Сортамент и влияние примесей на свойства меди

Глава 18. Медь и сплавы на основе меди

Медь — мономорфный металл красного цвета, кристаллизующийся при температуре 1084,87 °С с образованием ГЦК решетки, период которой 0,36153 нм. По плотности при 20 °С и γ = 8,96 г/см³ медь относится к тяжелым цветным металлам. По величине элект­ропроводности (χ = 59 МСм/м) и теплопроводности (λ = 397 вт/(м · К)) медь находится после серебра на втором месте. У отожженной меди высокой чистоты σ_в = 220 МПа, 8 = =50 %, а ее модуль упругости выше, чем у поликристаллического титана, алюминия и магния: Е— 132 ГПа. Наклеп холодной деформацией позволяет повысить ее прочность до σ_в = 450 МПа при δ = 2—3 %, а электропроводность при этом снижается только на 1—3 %.

Медь обладает сравнительно хорошей коррозионной стойкостью, компактный ме­талл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и СО₂ на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната (CuCО₃ · СuОН₂). При нагревании меди на воздухе идет поверхностное окис­ление; ниже 375 °С образуется СuО, а выше 375 °С до плавления возникает двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится СuО, а во внутреннем — Сu₂O.

Три основных свойства меди определили ее значительную роль в технике: высокая электропроводность; пластичность; теплопроводность. Благодаря этим свойствам > 50 % добываемой меди применяют в электротехнической и электронной промыш­ленности для изготовления проводников тока. Все примеси понижают электропро­водность меди, поэтому для проводников используют металл высших сортов, содер­жащий не < 99,9 % Сu. Высокая теплопроводность и сопротивление коррозии позво­ляют производить из меди и специальных сплавов на ее основе (микролегированные теплопроводные сплавы и малолегированные сплавы, сочетающие теплопроводность и жаропрочность) ответственные детали для теплообменников, холодильников, ваку­умных аппаратов и т. п. Около 30—40 % Сu используют в виде различных сплавов, сре­ди которых латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы. Среди цветных металлов по объему потребления медь находится после алюминия на втором месте.

При производстве меди из руды полученную черновую медь подвергают огневому рафинированию и разливают в виде анодов, которые затем используют для электро­литического рафинирования, в результате которого получают листовые катоды. В со­ответствии с ГОСТ 859—2001 выпускают четыре марки катодной меди, используемой в качестве шихты при изготовлении медных полуфабрикатов и сплавов высокой эле­ктропроводности (табл. 18.1).

Таблица 18.1.Марки катодной меди

Марка	М00к	М0к	М1к	М2к
Сu + Ag, %, не менее	99,98	99,97	99,95	99,93
СодержаниеО, %	0,01	0,015	0,02	0,03

Остальные двенадцать марок меди по ГОСТ 859—2001 выпускают в виде слитков и полуфабрикатов (прокат, прутки, проволока и др.), которые различаются способами конечного переплава, видом раскислителей и их сочетанием (табл. 18.2). Для выплав­ки бескислородной и раскисленной меди используют катоды, т. е. первичную медь, а огневому рафинированию подвергают расплав, содержащий лом и отходы. Для рас­кисления меди высокой чистоты применяют углерод (плавка под слоем древесного угля). Для остальных сортов меди чаще всего используют фосфор, который вводят в виде лигатуры марки МФ9 (ГОСТ 4515-81) - сплава меди с 8,0-9,5 % Р околоэвтек­тического состава. После такого раскисления в меди остается фосфор (до 0,06 %), снижающий электропроводность. Наивысшей электропроводностью обладает бескислородная медь, полученная вакуумной плавкой.

Примесные элементы (Al, Fe, Ni, Mn, Zn, Ag, Cd), растворимые в твердой меди в тех количествах, в которых они могут присутствовать в технической меди, практиче­ски не влияют на ее механические свойства, а в больших количествах используются для ее легирования. Эти примеси влияют на электро- и теплопроводность меди, по­этому в проводниковых сортах меди их ограничивают тысячными долями процента.

Примеси, малорастворимые в твердой меди, снижают ее деформируемость. В этом отношении наиболее вредными являются примеси свинца, висмута и кислорода. Свинец и висмут незначительно растворимы в меди в твердом состоянии и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики, состоящие практически из чистого свин­ца (рис. 18.1) и висмута (рис. 18.2). При горячей прокатке меди (800—900 °С) эти эв­тектики находятся в жидком состоянии, и во время обжатий в них происходит межкристаллитное разрушение (горячеломкость). Для предотвращения горячеломкости при прокатке медь должна содержать не > 0,003 % Bi и 0,05 % РЬ. Свинец в отличие от висмута пластичен при низких температурах и не охрупчивает медь при холодной об­работке давлением. Кроме того, свинец заметно улучшает обрабатываемость резани­ем меди и ее сплавов, делая стружку сыпучей.

Сера, селен и теллур практически нерастворимы в меди и образуют эвтектики ме­ди с хрупкими соединениями Cu₂S, Cu₂Se, Cu₂Te, температуры плавления эвтектик 1067, 1063 и 1051 °С соответственно. Из-за очень малой растворимости уже при малых концентрациях этих примесей в структуре появляются по границам зерен хрупкие эв­тектики, снижающие деформируемость меди и при горячей, и при холодной обработ­ке давлением. Содержание этих вредных примесей ограничивается тысячными доля­ми процента.

Кислород — наиболее часто встречающаяся в значительных количествах примесь, так как он легко попадает в медь при плавке. Кислород практически нерастворим в твердой меди и образует эвтектику, состоящую из меди и оксида меди Cu₂O (рис. 18.3). Температура плавления эвтектики Сu + Сu₂O (1066 °С) находится выше температуры горячей прокатки меди, поэтому примесь кислорода не вызывает горячеломкости. При содержании кислорода свыше 0,1 % хрупкий оксид может существенно снизить пластичность меди и затруднить как горячую, так и холодную обработку давлением.

Таблица 18.2.Марки меди для слитков и полуфабрикатов

Марки Сu	Cu+Ag, %, не менее	О, %	Р, %	Электро­провод­ность, МСм/м	Способ выплавки и раскис­ления	Применение
М00б	99,99	0,001	0,0003	59,0	Переплав с раскислением углеродом в вакууме, восста­новительной или инертной среде	Проводники тока и полуфаб­рикаты для электронной тех­ники
М0б	99,97	0,001	0,002	58,6
М1б	99,95	0,003	0,002	-
М00	99,96	0,03	0,0005	-	Переплав катодов в инертной среде
М0	99,93	0,04	—	58,5
Ml	99,9	0,05	—	58,0		Проводники тока, прокат, высококачественные безоловя- нистые бронзы
Mlp М1ф	99,9 99,9	0,01 -	0,002-0,012 0,012-0,04	57,0	Переплав с раскислением Рf
М2р	99,7	0,01	0,005-0,06	48,0	Полуфабрикаты сплавов по­вышенного качества, обраба­тываемых давлением
МЗр	99,5	0,01	0,005-0,06	—
М2	99,7	0,07	—	—	Переплав вторичного металла и огневое рафинирование
МЗ	99,5	0,08	-		Прочие сплавы обычного качества для литья и обработки давлением

Особенно вредна примесь кислорода, если медь отжигают или эксплуатируют в ат­мосфере, содержащей водород. Атомы водорода, хоть и малорастворимого в твердой меди (~ 0,003 % при эвтектической температуре 1075 °С), быстро диффундируют по междоузлиям вглубь металла, и при восстановлении оксида меди образуется водяной пар, нерастворимый в меди. Под давлением этого пара возникают вздутия и микро­трещины. Это явление называют водородной болезнью меди.

С повышением температуры испытаний у разных сортов меди характеристики прочности плавно понижаются, а характеристики пластичности (относительное уд­линение и сужение) меняются немонотонно. Эти характеристики у многих сортов ме­ди до 200 °С меняются мало, а затем начинают снижаться, и в области температур 300-600 °С наблюдается минимум пластич­ности, который называют «провалом плас­тичности». Это является одной из причин то­го, что горячая обработка меди давлением производится при сравнительно высоких температурах: 800-900 °С. Минимальные значения характеристик пластичности в этом интервале сильно различаются в зависимости от чистоты меди, окружающих условий ис­пытаний и предшествующей обработки. По­скольку провал пластичности, хотя и менее резкий, наблюдается и у высокочистой меди, например бескислородной, часто его возник новение связывали с «порчей» границ, т. е. объясняли взаимодействием меди по границам зерен с газами окружаю­щей среды при испытаниях. Подтверж­дением этого объяснения считали от­сутствие провала пластичности у четы­рех по чистоте сортов меди: 99,7 %, 99,95, 99,99 и 99,996 %, если образцы для испытаний приготовлены из мо­нокристаллов, т. е. не имели границ зерен (Е.М.Савицкий, Н.И.Новохатская). Однако этот эксперимент гово­рит только о том, что понижение плас­тичности — результат процессов, про­исходящих на границах зерен. Многие исследователи считают, что провал пластичности меди повышенной чистоты вызван небольшими количествами примеси водорода. Это объяснение выглядит наиболее верным, так как по сравнению с резуль­татами испытаний в среде воздуха меди чистотой 99,974 %, содержащей 1,1 • 10^-4 % Н (рис. 18.4, кривая 7), испытания в вакууме, способствующие дегазации, показывают повышение минимума пластичности с ~ 27 до ~ 50 % (рис. 18.4, кривая 2) в области 400-500 °С. Если образцы перед испытаниями в вакууме выдерживали 1 ч при каждой температуре под нагрузкой 0,8 а_0>ъ ^то провал пластичности вообще не выявлялся (рис. 18.4, кривая 3). При этом, по данным спектрально-изотопного анализа, содер­жание водорода снизилось до (4 ± 2) • 10~⁵ %. Провал пластичности меди повышенной чистоты можно объяснить результатом транспортировки водорода атмосферами на дислокациях к границам зерен, где, выделяясь из раствора, он способствует зарожде­нию трещин и снижению пластичности. Выдержка меди под нагрузкой 0,8 а_0>2 в ваку­уме, т. е. в условиях неустановившейся ползучести, также эффективна для транспор­тировки водорода атмосферами, но дегазация проходит до испытаний на разрыв. В области температур ниже 300 °С дислокации отрываются от своих атмосфер из-за не­достаточной их диффузионной подвижности. Выше температуры 600 °С атмосферы размываются тепловым колебательным движением атомов, и водород остается в рас­творе.

Латуни

Латуни — это сплавы меди, в которых главной добавкой является цинк. Латуни очень хорошо обрабатываются давлением. Основная доля сплавов меди с цинком идет на производство деформированных полуфабрикатов — листов, лент, прутков, труб и др. Латуни подразделяют на двойные и многокомпонентные.