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微量雜質元素對銅性能的影響

純銅外表具有玫瑰紅色，表面形成氧化膜后呈紫色，故俗稱為紫銅，或又稱為紅銅、赤銅。紫銅是含有一定氧的銅，因而又稱含氧銅。其內雜質被氧化而被排出，固溶量減少，這有利于銅的電導性，亦可消除有害雜質的影響。但紫銅在370℃以上還原氣氛中易出現脆裂（通常被稱為氫氣病）。盡管如此，紫銅以其極高的導電，導熱，良好的耐腐蝕性和易加工性等特性被廣泛應用于工業和生活領域中。如：電線，電纜，開關端子等。

許多微量雜志元素對紫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。下面詳細敘述了雜志元素對紫銅的影響。影響純銅性能的主要元素有：氧、氫、硫、碲、磷、鐵、鉛、錫、銻、砷、鉍、鋅等。其各自的主要作用是：

(1)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，微量氧可氧化高純銅中的痕量雜質fe、sn、p等，提高銅的電導率，若雜質含量較多，則氧的這種作用表現不出來。氧能部分消弱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。有些紫銅還特意保留一定量的氧，一方面對銅性能影響不大，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中，消除了晶界脆性。

（2）氫：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。

（3）硫：對銅的導電性和導熱性影響不大，但顯著降低銅的塑性。硫在銅中形成cu2s彌散質點，改善銅的切削性能。

（4）碲：對銅的電導率及導熱率影響很小，但能顯著改善銅的切削性能。微量碲（0.0005%~0.003%）顯著降低銅的可焊性能。

（5）磷：銅磷二元相固表明，在714℃時存在著共晶反應：l8.4%→α1.75%+cu3p，隨著溫度降低，磷在銅中的固溶量迅速減少，300℃時為0.6%，200℃時為0.4%；固溶于銅中的磷顯著的降低其導電率，含p0.014%的軟帶導電率為94%iacs，含p0.14%的導電率僅為45.2%；磷是最有效、成本最低的脫氧劑，微量磷的存在，可以提高熔體的流動性，改善銅及合金的焊接性能、耐蝕性能、提高抗軟化程度，所以磷又是銅及合金的寶貴添加元素，含p0.015-0.04%的磷銅合金，廣泛用于生產建筑用水道管、制冷和空調器散熱管、艦船海水管路；低磷銅合金板、帶材在電子和化工工業中廣泛應用，集成電路引線框架銅帶也大量使用低磷銅合金；共晶成份的磷銅合金，是優良的焊接材料，高磷銅合金在580-620℃之間具有超塑性，可以熱擠成φ3-φ5毫米焊絲，是焊接銅及銅合金、鋼和銅零件的重要材料。

（6）鐵：能夠細化銅晶粒，延遲銅的再結晶過程，提高其強度和硬度，但是降低銅的塑性、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。

（7）鉛：鉛不固溶于銅，在銅合金中固溶度也很小，與銅形成易溶共晶組織，38。0-。。%范圍的鉛，液態下與銅液互不混熔，凝固時形成偏晶組織；固態下，鉛在銅中以單質狀態分布，可以分布在晶內和晶介，含鉛的銅合金，在發生相變或再結晶時，晶介的鉛可以轉移到晶內；鉛對銅及合金導電和導熱性能無顯著影響，但可以改善切削性能，鉛質點又是固相，正是軸承材料所希望的，所以含鉛銅及合金是寶貴的易切削材料與軸承材料，因其成本低廉更為市場所歡迎，含鉛黃銅使用極為廣泛，鉛的質點越細小，分布越均勻，性能越優良，含鉛銅及合金可以鑄態使用，也可以壓力加工，鉛黃銅在高溫（500℃以上）為單相β，熱加工性能優良，可以承受大的熱變形，而在常溫下f為α相和α+β相區，冷變形時變形抗力大，塑性較差，過大的加工率會使合金材料產生裂紋；隨著科學技術的發展，常規使用的鉛黃銅中含鉛量已由0.8-2.5%增加至5%以上,新型的含鉛紫銅、黃銅、青銅、白銅正不斷地被開發出來；特別應該指出的是，含鉛銅合金對原料的適應性極強，可以直接使用再生銅生產含鉛銅合金，這對銅加工企業非常重要。

隨著技術進步發現，含鉛銅及合金在使用中，有鉛的溶出，對環境造成污染，因此具有優良切屑性能的無鉛銅合金研究正在展開，特別是廣泛使用的鉛黃銅材料的代用問題已經提到日程，其中可以考慮的替代元素是鉍、硫、硅等。

（8）錫：能夠提高含氧銅和無氧銅的軟化溫度。以錫為主要合金元素的錫青銅具有良好的耐蝕，耐磨、加工和力學性能。

（9）鎳：銅-鎳合金具有較好的耐蝕性，電學性能和中等強度，高塑性。能夠冷，熱態加工，被廣泛用于耐蝕結構件，彈簧，插接件，高電阻和熱電偶合金。

（10）銻：提高銅的耐蝕性，降低其導電率和熱導率，銻可與含氧銅中的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+cu2o共晶體，提高銅的塑性。

其它金屬元素對銅的影響：

鎂、鋰、鈣有限固溶于銅，錳與銅無限互溶，這四個元素都可作為銅的脫氧劑；錳可以提高銅的強度，低錳銅合金具有高強和耐蝕性能，在化學工程中有所應用，錳銅電阻溫度系很少，是優良的電阻合金；由于有同素異晶轉變，使銅錳合金固態下相變十分復雜，固相下具有調幅分解，變晶轉變等過程，具有減振降噪性能，是著名的阻尼合材料。以鈰為代表的稀土元素幾乎不固溶于銅，它們在銅中的作用是變質和凈化，可以脫硫與脫氧，并能與低熔點雜質形成高熔點化合物，消除有害作用，提高銅及合金的塑性，在上引鑄造線坯中加入稀土元素，能夠改善塑性，減少冷加工的裂紋。

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