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元素對(duì)銅性能的影響

發(fā)布時(shí)間:2022-06-09點(diǎn)擊:1623

微量元素進(jìn)入銅是不可避免的,由于元素特性的不同,可以不固溶于銅、微量固溶、大量固溶、無(wú)限互溶,固溶度隨溫度下降而激烈降低、固相下有復(fù)雜相變等,因此對(duì)銅性能的影響千差萬(wàn)別。

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(tài)和固態(tài)銅中的溶解度隨著溫度升高而增大,特別是在液態(tài)銅中有很大的溶解度,在凝固時(shí),會(huì)在銅中形成氣孔,從而導(dǎo)致銅制品的脆性和表面起皮;

在固態(tài)銅中,氫以質(zhì)子狀態(tài)存在,氫的電子填充銅原子的S層軌道,形成質(zhì)子型固溶體,氫對(duì)銅的性能雖然影響甚微,但氫對(duì)銅及銅合金來(lái)說(shuō)是有害的,含氧銅在氫氣中退火時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋,即“氫病”,原因是發(fā)生Cu2O+H2 ? 2Cu+H2O反應(yīng),產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)造成氣孔和裂紋;

各種元素對(duì)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(guò)減少熔煉時(shí)間,調(diào)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。

氧在銅的生產(chǎn)過(guò)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(shí)為0.06%,600℃時(shí)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(xiàn)Cu+Cu2O共晶組織,分布于晶界,共晶反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)圖片比較來(lái)精確測(cè)定銅中的含氧量。

氧對(duì)銅及合金性能的影響是復(fù)雜的,微量氧對(duì)銅的導(dǎo)電率和機(jī)械性能影響甚微,工業(yè)銅具有很高的導(dǎo)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(zhì),以氧化物形式進(jìn)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(dǎo)電率可以達(dá)到100-103%±ACS,高純銅如6N銅在深冷條件下電阻值是相當(dāng)?shù)偷摹?

電真空構(gòu)件用銅應(yīng)嚴(yán)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(huì)導(dǎo)致氫病發(fā)生,引起器件高真空環(huán)境破壞,因此電真空用銅應(yīng)該是無(wú)氧銅,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定無(wú)氧銅中含氧量小于20ppm,美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為3ppm,為控制氧含量,在無(wú)氧銅生產(chǎn)中都應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)電解銅原料,在熔煉工藝中采取還原性氣氛,加強(qiáng)熔池表面覆蓋,一般使用木炭保護(hù);

銅及銅合金熔煉時(shí),一般均應(yīng)進(jìn)行脫氧,脫氧劑有磷、硼、鎂等,以中間合金方式加入,磷是***有效的脫氧劑,不過(guò)應(yīng)嚴(yán)格控制磷的殘留量,因其能夠強(qiáng)烈降低銅及合金的導(dǎo)電率。

銅磷二元相固表明,在714℃時(shí)存在著共晶反應(yīng):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(shí)為0.6%,200℃時(shí)為0.4%;固溶于銅中的磷顯著的降低其導(dǎo)電率,含P0.014%的軟帶導(dǎo)電率為94%IACS,含P0.14%的導(dǎo)電率僅為45.2%;

磷是***有效、成本***低的脫氧劑,微量磷的存在,可以提高熔體的流動(dòng)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(chǎn)建筑用水道管、制冷和空調(diào)器散熱管、艦船海水管路;

低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業(yè)中廣泛應(yīng)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(yōu)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。

其它金屬元素對(duì)銅的影響

鎂、鋰、鈣有限固溶于銅,錳與銅無(wú)限互溶,這四個(gè)元素都可作為銅的脫氧劑;錳可以提高銅的強(qiáng)度,低錳銅合金具有高強(qiáng)和耐蝕性能,在化學(xué)工程中有所應(yīng)用,錳銅電阻溫度系很少,是優(yōu)良的電阻合金;由于有同素異晶轉(zhuǎn)變,使銅錳合金固態(tài)下相變十分復(fù)雜,固相下具有調(diào)幅分解,變晶轉(zhuǎn)變等過(guò)程,具有減振降噪性能,是***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?cè)阢~中的作用是變質(zhì)和凈化,可以脫硫與脫氧,并能與低熔點(diǎn)雜質(zhì)形成高熔點(diǎn)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。

文章來(lái)源:銅信寶

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