深度解析化学元素对铜及铜合金性能的影响程度(续)


  铜磷二元相固表明,在714℃时存在着共晶反应:L8.4%→α1.75%+Cu3P,随着温度降低,磷在铜中的固溶量迅速减少,300℃时为0.6%,200℃时为0.4%;固溶于铜中的磷显著的降低其导电率,含P0.014%的软带导电率为94%IACS,含P0.14%的导电率仅为45.2%;磷是最有效、成本最低的脱氧剂,微量磷的存在,可以提高熔体的流动性,改善铜及合金的焊接性能、耐蚀性能、提高抗软化程度,所以磷又是铜及合金的宝贵添加元素,含P0.015-0.04%的磷铜合金,广泛用于生产建筑用水道管、制冷和空调器散热管、舰船海水管路;低磷铜合金板、带材在电子和化工工业中广泛应用,集成电路引线框架铜带也大量使用低磷铜合金;共晶成份的磷铜合金,是优良的焊接材料,高磷铜合金在580-620℃之间具有超塑性,可以热挤成φ3-φ5毫米焊丝,是焊接铜及铜合金、钢和铜零件的重要材料。

  铅不固溶于铜,在铜合金中固溶度也很小,与铜形成易溶共晶组织,38。0-。。%范围的铅,液态下与铜液互不混熔,凝固时形成偏晶组织;固态下,铅在铜中以单质状态分布,可以分布在晶内和晶介,含铅的铜合金,在发生相变或再结晶时,晶介的铅可以转移到晶内;铅对铜及合金导电和导热性能无显著影响,但可以改善切削性能,铅质点又是固相,正是轴承材料所希望的,所以含铅铜及合金是宝贵的易切削材料与轴承材料,因其成本低廉更为市场所欢迎,含铅黄铜使用极为广泛,铅的质点越细小,分布越均匀,性能越优良,含铅铜及合金可以铸态使用,也可以压力加工,铅黄铜在高温(500℃以上)为单相β,热加工性能优良,可以承受大的热变形,而在常温下F为α相和α+β相区,冷变形时变形抗力大,塑性较差,过大的加工率会使合金材料产生裂纹;随着科学技术的发展,常规使用的铅黄铜中含铅量已由0.8-2.5%增加至5%以上,新型的含铅紫铜、黄铜、青铜、白铜正不断地被开发出来;特别应该指出的是,含铅铜合金对原料的适应性极强,可以直接使用再生铜生产含铅铜合金,这对铜加工企业非常重要。
  随着技术进步发现,含铅铜及合金在使用中,有铅的溶出,对环境造成污染,因此具有优良切屑性能的无铅铜合金研究正在展开,特别是广泛使用的铅黄铜材料的代用问题已经提到日程,其中可以考虑的替代元素是铋、硫、硅等。
铁、锆、铬、硅、银、铍、镉
这七种金属元素的共同特点是:它们有限固溶于铜,固溶度随着温度变化而激烈的变化,当温度从合金结晶完成之后开始下降时,它们在铜中的固溶度也开始降低,以金属化合物或单质形态从固相中析出,当这些元素固溶于铜中,能够明显地提高其强度,具有固溶强化效应,当它们从固相中析出时,又产生了弥散强化效果,导电和导热性能得到了恢复,它们是典型的时效热处理型铜合金,通过淬火(950℃—980℃、淬水)和时效(450℃—550℃、2-4小时),可以获得高强导电性能;其中微量银,对铜的导电率、导热率降低不大,并能显著提高再结晶温度、抗蠕变性能和耐磨性能,广泛用于电机整流子,近来又普遍用于制造高速列车的接触导线,镉铜具有冲击时不发生火花特性,是重要的航空仪表材料,由于镉具有毒性,污染环境,用途日益缩小;铍铜是著名的弹性材料,铍对铜的强化最为显著,热处理后的铍铜强度,可达纯铜的4-5倍;铁可以细化晶粒,改善铜及合金性能,在要求抗磁的环境下,应严格控制铁的含量,一般应控制在0.003%以下;锆、铬铜合金具有很高的导电率,在航天发动机中有重要的应用;硅青铜具有高的强度和耐磨性能,铁、锆、铬青铜是著名的高强高导铜合金,在电极制造中有重要应用;铁、硅、锆、铬铜合金成了集成电路引线框架铜合金的基础,其合金成分、性能的研究非常活跃。
锌、锡、铝、镍
  这四个元素的共同特点是在铜中固溶度很大,分别为39.9%、15.8%9.4%,镍则无限互溶,它们与铜形成连续固溶体,具有宽阔的单相区,它们能够明显地提高铜的机械性能、耐蚀性能,但都使铜的导电、导热性能降低,与其它金属材料相比较,仍属于优良的导电和导热材料,它们与铜形成宝贵的合金,可分为黄铜、青铜、白铜合金,构筑了庞大合金系的基础,这些合金具有优秀的综合性能,比如,黄铜具有高强、耐磨、耐蚀、高导热、低成本;青铜具有高强、耐磨、耐蚀;白铜具有极为优秀的耐恶劣水质和海水腐蚀性能,所有这些优点都是其它金属材料不能代替的。
  难熔金属钨、钼、钽、铌不固溶于铜,微量存在可以作为结晶核心细化晶粒、提高再结晶温度,粉末法生产的钨铜、钼铜具有很高的耐热性能,比容很大,导热性优于难熔合金,是重要的热沉材料,用于电子工业中的固体器件。
稀贵金属中金、钯、铂、铑与铜无限互溶,是宝贵的焊料合金,用于电子元器件的封装和各种触点;其它稀有、稀散和阿系元素微量存在于铜中,或与铜形成合金,在特殊环境中有着重要应用,许多元素在铜中行为的研究正不断深化。
其它金属元素对铜的影响
镁、锂、钙有限固溶于铜,锰与铜无限互溶,这四个元素都可作为铜的脱氧剂;锰可以提高铜的强度,低锰铜合金具有高强和耐蚀性能,在化学工程中有所应用,锰铜电阻温度系很少,是优良的电阻合金;由于有同素异晶转变,使铜锰合金固态下相变十分复杂,固相下具有调幅分解,变晶转变等过程,具有减振降噪性能,是著名的阻尼合材料。
以铈为代表的稀土元素几乎不固溶于铜,它们在铜中的作用是变质和净化,可以脱硫与脱氧,并能与低熔点杂质形成高熔点化合物,消除有害作用,提高铜及合金的塑性,在上引铸造线坯中加入稀土元素,能够改善塑性,减少冷加工的裂纹。

 

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