標題: 元素對銅性能的影響 [打印本頁]
微量元素進入銅是不可避免的，由於元素特性的不同，可以不固溶於銅、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，氧很少固溶於銅，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，銅的氧化物不固溶於銅，呈現Cu+Cu2O共晶組織，分布於晶界，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於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，室溫下基本不溶於銅，它們以金屬化合物形式存在，分布於晶界，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%；由於含有這些元素的銅，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，而加入砷之後，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；由於砷的氧化物汙染環境，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。
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%；固溶於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，廣泛用於生產建築用水道管、制冷和空調器散熱管、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。
鉛不固溶於銅，在銅合金中固溶度也很小，與銅形成易溶共晶組織，38。0-。。%範圍的鉛，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，對環境造成汙染，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、矽等。
鐵、鋯、鉻、矽、銀、鈹、鎘
這七種金屬元素的共同特點是：它們有限固溶於銅，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後開始下降時，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，當這些元素固溶於銅中，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，並能顯著提高再結晶溫度、抗蠕變性能和耐磨性能，廣泛用於電機整流子，近來又普遍用於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，由於鎘具有毒性，汙染環境，用途日益縮小；鈹銅是著名的彈性材料，鈹對銅的強化最為顯著，熱處理後的鈹銅強度，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；矽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、矽、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、性能的研究非常活躍。
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，仍屬於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，構築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、鈮不固溶於銅，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，導熱性優於難熔合金，是重要的熱沈材料，用於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，用於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於銅中，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、鈣有限固溶於銅，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；由於有同素異晶轉變，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於銅，它們在銅中的作用是變質和凈化，可以脫硫與脫氧，並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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