1、微量雜質元素對銅性能的影響2010-08-10 12:15:01| 分類：銅合金產品及行業|標簽：微量雜質元素對銅性能的影響銅合金元素|微量雜質元素對銅性能的影響許多微量雜質元素對純銅的性能有很大的影響，表現在導熱、導電及塑性變形的變化。下面詳細敘述了雜質元素對純銅的影響。1）氧氧幾乎不固溶于銅。含氧銅凝固時，氧以 （Cu十CU2O）共晶體的形式析出，分布于銅的 晶界上。當含氧極低時，只見銅晶粒，隨著含氧量的升高則依次出現含CU2O的亞共晶體、共晶體與過共晶體。氧對銅的塑性變形性能的影響很大。根據Cu O二元相圖，氧與銅的共晶體為CU20,由于其共晶溫度很高，對熱變形性能不產生影響。但共晶中的

2、化合物CU20硬而脆，以粒狀形態分布于銅晶粒內或晶界上，致使金屬發生“冷脆”，冷變形產生困難。因此，銅中的氧 含量要嚴格控制，一般最大允許含量為0.02-0.1%，故在鑄造銅的過程中需加入脫氧劑。的脫氧劑可采用 P、Ca、Si、Li、Be、A1、Mg、Zn、Na、Sr、B等。磷是最常用的，但當 含磷達0.1%時，雖不影響銅的力學性能，卻嚴重地降低銅的電導率。對于高導銅，磷含量 不得大于0.001%。|工業中還生產出一種不含氧的紫銅，即為無氧銅。無氧銅具有較高的導電性、延展性和氣密性，低氫脆傾向，在電力電子領域受到青睞，如制作電線電纜、電機換向器、高真空電子 裝置等。有些紫銅還特意保留一定量的氧

3、，一方面它對銅性能的影響不大，另一方面CU2O可與Bi、Sb、As等雜質起反應，形成高熔點的球狀質點分布于晶粒內，消除了晶界脆性。氧對銅的力學性能影響見下表，由表6.2可知，氧稍微提高銅的強度，但降低銅的塑性和疲勞極限，氧對銅的電導率影響不大。氧與其他雜質共存時則影響極為復雜，例如微量氧可氧化高表6.2氧對銅性能的影響材料狀態氧含量抗拉強度伸長率電導率疲勞強度5X 107次/%/MPa/%/%LACS/MPa700° C 退0.01622854101.477火 30min0.04022550101.6940.06022856101.5910.09023253100.6840.1702

4、424999.0770.3602605599.277冷狀態0.0362633099.61300.0492632998.91230.0942672797.91340.2202882794.6120純銅中的痕量雜質 Fe、Sn、P等，提高銅的電導率，若雜質含量較多，則氧的這種作用就 顯不出來。氧能部分削弱Sb、Cd對銅導電性的影響，但不改變As、S、Se、Te、Bi等對銅導電性的影響。2）磷磷在銅中的最大溶解度（714 C共晶溫度時）為1.75%，室溫時幾乎為零。磷雖顯著降低 銅的電導率及熱導率，但對銅的力學性能與焊接性能有良好的影響。因此，在以磷脫氧的銅中，要求有一定量的殘留磷。磷能提高銅熔體的

5、流動性。磷對在700C退火300 min后的銅性能的影響見表6. 3。表6. 3磷對在700 C退火300 min后的銅性能的影響磷含量抗拉強度伸長率電導率疲勞強度5X 107次/%/MPa/%/%LACS/MPa0.0142426294.3770.0302255978.2840.0452285072.4870.0962326255.5990.1482396345.21050.1782466142.5920.2542496333.1940.4942706219.71080.6902706315.51150.7902816414.01230.9502816611.61203）氫氫在固態銅中形成間

6、隙式固溶體，可提高銅硬度。氫在液態與固態銅中的溶解度均隨著溫度的升高而增大。含氧銅在氫氣氛中退火時，氫可與銅中的CU2O反應，產生高壓水蒸氣，使銅破裂，俗稱“氫病”。CO也能使CU2O中的Cu還原，生成高壓 CO2使銅破裂，但不像氫那樣敏感。 氫病的發生與危害程度與溫度有關。在150 C時，因水蒸氣處于凝聚狀態，不引發氫病，含氧銅即使在氫氣氛中耽置 10d也不破裂；在200C時可放置1.5d，在400 C 氫氣中只能停放 70h。以Mg或B脫氧的銅不發生氫病。4）硫硫在室溫銅中的溶解度為零， 硫在銅中以CU2S的彌散的質點存在。CU2S雖然降低了銅的電導率與熱導率，但它能顯著降低塑性，并能顯著

7、改善銅的可切削性能。硫對99.99%銅性能的影響見表6.4。表6.4硫對銅性能的影響材料狀態硫含量/%屈服點/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%電導率/%LACS和 HPh59 - 1相比的切削性能/%0.0035536621.499.7150.1534836714.397.824冷拉銅（加工0.2336136915.097.633率36%0.5436938212.195.1410.783973977.991.6450.973983988.690.9450.0061022860.0100220.1557023053.699.320600 ° C退火0.2355023251.499.62

8、11h0.5463023650.796.7810.787724445.792.5700.977724545.791.4705）硒硒在銅中的溶解度極小，以Cu2Se化合物形式存在。硒對銅的電導率及熱導率的影響很小，但顯著降低銅的塑性，并大幅度提高銅的可切削性能。硒對銅的各種性能影響見表6.5。表6.5硒對銅性能的影響材料狀態硒含量/%屈服點/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%電導率/%LACS和 HPh59 - 1相比的切削性能/%0.0035536621.499.7150.1136037419.998.938冷拉銅（加工0.2636337215.798.054率 36%)0.4835837615

9、.797.4891.0135137511.494.4951.4436538110.092.0910.006122860.0100220.115923057.199.035600 ° C退火0.266222855.7100631h0.485623052.998.81121.015023448.695.61401.447123342.194.41506）碲碲在固態銅中的溶解度很小，以Cu2Te彌散質點存在，對銅的電導率及熱導率的影響很小，但能顯著改善銅的可切削性能。碲對銅性能的影響見表6.6。含0.06%0.7% Te的銅在工業中獲得了應用，并在淬火和加工狀態下應用，不要回火，以免Cu2

10、Te沿晶界沉淀，使材料變脆。微量（0.0030%）硒和碲（0.00050.0030% ）顯著降低銅的可焊性能。表6. 6碲對銅性能的影響材料狀態碲含量/%屈服點/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%電導率/%LACS和 HPh59 1相比的切削性能/%0.0035636621.499.7150.1035637315.099.529冷拉銅（加工0.2536237514.398.945率36%0.4535637311.498.2581.0536037410.797.1912.423593847.194.5910.006122860.0100220.105523053.699.830600 °

11、 C退火0.255523254.3100451h0.455723251.499.9721.055823341.498.01262.426223496.11347）砷在共晶溫度時，砷在銅中的溶解度可達 6.77%。少量砷可改善含氧銅的加工性能，對力學性能的影響很小， 并能顯著提高銅的再結晶強度，但是卻降低銅的導電、導熱性能。砷可與銅中的CU2O起反應形成高熔點的砷酸銅質點，消除了晶界上的CU十CU2O共晶體，從而提高了銅的塑性。8）銻在共晶溫度645 C時，銻在銅中的溶解量可達9.5%，并隨著溫度的下降而急速減少。銻降低銅的抗蝕性、電導率與熱導率。電工銅含Sb量不得大于0.02%。銻可與含氧銅

12、中的CU2O 反應形成高熔點的球狀質點，分布于晶粒內，可消除晶界上的Cu十CU2O共晶體，提高銅的塑性。銻對銅性能的影響見表6.7。9）鉍鉍在銅中的溶解度可忽略不計，即使在800C時的溶解度也只不過 0.01 %。鉍在270C與銅形成共晶體，其中的鉍呈薄膜分布于晶界，嚴重降低銅的加工性能。因此，其含量不得大于0.002%。Bi對銅的熱導率與電導率的影響不大。真空開關觸頭銅可含0.7%1.0% Bi。因為它有高的電導率，并能防止開關粘結，提高其工作期限并能確保運轉安全。表6.7銻對銅性能的影響銻含量/%抗拉強度/MPa伸長率/%電導率/%LACS疲勞強度5 X 107 次/MPa15C65 &#

13、176;C0.0042226286.0540.0202266197.483.4590.0462256094.881.3580.0922344894.180.7590.2223675.666.6700.472345856.451.47810）鉛鉛不固溶于銅，呈黑色質點分布于易熔共晶體中，存在于晶界上。Pb對銅的電導率與熱導率無顯著影響，還能大幅度提高銅的可切削性能。 約含1.0% Pb的銅合金用于加工高速切 削零件。Pb嚴重降低Cu的高溫塑性，即伸長率3與面縮率？劇烈下降，同時高溫脆性區也 隨著銅含量的增加而擴大。11）鐵1050C時.鐵在銅中的溶解度可達 3.5%, 635C時的溶解量下降到

14、0.15%。鐵能細化銅 晶粒，延遲銅的再結晶過程，提高其強度與硬度。但鐵降低銅的塑性、電導率與熱導率。如 果鐵在銅中呈獨立的相，則銅具有鐵磁性。鐵對銅磁化率的影響見表6.8。含0.45%4.5% Fe的銅合金既有高的強度又有良好的耐熱性與導電性，可焊性好，易 于加工成型，是一類獲得應用的電工材料。表6.8銅的磁化率與鐵含量的關系溫度/C雜質鐵的含量/%259+22+100磁化率x/x1040.0025-0.034-0.079-0.06450.0085-0.017-0.080-0.0646固溶化并淬火的軋制的0.01一0.1一0.10.15+0.1+0.60.30+0.3+170.85+2.1+

15、52012）銀在共晶溫度780C時，銀在銅中的溶解度為7.9 %，但室溫時的溶解度僅0.1%左右。盡管如此，含0.5% Ag的銅合金在實際生產中仍可能為單一的固溶體，銀與可固溶Cu的元素不同，含銀量少時，銅的電導率與熱導率的下降不多，對塑性的影響也很小，并顯著提高銅 的再結晶溫度與蠕變強度。因此，含0.03%0.25% Ag的銅合金成為一類很有實用價值的電工材料，女口 C 11300、C11400、C11500、C11600、C15500 等。含 Ag 的 C15500 合金（99.75CU 0.11Ag 一 0.06P）是一種良好的引線框架材料，既有高的電導率又有相當高的強度與抗軟 化能力。

16、銅的力學性能與含銀量的關系見圖6.4,銀對銅的導電系數和軟化溫度的影響見圖6.5。加工率為60%的純銅與銀銅（0.18%Ag ）的高溫力學性能見圖6.6。6.4圖6.5銀對銅的導電系數和軟化溫度的影響oiy.O5 ojAfii銅的力學性能與含銀量的關系1導電系數40040WO30室溫3W1400JOO圖6.6加工率為60%的純銅與銀銅（0.18%Ag ）的高溫力學性能13）鈹鈹是銅的有效脫氧劑之一，但由于鈹的價格昂貴又不易添加，故不用作脫氧劑，而作 為鈹青銅的主要合金元素。作為雜質存在的微量鈹固溶于銅中，對銅的力學性能及工藝性能的影響甚微，并略使銅的電導率與熱導率下降，明顯提高銅的抗高溫氧化能

17、力。14）鋁作為微量鋁固溶于銅，對銅的力學性能與工藝性能無明顯影響，但降低銅的電導率、熱導率、釬焊性能與鍍錫性能等，提高銅的抗氧能力。15）鎂在共晶溫度485C時，鎂在銅中的固溶度為0.61 %，并隨著溫度的下降而急劇減少，因而含鎂量高的（2.5%3.5% ）合金有沉淀硬化作用，不過由于第二組的出現，合金的加工性 能大大下降，沒有實用價值。而實際應用的Cu Mg合金的鎂含量還不到1%,如含0.3%1.0% Mg的銅合金用于加工導電線材。這些合金無時效作用，只能通過冷加工強化。微量鎂略使銅的電導率下降，提高銅的抗高溫氧化能力，也對銅有脫氧作用。16）鋰、硼、錳、鈣這些元素對銅都有脫氧作用。作為雜

18、質存在的鋰可與銅中的雜質鉍等生成高熔點化合物， 呈細化彌散狀態分布于晶粒內，提高銅的高溫塑性，微量鋰幾乎不影響銅的電導率與熱導率。作為銅脫氧劑而殘存的 0.005%0.015%硼能細化銅晶粒，提高銅的力學性能與工藝性能。錳可作為銅的脫氧劑，在以錳脫氧的銅中一般含0.1%0.3% Mn,固溶于銅。一方面提高銅的軟化溫度，另一方面有益于銅的力學性能與工藝性能。鈣幾乎不固溶于銅，作為雜質存在的鈣可與雜質Bi等形成高熔點化合物，以質點形式均勻地分布于晶粒內，提高銅的高溫塑性。17）稀土稀土一般幾乎不固溶于銅，但少量的稀土元素不管是單個加入，還是以混合稀土的形式加入，都對銅的力學性能有益，而對銅的電導率

19、影響又不大。這類元素可與銅中的雜質鉛、鉍 等形成高熔點化合物，呈細小的球形質點均布于晶粒內，細化晶粒，提高銅的高溫塑性（圖6.7），即800C時的伸長率3與面縮率"隨著鈰含量提高而顯著上升。向銅中加0.008%混合稀土即可顯著改善銅的工藝性能，加入小于0.1 %Y時，銅的力學性能與工藝性能就有所改善；含0.01 %0.15% La的銅合金的力學性能、電導率、抗軟化溫度均優于Cu 0.15Ag合金，已在工業中獲得應用。0OJ0.203Co Or+O-3 珂Ce/%圖6.7鈰對Cu-0.3Pb和金性能影響18）難熔金屬及其它金屬鎢、鉬、鉭、鈮、鈾等幾乎不固溶于銅；鈦、鋯、鉻、鉆等有少量固

20、溶，但它們都能不同程度地細化銅晶粒，提高其再結晶溫度，對改善高溫塑性有益。含少量鋯（C15000、C15100、C18100）、鈷（C17410、C17500）、鉻（C18400、C18200、CI8500）的銅合金已在工業 上獲得應用，成為良好的電工材料。（5）雜質元素對純銅塑性變形性能的影響雜質元素對銅的塑性變形性能的影響，主要取決于銅與雜質元素的相互作用。當雜質元素固溶入銅時，銅的影響一般不大。若雜質元素與銅形成低熔點共晶，則產生“熱脆”， 即金屬在共晶體熔點以上溫度變形時容易開裂；若雜質元素與銅形成脆性化臺物并分布于晶界，則產生“冷脆”，即金屬冷變形時容易破裂。鉍和鉛對銅的熱塑性變形能

21、力有嚴重影響。這兩個元素與銅均形成共晶系相圖（圖6.8及6.9）,共晶溫度很低，分別為270 C及326 C。共晶點的成分分別為 99. 8% Bi及99. 94% Pb。在鑄錠冷凝過程中，這種低熔點共晶體最后結晶，在晶界上形成極薄的膜（最薄的鉍膜只有幾個原子層厚）。熱加工時，這些薄膜熔化，使金屬晶粒與晶粒之間的結合力降低，因 而發生晶間斷裂。銅材中雜質鉍和鉛的含量限制很嚴，鉍的最大允許含量不得超過0.002%一 0.003% .鉛的最大允許含量為0.005% 0.05%。弘aSOO、1IT11 1 1La #7 / «+8N A +*Umoo8<IOBi% （原子IQ 203040St>7° 9070QZ714003002000. 01 0. 02Bi%圖6.8銅鉍相圖27070- 3°60 70 go 90BiP1>%1原于6也翦Pb% (重量)圖6.9銅一鉛相圖晶界上形成的鉍的薄膜，在金相顯微鏡下呈亮色，如圖6.10所示。鉛的薄膜則呈暗色。銅中含有較大量的銅或鉍以致不能軋制時，可加入微量鈣、鈰或鎬，使鉍與鉛與之形成難熔化合物，其有害影響即可消除。雜質硫，氧等也與銅形成共晶系相圖(圖6.11及6.12)。由于共晶溫度很高，對熱變形性能不產生影響。但共晶中的化合物硬而脆，致使金屬發生“冷脆”，冷變形困難。因此，銅材 中氧及硫的