機械百科：元素對銅性能的影響

機械百科：元素對銅性能的影響

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　　微量元素進入銅是不可避免的，由于元素特性的不同，可以不固溶于銅、微量固溶、大量固溶、無限互溶，固溶度隨溫度下降而激烈降低、固相下有復雜相變等，因此對銅性能的影響千差萬別.現(xiàn)對各元素對銅性能的影響分別加以介紹。

　　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，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(tài)銅中，氫以質子狀態(tài)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(fā)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(xiàn)Cu Cu2O共晶組織，分布于晶界，共晶反應為：L含氧0.3965℃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(yè)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?shù)偷摹?/p>

　　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(fā)生，引起器件高真空環(huán)境破壞，因此電真空用銅應該是無氧銅，中國國家標準中規(guī)定無氧銅中含氧量小于20ppm，美國ASTM標準中規(guī)定為3ppm，為控制氧含量，在無氧銅生產中都應選擇優(yōu)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(guī)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(guī)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(fā)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(huán)境，對人體有害，所以熔煉合金的工廠都應有專門的環(huán)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(fā)現(xiàn)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(yōu)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。