各杂质元素对铜的影响——检测中心.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,各杂质元素对铜的影响,主要内容,一、纯铜的简单介绍,二、各杂质元素对铜的影响,一、纯铜的简单介绍,铜由于具有一系列的优良性能：高电导率和热导率，强的抗腐蚀性能，优良的加工成型性能和强度适中等，获得广泛的应用。铜的最突出的优点是,导电性和导热性,好，其导电性在各种元素中仅次于银而居第二位，是电机、电器工业中重要的导电材料。（工业纯金属的导电、导热性由高到低的顺序为：银、铜、铝、镁、锌、镉、钴、铁、铂、锡、铅、锑。）,含铜量在,99.50,以上的新制工业纯铜呈玫瑰红色，表面被氧化而生成氧化铜薄膜后呈紫红色，故一般称工业纯铜为,紫铜,。,工业上按含氧量和生产方法的不同将纯铜分为,低氧铜和无氧铜,两大类。低氧铜按所含杂质的多少分为四级，编号方法为是以“,T”,（铜的汉语拼音字头）为首，后面再附以级别数字，有,T1,、,T2,、,T3,三种，数字越大，则纯度越差；无氧铜字母则为“,TU”,，有,TU1,、,TU2,两种。,一、纯铜的简单介绍,纯铜加工产品用汉语拼音字母“,T,”,加顺序号表示。,黄铜、青铜、白铜分别以汉语拼音字母,H,、,Q,、,B,表示。,黄铜是由,铜和锌,所组成的合金，由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜。黄铜常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。普通黄铜用“,H,”,加铜含量平均数表示，如,H68,即铜的平均含量为,68%,的黄铜。,青铜是由,铜和锡,所组成的合金，是金属治铸史上最早的合金。用大写拼音字母“,Q,”,加第一个主合金元素符号及除铜以外的成分字组表示。,白铜是由,铜和镍,所组成的合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。铜镍之间彼此可无限固溶，从而形成连续固溶体，镍含量越高，颜色越白。用大写拼音字母“,B,”,加镍含量表示，如,B30,即平均镍含量为,30%,的白铜。,一、纯铜的简单介绍,铜的机械性能：,软态铜：,b,200,240MPa,，硬度,35,45HB,，,50%,，,达,75%,。,硬态铜：,b,350,400MPa,，硬度,110,130HB,，,6%,。,铜为面心立方晶格，滑移系多，变形易，退火态铜不经中间退火可压缩,85,95%,而不产生裂纹。纯铜在,500,600,呈现“中温脆性”，热加工需在高于脆性区温度下进行。,所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。固溶于铜的元素（除,Ag,、,Cd,外）对铜的导电、导热性降低较多，而呈第二相析出的元素则对铜的导电、导热性降低较少。,Ti,、,P,、,Si,、,Fe,、,Co,、,As,、,Be,、,Mn,、,Al,强烈降低,Cu,导电性。,一、纯铜的简单介绍,名称,数值,名称,数值,原子量,63.64,体积电阻率（,20,），,10,5,cm,1.673,结晶,面心立方,电阻温度系数（,20,），,1/,0.0043,晶格常数，,10,-10,m,3.6147,导电率（,20,），,%IACS,软：,100,102,硬：,96,98,密度（,0,），,g/cm,3,8.93,抗拉强度，,N/mm,2,软：,195,以上,硬：,345,以上,熔点，,1083,弹性模数，,kN/mm,2,136.5,线膨胀系数（,20,），,10,-6,/,17,质量磁化率，,10,-6,-0.086,热传导率（,20,），,W/m,k,394,比热（,20,），,J/,（,Kg,k,）,384.9,电工用铜的物理性能,一、纯铜的简单介绍,纯铜一般典型的物理性能,性能,加工铜,退火铜,铸造铜,弹性极限（,MPa,）,280,300,20,50,屈服点（,MPa,）,340,350,50,70,抗拉强度（,MPa,）,370,420,220,240,170,伸长率（,%,）,4,6,45,50,断面收缩率（,%,）,35,45,65,75,布氏硬度（,HBS,）,1100,1300,350,450,400,剪切强度（,MPa,）,210,150,冲击韧性（,J,）,16,18,抗压强度（,MPa,）,1570,T1,、,TU1,牌号铜线坯的化学成分（,GB/T 3952-2008,）,元素组,杂质元素,质量分数,/%,，不大于,元素组总质量分数,/%,，不大于,1,Se,硒,0.000 2,0.000 30,0.000 3,Te,碲,0.000 2,Bi,铋,0.000 2,2,Cr,铬,-,0.001 5,Mn,锰,-,Sb,锑,0.000 4,Cd,镉,-,As,砷,0.000 5,P,磷,-,3,Pb,铅,0.000 5,0.000 5,4,S,硫,0.001 5,0.001 5,5,Sn,锡,-,0.002 0,Ni,镍,-,Fe,铁,0.001 0,Si,硅,-,Zn,锌,-,Co,钴,-,6,Ag,银,0.002 5,0.002 5,杂质元素总质量分数,/%,0.006 5,注：,T1,的氧含量应不大于,0.040%,；,TU1,的氧含量应不大于,0.0010%,。,T2,、,TU2,牌号铜线坯的化学成分（,GB/T 3952-2008,）,Cu+Ag,不小于,杂质元素，不大于,As,砷,S,锑,Bi,铋,Fe,铁,Pb,铅,Sn,锡,Ni,镍,Zn,锌,S,硫,P,磷,99.95,0.001 5,0.001 5,0.000 6,0.002 5,0.002,0.001,0.002,0.002,0.002 5,0.001,注：,T2,的氧含量应不大于,0.045%,；,TU2,的氧含量应不大于,0.002 0%,组别,代号,化学成分（,%,）（,GB/T 5231-2012,）,Cu+Ag,P,Ag,Bi,Sb,As,Fe,Ni,Pb,Sn,S,Zn,O,纯铜,T1,99.95,0.001,0.001,0.002,0.002,0.005,0.002,0.003,0.002,0.005,0.005,0.02,T2,99.90,0.001,0.002,0.002,0.005,0.005,0.005,T3,99.70,0.002,0.01,无氧铜,TU1,99.97,0.002,0.001,0.002,0.002,0.004,0.002,0.003,0.002,0.004,0.003,0.002,TU2,99.97,0.002,0.001,0.002,0.002,0.004,0.002,0.004,0.002,0.004,0.003,0.003,二、各杂质元素对铜的影响,杂质及微量合金元素的分类及其对铜导体综合性能的影响见下表。任何杂质元素都不同程度的降低铜的电导率和热导率。固溶元素（,Cd,、,Ag,例外,）的影响最大。,分类,元素,组织特性,对铜性能的影响,固溶于铜的杂质及微量元素,铬、锰、铁、钴、镍、银、锌、镉、硅、锡、磷、锑、砷等,其中,镍,、,锰,还与铜无限固溶。,固溶体,都不同程度地,提高,铜的硬度和强度，同时实际,不降低,铜的加工塑性；,都不同程度地,降低,铜的导电性和导热性；其中以磷、铁、硅、砷等降低最多，锑、锰、镍等次之，而银、铬、镉、锌等降低较少。降低电导率较少的元素，有的还常用作高强、耐磨、耐热的导电铜材。,固溶解释,固溶体指的是物质一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。,二、各杂质元素对铜的影响,分类,元素,组织特性,对铜性能的影响,很少固溶,于铜，并与铜形成易溶熔晶的杂质及微量元素,铅、铋等,铜加铅或铋的共晶,铅、铋呈易溶共晶分布的铜的晶界，热压时易开裂；,铋还降低铜的室温塑性，使铜,“,冷脆,”,。,铅、铋对铜的导电、导热性影响不大，铅可改善铜的可切削性。,接上表,几乎,不固溶,于铜，并与铜形成熔点较高的脆性化合物的杂质及微量元素,氧、硫、硒、碲等,在铜的晶粒边界含有,Cu,2,O,，或,Cu,2,S,，或,Cu,2,Se,，或,Cu,2,Te,等脆性化合物的共晶。,降低铜的塑性。,对铜的导电、导热性影响不大。硒、碲均提高铜的切削性。,二、各杂质元素对铜的影响,1,、氧,O,的影响,氧几乎不固溶于铜,。含氧铜凝固时，氧以（,Cu+Cu,2,O,）共晶体的形式析出，分布于铜的晶界上。氧能与较多杂质元素反应，把这些元素从铜固溶体中析出来，阻止了它们对可退火性的影响和减少了它们对导电性的影响程度，氧的存在也能使铜中的氢反应，从而去除铜中所含的氢。但共晶中的化合物,Cu,2,0,硬而脆，以粒状形态分布于铜晶粒内或晶界上，致使金属发生“冷脆”，冷变形产生困难。,二、各杂质元素对铜的影响,1,、氧,O,的影响,氧对铜的力学性能影响见下表。由下表可知，氧能稍微提高铜的强度，但降低铜的塑性和疲劳极限，氧对铜的电导率影响不大。,材料状态,氧含量,/%,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,疲劳强度,510,7,次,/MPa,700,退火,30min,0.016,0.040,0.060,0.090,0.170,0.360,228,225,228,232,242,260,54,50,56,53,49,55,101.4,101.6,101.5,100.6,99.0,99.2,77,94,91,84,77,77,冷状态,0.036,0.049,0.094,0.220,263,263,267,288,30,29,27,27,99.6,98.9,97.9,94.6,130,123,134,120,二、各杂质元素对铜的影响,氧与其他杂质共存时则影响极为复杂，例如微量氧可氧化高纯铜中的痕量杂质,Fe,、,Sn,、,P,等，提高铜的电导率；若杂质含量较多时，则氧的这种作用就显不出来。氧能部分削弱,Sb,、,Cd,对铜导电性的影响，但不改变,As,、,S,、,Se,、,T,、,Bi,等对铜电导性的影响。,工业中还生产出一种不含氧的紫铜，即为无氧铜。无氧铜具有较高的导电性、延展性和气密性，低氢脆倾向，在电力电子领域受到青睐，如制作电线电缆、电机换向器、高真空电子装置等。有些紫铜还特意保留一定量的氧，,方面它对铜性能的影响不大，另一方面,Cu,2,O,可与,Bi,、,Sb,、,As,等杂质起反应，形成高熔点的球状质点分布于晶粒内，消除了晶界脆性。,1,、氧,O,的影响,二、各杂质元素对铜的影响,2,、氢,H,的影响,氢在固态铜中形成间隙式固溶体，可提高铜硬度。,氢在液态与固态铜中的溶解度均随着温度的升高而增大。含氧铜在氢气氛中退火时，氢可与铜中的,Cu,2,O,反应，产生高压水蒸气，使铜破裂，俗称“,氢病,”。,CO,也能使,Cu,2,O,中的,Cu,还原，生成高压,CO,2,使铜破裂，但不像氢那样敏感。氢病的发生与危害程度与温度有关。在,150,时，因水蒸气处于凝聚状态，不引发氢病，在,400,氢气中只能停放,70h,。以,Mg,或,B,脱氧的铜不发生氢病。,氢在凝固与固态铜中的溶解度均随着温度的升高而增大。（见下表）,温度,400,500,600,700,800,900,1000,1100,1200,1300,1400,1500,溶解度,0.06,0.16,0.30,0.49,0.72,1.08,1.58,6.3,8.1,10.0,11.8,13.6,二、各杂质元素对铜的影响,3,、硫,S,的影响,硫在室温铜中的溶解度为零，硫在铜中以,Cu,2,S,的弥散的质点存在。,Cu,2,S,虽然降低了铜的电导率与热导率，但它能极大的降低铜的塑性，并能显著改善铜的可切削性能。硫对,99.99,铜性能的影响见下表。,材料状态,硫含量,/%,屈服点,/MPa,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,冷拉铜（加工率,36,0.00,0.15,0.23,0.54,0.78,0.97,355,348,361,369,397,398,366,367,369,382,397,398,21.4,14.3,15.0,12.1,7.9,8.6,99.7,97.8,97.6,95.1,91.6,90.9,600,退火,1h,0.00,0.15,0.23,0.54,0.78,0.97,610,570,550,630,77,77,228,230,232,236,244,245,60.0,53.6,51.4,50.7,45.7,45.7,100,99.3,99.6,96.7,92.5,91.4,二、各杂质元素对铜的影响,4,、硒,Se,的影响,硒在铜中的溶解度极小，以,Cu,2,Se,化合物形式存在。硒对铜的电导率及热导率的影响很小，但显著降低铜的塑性，并大幅度提高铜的可切削性能。硒对铜的各种性能影响见下表。,材料状态,硒含量,/%,屈服点,/MPa,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,冷拉铜（加工率,36,）,0.00,0.11,0.26,0.48,1.01,1.44,355,360,363,358,351,365,366,374,372,376,375,381,21.4,19.9,15.7,15.7,11.4,10.0,99.7,98.9,98.0,97.4,94.4,92.0,600C,退火,1h,0.00,0.11,0.26,0.48,1.01,1.44,61,59,62,56,50,71,228,230,228,230,234,233,60.0,57.1,55.7,52.9,48.6,42.1,100,99.0,100,98.8,95.6,94.4,二、各杂质元素对铜的影响,5,、碲,Te,的影响,碲在固态铜中的溶解度很小，以,Cu,2,Te,弥散质点存在，对铜的电导率及热导率的影响很小，但能显著改善铜的可切削性能。碲对铜性能的影响见下表。含,0.06,0.7,Te,的铜在工业中获得了应用，并在淬火和加工状态下应用，不要回火，以免,Cu2Te,沿晶界沉淀，使材料变脆。微量（,0.0030,）硒和碲,(0.0005,0.0030,),显著降低铜的可焊性能。,二、各杂质元素对铜的影响,材料状态,碲含量,/%,屈服点,/MPa,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,冷拉铜（加工率,36,0.00,0.10,0.25,0.45,1.05,2.42,356,356,362,356,360,359,366,373,375,373,374,384,21.4,15.0,14.3,11.4,10.7,7.1,99.7,99.5,98.9,98.2,97.1,94.5,600,退火,1h,0.00,0.10,0.25,0.45,1.05,2.42,61,55,55,57,58,62,228,230,232,232,233,234,60.0,53.6,54.3,51.4,41.4,100,99.8,100,99.9,98.0,96.1,5,、碲,Te,的影响,二、各杂质元素对铜的影响,在共晶温度,645,时，锑在铜中的溶解量可达,9.5,，并随着温度的下降而急速减少。锑降低铜的抗蚀性、电导率与热导率。电工铜含,Sb,量不得大于,0.02,。锑可与含氧铜中的,Cu,2,O,反应形成高熔点的球状质点，分布于晶粒内，可消除晶界上的,Cu,十,Cu,2,O,共晶体，提高铜的塑性。锑对铜性能的影响见下表。,6,、锑,Sb,的影响,锑含量,/%,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,15,65,0.004,0.020,0.046,0.092,0.22,0.47,222,226,225,234,236,234,62,61,60,48,58,97.4,94.8,94.1,75.6,56.4,86.0,83.4,81.3,80.7,66.6,51.4,二、各杂质元素对铜的影响,在共晶温度时，砷在铜中的溶解度可达,6.77,。少量砷可改善含氧铜的加工性能，对力学性能的影响很小，并能显著提高铜的再结晶强度，但是却降低铜的导电、导热性能。砷可与铜中的,Cu,2,O,起反应形成高熔点的砷酸铜质点，消除了晶界上的,Cu,十,Cu,2,O,共晶体，从而提高了铜的塑性。,7,、砷,As,的影响,铋在铜中的溶解度可忽略不计，即使在,800,时的溶解度也只不过,0.01,。铋在,270,与铜形成共晶体，其中的铋呈薄膜分布于晶界，严重降低铜的加工性能。因此，其含量不得大于,0.002,。,Bi,对铜的热导率与电导率的影响不大。真空开关触头铜可含,0.7,1.0,Bi,。因为它有高的电导率，并能防止开关粘结，提高其工作期限并能确保运转安全。,8,、铋,Bi,的影响,二、各杂质元素对铜的影响,9,、磷,P,的影响,磷在铜中的最大溶解度,(714,共晶温度时,),为,1.75%,，室温时几乎为零。磷虽显著降低铜的电导率及热导率，但对铜的力学性能与焊接性能有良好的影响。因此，在以磷脱氧的铜中，要求有一定量的残留磷。磷能提高铜熔体的流动性。磷对在,700,退火,300 min,后的铜性能的影响见下表。,磷含量,/%,抗拉强度,/MPa,伸长率,/%,电导率,/%LACS,疲劳强度,510,7,次,/MPa,0.014,0.030,0.045,0.096,0.148,0.178,0.254,0.494,0.690,0.790,0.950,242,225,228,232,239,246,249,270,270,281,281,62,59,50,62,63,61,63,62,63,64,66,94.3,78.2,72.4,55.5,45.2,42.5,33.1,19.7,15.5,14.0,11.6,77,84,87,99,105,92,94,108,115,123,120,二、各杂质元素对铜的影响,10,、铁,Fe,的影响,1050,时铁在铜中的溶解度可达,3.5,，,635,时的溶解量下降到,0.15,。铁能细化铜晶粒，延迟铜的再结晶过程，提高其强度与硬度。但铁降低铜的塑性、电导率与热导率。如果铁在铜中呈独立的相，则铜具有铁磁性。在电工仪表中用的无磁性铜线，必须通过反复电解等手段，进一步降低高纯铜中的含铁量达到约,1ppm,以下的水平。,含,0.45,4.5,Fe,的铜合金既有高的强度又有良好的耐热性与导电性，可焊性好，易于加工成型，是一类获得应用的电工材料。,二、各杂质元素对铜的影响,11,、铅,Pb,的影响,铅不固溶于铜，呈黑色质点分布于易熔共晶体中，存在于晶界上。,Pb,对铜的电导率与热导率无显著影响，还能大幅度提高铜的可切削性能。约含,1.0,Pb,的铜合金用于加工高速切削零件。,Pb,严重降低,Cu,的高温塑性，即伸长率,与面缩率,剧烈下降，同时高温脆性区也随着铜含量的增加而扩大。,二、各杂质元素对铜的影响,12,、银,Ag,的影响,在共晶温度,780,时，银在铜中的溶解度为,7.9,，但室温时的溶解度仅,0.1,左右。尽管如此，含,0.5,Ag,的铜合金在实际生产中仍可能为单一的固溶体，银与可固溶,Cu,的元素不同，含银量少时，铜的电导率与热导率的下降不多，对塑性的影响也很小，并显著提高铜的再结晶温度与蠕变强度。因此，含,0.03,0.25,Ag,的铜合金成为一类很有实用价值的电工材料。,铜的力学性能与含银量的关系见图,6.4,，银对铜的导电系数和软化温度的影响见图,6.5,。,二、各杂质元素对铜的影响,12,、银,Ag,的影响,图,6.5,银对铜的导电系数和软化温度的影响,1,导电系数；,2,软化温度,图,6.4,铜的力学性能与含银量的关系,二、各杂质元素对铜的影响,13,、锰,Mn,的影响,锰可作为铜的脱氧剂，在以锰脱氧的铜中一般含,0.1,0.3,Mn,，固溶于铜。一方面提高铜的软化温度，另一方面有益于铜的力学性能与工艺性能。,14,、镍,Ni,的影响,镍影响铜的导电性，但不明显，除非其含量超过,10ppm,。,结束，谢谢！,各杂质元素对铜的影响,