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(shí),會(huì)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(duì)銅的性能雖然影響甚微,但氫對(duì)銅及銅合金來說是有害的,含氧銅在氫氣中退火時(shí)會(huì)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(huì)造成氣孔和裂紋;各種元素對(duì)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(shí)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(shí)為0.06,600℃時(shí)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(cè)定銅中的含氧量。
氧對(duì)銅及合金性能的影響是復(fù)雜的,微量氧對(duì)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(huì)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(shí),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(duì)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(shí),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(duì)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,
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