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铜知识点总结之微量杂质元素对铜性能的影响

发布时间:2019-04-11 05:32:49

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纯铜外表具有玫瑰红色,表面形成氧化膜后呈紫色,故俗称为紫铜,或又称为红铜、赤铜。紫铜是含有一定氧的铜,因而又称含氧铜。其内杂质被氧化而被排出,固溶量减少,这有利于铜的电导性,亦可消除有害杂质的影响。但紫铜在370℃以上还原气氛中易出现脆裂(通常被称为氢气病)。尽管如此,紫铜以其极高的导电,导热,良好的耐腐蚀性和易加工性等特性被广泛应用于工业和生活领域中。如:电线,电缆,开关端子等。

许多微量杂志元素对紫铜的性能有很大的影响,表现在导热、导电及塑性变形的变化。下面详细叙述了杂志元素对紫铜的影响。影响纯铜性能的主要元素有:氧、氢、硫、碲、磷、铁、铅、锡、锑、砷、铋、锌等。其各自的主要作用是:

(1)氧:稍微提高铜的强度,但降低铜的塑性和疲劳极限,氧对铜的电导率影响不大,微量氧可氧化高纯铜中的痕量杂质Fe、Sn、P等,提高铜的电导率,若杂质含量较多,则氧的这种作用表现不出来。氧能部分消弱Sb、Cd对铜导电性的影响,但不改变As、S、Se、Te、Bi等对铜导电性的影响。有些紫铜还特意保留一定量的氧,一方面对铜性能影响不大,另一方面Cu2O可与Bi、Sb、As等杂质起反应,形成高熔点的球状质点分布于晶粒中,消除了晶界脆性。

(2)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。

(3)硫:对铜的导电性和导热性影响不大,但显著降低铜的塑性。硫在铜中形成Cu2S弥散质点,改善铜的切削性能。

(4)碲:对铜的电导率及导热率影响很小,但能显著改善铜的切削性能。微量碲(0.0005%~0.003%)显著降低铜的可焊性能。

(5)磷:铜磷二元相固表明,在714℃时存在着共晶反应:L8.4%1.75%+Cu3P,随着温度降低,磷在铜中的固溶量迅速减少,300℃时为0.6%,200℃时为0.4%;固溶于铜中的磷显著的降低其导电率,含P0.014%的软带导电率为94%IACS,含P0.14%的导电率仅为45.2%;磷是有效、成本的脱氧剂,微量磷的存在,可以提高熔体的流动性,改善铜及合金的焊接性能、耐蚀性能、提高抗软化程度,所以磷又是铜及合金的宝贵添加元素,含P0..04%的磷铜合金,广泛用于生产建筑用水道管、制冷和空调器散热管、舰船海水管路;低磷铜合金板、带材在电子和化工工业中广泛应用,集成电路引线框架铜带也大量使用低磷铜合金;共晶成份的磷铜合金,是优良的焊接材料,高磷铜合金在℃之间具有超塑性,可以热挤成毫米焊丝,是焊接铜及铜合金、钢和铜零件的重要材料。

(6)铁:能够细化铜晶粒,延迟铜的再结晶过程,提高其强度和硬度,但是降低铜的塑性、电导率与热导率。如果铁在铜中呈独立的相,则铜具有铁磁性。

(7)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-。。%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CE认证
,也可以压力加工,铅黄铜在高温(500℃以上)为单相,热加工性能优良,可以承受大的热变形,而在常温下F为相和+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..5%增加至5%以上香港银行月结单
,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。

(8)锡:能够提高含氧铜和无氧铜的软化温度。以锡为主要合金元素的锡青铜具有良好的耐蚀学习文具
,耐磨、加工和力学性能。

(9)镍:铜-镍合金具有较好的耐蚀性,电学性能和中等强度,高塑性。能够冷,热态加工,被广泛用于耐蚀结构件,弹簧,插接件,高电阻和热电偶合金。

(10)锑:提高铜的耐蚀性,降低其导电率和热导率,锑可与含氧铜中的Cu2O反应形成高熔点的球状质点,分布于晶粒内,可消除晶界上的Cu+Cu2O共晶体,提高铜的塑性。

其它金属元素对铜的影响:

镁、锂、钙有限固溶于铜,锰与铜无限互溶,这四个元素都可作为铜的脱氧剂;锰可以提高铜的强度,低锰铜合金具有高强和耐蚀性能,在化学工程中有所应用,锰铜电阻温度系很少,是优良的电阻合金;由于有同素异晶转变,使铜锰合金固态下相变十分复杂,固相下具有调幅分解,变晶转变等过程,具有减振降噪性能,是的阻尼合材料。以铈为代表的稀土元素几乎不固溶于铜,它们在铜中的作用是变质和净化,可以脱硫与脱氧,并能与低熔点杂质形成高熔点化合物,消除有害作用,提高铜及合金的塑性,在上引铸造线坯中加入稀土元素,能够改善塑性,减少冷加工的裂纹。

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