Рафинированная медь Украины
  1.4. Влияние примесей на свойства меди

Многие марки меди отличаются друг от друга содержанием примесей в сотых долях процента. Это говорит о заметном влиянии малых содержаний примесей на основные физико-механические свойства меди.

В силу особенностей производства медь всегда содержит ряд примесей, основными из которых являются висмут, сурьма, свинец, сера, кислород.

По характеру взаимодействия с медью все примеси можно укрупненно разделить на три группы.

К первой группе относят примеси, растворимые в твердой меди (алюминий, железо, никель, цинк, серебро и др.). При небольшом содержании, характерном для металла технической чистоты, эти элементы слабо влияют на свойства меди, хотя в некоторой степени они снижают электропроводность и теплопроводность.

Во вторую группу входят элементы, которые практически нерастворимы в меди и образуют с ней легкоплавкие эвтектики. К таким примесям относят висмут, свинец, сурьму. Нерастворимые примеси отрицательно влияют на физико-механические и технологические свойства меди, причем эффект проявляется уже при весьма малых содержаниях указанных элементов. Висмут при содержании более 0,001% мас. выделяется в виде хрупких прослоек по границам зерен. При горячей обработке давлением такие прослойки плавятся, медь становится горячеломкой, и деформирующаяся заготовка разрушается по границам зерен. При низких температурах хрупкие прослойки провоцируют хладноломкость.

Сурьма в большей степени растворяется в меди по сравнению с висмутом, и при этом резко уменьшаются тепло- и электропроводность меди. Свинец также образует легкоплавкие выделения по границам зерен, и из-за низкой температуры плавления это приводит к сильной горячеломкости меди при горячей обработке давлением.

Третью группу составляют преимущественно неметаллические элементы, которые образуют с медью химические соединения (кислород, сера, фосфор, мышьяк, селен и т.д.). Растворимость кислорода в меди мала, весь содержащийся в меди кислород находится в виде обособленных твердых и хрупких частиц Cu2O, образующийся оксид меди формирует эвтектику (Cu+Cu2O), зернограничные выделения которой снижают пластичность и деформируемость металла. Частицы Cu2O склонны к образованию скоплений, которые приводят к разрушению меди при обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Для образования эвтектики (Cu2S+Cu) достаточно минимального количества серы, а при ее выделении ухудшаются пластичность при горячей обработке давлением и коррозионная стойкость меди.

Водород является крайне вредным элементом, его повышенное содержание вызывает т.н. "водородную болезнь". Водород реагирует с оксидами, содержащимися в меди, с образованием водяного пара (Cu2O+H2=H2O+2Cu). Под давлением паров воды внутри металла возникают микротрещины, а на поверхности - пузыри от вздутия металла. На медь, раскисленную фосфором, водород влияет слабо.

Таким образом, все примеси в той или иной степени ухудшают свойства меди. Даже те примеси, которые не ухудшают технологическую пластичность и прочность меди, заметно снижают показатели физических свойств. Большинство примесей ухудшают весь комплекс свойств и в первую очередь характеристики электро- и теплопроводности.

Кроме того, большинство указанных примесей вступают в химические реакции между собой и взаимно усиливают свое отрицательное влияние. Водород особенно ухудшает свойства меди, содержащей повышенное количество кислорода. При совместном наличии кислорода, сурьмы и мышьяка резко падает электропроводность.

Таким образом, задача металлургов заключается в максимальном снижении содержания примесей в меди, в первую очередь вредных, поскольку полностью удалить их из металла технически невозможно. Постоянное повышение требований к качеству металла приводит к законодательному (на уровне стандартов) ограничению содержания примесей в меди, которая применяется в основных областях промышленности.

Можно сравнить основные свойства меди марок МОб и М1, отличающиеся содержанием указанных примесей (табл. 1.15).

Таблица 1.15. Содержание примесей в исследованных образцах меди

Содержание примесей в исследованных образцах меди

Для проведения сравнительных испытаний исходным материалом служили прутки диаметром 8 мм, полученные горячей прокаткой при температурах 850…900 oС, которые затем подвергали холодной пластической деформации со степенями 95…99,99 %. Полученную проволоку отжигали при различной температуре (от 100 до 800 oС) в течение 1 ч в вакууме.

В горячекатаном состоянии размер зерна в прутках меди МОб был заметно большим (35 мкм) по сравнению с зерном меди М1 (15 мкм). Содержание примесей сложным образом влияло на изменение свойств деформированного и отожженного металла.

В случае деформации при комнатной температуре после предварительного отжига при различных температурах прочностные характеристики прутков слабо зависят от содержания примесей (рис. 1.11) и уровень свойств определяется, в основном, режимом отжига.

В наибольшей степени состав меди влияет на относительное сужение. Если для высокочистой меди МОб сужение под влиянием отжига слабо повышается, то для меди марки М1 отжиг существенно повышает относительное сужение. Различие в уровнях относительного сужения приводит к различной деформируемости меди и обрывности при холодном волочении.

Рисунок 1.11. Влияние температуры отжига на свойства меди марок М1 и МОб

Влияние температуры отжига на свойства меди марок М1 и МОб

Влияние температуры отжига на свойства меди марок М1 и МОб

На рис. 1.12 приведена зависимость удельного электросопротивления меди после холодной деформации со степенью 95% и часового отжига при указанных на рисунке температурах.

Рисунок 1.12. Зависимость удельного электросопротивления меди марок М1 и МОб от температуры часового отжига после холодной деформации

Зависимость удельного электросопротивления меди марок М1 и МОб от температуры часового отжига после холодной деформации

Как видно из рис.1.12, в интервале температур 400…600 oС происходит падение электросопротивления, которое свидетельствует о выделении примесей из твердого раствора. Испытания на растяжение при повышенных температурах также показали известный для меди провал пластичности, но для меди МОб он появлялся при температуре около 300…400 oС (сужение снизилось с 90 до 70 %), а у меди М1 провал пластичности был при температурах 400…600 oС и привел к снижению от 80 до 40 %. Это поведение меди связывают с влиянием водорода и кислорода, содержание которых в меди МОб и М1 заметно отличается.

Таким образом, различия в содержании примесей приводят к различиям в кинетике процессов растворения и выделения их из твердого раствора, что влияет на механические и технологические свойства металла.

К состоянию твердого раствора очень чувствительно, например, электросопротивление. Одновременное присутствие кислорода и мышьяка или сурьмы не сказывается на механических свойствах меди, но весьма существенно снижает ее электропроводность (рис. 1.13).

Рисунок 1.13. Влияние кислорода и сурьмы на электропроводность меди после отжига 700 oС 30 мин

Влияние кислорода и сурьмы на электропроводность меди

  1.4. Влияние примесей на свойства меди
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ