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铜和铜合金的金相制备

铜广泛用于各种行业。 但是,由于延展性极高,它很容易出现变形和划痕。 在本页面中,您可以了解如何制备没有划痕的铜样品,以便快速有效地进行金相检查。

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铜和铜合金的主要特点

铜是一种柔韧的金属,很容易塑形。 它具有吸引人的颜色、耐腐蚀性以及高导电性和导热性,广泛用于电子、汽车、建筑、化工、食品和饮料行业。

随着纯度的提高,铜的导电性和导热性都会提高。 纯铜或不含氧的铜仅用于非常特殊的应用。

铜的一般工业用途包括:
  • 汽车行业的电缆、开关设备、变压器、电机绕组和发电机
  • 化工、食品和饮料行业的管道、容器和热交换器
  • 建筑行业的外墙、屋顶、饮用水管道和供暖装置
  • 低温和空调
  • 电子行业的半导体、真空技术开关和密封圈,以及电子管

铜的生产工艺

虽然有天然的金属铜,但它主要还是从硫化矿石中通过金属冶炼过程提取的。 有四个主要步骤。

1. 初始冶炼过程从铜精矿提取得到铜冰铜 (75% Cu)。
2. 在转炉中,将空气吹入液态冰铜,对硫化物进行氧化,得到泡铜 (96-98% Cu)。
3. 在阳极炉中对泡铜进行精炼,得到阳极铜 (99% Cu)。
4. 杂质(包括 Ni、Pb、Ag、Pd 和 Au)通过电解精炼去除,得到阴极铜 (99.99% Cu)。

少量的铜也可通过湿法冶金工艺生产。

图 1 含有红色氧化铜的铜
图 1: 含有红色氧化铜的铜,暗场,500x

图 2 不含氧的铜
图 2: 不含氧的铜,使用过二硫酸铵蚀刻,100x

图 3 经过蚀刻的阴极铜
图 3: 阴极铜,根据 Klemm 方法蚀刻,100x

铜合金

铜合金很多,含锌(黄铜)和锡(青铜)的最常见。

黄铜(铜锌合金)
黄铜是含 5-45% 锌的铜合金。 由于铜对锌的溶解度很高,因此合金非常均一。 随着锌含量的增加,黄铜的颜色逐渐由红色变为黄色。 黄铜还会变得更硬,更容易加工。
  • 锌含量低于 28% 的黄铜称为红黄铜,特别适合加工
  • 锌含量不超过 37% 的合金由 α 固溶体组成,适合进行冷成形
  • 如果锌含量等于或高于 38%,合金将显示 α-β 两相微观结构,适合进行热成形

通过加入铝、锰、铁、镍、锡,甚至少量的铅,可以生成具有特定化学或机械性能的特殊类型的黄铜。

图 4 经过彩色蚀刻的 α 黄铜
图 4:α 黄铜,彩色蚀刻,200x

图 5 α-β 黄铜铸件
图 5:α-β 黄铜铸件 (CuZn40Pb2),含有灰蓝色的铅,未经过蚀刻,500x

图 6 经过蚀刻的 α-β 黄铜铸件
图 6:α-β 黄铜铸件,根据 Klemm 方法蚀刻,浅色的 α 固溶体分布在深色的 β 固溶体中,100x

青铜(铜锡合金)
青铜分为三类:锻造合金、铸造合金和钟形铸件。 根据要求的性能,可以加入少量的锌、磷、铅、镍或铁。

一些特殊的黄铜合金及其性能
炮铜 (Cu-Sn-Zn) 耐腐蚀性强;摩擦系数低
铝青铜(铝含量不超过 11%) 高温下强度高;耐腐蚀性强
铍青铜 强度高;硬度高;击打或撞击其他金属时不会产生火花
铜镍合金 耐腐蚀性强
铜镍锌合金(德国银) 强度高;耐腐蚀性强;容易成形

图 7 经过彩色蚀刻的铝青铜
图 7: 铝青铜,根据 Klemm 方法进行彩色蚀刻,偏振光,200x
 

铜和铜合金的金相

使用铜和铜合金时,通常使用金相进行晶粒尺寸测量,并通过氧化铜的定性和定量进行纯度检查。

对于某些黄铜,可能需要确定铅的分布,因为这可能会影响加工过程。

对于铸造合金,金相常用于一般结构评估,可评估共晶或铅的分布,并确定是否存在缩孔或多孔。

图 8 呈现枝晶结构的铝青铜
图 8: 铝青铜 (CuAl8),呈现 α-δ 共晶的枝晶结构。 根据 Klemm 方法进行彩色蚀刻,偏振光,100x

铜和铜合金的金相挑战

纯铜柔软且延展性好,因此容易出现变形和划痕。 甚至青铜和一些较硬的黄铜也可能会出现或轻或重的划痕。 这会给金相学家带来麻烦。 但是,也有一些简单的解决方案:

- 避免使用粗磨料进行研磨
- 使用软布进行彻底的金刚石抛光
- 进行化学-机械精细抛光

阅读详细说明,了解如何制备铜和铜合金,以便快速、准确地进行金相分析,而不产生划痕或变形。

图 9 纯铜线
图 9: 纯铜线,使用 OP-S 进行最终抛光,DIC,200x

图 10 经过 OP S 最终抛光
图 10: 与图 9 相同的样品,使用 OP-S-氨/水/过氧化氢混合物进行最终抛光,DIC,200x

铜和铜合金的制备: 切割和镶样

铜和铜合金的切割和镶样很简单。
  • 切割铜或铜合金时,使用适合有色金属的硬质碳化硅切割轮
  • 镶嵌铜或铜合金时,大多数情况下使用酚醛树脂就足够了
了解更多

铜和铜合金的制备: 机械研磨和金刚石抛光

随着纯度的提高,铜会变得更软,更容易出现机械变形和划痕。 因此,研磨可能会导致纯度高的铜严重变形,而研磨和抛光磨料则可能压入表面。

铜合金较硬,但仍有产生划痕的倾向。 对于某些青铜,这些划痕可能只出现在个别晶粒中。

注: 下面给出的制备数据是直径为 30 mm、夹在夹具座中进行自动研磨和抛光的 6 个镶嵌样品的数据。

机械研磨

为避免任何过度的机械变形,应使用尽可能细的磨料进行平面研磨。
  • 应考虑样品的硬度、尺寸和数量。 但是,即使是大的纯铜样品,使用 500# 碳化硅箔/砂纸进行平面研磨也足够了
  • 尽管使用较小的研磨力以避免严重变形很重要,但大的铜合金铸件还是可以使用 220#320# 进行研磨
  • 软合金应使用较细磨料(不超过 4000#)的碳化硅箔/砂纸进行精磨
  • 对于较硬的合金,可以使用 MD-Largo 和金刚石,以确保更好的平整度和边缘保护

纯铜和合金含量较低的铜合金

铜

铜

金刚石抛光

铜和铜合金应进行金刚石抛光,直至机械研磨产生的所有变形和嵌入磨料消失。 使用二氧化硅进行化学-机械精细抛光应该会得到几乎没有划痕的表面。
  • 对于纯铜,使用含硝酸铁的溶液进行最终的金刚石抛光。
  • 对于铜合金,建议使用过氧化氢和氨水与 OP-S 不干型悬浮液的混合物。
纯铜和铜合金的最终抛光: 抛光/检查顺序
  • 开始抛光。 一分钟后,在显微镜下检查样品
  • 如有必要,继续抛光一分钟,并再次检查样品
  • 按此顺序继续进行,直至达到要求的质量
  • 如果发现抛光速度过快或力度过强,则用水稀释混合物
  • 在抛光结束前约 30 秒,将水倒在抛光布上,对样品和抛光布进行冲洗
  • 最后,再次用清水冲洗样品,然后干燥


图 11 经过机械抛光的 α-β 黄铜铸件
图 11:α-β 黄铜铸件,经过机械抛光,经过蚀刻,200x

图 12 电解
图 12: 与图 11 相同的试样,经过电解抛光,经过蚀刻,200x。 夹杂的铅被带出,因此显得更大且更多

铜合金

铜

 

 

电解抛光

电解抛光适合用于纯铜和 α 黄铜锻造合金。 两相的 α-β 黄铜也可以进行电解抛光,但结果不适合进行定量分析,尤其是当合金中含有铅时。 铸造合金由于不同的相,不适合进行电解抛光。

电解抛光前,必须用不超过 2400# 或 4000# 的碳化硅箔/砂纸进行精磨。

此处我们的应用说明中了解铜电解抛光的参数

铜和铜合金的蚀刻

有多种适合用于铜和铜合金的蚀刻剂,使用起来相对容易。 大多数铸造合金的蚀刻都不难。 但是,要为一些锻造合金找到适当的蚀刻溶液可能很难,尤其是如果它们已经经过深度冷加工。 这些情况下,彩色蚀刻可能会比较有用。

值得注意的是,铅被蚀刻剂侵蚀后,只会留下黑色的空洞。 因此,在蚀刻之前,必须用显微镜照片记录铅的数量和分布。 纯铅的颜色是灰蓝色的。

图 13 未经过蚀刻的青铜铸件
图 13: 青铜铸件 (CuSn8Pb),未经过蚀刻,呈现或大或小的蓝灰色铅夹杂物,可辨认淡蓝色的 α-δ 共晶,500x

图 14 相同的试样
图 14: 与图 13 中相同的试样,根据 Klemm 方法进行了彩色蚀刻。 可见浅蓝色共晶和蓝色铅夹杂物的枝晶结构,但小的铅夹杂物无法清晰区分,500x

图 15 经过铁蚀刻的青铜铸件
图 15: 青铜铸件 (CuSn10),经过氯化铁 (III) 蚀刻,α-δ 共晶枝晶结构,200x

应用 蚀刻剂
铜、黄铜和青铜的晶粒区域蚀刻 100 ml 水。 10 g 过二硫酸铵。 使用时现配!
所有类型的铜 100-120 ml 水或乙醇。 20-50 ml 盐酸。 5-10 g 氯化铁 (III)。(浓度可变)

晶界
晶粒区域
25 ml 蒸馏水。 25 ml 氨水。 5-25 ml 过氧化氢,3%
较少过氧化氢
较多过氧化氢
α-β 黄铜 120 ml 水。 10 g 氯化铜 (II) 铵。 加入氨水,直至沉淀溶解
对纯铜进行快速、良好的抛光 100 ml 水。 100 ml 乙醇。 19 g 硝酸铁 (III)
根据 Klemm 方法进行彩色蚀刻 100 ml 冷饱和硫代硫酸钠。 40 g 偏亚硫酸氢钾

总结

铜因其良好的可成形性、出色的导电性、导热性和耐腐蚀性,在包括电气工程以及食品和饮料行业的各种行业和应用中广泛使用。

铜和铜合金的金相用于质量控制,主要用于检查纯度和确定晶粒尺寸。 此外,还要对铸造合金进行检查,以进行一般结构评估。 由于铜柔软且延展性好,它特别容易出现机械变形。 因此,在第一步机械研磨中,必须使用尽可能细的磨料。

为了通过机械研磨成功制备铜和铜合金样品,建议:
  • 避免在研磨过程中使用粗磨料
  • 应在较软至中软的布上进行金刚石抛光
  • 为确保无划痕的表面,有必要进行最终的化学-机械抛光

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所有图片均由丹麦应用专家 Marcello Manca 提供

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