Свойства меди

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси СuО, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SО2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NО, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди (рис. 8-1), делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и M1) по ГОСТ 859-66, химический состав которых приведен в табл. 8-1.
В табл. 8-1 не указана бескислородная медь марки М00 (99,99% Си), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и M1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. По проводимости медь М00 не отличается от меди М0 и M1. Медь повышенной чистоты широко используется в электровакуумной технике.
Примеси Bi и Р
b в больших количествах, чем указано в табл. 8-1, делают невозможным горячую прокатку меди. Сера не вызывает горячеломкость меди, но повышает ее хрупкость на холоде. Примеси в небольших количествах Ni, Ag, Zn и Sn не ухудшают технологических свойств, повышая механическую прочность и термическую стойкость меди.
Кислород как примесь в малых дозах, не затрудняя заметно прокатку, несколько повышает проводимость меди, так как находящиеся в меди другие примеси в результате окисления выводятся из твердого раствора, где они наиболее сильно влияют на снижение проводимости металла.
Повышенное содержание кислорода снижает проводимость и делает медь хрупкой в холодном состоянии, поэтому в электротехнических марках меди присутствие кислорода ограничивается (табл. 8-1). Медь, содержащая кислород, подвержена также водородной болезни. В восстановительной атмосфере закись меди восстанавливается до металла. Во время реакций, идущих с образованием водяных паров, в меди появляются микротрещины.

p436_1_00

Рис. 8-1.

Влияние примесей на электрическую проводимость меди.

Таблица 8-1 Химический состав проводниковой меди (ГОСТ 859-66)
Марка медиСодержание меди, % (не менее)Содержание примесей, %, не более
ВисмутСурьмаМышьякЖелезоНикельСвинецОловоСераКислородЦинкФосфорСеребро
М099,950,0010,0020,0020,0040,0020,0040,0020,0040,020,0040,0020,003
М199,900,0010,0020,0020,0050,0020,0050,0020,0050,050,005-0,003

Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, пресования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При холодной обработке давлением прочность меди в результате обжатия (наклепа) растет, а удлинение падает, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160-200 °С, после чего из-за процесса рекристаллизации происходят разупрочнение и резкое падение твердости наклепанной меди. Чем выше степень обжатия при холодной обработке, тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.
При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются. Физические и технологические свойства меди приведены в табл. 8-2.
Влияние температуры отжига на механические свойства и электрическую проводимость меди представлено на рис. 8-2.
Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.
Согласно ГОСТ 434-71 число твердости Бринелля твердых лент
при испытании шариком диаметром 5 мм, нагрузке 2500 Н и выдержке 30 с.
В зависимости от рабочей температуры механические свойства меди представлены в табл.8-3.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07-0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и другими элементами.
В настоящее время медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Таблица 8-2 Физические и технологические свойства меди
СвойстваСостояниеПоказатель
Температура плавления, °С-1083±0,1
Плотность, кг/м3При 20 °С8930
Температурный коэффициент линейного расширения, В интервале 20-100 °С
Теплопроводность, Вт/(м °С)-375-380
Удельное электрическое сопротивление при +20 °С (мягкая проволока), мкОм•мОбусловленное ГОСТ 2112-710,01724
То же (твердая проволока)То же0,0180-0,0177
Температурный коэффициент сопротивления, При 0-150 °С0,00411
Температура горячей обработки, °СТвердое900-1050
Температура начала рекристаллизации, °СНаклепанное160-200
Травитель для полуфабрикатов, %H2SO410
Атмосфера при плавлении-Восстановительная
Температура литья, °С-1150-1200
Температура отжига, °С-500-700
Температура кипения, °С-2300-2590
Теплота плавления, Дж/кг-215
Теплота испарения, Дж/кг-5400
Объемная усадка, %При кристаллизации4,1
Отношение электрического сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой медиПри плавлении и кристаллизации2,07
Потенциал выхода электронов, В-4,07-2,61
Термо-э.д.с. относительно платины, мВ-0,15
p436_1_02

Рис. 8-2.

Влияние температуры отжига на свойства меди.

Таблица 8-3 Характер изменения механических свойств проводниковой меди в зависимости от температуры
СвойстваТемпература, °С
2010020030020100200250300
ТвердотянутаяОтожженная (650 °С, 1/2 ч)
Предел прочности при растяжении, МПа400365312143234204172161141
Истинный предел прочности при растяжении, МПа670600540290680570350340255
Удлинение, %5,45,56,654,338,64042,646,447,2
Сужение площади поперечного сечения, %53,856,159,37351,660,661,371,472,1
Модуль упругости статический, ГПа11910610296116115109100100
Модуль упругости динамический, ГПа110898774716762--
Предел текучести, МПа380355290465649413938
Предел вибрационной усталости, МПа93745834726551--
Предел ползучести, МПа----70---14 (при 400 °С)