Влияние примесей на структуру и свойства меди

В стандартных марках меди присутствуют примеси различных элементов, по-разному влияющих на ее механические, физические и технологические свойства.

Примеси влияют на структуру и свойства меди, влияя на ее механические, электрические и термические характеристики.

1. Механические свойства: Примеси могут влиять на механические свойства меди, такие как прочность, твердость и пластичность. Например, добавление примесей, таких как цинк и никель, может улучшить прочность меди и сделать ее более жесткой, тогда как добавление олова или свинца может сделать ее более пластичной.
2. Электрические свойства: Примеси также влияют на электрические свойства меди, такие как проводимость и сопротивление. Добавление примесей, таких как фосфор, может повысить электрическую проводимость меди, делая ее более эффективной для использования в проводах и кабелях. Однако некоторые примеси, например, сера или кислород, могут ухудшить электрическую проводимость меди.
3. Термические свойства: Примеси также могут влиять на термические свойства меди, такие как теплопроводность и расширяемость. Например, добавление алюминия в медь может повысить ее теплопроводность, что делает ее полезной для использования в радиаторах и теплообменниках. Примеси могут также изменить коэффициент теплового расширения меди, что может быть полезным при проектировании и сборке различных механизмов и приборов.

Однако примеси могут также иметь негативное влияние на свойства меди, например, вызывать коррозию или снижение ее электрической проводимости. Поэтому необходимо тщательно контролировать количество и тип примесей при производстве меди, чтобы достичь требуемых свойств и качества.

По содержанию примесей к меди предъявляют жесткие требования как по отдельным элементам, так и по суммарному их коли­честву. Особенно высокие требования предъявляют к меди, которую используют в электронной технике. Высокие тре­бования по примесям предъявляют также к микролегированным медным сплавам с высокой электропроводностью, которые образуют особую группу так называемых проводниковых материалов.

Висмут — оказывает отрицательное влияние на механические и технологические свойства меди. В системе Cu-Bi образуется лег­коплавкая эвтектика, температура плавления которой (270°С) все­го на один градус ниже температуры плавления висмута. Раствори­мость висмута в твердой меди ничтожно мала и не превышает 0,001%, а состав эвтектики почти совпадает с чистым висмутом. Поэтому эвтектические прослойки практически из чистого висмута выделяются по границам зерен при ничтожно малых количест­вах висмута и вызывают охрупчивание меди. Содержание висмута даже в меди марки М3 ограничено 0,003%.

Кислород — является наиболее вредной примесью в меди. Он при­сутствует в виде оксида Cu₂О, который с медью образует эвтекти­ку Cu + Cu₂O. Растворимость кислорода в твердой меди мала; ее предельная концентрация при эвтектической температуре 1066°С составляет всего 0,008% и резко уменьшается с понижением тем­пературы. Поэтому при весьма малых концентрациях кисло­рода в структуре меди присутствует хрупкая закись меди. Соедине­ние Cu₂O оказывает отрицательное влияние на пластичность и коррозионную стойкость меди. Кроме того, наличие кислорода в металле затрудняет процессы лужения, пайки и сварки.

Марганец — при комнатной температуре имеет высокую раство­римость в меди, а высокотемпературная модификация марганца γ образует с медью непрерывный ряд твердых растворов. Марганец является вредной примесью в проводниковой меди, так как резко снижает электро- и теплопроводность.

Мышьяк — как примесь образует с медью твердые растворы и ма­ло влияет на механические и технологические свойства. Мышьяк в значительной мере нейтрализует вредное воздействие висмута, сурьмы и кислорода, однако, уменьшает электро- и теплопровод­ность меди.

Никель — образуя с медью непрерывный ряд твердых растворов, снижает, как и марганец, электро- и теплопроводность меди. Од­нако в отличие от марганца влияние никеля на эти характеристи­ки значительно слабее.

Олово — обладает высокой растворимостью в твердой меди. Пре­дельная растворимость олова при эвтектоидной температуре 586°С составляет 15,8%. Примесь олова в меди также находится в твер­дом растворе при комнатной nемпературе, что вызывает электро- и теплопроводности.

Свинец — как и висмут, практически нерастворим в твердой меди и образует с ней легкоплавкую эвтектику при 326°С. Эвтектика в системе Cu— Рb по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,96% Рb). Поэтому при небольших содержаниях свинца по гра­ницам зерен появляются эвтектические выделения. Свинеw не приводит к хладноломкости меди, так как он пластичен, но из-за низкой температуры плавления эвтектики вызывает горячеломкость. Вследствие ничтожно малой растворимости в меди свинец не оказывает заметного влияния на ее электро- и теплопровод­ность и заметно улучшает обрабатываемость резанием.

Селен — как и сера, образует с медью хрупкое соединение Cu₂Se. Растворимость селена в твердой меди ничтожно мала (ок. 0,001% при 500°С), поэтому при самых малых добавках селена образуется хруп­кая эвтектика Cu + Cu₂Se с температурой плавления 1063°С. Се­лен при концентрациях более 0.001% резко ухудшает пластичность меди при горячей и холодной деформации и ухудшает свариваемость.

Сера — образует с медью хрупкое соединение Cu₂S, которое прак­тически не растворяется в твердой меди. Наличие хрупкого соеди­нения, которое выделяется по границам зерен в составе эвтектики Cu-Cu₂S практически при любой концентрации серы, снижает пластичность меди и затрудняет горячую и холодную обработку давлением.

Сурьма — из-за значительно большей ее растворимости в меди оказывает значительно меньшее влияние на ее свойства. Предель­ная растворимость сурьмы в меди составляет 9,5% при температу­ре 645°С. С понижением температуры растворимость сурьмы в меди резко уменьшается, что вызывает хрупкость при прокатке и волочении из-за выделения на границах зерен избыточной фазы Cu₂Sb. Поэтому содержание сурьмы ограничивают 0,05%. Однако даже такое количество сурьмы влияет и на электропроводность меди, снижая ее на 9…11%.

Теллур — как и селен, образует с медью соединение Cu₂Те, кото­рое в твердой меди практически не растворяется. В системе Cu-Те при температуре 1051°С образуется эвтектика Cu- Cu₂Te. Хрупкая эвтектика появляется в структуре меди уже при самых малых концентрациях теллура. Теллур является вредной примесью, шк как он снижает пластичность меди при горячей и холодной об­работке давлением. Теллур незначительно снижает электропро­водность меди и улучшает ее обрабатываемость резанием.

Фосфор — один из основных раскислителей меди. Предельная растворимость фосфора в твердой меди при эвтектической темпе­ратуре 714°С составпяет 1,7%; с понижением температуры она уменьшается до величины ок. 0,5% при 280°С. Резкое сниже­ние электро- и теплопроводности меди при содержании малых до­бавок фосфора указывает на существование твердого раствора на основе меди при комнатной температуре.

Фосфор — повышает жидкотекучесть меди, улучшает механические свойства, способствует улучшению свариваемости. Однако ос­таточное содержание фосфора в меди после ее раскисления в ко­личестве не более 0,05% резко снижает ее электро- и теплопровод­ность. Например, содержание фосфора в пределах 0,013…0,05% снижает электропроводность на 20…30%. Поэтому в бескислородной меди (М00б, М0б, М1б) содержание фосфора ограничи­вается тысячными долями процента, что делает не­возможным использование его в качестве раскислителя.

Цинк — содержащийся как примесь в стандартных марках меди, оказывает незначительное влияние на электро- и теплопроводность, а также на механические свойства меди. Однако в изделиях из высокоэлектропроводной меди, работающих в условиях высокого вакуума, цинк вследствие высокой упругости пара является вредной примесью.