铜、铝、钛、锆的性质

磨界之神

铜、铝、钛、锆的性质 铜具有很高的塑性，良好的导电和导热性能，常用于导电材料。常用的铜类材料有紫铜(纯铜)及铜合金。 1 R! X) X7 g& _ 黄铜具有较高的塑性，在机械加工和压力加工下可制成形状复杂的零件。但由于其含锌量高，在加热时会放气影响真空、污染设备，因此其使用温度一般不超过150oC，多用于低真空中。由于青铜的机械强度较大，因此多用不含有锡和锌的铝青铜或铍青铜制造真空设备中所用的弹性元件、波纹管、电触点和涡轮等。 ; {9 f- [. O6 v2 p( t 紫铜是真空技术中应用较多的材料，由于普通的紫铜放气困难，普通铜中溶解的氧气在低于铜的软化点温度下不能释放出来，所以在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜，如用作蒸气流泵的喷嘴、障板、冷阱、密封、电极等。无氧铜是紫铜的一种，表7列出了它的某些性质。 ; k2 {' f5 b- f o4 c n$ F3 N' K; M 表7 铜的性质 6 L. V, s4 Y! L" H 性 2 [) e! H* N O0 [质 温度(oC)或成形 数 值 . m6 C5 U9 A: E: V4 P单 - }/ q. s5 S, a4 u; M位 + _$ B, x3 u: ^/ q, k+ ] : D; _; J: f1 z原子序数 原子量 3 I* Z+ F0 _2 f) \: C. c5 p密度 1 Z3 x1 m. k C! G9 a, Q熔点 ; a8 F4 v w# b* w0 ^2 O# [比热 热导率 3 A8 Z3 ]$ v" k2 i8 ?5 A: U Y3 E3 R线热膨胀系数 布氏(Brinell)硬度 抗拉强度 杨氏模量 1 f/ Y9 C, i9 {3 R- e" t# G刚度 电阻率 - t( k* L' Y7 l9 }. Y R5 }3 |/ ] x/ l电阻率的温度系数 3 X: s; E/ r* ^6 V v电子逸出功 : c3 ?+ G5 i2 P J退火温度 ' F: f, L2 H6 u" f7 Q6 Z+ H/ DH2的溶解度 20 20 1 M8 i+ u, u3 P- _1 O$ Q- G" Q4 F- G100 700 7 r6 X9 X6 e: ~, B3 x" t0~100 铸造 3 X) P. l4 r7 t$ ~ r退火 铸造 0 C% d/ b# d6 [7 W: S$ k$ I: a退火 ; I. o0 U7 `8 T/ v0 _$ y+ E退火 % B+ u" Q9 ]$ T! B( v4 b* B. e退火 + C7 w& k2 j' \' m$ W20 20 $ ?, O2 r2 {8 l2 x9 g 6 u7 Z. [, T! X% c1 S" S$ V450 100 29 8 u% G" Z6 w" y63.54 8.3~8.96 1083±0.1 ) H2 i: s) C4 C2 Y7 O* s0.092 $ m# Q N# \/ j4 J0.941 8 c; P- {+ P) @8 i. p4 z2 q0.90 # O& ]( w2 j, k- _( ~0.84 " `/ j3 I3 d2 E( ~, i: @165×10-7 36 45~50 - D$ U/ O# e* L' _. L0 j16~20 8 ]; o6 l- J8 c; O20~25 11700~12600 5 l' `( @8 T1 o; x& I# @3900~4800 , ~* T& {+ L1 b* S0 C! m- u0.017~0.017 3 G/ K( r3 @& R7 W1 M; s6.8×10-3 4.46 450~600 6×10-2 2.5 ! w H7 E& F7 a9 {g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 ; {( r/ \9 x f2 Bcal·m-1·s-1·oC-1 . s6 S5 S# Y i6 k/ j oC-1 & k* h. g6 s6 j3 G. ?kg·mm-2 % B$ B* w( ^5 V% v2 Rkg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 Ω·mm-2m-1 3 m, S3 g3 ?; \: yoC-1 eV ' u+ c% A$ _8 {, Y6 ^oC cm3(NTP)/100g 1 F- K5 b$ o! |/ M , n0 F( g6 G) b# N: V 无氧铜纯度高(Cu含量≥99.98％)，含氧量极低，又不含有氧化亚铜，在受热时不产生脆裂，故适合于在超高真空中应用。无氧铜具有良好的延展性和非多孔性，且电导率和热导率极高，故又称无氧高导铜。由于无氧铜具有良好的真空气密性，对气体的溶解度低，在室温下不渗透氢和氦，而且对氧气和水蒸气的敏感性差、塑性又好，因此被广泛地用作金属超高真空系统中的可拆卸密封的密封垫片。通常，Cu的使用温度不应过高，在200oC以上时Cu的抗拉强度陡降；当温度超过500oC时，Cu的蒸气压比Ni的蒸气压大约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀，并在200oC以上时产生锈斑。它也会被含氧的酸腐蚀。另外，汞和汞蒸气对Cu也有很强的作用，因此铜一般不应用在用水银作为工作介质的场合。 由于紫铜很软，所以不容易加工出高精度公差。一般铜很难用普通电弧焊或电阻焊接方法进行焊接，但可以进行锡焊和钎焊(例如用Ag-Cu共熔合金、Au-Cu合金、Au-Ni共熔合金以及其它合金焊料)。 铝是一种重量轻、延展性相当好的金属。由于铝易于压制成形，且其导电导热性能好(稍次于铜)，又是非磁性材料，故常用作真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的叶片及耐腐蚀镀层等。表8给出了铝的某些性质。 表8 铝的性质 4 _9 T" p. [+ z1 ]7 X0 H2 |性 质温度(oC)或成形数 值单 位 5 b( U. R0 a; m & V+ k- A3 a1 M' H8 q7 B' S1 c) T原子序数 原子量 . G8 l4 m& e* }' _) V, K密度 熔点 " v3 h' T6 V1 c4 t8 @比热 . G+ d% }' W6 }" v$ w* h8 b: G1 T热导率 线热膨胀系数 / ?/ a8 M1 G" _$ e布氏(Brinell)硬度 抗拉强度 a/ J. @3 E& J! ^5 a# ^ ^7 J杨氏模量 刚度 9 D" A0 n4 m5 e' t9 j3 P电阻率 ' @ B+ v N" d+ Z电阻率的温度系数 电子逸出功 磁化率(顺磁) 退火温度 3 L7 D A5 o( sH2的溶解度 20 ) g' L5 H0 A% q' ^100 20 200 8 z* c8 t3 ?* q4 z7 W2 `20~100 + t5 M& y4 S2 C! i1 [6 p20~300 软化 7 P1 I" y" `3 C1 f7 _' o* H冷轧 5 L) ~: q3 w9 \9 {0 t软化 冷轧 20 2 Y9 B3 H1 p8 E l2 _; {300 20 / ^% i, M$ W' u' b5 k, `250 # n; x1 l$ y' K* d& I, N% b 1 o7 }7 E* k$ [9 j! Y% M2 M 58013 26.97 ( C( C' j1 d5 I; {+ J8 g/ u2 H2.70 646~657 ^5 P$ p2 T) t% _7 ^) K0.214 0.225 0.52 " ]4 f9 w9 {* ?( @' q, J8 n0.475 24.0×10-6 26.7×10-6 + [+ w" Q) Q, d2 i# A) s; V15~25 35~70 7~11 5800~7000 + s) U$ y! l. E7 L* l* l2760 2750 7 W5 b( ?' b7 ]1 _/ H6 U2.8 E) u* r8 l& L. Z: Q2 O6.0 4.08×10-3 4.25×10-3 1 o. e5 P- F; o) T# @4.08 0.65×10-6 200~450 0 p, R0 x3 J- f; O5 a7 S( Q. H( j3 @4 d; L2×10-2 1 I& z1 v) r R/ t; s. Vg·cm-3 $ S5 O6 w- Y) ?# L; goC cal·g-1·oC-1 2 ?% V, `2 |: J' g6 A! Y. d$ {/ x cal·m-1·s-1·oC-1 3 u% K( I6 f1 t- J oC-1 . O; H4 }: \/ V1 }0 ?5 lkg·mm-2 ( W. m6 ]" R+ V: U8 Gkg·mm-2 0 u& {8 B6 I3 W8 y- F: I: Zkg·mm-2 ; \- W* q* B3 H Vkg·mm-2 / d9 `' h! E1 A5 z) ?, BμΩ·cm . \' ?5 \) ?+ t) A oC-1 2 [7 {; O0 u8 C6 | eV % C) M `- a0 L7 ocgs oC cm3(NTP)/100g : e2 A8 r% C$ Z- Z ? . T! g# _% H/ V' o: ^8 r0 E 铝在空气中，甚至在潮湿的空气中几乎不受腐蚀，这是因为在它的表面上有一层薄的氧化铝保护膜。铝对HCl和HNO3都有良好的抗腐蚀能力，但是溶于HF、浓H2SO4、碱和CO2也能腐蚀铝。 : |9 K9 M5 b( e 由于纯铝本身很软，因而可用作密封垫片材料。铝是一种低熔点金属，它的机械强度在200oC左右时迅速下降，而且铝的蒸气压相对较高，因此只能用在300oC以下的烘烤真空系统中。但是铝在该温度范围内，对H2的溶解度很低。铝难于进行熔焊和钎焊，一般焊接铝要求特殊的条件(如真空钎焊)。 钛的强度高、重量轻、耐腐蚀，是真空工程中特别有用的金属。表9给出了Ti的物理性质。钛可以加工成形，而且没有磁性，因而是理想的结构材料，适合用做镀膜设备中的磁控溅射靶、溅射离子泵的阴极等。 9 B0 |4 N, L5 {& V! H+ o) L 表9 钛的性质 性 " J: @6 z! s4 d" F3 ~3 E质温度(oC)或成形数 ) ]$ T$ n& A) W5 t7 h6 g值单 位 原子序数 . s0 T }9 }. ?. b原子量 密度 熔点 比热 热导率 线热膨胀系数 布氏硬度 抗拉强度 7 C6 P Q$ e2 P9 G- U杨氏模量 电子逸出功 电阻率 ' y6 A# I9 V1 v; [% K" _9 v8 R3 G退火温度 : s8 g% z& l; R; h: g0~100 5 C9 \ ?5 p. p+ v! O, M8 x20 0 o. N5 x: y% @# u6 S8 U9 W 软化退火 # f9 h1 j5 y5 \冷轧 退火 7 d2 m# W" T# _; Z软化退火 ) o6 e; C. T( q. d4 c5 i 20 & X' h8 q2 Q8 B7 U, k8 p9 w1 h22 ~# E: \; }8 n8 @47.90 4.51~4.54 1725 0.127 Z" k9 \3 F9 R- c4 c55~61 * ]0 ]7 ?+ P0 g# j! ?9 K" [0 p0 }3 p8.5×10-6 ]0 W* W- l5 o! ]185 3 W9 d( G* S( \260 9 W7 R$ ]/ z+ j9 h o+ i2 r5 A52~73 11700 3.0 4 i: Y2 z) ^) ?% o3 o50 600~800 8 S6 r- K" o/ n ~g·cm-3 ( L7 A+ v3 n, \% c1 U3 [2 RoC cal·g-1·oC-1 cal·g-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 . u$ Q1 L% _; y5 \9 ^kg·mm-2 7 s; X% S# K0 veV / E/ }4 f+ c+ t2 m- LμΩ·cm ; w: f+ P! ~" u9 P" \+ E/ {oC 钛对活性气体(如O2、N2、CO、CO2以及650oC以上的水蒸气)的吸附性很强，蒸发在泵壁上的新鲜Ti膜形成一个高吸附能力的表面，这一性质使得Ti在超高真空抽气系统中作为吸气剂而得到广泛的应用，如用在钛升华泵、溅射离子泵等。 Ti也象Al、zr及不锈钢那样，表面上有氧化膜保护层，因而具有抗腐蚀性。但应避免在H2气氛中加热Ti，因为这样能迅速形成TiH。 # e7 ?# Q3 A, e& D& a2 f; o, H Ti可以用高速钢刀具进行机械加工。可以用多种焊接方法对Ti进行焊接，焊接一般应在保护性气体下进行，因为吸附的各种气体会使钛脆化、形成薄膜、翘曲和变形。 : ~6 `% B1 w; @0 f/ ^# H3 V2 Q' y 纯锆是一种特别活泼的金属，可以用来作吸气剂(如锆铝吸气泵)，它特别对氢气及氢的同位素氘、氚等有较强的吸附能力。表10给出了Zr的某些性质。 + n( G+ d% D) L 表10 锆的性质 8 u- D' `- w& D( h, t7 s) W性 ' @3 I+ [3 D" F0 V, w0 a& f质温度(oC)或成形数 值单 位 $ J) I0 Z4 L+ @& q 原子序数 原子量 R1 I/ A! U `" N* u- \0 f% r密度 9 q/ w, c+ o0 C! a, m熔点 p, ?1 I, u% O4 l& ?4 \) K4 f比热 2 A) ^1 T, {4 u- Y$ ]0 ]4 A1 x热导率 线热膨胀系数 布氏硬度 ( i$ x5 @6 ~" _3 u' }抗拉强度 8 o$ Q1 y9 R E9 K6 S! q杨氏模量 3 C8 Z5 ~& c8 {1 c+ F电阻率 & |) S/ `+ p3 N' E; @电阻率的温度系数 ( g3 ?4 Y* J' X) O电子逸出功 , y, I$ J; }6 u; k退火温度 0 C2 @9 h7 ~$ u3 @H2的溶解度 8 r& O" m+ R& a7 ?* h6 w& o20 + i" _* {( p4 \9 V x 25 125 3 B/ Y; v2 ^% W- }% l$ F8 p9 Q, F20~200 . J W( G9 {5 z4 M8 V, R20~400 " h- l% J! P( M, _, C6 \5 b退火 硬化 退火 & {( i N, u7 ~' P: r, M退火 20 0~100 30 min 37540 91.22 6.52 1857 & ~" }8 C m# C& h6 q- s0.07 0.035±5% # d# Q3 q0 d) u: _5.4×10-6 6.9×10-6 67 150 6 S$ \8 l( D- s2 m65 ! i$ |" Z' X- d7 a) {9 i4 G8000 40 0.0044 % S3 M- A% P: ^: ?( C4.1~4.2 % b5 p" N! u8 Q! A% F2 B' F1 |527 ( F2 ]9 p; S. j _( C" x2.4×10-2 g·cm-3 ) B/ [ O ?/ g' S* V6 t) koC cal·g-1·oC-1 cal·m-1·s-1·oC-1 {. v$ m: q( Y, JoC-1 kg·mm-2 " b. L# i& H1 U3 n8 C kg·mm-2 ( k O9 {5 N6 u! ]( `* ~: |kg·mm-2 μΩ·cm oC-1 eV ; u1 G' m- ~$ } n/ N, S& S) poC cm3(NTP)/100g