原创 第四章 金属

第四章 金属

1、金属和合金的选择：
a.金属因其具有各种各样的物理和力学性能而在电子和电气工业中得到广泛的运用，电子设备对材料要求是多方面的，因此在选择金属时要进行多方面的权衡；
b.选材判据：选材要从与力学和物理性能有关的功能要求方面来考虑，可制造性和经济性也总是要考虑的因素；
c.成分：化学成分是金属最常给出的技术指标。它决定了金属基本的力学性能和物理特性，制造方法和热处理将影响这些性质，但是化学成分决定了最基本的特性；
d.产品形式：铸造形式和锻造形式：
■铸造金属：通过把熔融的金属浇入所需要形状的模内而制成；半固态金属加工技术和金属注射成形（MIM）技术是一些新的特殊铸造工艺；
■可锻金属：挤压、拉拔、锻造、轧制
e.强化机理：加工硬化、沉淀硬化、相变硬化；
f.力学性能：交变载荷（疲劳）、持续载荷、温度影响；
g.物理性能：冷加工、热处理、温度
h.制造考虑：可成形性、可机械加工性、连接、可焊接性、硬钎焊、软钎焊；

2、金属及其数据比较：
屈服强度、弹性模量（杨氏模量）、比刚度（弹性模量除以密度）、比强度（强度除以密度）、热导率（银铜金铝）、电阻率、吸热能力

3、铁基合金：铁元素的含量大于或等于50%的合金被称为铁基合金，当然特殊的铁基合金铁含量也可能低于50%，以机械用钢为例可分为：碳素钢、合金钢、高强度低合金钢、超高强度钢、轧制热处理钢、特殊用钢；
a.常用铁基合金：
■碳素钢和合金钢：采用美国钢铁协会（AISI）和汽车工程师协会（SAE）建立的钢号系统；
■不锈钢和特殊钢：不锈钢是含至少11%左右的Cr的铁基合金(马氏体、奥氏体和沉淀硬化)；
■磁钢：高磁导率合金、永磁合金、不锈钢、温度补偿合金；
b.铁基合金的磁学性能：
■镍铁合金：这种合金包含30-80%的镍，其他的成分为Fe；
■80Ni，4Mo，余Fe合金：这种合金被认为具有最高的初始磁导率，经常使用的是它对非常低的磁化力的响应，商品名是4-79Permalloy、HyMu 802、Hipernom；
■77Ni，1.5Cr，5Cu，余Fe合金：具有高的初始磁导率，常被称作Mumetal；
■49Ni，余Fe合金：有可能生产出有相当高的起始磁导率和较高磁饱和的产品；
■硅铁合金（硅钢片）：价格低且可用于电能相当大的系统；
■钴铁合金：在AC和DC应用中具有高的磁饱和及相对低的矫顽力；
■商用铁和商用纯铁；
■永磁合金：常用磁学参数（矫顽力Hc、退磁曲线、磁能积BHmax、剩余磁感应强度Br、禀性曲线B-H），铁氧体永磁（陶瓷永磁）M.6Fe2O3；
■不锈钢：铁素体不锈钢（400系列）和奥氏体不锈钢（300系列），其中前者还可分为马氏体不锈钢（可硬化）和铁素体不锈钢（不可硬化）
■温度补偿合金：当铁镍合金中镍的含量增加到29%以上，居里温度就会升高，商用合金中如果镍含量在29-39%之间，就被作为温度补偿和合金使用；
c.铁基合金的热膨胀性能：当温度身高到25℃已上时，所有的金属都会膨胀，当温度降低时会收缩，膨胀和收缩的速率取决于化学成分和物理状态；
■镍铁合金和相关合金：含有36Ni、余量Fe的合金（Invar合金）是所有金属（合金）中膨胀系数最小的；
■不锈钢（铁素体和奥氏体）：铁素体不锈钢的热膨胀性能参数都比不大于49%镍的镍铁合金系更大，奥氏体不锈钢具有非常高的膨胀系数；
■玻璃-金属封接合金：铬铁合金（430、430Ti、446型）、铁镍合金、（42Ni、6Cr、余Fe合金）、（28Ni、17Co、余Fe合金）、中低碳钢；
d.铁基合金的加工性能：深拉、焊接、光化学加工、陶瓷-金属封接合金、弹性合金的不变模量；
e.铁基合金的电阻性能：电阻率随温度升高而增大，不推荐用作精密电阻；

4、铝和铝合金：铝和铝合金具有的性能使得它们广泛用于电子行业，良好的物理性能、高的比强度、优异的耐腐蚀性和低的密度，再加上低的材料价格和制造成本，使得这个合金系成为电子组件中基本的机构材料；
a.铝的一些优异性能：电学性能、热导率、 密度、比强度、腐蚀性、可获得性、加工方式灵活、连接方便
b.铝合金系：由Aluminum Association（美国铝业协会）制定的根据成分用四位数字表示；
c.铝合金处理状态符号：-H表示冷加工状态，用于不可热处理的合金；符号-T用于主要是通过热处理强化的可热处理的合金，也包括冷加工并进行热处理的状态；
d.变形铝合金的力学性能：除了退火（-O状态）的抗拉强度值要低于一个规定的最大值外，变形铝合金的抗张强度值要在一个规定的最小值以上；
e.温度对铝合金力学性能的影响：高温对铝合金的力学性能有不良的影响；
f.铝及铝合金的物理性能；
g.铸造铝合金：铝合金可以采用所有的铸造方法，包括砂模铸造、压铸、熔模铸造、金属型铸造和石膏型铸造；
h.推荐的铸造铝合金：
■通用铝合金：合金356和A356；
■可钎焊的铝合金： A612和C612；
■低热膨胀铝合金：高Si含量（18-20%）的合金；
■高强度铝合金：合金A220，抗张强度超过40000psi（276MPa）；

5、铍和铍合金：被称作AlBeMet的铍铝复合材料，可以再某种程度上克服连接、成形和韧性差的问题，同时保留了很多希望的铍金属的性能，但价格相对昂贵很多；
a.可用性：一个是纯铍及不同含量的铍氧化物，另一个是AlBeMet合金，已经商用的有 AMS7911、ASE-AMS 7912、SAE-AMS 7913-97；
b.化学成分：最主要的铍铝合金成分是62%的铍、38%的铝；
c.物理性能：铍的泊松比极小；
d.耐蚀性和表面精饰；
e.铍与铍铝合金的保护性涂层；
f.铍合金的加工：毒性、机加工、成形、连接、价格因素；

6、铜和铜合金：
a.铜和铜合金的主要特征：
■在体积相同的情况下，除了银之外，铜具有最高的导电率，在给定导电率下铜体积最小；
■铜的成形性非常好，具有很好的制造经济效果；
■铜具有良好的可焊性，还需要一个可焊的表面层；
■如涂覆热浸涂层一样，可以很容易很可靠地借助电镀对铜进行表面晶饰；
■铜的耐蚀性很好，表面精饰处理简单而经济；
■铜可以制成各种大小和形状的产品，如极细的线材、薄带、铸件、板材等等等；
■铜适用于很多工厂 成形加工工艺，这使得他能够进行所有的切削加工；
■铜与铜合金的成本相对较低；
■铜的热导率很高，这提供了一种把热从元件传递到热沉的好方法；
上述特性普遍适用于铜和铜合金，值得注意的是合金化会极大地影响这些特性。
b.高电导率合金（UNS C10XXX和C11XXX）；
c.含银铜（UNS C125000~C13000）、锆-铜（UNS C15000）、碲-铜（UNS C145XX）、含硫铜（UNS C14700）；
d.黄铜：是铜与锌的合金，青铜是铜与锡的合金
e.铅黄铜：铅的含量范围在0.5%~4.5%之间，含量最高的机加工性最好；
f.磷青铜：含有1%~11%锡、0.04%~0.35%磷的青铜在电子产品中广泛用作弹簧；
g.铍铜（UNS C172XX）：是一种沉淀强化合金，在成形上具有工艺优势；

7、镁合金：是目前可用结构金属中密度最小的，常用镁合金的密度约为1.80，最新可达1.38；
a.可得的形式：可以得到所有形式的镁合金，包括片材、板材、棒材、锻材、挤压型材等；
b.合金命名：A铝  L锂  E稀土  M锰  H钍  Z锌  K锆，AZ31表示含铝3%含锌1%；
c.合金可得性：最常用的镁合金材是AZ31，另有挤压合金和变形镁合金；
d.镁合金铸件：使用专为铸造设计的合金浇注出来的；
e.镁合金的加工：成形、连接（铆接、熔焊、应力消除、硬钎焊）；

8、镍和镍合金：镍合金是以高强度、高耐蚀性和高韧性为特征的；
a.可得的形式：可得到大多数变形形式的镍与镍合金；
b.物理性能：通过合金化可使镍合金具有不同的磁性和电性能，备受电子工程师青睐；
c.镍合金的力学性能：镍合金可以以不同的状态（冷拉、退火等）供货，不同状态使镍合金的性能变化很大；

9、钛和钛合金：钛合金系的最大特点就是极好的耐蚀性，适中的密度和良好的强度，特别是在需要高比强度的场合；
a.钛合金：大量的合金元素用来增强钛的性能，包括铝、钒、铁、锰、锡、铬、钼等，有三种冶金形态的钛合金，及α型、α+β型和β型钛合金；
b.钛合金的耐蚀性：钛合金具有很好的耐室温大气腐蚀和海水腐蚀的能力；
c.污染：钛与钛合金容易吸收氢、氧和氮，会导致延展性下降；
d.可得的形式：几乎所有形式的变形钛合金都可以得到；
e.钛的加工：传统工艺均可、但有时也需要一些专门的预防措施和改进技术；
f.成形：与很多高强度材料一样，具有很好的成形性；
g.焊接：可焊钛合金可以进行钨极惰性气体保护电弧焊；

10、高密度材料：虽然电子工程师对生产轻质量装备更感兴趣，但是仍然有很多的场合需要高密度材料，使质量集中在一个很小的体积内。
a.铅和铅合金：铅的密度为11.35，而且成本较低，且熔点低，是配重的首选材料；
b.烧结的钨：供货的烧结的钨材料密度在17，通常以棒材形式供货；
c.贫化铀：已供货的材料密度为18.5，具有良好结构特性，但耐蚀性比较差；

11、难熔金属：具有很高熔点，能在高温下使用，主要为钨、钽、钼、铌的合金；
a. 力学性能：这些合金的最主要力学性能是在高达1000℃的高温下所具有的使用强度；
b.弹性模量：难熔金属的弹性模量差别较大；
c.密度：高密度的钨和钽用于配重或屏蔽辐射，钼和铌的密度比钢的密度稍大，钽和铌的热膨胀速率比钢相对要低；
d.电学性能：这些金属特别是钨和钼的电学性能使他们作为电导体来使用，这些合金也可用作加热元件；

12、贵金属：贵金属相当普遍地用在电子设备商，主要是由于它们的物理性能和表面性能，而不是他们的机械性能；贵金属包括以下八种：铂Pt  钯Pa  铑Rh  钌Ru  铱Os  锇Ir  金Au  银Ag；
a.银：是所有金属中电导率和热导率最高的金属，常常用作电导体或作为电接触材料；
b.金：被广泛用于电镀层来防止腐蚀，并提供较低电阻的电接触表面；
c.铑：具有很高的反射率、低的表面电阻、高的硬度以及在腐蚀性条件下良好的表面稳定性。