各杂质元素对铜的影响1 1主要内容一、纯铜的简单介绍二、各杂质元素对铜的影响2 2一、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。 3 3一、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。4 4一、纯铜的简单介绍 铜的机械性能：软态铜：b200240MPa，硬度3545HB，50%，达75%。硬态铜：b350400MPa，硬度110130HB，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8595%而不产生裂纹。纯铜在500600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。5 5一、纯铜的简单介绍名称名称数值数值名称名称数值数值原子量原子量63.6463.64体积电阻率（体积电阻率（20 20 ），），10105 5cmcm1.6731.673结晶结晶面心立方面心立方电阻温度系数（电阻温度系数（20 20 ），），1/ 1/ 0.00430.0043晶格常数，晶格常数，1010-10-10mm3.61473.6147导电率（导电率（20 20 ），），%IACS%IACS软：软：100100102102硬：硬：96969898密度（密度（00），），g/cmg/cm3 38.938.93抗拉强度，抗拉强度，N/mmN/mm2 2软：软：195195以上以上硬：硬：345345以上以上熔点，熔点， 10831083弹性模数，弹性模数，kN/mmkN/mm2 2136.5136.5线膨胀系数（线膨胀系数（20 20 ），），1010-6-6/ / 1717质量磁化率，质量磁化率，1010-6-6-0.086-0.086热传导率（热传导率（20 20 ），），W/mW/m k k394394比热（比热（20 20 ），），J/ J/（KgKg k k）384.9384.9电工用铜的物理性能电工用铜的物理性能6 6一、纯铜的简单介绍纯铜一般典型的物理性能纯铜一般典型的物理性能性能性能加工铜加工铜退火铜退火铜铸造铜铸造铜弹性极限（弹性极限（MPaMPa）28028030030020205050屈服点（屈服点（ MPa MPa ）34034035035050507070抗拉强度（抗拉强度（ MPa MPa ）370370420420220220240240170170伸长率（伸长率（%）4 46 645455050断面收缩率（断面收缩率（%）3535454565657575布氏硬度（布氏硬度（HBSHBS）1100110013001300350350450450400400剪切强度（剪切强度（ MPa MPa ）210210150150冲击韧性（冲击韧性（J J）16161818抗压强度（抗压强度（ MPa MPa ）157015707 7T1T1、TU1TU1牌号铜线坯的化学成分（牌号铜线坯的化学成分（GB/T 3952-2008GB/T 3952-2008）元素组元素组杂质元素杂质元素质量分数质量分数/%/%，不大于，不大于元素组总质量分数元素组总质量分数/%/%，不大于，不大于1 1SeSe硒硒0.000 20.000 20.000 300.000 300.000 30.000 3TeTe碲碲0.000 20.000 2BiBi铋铋0.000 20.000 22 2CrCr铬铬- -0.001 50.001 5MnMn锰锰- -SbSb锑锑0.000 40.000 4CdCd镉镉- -AsAs砷砷0.000 50.000 5P P磷磷- -3 3PbPb铅铅0.000 50.000 50.000 50.000 54 4S S硫硫0.001 50.001 50.001 50.001 55 5SnSn锡锡- -0.002 00.002 0NiNi镍镍- -FeFe铁铁0.001 00.001 0SiSi硅硅- -ZnZn锌锌- -CoCo钴钴- -6 6AgAg银银0.002 50.002 50.002 50.002 5杂质元素总质量分数杂质元素总质量分数/%/%0.006 50.006 5注：注：T1T1的氧含量应不大于的氧含量应不大于0.040%0.040%；TU1TU1的氧含量应不大于的氧含量应不大于0.0010%0.0010%。8 8T2T2、TU2TU2牌号铜线坯的化学成分（牌号铜线坯的化学成分（GB/T 3952-2008GB/T 3952-2008）Cu+AgCu+Ag不不小于小于杂质元素，不大于杂质元素，不大于AsAs砷砷S S锑锑BiBi铋铋FeFe铁铁PbPb铅铅SnSn锡锡NiNi镍镍ZnZn锌锌S S硫硫P P磷磷99.9599.950.001 50.001 50.001 50.001 50.000 60.000 60.002 50.002 50.0020.0020.0010.0010.0020.0020.0020.0020.002 50.002 50.0010.001注：注：T2T2的氧含量应不大于的氧含量应不大于0.045%0.045%；TU2TU2的氧含量应不大于的氧含量应不大于0.002 0%0.002 0%9 9组组别别代代号号化学成分（化学成分（%）（）（GB/T 5231-2012GB/T 5231-2012）Cu+AgCu+AgP PAgAgBiBiSbSbAsAsFeFeNiNiPbPbSnSnS SZnZnOO纯纯铜铜T1T199.9599.950.0010.0010.0010.0010.0020.0020.0020.0020.0050.0050.0020.0020.0030.0030.0020.0020.0050.0050.0050.0050.020.02T2T299.9099.900.0010.0010.0020.0020.0020.0020.0050.0050.0050.0050.0050.005T3T399.7099.700.0020.0020.010.01无无氧氧铜铜TU1TU199.9799.970.0020.0020.0010.0010.0020.0020.0020.0020.0040.0040.0020.0020.0030.0030.0020.0020.0040.0040.0030.0030.0020.002TU2TU299.9799.970.0020.0020.0010.0010.0020.0020.0020.0020.0040.0040.0020.0020.0040.0040.0020.0020.0040.0040.0030.0030.0030.0031010二、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。分类分类分类分类元素元素元素元素组织特性组织特性组织特性组织特性对铜性能的影响对铜性能的影响对铜性能的影响对铜性能的影响固溶于铜固溶于铜的杂质及的杂质及微量元素微量元素铬、锰、铬、锰、 铁、钴、镍、铁、钴、镍、银、锌、镉、硅、锡、银、锌、镉、硅、锡、磷、锑、砷等磷、锑、砷等其中其中镍镍、锰锰还与铜无限还与铜无限固溶。固溶。 固溶体固溶体都不同程度地都不同程度地提高提高铜的硬度和强度，铜的硬度和强度，同时实际同时实际不降低不降低铜的加工塑性；铜的加工塑性；都不同程度地都不同程度地降低降低铜的导电性和导热铜的导电性和导热性；其中以磷、铁、硅、砷等降低最多，性；其中以磷、铁、硅、砷等降低最多，锑、锰、镍等次之，而银、铬、镉、锌锑、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，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、耐热的导电有的还常用作高强、耐磨、耐热的导电铜材。铜材。固溶解释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。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。1111二、各杂质元素对铜的影响分类分类分类分类元素元素元素元素组织特性组织特性组织特性组织特性对铜性能的影响对铜性能的影响对铜性能的影响对铜性能的影响很少固溶很少固溶于铜，并于铜，并与铜形成易溶熔晶与铜形成易溶熔晶的杂质及微量元素的杂质及微量元素铅、铋等铅、铋等铜加铅或铋的共晶铜加铅或铋的共晶铅、铋呈易溶共晶分布的铜的晶界，铅、铋呈易溶共晶分布的铜的晶界，热压时易开裂；热压时易开裂；铋还降低铜的室温塑性，使铜铋还降低铜的室温塑性，使铜“ “冷脆冷脆” ”。铅、铋对铜的导电、导热性影响不铅、铋对铜的导电、导热性影响不大，铅可改善铜的可切削性。大，铅可改善铜的可切削性。接上表几乎几乎不固溶不固溶于铜，于铜，并与铜形成熔点较并与铜形成熔点较高的脆性化合物的高的脆性化合物的杂质及微量元素杂质及微量元素氧、硫、硒、氧、硫、硒、碲等碲等在铜的晶粒边界含有在铜的晶粒边界含有CuCu2 2O O，或，或CuCu2 2S S，或，或CuCu2 2SeSe，或，或CuCu2 2TeTe等脆性等脆性化合物的共晶。化合物的共晶。降低铜的塑性。降低铜的塑性。对铜的导电、导热性影响不大。硒、对铜的导电、导热性影响不大。硒、碲均提高铜的切削性。碲均提高铜的切削性。1212二、各杂质元素对铜的影响1、氧、氧O的影响的影响 氧几乎不固溶于铜。含氧铜凝固时，氧以（Cu+Cu2O）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Cu20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。 1313二、各杂质元素对铜的影响1、氧、氧O的影响的影响 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。 材料状材料状态态氧含量氧含量/%/%抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS疲疲劳劳强强度度5105107 7次次/MPa/MPa700700退火退火30min30min0.0160.0160.0400.0400.0600.0600.0900.0900.1700.1700.3600.360228228225225228228232232242242260260545450505656535349495555101.4101.4101.6101.6101.5101.5100.6100.699.099.099.299.2777794949191848477777777冷状冷状态态0.0360.0360.0490.0490.0940.0940.2200.220263263263263267267288288303029292727272799.699.698.998.997.997.994.694.61301301231231341341201201414二、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Cu2O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、氧O的影响的影响1515二、各杂质元素对铜的影响2、氢、氢H的影响的影响 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Cu2O反应，产生高压水蒸气，使铜破裂，俗称“氢病”。 CO也能使Cu2O中的Cu还原，生成高压CO2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）温度温度400400500500600600700700800800900900100010001100110012001200130013001400140015001500溶解度溶解度0.060.060.160.160.300.300.490.490.720.721.081.081.581.586.36.38.18.110.010.011.811.813.613.61616二、各杂质元素对铜的影响3、硫、硫S的影响的影响 硫在室温铜中的溶解度为零，硫在铜中以Cu2S的弥散的质点存在。Cu2S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。材料状材料状态态硫含量硫含量/%/%屈服点屈服点/MPa/MPa抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS冷拉冷拉铜铜（加（加工率工率36360.000.000.150.150.230.230.540.540.780.780.970.9735535534834836136136936939739739839836636636736736936938238239739739839821.421.414.314.315.015.012.112.17.97.98.68.699.799.797.897.897.697.695.195.191.691.690.990.9600600退火退火1h1h0.000.000.150.150.230.230.540.540.780.780.970.976106105705705505506306307777777722822823023023223223623624424424524560.060.053.653.651.451.450.750.745.745.745.745.710010099.399.399.699.696.796.792.592.591.491.41717二、各杂质元素对铜的影响4、硒、硒Se的影响的影响 硒在铜中的溶解度极小，以Cu2Se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。材料状材料状态态硒含量硒含量/%/%屈服点屈服点/MPa/MPa抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS冷拉冷拉铜铜（加（加工率工率3636）0.000.000.110.110.260.260.480.481.011.011.441.4435535536036036336335835835135136536536636637437437237237637637537538138121.421.419.919.915.715.715.715.711.411.410.010.099.799.798.998.998.098.097.497.494.494.492.092.0600C600C退火退火1h1h0.000.000.110.110.260.260.480.481.011.011.441.4461615959626256565050717122822823023022822823023023423423323360.060.057.157.155.755.752.952.948.648.642.142.110010099.099.010010098.898.895.695.694.494.41818二、各杂质元素对铜的影响5、碲、碲Te的影响的影响 碲在固态铜中的溶解度很小，以Cu2Te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0.060.7Te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(0.00050.0030)显著降低铜的可焊性能。1919二、各杂质元素对铜的影响材料状材料状态态碲含量碲含量/%/%屈服点屈服点/MPa/MPa抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS冷拉冷拉铜铜（加工（加工率率36360.000.000.100.100.250.250.450.451.051.052.422.4235635635635636236235635636036035935936636637337337537537337337437438438421.421.415.015.014.314.311.411.410.710.77.17.199.799.799.599.598.998.998.298.297.197.194.594.5600600退火退火1h1h0.000.000.100.100.250.250.450.451.051.052.422.4261615555555557575858626222822823023023223223223223323323423460.060.053.653.654.354.351.451.441.441.410010099.899.810010099.999.998.098.096.196.15、碲、碲Te的影响的影响2020二、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Cu2O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Cu2O共晶体，提高铜的塑性。锑对铜性能的影响见下表。6、锑、锑Sb的影响的影响锑锑含量含量/%/%抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS151565650.0040.0040.0200.0200.0460.0460.0920.0920.220.220.470.472222222262262252252342342362362342346262616160604848585897.497.494.894.894.194.175.675.656.456.486.086.083.483.481.381.380.780.766.666.651.451.42121二、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Cu2O起反应形成高熔点的砷酸铜质点，消除了晶界上的Cu十Cu2O共晶体，从而提高了铜的塑性。7、砷、砷As的影响的影响 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0.71.0Bi。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、铋Bi的影响的影响2222二、各杂质元素对铜的影响9、磷、磷P的影响的影响 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。磷含量磷含量/%/%抗拉抗拉强强度度/MPa/MPa伸伸长长率率/%/%电导电导率率/%LACS/%LACS疲疲劳劳强强度度5105107 7次次/MPa/MPa0.0140.0140.0300.0300.0450.0450.0960.0960.1480.1480.1780.1780.2540.2540.4940.4940.6900.6900.7900.7900.9500.9502422422252252282282322322392392462462492492702702702702812812812816262595950506262636361616363626263636464666694.394.378.278.272.472.455.555.545.245.242.542.533.133.119.719.715.515.514.014.011.611.67777848487879999105105929294941081081151151231231201202323二、各杂质元素对铜的影响10、铁、铁Fe的影响的影响 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0.454.5Fe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。2424二、各杂质元素对铜的影响11、铅、铅Pb的影响的影响 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1.0Pb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。2525二、各杂质元素对铜的影响12、银、银Ag的影响的影响 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0.5Ag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0.030.25Ag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。2626二、各杂质元素对铜的影响12、银、银Ag的影响的影响图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2727二、各杂质元素对铜的影响13、锰、锰Mn的影响的影响 锰可作为铜的脱氧剂，在以锰脱氧的铜中一般含0.10.3Mn，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、镍Ni的影响的影响 镍影响铜的导电性，但不明显，除非其含量超过10ppm。2828各杂质元素对铜的影响2929