銅及銅合金的金相制備

1、鋁青銅,CuAl8,其-共析體呈現(xiàn)樹枝狀組織。Klemm著色腐蝕,偏振光,放大100x。 天然條件下存在的金屬銅主要是從硫化物礦中通過冶金熔煉工藝提煉得到。另外,少量的銅也可以采用濕法冶金工藝制造。下文簡單敘述了銅制造過程的四個(gè)步驟。1. 冰銅,75% Cu:在此熔煉過程的第一步提煉中,銅精礦,主要是黃銅礦(CuFeS 2,在氧閃速爐中用助熔劑焙燒和熔化成冰銅。冰銅是硫化銅和硫化鐵的混合物,銅含量約為75%。2. 粗銅,96-98% Cu:在轉(zhuǎn)爐內(nèi),空氣吹入到液態(tài)冰銅中,以氧化硫化物。所產(chǎn)生的粗銅中銅含量約為9698%。3. 陽極銅,99% Cu:粗銅在陽極爐中精煉。連同廢銅和電解精煉剩下的陽

2、極一起熔化?？諝獯等氲饺廴谖镏?形成氧化氣氛,使雜質(zhì)還原并以爐渣的形式排出。熔融物的高含氧量需要降低至不到0.1%,否則銅的氧化物可能會使銅變脆。通過向熔融物中吹入天然氣來降低含氧量,使氧化銅還原為銅,并釋放出水蒸氣和二氧化碳。所獲得的銅純度為99%,澆注成陽極棒,然后用來進(jìn)行電解精煉。4. 電解精煉,電解銅,99.99% Cu:陽極銅仍然夾帶鎳、鉛、銀、鈀和金等雜質(zhì)。在電解精煉過程中,雜質(zhì)落到電解池的底部并回收,同時(shí)制出高純度銅。硫酸和硫酸銅起電解液的作用。通入直流電,陽極發(fā)生氧化,溶解,純銅沉積在純粉陰極處和不銹鋼始極片上,然后用機(jī)械方法取下。制造和應(yīng)用銅精礦廢合金廢銅粗銅外部陰極,廢純銅

3、氧閃速爐轉(zhuǎn)爐陽極爐渣渣不銹鋼始極片陽極銅 99% Cu 粗銅約 96% Cu冰銅約 75% Cu貴金屬銀金鉑鈀硒陽極礦泥處理非合金化或合金化的銅產(chǎn)品圓棒材方材軋制板連續(xù)再加工成鑄造銅絲或直接銷售渣殘余陽極電解熔爐電解銅 99,99% Cu銅的制造簡圖 此高純度銅形成的陰極板與50%純廢銅一起熔化,澆鑄成板材、圓形和方形型坯,然后再制成薄板、管材、線材和鑄錠(目前,幾乎有一半的銅需求來自廢銅和回收銅 。隨著純度提高,導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率,以及銅的價(jià)格,亦均升高。因此,是否使用純銅取決于產(chǎn)品應(yīng)用。憑借其卓越的性能,電子元器件所用的無氧銅(OFE成為半導(dǎo)體、開關(guān),以及真空技術(shù)和電子管用密封圈的基礎(chǔ)材料。銅

4、用量最大的領(lǐng)域包括建筑物外墻、屋頂、飲用水管和加熱裝置,以及電氣零件工業(yè)的電動機(jī)線圈、發(fā)電機(jī)和供電系統(tǒng)。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括低溫和空調(diào)技術(shù)、化學(xué)工業(yè),以及飲料和釀造業(yè)。銅合金銅合金的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛;然而,鋅(黃銅和錫(青銅是銅最重要的合金化元素。下文簡要敘述某些最重要的合金及其應(yīng)用。黃銅是含鋅545%的銅合金。由于鋅的原因,銅的溶解度增加,并且合金非常均質(zhì)。含鋅量低于28%的黃銅稱為紅黃銅,特別適合機(jī)加工。隨著含鋅量增加,銅顏色將由微紅變?yōu)辄S銅的黃色。含鋅量高達(dá)37%的合金由固溶體組成,并且適合進(jìn)行冷成形。隨著含鋅量增加,黃銅的硬度升高,因此更適合機(jī)加工。從38%含鋅量開始,合金顯示出-兩相顯微

5、結(jié)構(gòu),適合進(jìn)行熱成形。通過加入鋁、錳、鐵、鎳和錫等金屬,可以制造出具有特殊化學(xué)或機(jī)械性能的特種合金。加入少量的鉛可以提高黃銅的可加工性。根據(jù)含鋅量的不同,黃銅廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域:從鐘表、珠寶、電子器件(CuZn5、彈簧、螺釘、銷、模塑件(CuZn30、到電樞(CuZn40,以及耐海水腐蝕泵殼的軸承(CuZn10Sn2等。圖4:飲用水分配控制閥圖5:銅夾雜紅色氧化銅,暗場,放大500x圖6:無氧銅,用過二硫酸侵蝕,放大100x位于柏林的丹麥大使館,外墻裝飾有氧化銅板。圖片使用許可:丹麥外交部圖7:電解銅,Klemm侵蝕,放大100x圖8:耐磨及滾柱軸承的黃銅罩 圖10:黃銅,著色腐蝕,放大200x

6、圖12:-黃銅鑄件,Klemm侵蝕,淡色固溶體和深色固溶體基體,放大100x。圖14:帶石墨的鍛造青銅襯里CitoPress熱鑲樣機(jī)圖11:-黃銅鑄件(CuZn40Pb2,灰藍(lán)色鉛夾雜物,未侵蝕,放大500x是銅錫合金,分成含錫量在8.5%以下的鍛造合金、含錫量通常在912%的鑄造青銅,以及含錫量高達(dá)20%的所謂鑄鐘青銅。根據(jù)所需要的特性,可以向鍛造合金中加入少量的鋅和磷,例如軸承。這種合金稱為磷青銅。鉛、鎳和鐵是鑄造合金的常見添加元素。銅-錫-鋅合金稱為炮銅。這種合金常常用來制造滑動軸承、蝸輪蝸桿、軸承襯套等,這些零件需要提供一個(gè)能夠承受高接觸載荷的支撐表面。除了良好的耐腐蝕性之外,炮銅還具

7、有較低的摩擦系數(shù),從而降低了在此類條件下咬合發(fā)生的概率。鋁青銅是含鋁量不超過11%的銅合金,具有良好的高溫強(qiáng)度和卓越的耐腐蝕性。特別適合制造船舶螺旋槳、泵和水輪機(jī)的高應(yīng)力轉(zhuǎn)子、軸承,以及化學(xué)工業(yè)所用零件。銅-鋁鍛造合金還適用于機(jī)械和光學(xué)工程。鈹青銅具有較高的強(qiáng)度和硬度,在與其他金屬碰撞時(shí)不產(chǎn)生火花。因此,這種類型的青銅特別適合于制造精煉廠等爆炸性環(huán)境里所用工具。由于具有卓越的耐腐蝕性,銅-鎳合金用來制造海水淡化裝置、硬幣、烤箱的加熱絲及吹風(fēng)機(jī)。銅-鎳-鋅合金,稱為德銀,具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和易成型性。應(yīng)用領(lǐng)域包括手術(shù)儀器、食品工業(yè)、銀餐具的基礎(chǔ)金屬、連接器觸點(diǎn),以及首飾等。銅及銅合金制備

8、過程中的難點(diǎn)隨著純度升高,銅變得更軟,更易于發(fā)生機(jī)械變形和劃傷。因此,研磨可能會使高純度銅嚴(yán)重變形,同時(shí)磨粒和拋光膏也可能會被壓入表面內(nèi)。銅合金較硬,但是仍然可能會產(chǎn)生劃痕,對于某些青銅,可能只在個(gè)別的晶粒上會出現(xiàn)這種情況。銅及銅合金制備的建議對于銅的切割,可以采用普遍適用于有色金屬的硬質(zhì)SiC切割輪。對于鑲樣,在大多數(shù)情況下,酚醛樹脂就足夠了。 1SiC薄片,即SiC Foil,需配合MD-Gekko或Gekko PSA使用。機(jī)械研磨和拋光建議以盡可能細(xì)的粒度對銅進(jìn)行粗磨,以避免發(fā)生過大的機(jī)械變形。必須考慮試樣的硬度、大小和數(shù)目,但是即使對于較大數(shù)目的純銅試樣,用500#SiC薄片1進(jìn)行粗磨

9、即已足夠。較大的銅合金鑄件可以用220#或320#SiC薄片研磨。另外,減小研磨力以避免發(fā)生深層變形也是非常重要的。如制備數(shù)據(jù)表所示,對于軟合金,推薦用細(xì)粒度SiC薄片進(jìn)行精磨;對于較硬的合金,可以使用帶金剛石的MD-Largo。使用MD-Largo可以獲得更好的平整度和邊緣保護(hù)。必須通過金剛石拋光除去研磨產(chǎn)生的所有變形以及嵌入的磨粒。使用二氧化硅進(jìn)行化學(xué)-機(jī)械精拋可以獲得幾乎沒有任何劃痕的表面,因此這種方法特別重要。對于純銅,實(shí)踐證明用含有硝酸鐵的溶液進(jìn)行終拋可以獲得非常好的結(jié)果。對于銅合金,推薦采用帶過氧化氫的OP-S懸浮液和氨水的混合液(配方見下表。拋光1分鐘后,在顯微鏡下檢查結(jié)果。如有

10、必要,繼續(xù)拋光1分鐘,并再次檢查結(jié)果。建議重復(fù)執(zhí)行此拋光/檢查程序,直到獲得要求的質(zhì)量結(jié)果為止。如果拋光過快或過強(qiáng),則應(yīng)該用水稀釋混合液。(拋光結(jié)束前約30秒鐘,將水倒在拋光布上,以沖洗試樣和拋光布。然后,再次用干凈的自來水洗凈試樣,并干燥。制備數(shù)據(jù)適用于6個(gè)已鑲試樣的自動研磨和拋光,試樣直徑30mm,夾固在試樣夾具座中。電解拋光特別適用于純銅和黃銅鍛造合金。兩相-黃銅也可以采用電解拋光。但是結(jié)果并不非常適合進(jìn)行定量分析,特別是當(dāng)合金中含有鉛時(shí)。 圖15:-黃銅鑄件,機(jī)械拋光,未侵蝕,放大200x。圖16:試樣同圖15,電解拋光,未侵蝕,放大200x。圖18:試樣同圖17,Klemm著色腐蝕,樹枝狀組織,帶淺藍(lán)色共析體和藍(lán)色鉛夾雜物,放大500x。圖17:青銅鑄件,CuSn8Pb,未侵蝕,大大小小的藍(lán)灰色鉛夾雜物,可看到淡藍(lán)色-共析體,放大500x。電解拋光獲得良好效果的前提是先用2000#或4000#SiC薄片進(jìn)行預(yù)精磨。由于鑄造合金中含有不同的相,所以不適合進(jìn)行電解拋光。電解液: D2面積: 0.5 cm 2電壓: 24 伏流量: 10時(shí)間:20 秒鐘拋光之后,試樣可以用相同的電