铜和铜合金的金相制备

铜和铜合金的金相制备

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，暗场，500x
   
   图 2： 不含氧的铜，使用过二硫酸铵蚀刻，100x
   
   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：α 黄铜，彩色蚀刻，200x
  图 5：α-β 黄铜铸件 (CuZn40Pb2)，含有灰蓝色的铅，未经过蚀刻，500x
  
  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： 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：青铜铸件 (CuSn10)，经过氯化铁 (III) 蚀刻，α-δ 共晶枝晶结构，200x

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，使用OP-S进行最终抛光，DIC，200x
  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
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• 查看我们的切割设备 和耗材系列
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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#或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

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：α-β 黄铜铸件，经过机械抛光，经过蚀刻，200x
  
  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

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。
在此处我们的应用说明中了解铜电解抛光的参数

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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： 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： 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： 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