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，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。
- 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
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
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所有图片均由丹麦应用专家 Marcello Manca 提供
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