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Cu Cu2O共晶組織,分布于晶界,共晶反應為: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于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,室溫下基本不溶于銅,它們以金屬化合物形式存在,分布于晶界,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;由于含有這些元素的銅,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,而加入砷之后,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,
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