銅及銅合金的介紹.doc

銅及銅合金的介紹目前，銅及銅合金已成為第二大有色金屬，是全球經(jīng)濟各行業(yè)中廣泛需求的基礎(chǔ)材料。銅及銅合金之所以得到廣泛的應(yīng)用，是由于其具有一系列不可代替的優(yōu)異特性。特性如下所列：（1） 銅及其合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，在所有金屬中，銅的導(dǎo)電性僅次于銀。銅的導(dǎo)熱性是所有金屬中最好的，為420W/（mk）。當然，隨著合金化程度顯著提高，人類現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展了一系列實現(xiàn)銅合金高強高導(dǎo)的途徑。導(dǎo)電、導(dǎo)熱是銅及其合金最重要的應(yīng)用。（2） 銅是抗磁性金屬，并且抗磁性磁化率低，因此銅及其合金在抗外磁場的環(huán)境下得到了廣泛的應(yīng)用，如儀表，羅盤、航空、航天。雷達等，但含鐵，錳及高Ni的銅合金不在此之列。（3） 銅的摩擦因數(shù)很小，因此以銅為基體的銅合金耐磨性優(yōu)良，尤其是含Sn的多元銅合金。（4） 銅的電極電位很高，高于氫，其標準電極電位為+0.34V，因此銅的耐腐性良好，在許多介質(zhì)中具有穩(wěn)定。（5） 銅具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因而具有很高的塑性，非常易于加工成形。銅盡強度很低，但不少元素在銅中溶解度都很大，固溶強化效果很好，這使得很多銅合金兼并具有高強度和高韌性，從而廣泛用來制造高強，高韌，高導(dǎo)電，高導(dǎo)熱和高耐蝕的重要零件。（6） 銅呈紫銅色，并通過合金化，形成金黃色和銀白色，色調(diào)古典，可適用于貨幣和工藝美術(shù)品等（7） 銅通過合金化，還可以使其產(chǎn)生一些奇特性能，如形狀記憶效應(yīng)，超彈性和減振性。銅和銅合金最普通的分類方法是將其分成六大類：紫銅、高銅合金、黃銅、青銅、白銅和鋅白銅。由于實際應(yīng)用的紫銅，和黃銅較普遍。紫銅又叫工業(yè)純銅，紫銅通常較軟且有韌性，含雜質(zhì)總量低于0.7%。高銅合金含有少量的，各種合金元素如鈹，鎘，Cr,或Fe等，每一種合金元素的固溶度小于8%（摩爾分數(shù)）其這些元素可改善銅的一種或一種以上基本性能，其余幾大類的每一類含五種主要的合金元素的一種，以作為每類合金的初始合金組分，如下圖4.1-1另外銅合金的總分類,黃銅 Cu-Zn，錫黃銅 Cu-Zn-Sn-Pb ， 鋁青銅 Cu-Al-Fe-Ni，硅青銅 Cu-Si，白銅Cu-N i-Fe ，鋅白銅Cu-N i-Zn 。黃銅，錫黃銅，鋁黃銅，比較常見，在這里我簡單說明下白銅的特性，白銅是以鎳為主要添加元素的銅合金，含有或不含有一定量的其他元素。只含鎳的銅鎳二元合金稱為白銅，除鎳外，還含有其他添加元素的銅合金稱為復(fù)雜白銅，白銅的名稱的由來，是由于對銅-鎳系合金，當鎳，在10%，以下時呈赤銅色，隨鎳含量的增加赤銅色急劇減弱。鎳的質(zhì)量分數(shù)達到20%時變?yōu)榘咨?，故得其美名。白銅的突出特性在腐蝕性介質(zhì)中有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，并具有高的力學(xué)性能，高的耐熱性，耐寒性，足夠的加工成型性。結(jié)構(gòu)白銅主要用于高溫強腐蝕介質(zhì)中工作的零件,電工白銅主要用于電阻元件、熱電偶及其他精密電測儀器零件。純銅及其物理、化學(xué)、力學(xué)性能 含銅量在99.50%以上的新制工業(yè)純銅呈玫瑰紅色，表面被氧化而生成氧化銅薄膜后成紫紅色，故一般稱工業(yè)純銅為紫銅。1） 物理性能 純銅的密度為8.7g/cm3 ，熔點為1083，相對密度8.94,。面心立方晶格，無同素異晶轉(zhuǎn)變。 銅的線膨脹系數(shù)：20100為17.0m /(m.k)；20200為17.3m /(m.k)；20300為17.7m /(m.k)； 銅的突出優(yōu)點是導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，其導(dǎo)電性僅次于銀居第二位，是電動機、電器工業(yè)中重要的導(dǎo)電材料。另外許多金屬如Mg Ti、 Be、 Zr 、Cr 、Mn 、Fe 、Co 、Ni、 Zn 、Cd 、Al 和 Si等都能夠溶于銅形成固溶體，并在不同程度提高銅的強度和硬度。 銅的變形能力高。銅具有面心立方晶格（晶格常數(shù)a=0.36075）與其他一切具有面心立方晶格的金屬一樣 ，具有很高的塑性變形能力。2） 化學(xué)性質(zhì) 銅在大氣，水、水蒸氣、熱水中具有良好的耐腐性，這是因為銅在大氣和水介質(zhì)中能生成與基體金屬緊密結(jié)合的堿性硫酸銅CuSO43Cu(OH)2和堿性碳酸銅CuCO3Cu(OH)2薄膜，對銅的繼續(xù)腐蝕起到保護作用。3） 力學(xué)性能 純銅的強度較低，在退火狀態(tài)下，其抗拉強度200300Mpa ,斷后的延伸率=45%50%.冷變形對銅強度和塑性影響較大。銅的應(yīng)變指數(shù)高n=0.54，冷變形時有明顯的加工硬化現(xiàn)象。所以冷加工也可以作為提高銅強度硬度的一種方法。4） 微量元素對銅性能的影響 許多微量軋制對純銅的性能影響較大，表現(xiàn)在導(dǎo)熱、導(dǎo)電及塑性的變化，如氧，磷、氫、硫等a) 氧 氧對銅的塑性變形影響很大，氧與銅的共晶體為Cu2O,由于其共晶溫度很高，對熱變形性能影響不答大，但Cu2O 硬而脆，以粒狀分布在銅晶粒內(nèi)或界面上，導(dǎo)致金屬發(fā)生“冷脆”，發(fā)生冷變形困難。但氧的含量嚴格控制在0.02% 0.1%，故在鑄造的過程中，要加入脫氧劑。b) 磷 磷在銅中最大溶解度在714共晶溫度時為1.75%，室溫幾乎為零。磷雖然顯著降低銅的電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率，但對銅的力學(xué)性能與焊接性能有良好的影響。c) 氫 氫在固態(tài)中形成間隙固溶體，可提高銅的硬度。d) 硫 硫在室溫中的溶解度為零，硫在銅中以Cu2S的彌散形式存在。Cu2S雖然降低了銅的電導(dǎo)率，但它能顯著降低塑性，并改善銅的可切削性能。銅合金的強化途徑：一般可以分為固溶合金、變性固溶合金、時效強化合金等。（1）固溶合金 最適合與銅的合金元素師那些能與銅形成固溶相得元素，這些元素，這些元素包括鋁，鐵，鋅，猛，鎳，等。這些合金體系中硬化作用大，足以達到實用的目的，而不是有第二相或化合物帶來的脆性。 另外，銅的固溶強化和可成形性而著稱。因為固溶強化合金是單相，而且在加熱或冷卻過程中均不發(fā)生相變，所以用冷軋或冷拔這樣的冷加工方法，可以達到其最大強度。（2）變性固溶合金 添加的元素可反應(yīng)形成金屬間化合物彌散顆粒，此彌散過程有晶粒細化和強化作用，故可以產(chǎn)生更高的強度。（3）時效強化合金 時效強化合金可以產(chǎn)生很高的強度，但是只局限合金元素的溶解度隨溫度降低而急劇減小的少數(shù)幾種銅合金，鈹-銅就是典型代表。銅及銅合金的機械加工 高純銅是一種很軟的金屬，未變形的單晶形態(tài)，的高純銅最軟，只需在111晶面上施加3.9Mpa的剪應(yīng)力，即可產(chǎn)生滑移，滑移系如1-2下圖圖1-2滑移系 FCC 111X 4X3=12 所以面心立方有12個滑移系。對于許多銅合金即使在退火的狀態(tài)也具有較高的硬度和剛度。銅和許多銅合金也能是很好適應(yīng)連續(xù)冷加工，連續(xù)軋制和復(fù)合模的拉拔是普遍的采用的加工方法，有些銅合金會很快產(chǎn)生加工硬化，因此為實現(xiàn)再軟化而進行退火之前能進行的冷加工作業(yè)次數(shù)有限的。 另外，銅不經(jīng)過退火就可以幾乎無限制進行冷壓延，但大變形量（90%）可能使晶體擇優(yōu)取向或織構(gòu)化。 銅的冷加工與熱加工特性如下：1） 冷加工 冷加工能提高銅及銅合金的抗拉強度和屈服強度，但對于屈服強度的影響更顯著，對于大多數(shù)銅及銅合金，最硬的冷加工的抗拉強度幾乎是其退火狀態(tài)下抗拉強度的兩倍，最對同一合金來說，最硬的屈服強度是其退火后屈服強度的5-6倍。2） 熱加工 熱加工適合于那些在再結(jié)晶溫度以上要保持其韌性的合金，熱加工允許比冷加工更大的變形 銅及銅合金的熱處理 上面所述中，由于大量的加工形變產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，所以我們可以通過加熱或退火的的方法恢復(fù)到柔軟狀態(tài)。一般熱處理發(fā)生三個過程，回復(fù)，再結(jié)晶，晶粒的長大，如下圖1-3所示大。圖1-3由于發(fā)生回復(fù)，再結(jié)晶，晶粒長大，可以使變形的并處于高度應(yīng)力晶體轉(zhuǎn)變無應(yīng)力的，可以減少應(yīng)力腐蝕等不穩(wěn)地因素。所以正確選擇冷加工和退火制度，即可控制晶粒度，一般的大量的前期冷加工、快速加熱到退火溫度和縮短退火時間，有助于產(chǎn)生細小晶粒。退火后由于晶粒度變化，引起硬度和其他機械性能的變化?？傊疄榱颂岣弋a(chǎn)品的的性能，如負載能力，抗疲勞能力，抗應(yīng)力腐蝕裂縫能力和退火或冷成型零件在拋光后表面質(zhì)量，最好是希望細化晶粒。右圖所示1-4，再結(jié)晶時候應(yīng)力釋放最明顯，硬度降低（軟化），塑性有一定的提高，但在晶粒長大后一段時間，塑性又有小許降低，原因是晶粒長大的緣故。圖1-4銅合金的三大類 黃銅、青銅、白銅（本小綜述研究黃銅及其具體一種銅合金鉛黃銅，青銅、白銅不做詳細論述，篇幅所限。）主要研究黃銅包括銅-鋅二元合金（稱普通黃銅），和銅鋅中加入其它組元合金（稱為特殊黃銅或復(fù)雜黃銅。主要的商業(yè)復(fù)雜黃銅有鉛黃銅、鋁黃銅、鐵黃銅、錳黃銅、錫黃銅、硅黃銅和鎳黃銅等。黃銅有良好的力學(xué)性能、工藝性能、和耐磨性，有的還有較高的導(dǎo)電性能，或切削性能，是銅合金中用途最廣泛的材料。下面簡述一下普通黃銅的性能 5.1普通黃銅 銅鋅二元合金相圖如下：銅鋅二元合金中，鋅大量溶解于銅中，普通黃銅通常有和 兩種相：按組織成分，有單相黃銅（H96 H90 H85 H80 H70 H68），+兩相黃銅(H62,H63,H59) 和相黃銅。黃銅塑性好，易于熱態(tài)和冷態(tài)加工。 1）普通黃銅的結(jié)構(gòu)特征如下表：2）普通黃銅的化學(xué)成分如下圖3） 普通黃銅的化學(xué)性能：4）普通黃銅的物理性能如下表：5）普通黃銅的熱處理規(guī)范如下表所示：7）普通黃銅的室溫力學(xué)性能如下圖所示：5.2 銅合金（鉛黃銅）的實例簡述 鉛幾乎不溶于銅-鋅合金中，而是存在固溶體的晶界處。經(jīng)過壓力加工鉛以游離的質(zhì)點分布在固溶體內(nèi)，由于游離的質(zhì)點具有潤滑和減摩擦特性，因此，鉛黃銅都具有極高的切削性能，切削易碎，工件表面光潔，但含鉛量超過3%后，不但不會進一步改善合金的切削性能，反而鉛質(zhì)點軟，熔點低，會降低合金的綜合性能。又由于鉛對人體有害，在熔鑄，切削加工過程對人體的危害，引起越來越多的關(guān)注。 鉛黃銅的合金牌號較多，篇幅所限，我只簡述一種代表性的，HP59-1,1. HP59-1化學(xué)成分如下：2. HP59-1鉛黃銅的物理性質(zhì)：3. HP59-1鉛黃銅的力學(xué)性能：4. HP59-1熱加工與處理規(guī)范：5. HP59-1工藝性能6.1 銅合金的熔煉與熔煉工藝簡述銅合金鑄件的常見缺陷如力學(xué)性能不合格、氣孔、夾雜、滲漏、偏析，主要原因是熔煉工藝控制不當。銅合金的熔煉工藝要點有：1） 嚴格控制合金的化學(xué)成分，準確配料。2） 凈化合金液，防止銅氧化、吸氣。3） 高溫熔煉，快速溶化，低溫澆注。首先，銅合金在溶化后，在高溫下容易被爐氣氧化 4Cu+O2=2Cu2O ，因此需要脫氧，脫氧的方法有沉淀脫氧和擴散脫氧，另外，磷是應(yīng)用在磷銅廣泛的脫氧劑。其次，熔銅爐的爐氣中有，H2、O2 、H2O、 CO、 CO2、 SO2 等，其中O2 、 H2O氣， 使銅氧化，H2 。 O2 。 SO2 等能溶入銅液中，所以需要除氣，主要有氧化法除氫，沸騰法除氫，通惰性氣體除氫，氯鹽除氫，真空除氫等。再次，銅合金的溶劑主要有木炭和玻璃。木炭曾是熔煉銅合金應(yīng)用最普通的覆蓋劑，主要是防止氧化、脫氧、和保溫，但木炭表面活性大，吸附水分，必須在1000-1050高溫下焙燒去水汽。不宜用木炭是，可以用玻璃代替，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與銅合金任何元素發(fā)生反應(yīng)。最后，銅合金熔煉的一般原則:1) 所有金屬爐料表面必須干凈，預(yù)熱，溶劑應(yīng)燒培或預(yù)熱，徹底去除水分。2) 銅合金液易氧化、吸氣、應(yīng)遵守“快速熔煉，及時澆注”的原則，不適用銅液在爐內(nèi)停留過長時間。3) 加料次序很重要，應(yīng)服從“快速溶化”，“防止氧化、吸氣”的原則。4) 控制爐氛為中性，對錫青銅、鉛青銅可在弱氧化性爐氛中熔煉。5) 熔煉溫度與銅液質(zhì)量密切相關(guān)，應(yīng)嚴格控制，符合工藝要求。6) 及時，準確執(zhí)行爐前質(zhì)量檢查。7 銅合金的應(yīng)用和發(fā)展趨勢銅是有色金屬中使用最較大、應(yīng)用較為廣泛的金屬之一。銅及銅合金廣泛用于電線電纜、電器儀表、化工、航空、機械等行業(yè)。銅具有一系列的優(yōu)良的物理、化學(xué)、力學(xué)、工藝性能。如今，在銅加工領(lǐng)域中，研究和開發(fā)高強高導(dǎo)已經(jīng)形成一種熱潮，在解決集成電路用框架材料的同時，也為高速列車、高能物理、電真空行業(yè)、電極材料等領(lǐng)域提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。在銅框架材料市場的帶動下。銅加工注入了新機，我們抓住機遇，走出一條符合國情的發(fā)展道路，爭取在一個發(fā)展階段中趕上世界先進水平。三大系合金Cu-Fe 系合金 ，Cu-Cr系合金 ，Cu- Ni Si系合金。近20年來，人們對Cu-Fe系合金進行了相當深入的研究，誕生了一大批實用型、滿足IC架框多種性能要求的合金，由于工藝性能優(yōu)良、價格優(yōu)廉，在IC架框中得到了廣泛的應(yīng)用。目前是銅合金引線框架材料的主流合金。Cu-Cr 系合金是最優(yōu)秀的高強高導(dǎo)合金，日本