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微量元素進入銅是不可避免的,有的是銅及銅合金生產(chǎn)過程中進入的,有的是各種原料帶入的,也有人為加入的,這些元素通過改變銅的組織,組織又決定著性 能,從而對銅的性能產(chǎn)生重要的影響。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。
元素在銅中的行為需要辯證的看待,從某種需要是有害的,但從另一種需要卻是有利的,銅合金工作者正是根據(jù)實際需要,研制出寶貴的合金,以適應工程和科學界不同的需求,各元素在銅中的行為研究正在不斷深入?,F(xiàn)對各元素對銅性能的影響分別加以介紹。
一、氫
氫與銅不形成氫化物,Cu-H相圖表明,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(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,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。
二、氧
氧在銅的生產(chǎn)過程中是不可避免的,其影響也非常重要,Cu-O二元狀態(tài)圖表明,氧很少固溶于銅,1065℃時為 0.06%,600℃時為0.002%。氧在銅中除少量易固溶外,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0.39% 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(zhì),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>
三、磷
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%;固溶于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%;磷是有效、成本低的脫氧劑,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。