機(jī)械百科：元素對銅性能的影響

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　　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(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(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(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的，微量氧對銅的導(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?/p>

　　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)該是無氧銅，中國國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定無氧銅中含氧量小于20ppm，美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為3ppm，為控制氧含量，在無氧銅生產(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，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，磷是最有效的脫氧劑，不過應(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。

　　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(dǎo)電、導(dǎo)熱影響不大，但是都嚴(yán)重的惡化了銅及合金的塑性加工性能，應(yīng)該嚴(yán)格控制其含量，各國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不應(yīng)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(shù)界也有應(yīng)用，比如鉍鉬，可以作為真空開關(guān)中斷路器的觸頭，在斷路時，防止開關(guān)觸頭的沾結(jié)，鉍銅中含鉍量可高達(dá)0.5-1.0;含碲0.15-0.5的碲銅合金，可作為高導(dǎo)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(dá)6.8-7.0，砷在銅中存在強(qiáng)烈的降低其導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性能，一般作為變質(zhì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定必須加入砷，經(jīng)驗(yàn)表明，不含砷的HSn70-1冷凝管，經(jīng)常在使用初期的2-3年內(nèi)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(shù)進(jìn)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(xué)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(yīng)有專門的環(huán)保和防護(hù)措施;砷應(yīng)以中間合金方式加入，砷銅中間合金中砷含量可達(dá)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(xì)化晶粒，人們發(fā)現(xiàn)硼的變質(zhì)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(jīng)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。