的导电和导热材料,它们与铜形成宝贵的合金,可分为黄铜、青铜、白铜合金,构筑了庞大合金系的基础,这些合金具有优秀的综合性能,比如,黄铜具有高强、耐磨、耐蚀、高导热、低成本;青铜具有高强、耐磨、耐蚀;白铜具有极为优秀的耐恶劣水质和海水腐蚀性能,所有这些优点都是其它金属材料不能代替的。
难熔金属钨、钼、钽、铌不固溶于铜,微量存在可以作为结晶核心细化晶粒、提高再结晶温度,粉末法生产的钨铜、钼铜具有很高的耐热性能,比容很大,导热性优于难熔合金,是重要的热沉材料,用于电子工业中的固体器件。
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