Структура и свойства Меди

Среди технических металлов Медь по своему значению и распространению занимает особое место. Чистая медь обладает высокой теплопроводностью и электропроводимостью и достаточно высокой коррозионной стойкостью.

Ниже приведены физические константы меди:

Атомный вес	63,54
Кристаллическая решетка	Г.ц.к.
Периоды решетки, А	3,6080
Плотность, г/см^3	8,94
Атомный объем, см^3/г-атом	7,21
Температура плавления, °С
Температура кипения, °С
Удельная теплоемкость при 20°С, кал/см сек град	0,0915
Теплопроводность при 20°С, кал/см сек град	0,984
Удельный вес меди	8,93 г/cм3
Удельная теплота плавления меди	42 кал/г
Коэффициент линейного расширения меди (при температуре около 20oC)	16,7 *106(1/град)
Удельное сопротивление меди при 20oC	0,0167 Ом*мм2/м

Весьма ценным качеством меди является также ее высокая пластичность в горячем и холодном состояниях. Это позволяет изготавливать из меди различные деформируемые полуфабрикаты- листы, ленты, полосы, прутки, трубы, проволоку и др. широко применяемые в различных областях техники.

Промышленные марки меди и области их применения указаны в Табл.1.

Табл.1. Химический состав меди промышленных марок по ГОСТ 859-51.[1]

Как видно из этой таблицы, указанные марки отличаются друг от руга различным содержанием примесей.

Содержание в меди газовых и легкоплавких примесей может быть значительно снижено электронно-лучевой плавкой.

Эффективность очистки меди при электронно-лучевой плавке показана в Табл. 2.

Табл.2. Изменение содержания примесей в меди при электронно-лучевой плавке.[1]

Медь, полученная электронно-лучевой плавкой, характеризуется более высокой электропроводностью и теплопроводностью. И обеспечивает большую стабильность и долговечность в работе изделий электровакуумной и радиотехнической промышленности. Поэтому потребность в такой меди возрастает с каждым годом.

Прочность и твердость меди можно значительно повысить путем холодной деформации. Однако при этом снижается пластичность и электропроводность меди.

Свойства наклепанной меди можно восстановить путем отжига (рекристаллизации).

Механические свойства меди, так же как и других металлов, существенно изменяются с повышением температуры. Причем для меди имеется характерный провал пластичности в интервале температур 200-800°С, причина которого пока не выяснена.

Чистая медь устойчива против атмосферной коррозии в следствии образования на поверхности тонкой защитной пленки. Пресная вода и конденсат пара практически не действуют на медь. Незначительна также скорость коррозии меди в морской воде. Медь плохо сопротивляется действию аммиака, хлористого аммония, щелочных цианистых соединений, окислительных минеральных кислот, сернистого газа и др.

Взаимодействие меди с кислородом отмечается уже при комнатной температуре. При температурах до 100°С на поверхности меди образуется пленка окиси меди черного цвета. При более высоких температурах скорость окисления меди значительно возрастает и на поверхности образуется пленка закиси меди красного цвета.

При деформировании меди наблюдается раздробление и удлинение отдельных зерен и создается определенная их ориентация. При больших степенях деформации материал приобретает волокнистую структуру. При нагреве (отжиге) деформированной меди происходит рекристаллизация, в результате чего создается качественно новая структура.

Размер зерна рекристаллизованной меди оказывает заметное влияние на е механические свойства. Чрезмерное повышение температуры отжига приводит к сильному росту зерна и резкому падению прочности меди. Это явление в практике называется перегревом. При температурах отжига, близких к температуре начала оплавления, кроме того, возможно окисление границ зерен и частичное их оплавление (пережог). Перегрев можно исправить повторной деформацией с последующим отжигом при более низких температурах. Пережог является непоправимым браком.

Чистота меди оказывает большое влияние как на ее свойства, так и на поведение при последующей обработке. Многие примеси даже в ничтожных количествах (тысячные и сотые доли процента) резко снижают электропроводность и теплопроводность меди, а также ухудшают способность меди к обработке давлением.

В зависимости от характера взаимодействия с медью все примеси можно условно разделить на три группы:

1) К первой группе относятся элементы, растворимые в твердой меди (Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Au, Ag, Al, pt, Cd, Sb).

2) Вторую группу составляют элементы, практически нерастворимые в меди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Pb, Bi, и др.)

3) К третьей группе относятся элементы, образующие с медью хрупкие химические соединения (S, O₂, P и др.)

Рис.1 Влияние добавок на твердость меди.[1]

Растворимые элементы при малых концентрациях не могут быть обнаружены под микроскопом, так как они входят в твердый раствор. Эти примеси в допустимых пределах практически не уменьшают способности меди к пластической деформации. В большинстве случае добавки этих элементов повышают ее твердость и прочность, снижают электропроводность и теплопроводность.

Нерастворимые примеси – свинец и висмут – образуют с медью эвтектики, состоящие почти из чистых металлов (содержание висмута в эвтектике 99,8 %, а свинца 99,94 %). Вследствие почти полной нерастворимости свинца и висмута в твердой меди эти эвтектики появляются в сплавах при любом их содержании и, кристаллизуясь последними, залегают по границам зерен меди.

Рис.2 Влияние добавок на электропроводность меди.[1]

Висмут (точнее богатая висмутом эвтектика) образует тончайшие прослойки между зернами меди, причем толщина таких прослоек, по некоторым данным, по некоторым данным может достигать нескольких атомных слоев. Поэтому обычно бывает достаточно уже тысячных долей процента висмута, чтобы подобные прослойки образовались на значительной части межзеренной поверхности.

Свинец при малых его содержаниях, так же, как и висмут, образует по границам зерен меди тонкие легкоплавкие прослойки, которые хорошо видны на нетравленом шлифе в виде темной сетки. При больших содержаниях последний обнаруживается в виде темных точек по границам зерен меди.

При микроскопическом анализе литой меди на свинец необходимо иметь в виду, что, подобно свинцу, могут выглядеть имеющиеся в отливках поры и мелкие раковины, которые тоже располагаются преимущественно по границам зерен. Микропоры легко отличить от включений свинца следующим простым приемом: поворотом микрометрического винта микроскопа микрошлиф слегка выводят из фокуса и снова наводят на фокус, при этом края микропор в отличие от включений свинца то сходятся, то расходятся.

Примеси третьей группы – сера и кислород – образуют с медью химические соединения Cu₂S и Cu₂O, которые также располагаются по границам зерен меди в виде эвтектик Cu-Cu₂O и a(Cu)-Cu₂O.

Ввиду того, что эвтектические точки на диаграммах состояния Cu-Cu₂O и Cu-Cu₂S сильно сдвинуты в сторону чистой меди, то основой эвтектик в этом случае является медь, в которой вкраплены включения сульфида или закиси меди. При малом содержании кислорода эвтектика образует тонкую оторочку вокруг зерен меди, намечая их контуры даже без травления. По мере увеличения содержания кислорода количество эвтектики увеличивается и при содержании 0,39 % O₂ сплав имеет чисто эвтектическое строение.

Эвтектика a(Cu)-Cu₂O имеет точечное строение, где отдельные темные точки являются частичками закиси меди (Cu₂O); основу эвтектики (светлое поле) составляет медь (точнее твердый раствор кислорода в меди). Растворимость кислорода в меди при эвтектической температуре (1065°С) составляет 0,0035 %, при 600°С 0,0007 %. При переходе за эвтектическую точку (0,39 % O₂) выпадают первичные кристаллы закиси меди, имеющие форму дендритов. Под микроскопом закись меди на нетравленом шлифе выявляется в форме темно-голубых включений. В поляризованном свете частички закиси меди принимают рубиново-красную окраску, что является характерным ее признаком, так как другие включения – сульфиды, фосфиды – в этих условиях не дают цветной реакции.

При травлении смесью 3 % -ого FeCl₃ в 10 %-ной HCl закись меди принимает темную окраску в отличие от включений сульфидов, фосфидов, которые не меняют свое окраски.

По количеству эвтектики в доэвтектическом сплаве можно определить приблизительно содержание кислорода в меди

[1]

где F_эвт -площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эвтектикой, %

0,39 – содержание кислорода в эвтектике.

При деформации нарушается литая структура металла и частицы закиси меди располагаются по границам сильно вытянутых зерен меди., образуя так называемую строчечную структуру. При отжиге происходит перестройка структуры основного металла и частиц закиси меди, несколько укрупняясь за счет их слияния, располагаются в виде цепочек внутри рекристаллизационных зерен.

Структура меди с примесями серы во многом подобна сплавам меди с кислородом, что объясняется одинаковым характером взаимодействия этих примесей с медью. Однако в сплавах меди с серой в сильной степени сказывается явление коалесценции, в результате чего вместо раздробленных выделений сульфидов наблюдается образование крупных скоплений в форме капель и эвтектика часто не имеет характерного точечного строения. Рис.3.

Рис.3 Микроструктура литой меди с примесью серы. ´250. По границам зерен меди (светлые) располагаются включения сульфида меди (Cu₂S) (темные).

Сульфид меди на нетравленом шве по своей окраске ничем не отличается от закиси меди и только применение идикаторного травителя (смеси 3%ого FeCl₃ в 10%-ой HCl) и поляризованного света позволяет эти соединения друг от друга.

Примеси, образующие с медью легкоплавкие эвтектики и хрупкие химические соединения, ухудшают ее механические свойства и сильно снижают способность к пластической деформации. При небольших содержаниях кислород и сера не оказывают заметного отрицательного влияния на горячую обработку меди.

Кислород является причиной так называемой «водородной болезни» меди. Сущность этого явления заключается в том, что при нагреве кислородосодержащей меди в восстановительной атмосфере (в среде, содержащей H₂, CO, CH₄ и т.п. газы) водород и другие газы, проникая в твердую медь, взаимодействуют с содержащимся в ней кислородом и образуют водяные пары (или CO₂), нерастворимые в меди и стремящиеся выделиться из нее под некоторым давлением. В результате этого в местах их выхода образуются микротрещины, которые служат причиной разрушения металла при последующей обработке давлением или в процессе работы деталей, изготовленных из такой меди. По этой причине в отношении содержания кислорода в стандартах на медь и медные изделия даются весьма жесткие нормы.

Для раскисления меди обычно применяют небольшие добавки фосфора. Весьма эффективным раскислителем меди является также литий.

Влияние серы и кислорода на механические свойства меди показано на Рис.4.

Рис.4 Влияние серы и кислорода на механические свойства меди.[1]

Наиболее вредными примесями в меди и ее сплавах являются висмут и свинец. Эти примеси уже при ничтожных содержаниях (тысячные и сотые доли процента) резко снижают пластичность меди при повышенных температурах. Висмут вследствие его хрупкости способствует также понижению пластичности и в холодном состоянии. Влияние свинца на механические свойства меди показано на Рис.5.

Рис. 5 Влияние свинца на механические свойства меди.[1]

Вредной примесью считают также сурьму, отождествляя ее действие с поведением висмута и меди. Однако это не вполне обосновано. Сурьма, согласно последним данным, до 2% входит в твердый раствор с медью (см. Рис.6) и поэтому не должна ухудшать ни горячей, ни холодной обработки меди. В сплавах на основе меди, где растворимость сурьмы уменьшается в десятки раз, влияние на ее свойства сказывается весьма существенно.

Рис. 6 Диаграмма состояния Cu-Sb [1]

1 – Марц и Матьюсон (1931г.);

2 – Шибота;

3 – по данным автора (1938 г.)

Вредное влияние легкоплавких примесей можно устранить путем введения специальных присадок, связывающих эти примеси в тугоплавкие химические соединения. Наиболее эффективными являются такие добавки, которые образуют с примесью химические соединения, кристаллизующиеся при температуре либо выше, чем сама медь, либо, по крайней мере, при температуре выше горячей обработки сплава. Легкоплавкие соединения могут способствовать горячеломкости. Зная формулы этих соединений, при известном содержании примеси можно приблизительно подсчитать необходимое количество нейтрализующей присадки.

Однако при выборе присадок нельзя не учитывать и той среды, в которой происходит образование соответствующих соединений. Во многих случаях вводимые добавки могут химически взаимодействовать с другими компонентами сплава или образовывать с ними твердые растворы. При образовании химических соединений или твердых растворов действие таких добавок на примеси частично или полностью парализовываться.

Для связывания свинца и висмута наиболее эффективными присадками оказались:

Для висмута- литий, кальций, церий, цирконий, магний;

Для свинца- кальций, церий и цирконий.

При введении указанных добавок образующиеся тугоплавкие соединения (см. Табл. 3) кристаллизуются не в виде легкоплавких интеркристаллических прослоек, а в форме компактных изолированных тугоплавких соединений.

Табл. 3 Химические соединения свинца и висмута и температуры их плавления.[1]

При этом происходит заметное очищение границ зерен от примесей и значительная часть включений располагается внутри зерен меди.

В результате такого изменения (модифицирования) структуры достигаются существенные улучшения механических свойств, особенно при высоких температурах. Одновременно с этим устраняются горячеломкость и хладноломкость сплавов, типичные для меди, содержащей легкоплавкие и хрупкие примеси.

Указанные методы обезвреживания свинца и висмута в меди позволяют расширить возможности использования низкосортных и вторичных металлов для производства медных сплавов.

Как уже отмечалось, чистая медь имеет невысокую прочность и поэтому ограниченно применяется как конструкционный материал.

Для повышения прочности и придания меди особых свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и т.д.) ее легируют различными добавками.

Сплавы на основе меди обладают высокими механическими и другими ценными свойствами и нашли широкое применение в технике.

Дата добавления: 2015-05-06