5

Билет №25

13.1.1. Медь и ее сплавы

Медь Сu — металл красноватого цвета, с высокой температу­рой плавления (Тпл= 1083°С) и рядом технически ценных свойств. По электропроводности медь уступает только серебру: у Cu ρ= 1,72•10^-8 Ом•м, а у Ag = 1,58•10^-8 Ом •м. Обладает достаточно высокой механической прочностью и стойкостью к коррозии. Ос­новные физические свойства меди приведены в табл. 12.1. Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 0,01 мм) и легпрокатывается в листы, ленты и фольгу (до 0,005 мм ), хорошо паяется.

Медь — сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования. Содержание меди в земной коре составляет ~3•10^-3 %; она химически малоактивна. В сухом и влаж­ном воздухе, а также в пресной воде при 20°С медь достаточно ус­тойчива к коррозии; незначительно корродирует только в морской воде. В сухом воздухе ниже 185°С с кислородом не взаимодействует. При нагревании до 375°С медь окисляется с образованием однооки­си СuО, имеющей черный цвет, а выше 375°С образуется полуокись Сu₂О, имеющая красный цвет. На нее мало влияют соляная и серная кислоты небольшой концентрации (до 80%). Однако в концентриро­ванной азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на ее поверхности постепенно образуется зеленый налет основного кар­боната меди (карбонат-гидроксид меди) Сu₂(ОН)₂СО₃ .

В природе медь встречается в самородном состоянии и, главным образом, в виде сульфидных руд. Из медной руды в результате ряда последовательных процессов обогащения, обжига и восстановления получают так называемую сырую, или черную медь, содержащую обычно до 3% примесей. Эти примеси значительно снижают элек­тропроводность меди, поэтому медь, предназначенную для электро­технических целей, обязательно подвергают электролитической очи­стке — рафинированию. Рафинированную медь переплавляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают или протягивают через волочильные доски (волочение) в изделия требуемого профиля и геометрических размеров.

При изготовлении проволоки болванки сначала путем горячей прокатки превращают в катанку диаметром 8—18 мм, которую для

Рис.13.1. Зависимость предела прочности на разрыв σв, относительно удлинения перед разрывом ∆L/L и удельного сопротивления ρ меди марки Ml от температуры отжига (время отжига 1 час)

удаления с поверхности окислов меди (СuО и Сu₂О) протравлива­ют слабым раствором серной кислоты и далее протягивают в холодном состоянии через фильеры волочильной доски (см. гл. 11.3.2) получая проволоку заданного профиля и размеров. При холодно^ прокатке и волочении получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу (нагартовки) приобретает повы­шенную твердость, упругость, предел прочности на разрыв, но при этом возрастает удельное сопротивление и снижается от­носительное удлинение и относительное сужение перед разрывом.

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить вы­сокую механическую прочность σв, твердость и сопротивляемость истиранию. Например, для изготовления контактных проводов элек­трифицированного транспорта, коллекторных пластин электриче­ских машин, шин для распредустройств и т..п.

Рекристаллизация меди начинается при температуре примерно 200 °С, а температура рекристаллизационного отжига составляет ~600°С (табл. 13.2). Влияние температуры отжига на свойства меди показано на рис. 13.1, из которого видно, что при отжиге механиче­ские свойства изменяются гораздо сильнее, чем ее удельное сопро­тивление. После отжига получают мягкую (отожженную) медь (ММ) которая пластична, характеризуется большим удлинением перед раз­рывом и имеет электропроводность на 3—5% выше, чем у МТ (см. табл. 13.1). Однако при отжиге предел прочности на разрыв и твер­дость снижаются. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают в процентах при 20°С удельную проводимость металлов и сплавов. Удельная электро-пооводность стандартной меди при 20°С равна 58 МСм/м, соответст­венно р = 0,017241 мкОм•м, а ТКр = 4,3•10^-3 К^-1 .

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожиль­ных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т.д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значе­ния. Круглую проволоку из меди марок МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Ленточную медь широко используют для экранирования кабелей связи и радиочастотных кабелей. Несложный расчет с помощью формулы (12.10) показывает, что медный экран толщиной 0,5 мм (для Си γ = 58,5•10^-6 См/м, μа = μо μ = 12,56•10^-7 Гн/м) становится эф­фективным при частоте поля не ниже 17 кГц. Следовательно, мед­ный экран эффективен в высокочастотных магнитных полях. В низ­кочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой Магнитной проницаемостью μ (см. гл. 14.1). В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покры­вают никелем, серебром, золотом.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее химической природы (см. рис. 12.4). Например, 0,5% Zn, Cd или Ag снижают удельную электропроводность меди на 5%, при той же концентрации Ni, Sn или А1 — на 25—40%, a Be, As, Fе, Si или Р — на 55% и более. Очень вредно присутствие в меди ки­слорода — он приводит к образованию оксидов меди, вызывающих увеличение удельного сопротивления. Наличие серы снижает пла­стичность меди, в результате при низких температурах медь стано­вится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Маркировка меди. По степени чистоты медь стандартизируется на следующие марки:

Марка Содержание Си, %, Марка Содержание Си, %

не менее не менее

МООб 99,99 М1р 99,90

МОО 99,96 М2 99,70

МОб 99,97 М2р 99,70

МО 99,95 МЗ 99,50

М1б 99,95 МЗр 99,50

М1у 99,90 М4 99,00

Ml 99,90

Буква «б» означает, что медь «бескислородная», с повышенной механической прочностью; «р» — медь, раскисленная фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» — медь катодная пере­плавленная.

Бес­кислородная медь со специальными легирующими добавками обладает повышенными механическими свойствами.

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как и у серебра. Ва­куумную медь получают путем ее переплавления в вакуумных ин­дукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении ~1 •10^-3 Па.