Медь

Общие сведения и методы получения

Медь (Сu) — металл, имеющий в компактном виде в зависимости от способа изготовления и примесей красно-коричневый и светло-розовый цвет, в диспергированном состоянии (порошок) — кирпично-красный цвет.

Один из первых металлов, которые человек стал применять для тех­нических целей. Найденные в Египте древнейшие изделия из самород­ной меди относятся к пятому тысячелетию до н. э. Латинское название меди cuprum связано с островом Кипр, где уже в III в. до нашей эры были медные рудники и выплавлялась медь.

Содержание меди в земной коре 0,01 % (по массе). Чаще, чем другие металлы, встречается самородная медь.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 29, атомная масса 63,54 а. е. м., атомный объем 7,21*10^-6 м³/моль, атомный радиус 0,128 нм, ионный радиус 0,098 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d¹⁰4s¹. Потенциалы ионизации атомов / (эв): 7,73; 20; 29, медь имеет г. ц. к. решетку с периодом а=0,36148 нм. Энергия кри­сталлической решетки 342 мкДж/кмоль. Координационное число 12, межатомное расстояние 0,255 нм. Электроотрнцательность 1,9.

Природная медъ состоит из смеси двух стабильных изотопов с мас­совыми числами 63 (69,1 %) и 65 '(30,9%). Получены радиоактивные изотопы ⁵⁸Cu , ⁵⁹Cu , ⁶⁰Cu , ⁶¹Cu , ⁶²Cu , ⁶⁴Cu , ⁶⁶Cu , ⁶⁷Cu , ⁶⁸Си с периодами полураспада от 0,18 с до 58,5 ч. Из искусственных радиоактивных изо­топов в качестве меченых атомов используют ⁶¹Си (период полураспада 3,3 ч) и ⁶⁴Си (период полураспада 12,8 ч). Эффективное поперечное се­чение захвата тепловых нейтронов атомов меди 3,59*10^-28 м².

Плотность. Плотность меди р зависит от ее чистоты и способа про­изводства. Плотность технически чистой меди 8,9—8,94 Мг/м³, а особо чистой (более 99,99 % Си) — 8,96 Мг/м³. Плотность жидкой меди 8,03 Мг/м³. Изменение плотности чистой меди с увеличением темпера­туры

Электрические и магнитные. Удельная электрическая проводимость меди чистотой 99,99 % при 293 К а=58,8 МСм/м, а при 73 К а=200 МСм/м. Электрическая проводимость меди заметно ие изменяется под влиянием висмута, свинца, серы, селена и теллура, сильно снижается под влиянием незначительных количеств мышьяка, а также сурьмы.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Сu—2е*=еСu²+ ср₀=0,34 В а реакции Cu = t * Cu ² + ср₀=0,52 В. В соединениях проявляет степени окисления +1, +2, +3 (реже).

Медь обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в ат­мосферных условиях при комнатной температуре. Коррозионная стой­кость меди, как правило, тем выше, чем чище медь. Наиболее вредные примеси — кислород, сера, висмут, свинец и железо. Сухой воздух и вла­га при комнатной температуре порознь не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем С0₂, на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При нагреве на воздухе выше 185°С медь покрывается слоем оксида (I) меди Cu ₂ 0, который прн 1025 °С переходит в оксид (II) меди СиО.

При нагревании медь растворяется в серной и азотной кислотах, а также в аммиаке.

Влажный хлор взаимодействует с медью при обычной температуре, образуя СиС1₂, хорошо растворимую в воде. Медь легко соединяется с другими галогенами. Особое сродство проявляет медь к сере и селену. С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах.

Примеси, присутствующие в меди и попадающие в нее при плавке, сильно влияют на физические и технологические свойства.

Алюминий повышает коррозионную стойкость и резко снижает окис-ляемость меди при комнатной и повышенной температурах.

Висмут в твердом состоянии практически в меди нерастворим.

Свинец практически ие растворяется в меди в твердом состоянии. Сурьма растворима в меди в твердом состоянии; при температуре эвтек­тики 645 °С растворяется до 9,5 % Sb . С понижением температуры раст­воримость ее резко уменьшается.

Кислород мало растворим в меди в твердом состоянии. При кристал­лизации кислород выделяется в виде эвтектики медь — оксид (I) меди, располагающейся по границам зерен, что служит причиной хрупкости и хладноломкости меди при холодной деформации. При повышении содер­жания кислорода заметно снижаются пластичность и коррозионные свой­ства меди, а также затрудняются процессы пайки, сварки, лужения и плакирования. При содержании более 0,1 % 0₂ медь легко разрушается при горячей обработке давлением.

Водород значительно растворим в твердой н жидкой меди; с пони­жением температуры растворимость снижается.

Железо растворяется в меди в твердом состоянии незначительно.

Мышьяк растворим в меди в твердом состоянии до 7,5 %.

Сера хорошо растворяется в жидкой меди; в твердой меди раствори­мость снижается до нуля.

Фосфор ограниченно растворим в меди в твердом состоянии. При 700°С растворимость достигает 1,3 %, а при 200"С снижается до 0,4 %.

Селен в твердом состоянии в меди растворяется менее 0,1 %. При за­твердевании селен выделяется в виде Cu ₂ Se .

Теллур незначительно растворим в меди в твердом состоянии (око­ло 0,01 %). Электрохимический эквивалент 0,32938 мг/Кл.

Технологические свойства

Температура литья 1150—1230"С. Линейная усадка при литье в кокиль 2,1 %, жидкотекучесть (литье в песок) 35 см.

Медь высокопластична в отожженном состоянии, при обработке давлением выдерживает без промежуточных отжигов обжатие до 85—95%. Вакуумная плавка улучшает пластичность меди.

Температура прессования 800—950 °С, температура горячей прокатки 820—860 °С. Температура полного отжига 500—700 "С, а отжига для уменьшения остаточных напряжений 180—230 "С. В качестве травителя полуфабрикатов после отжига применяют 10 %-ный водный раствор H₂SO₄. Атмосферой для светлого отжига бескислородной меди служат водород, инертный газ, пары воды, смесь углекислого газа и оксида угле­рода, смесь азота с 2—3 % Н₂. Для светлого отжига технической меди, содержащей 0,02—0,03% 0₂, используют пары воды при отсутствии ве­ществ, вызывающих ее диссоциацию, смесь азота с 2—3 % водорода. Качество меди можно улучшить применением вакуума при горячен де­формации.

Температура рекристаллизации в зависимости от чистоты меди состав­ляет 257—377 °С. Медь лучше обрабатывается резанием в деформиро­ванном состоянии. Хорошо поддается сварке и пайке. Коэффициент тре­ния меди в паре со сталью со смазкой (веретенное масло № 2) состав­ляет 0,011, а без смазки 0,43.

Небольшие количества висмута (0,005 %) вызывают разрушение меди при горячей обработке давлением. При повышенном содержании висму­та медь становится хрупкой и в холодном состоянии. Присутствие свин­ца вызывает разрушение меди при горячей обработке давлением, сера заметно снижает пластичность при горячей и холодной обработке дав­лением, фосфор повышает жидкотекучесть и оказывает положительное влияние при сварке, селен и теллур улучшают обрабатываемость реза­нием.

Области применения

Широкое применение меди в промышленности обусловлено ее высокой электрической проводимостью, пластичностью, хорошей коррозионной устойчивостью, теплопроводностью, хорошими литейными качествами и др. Из цветных металлов медь уступает по уровню потребления только алюминию. Основные потребители меди и ее соединений в развитых стра­нах:

а) электротехника и электроника (обмотки в электромашинах, прово-
да, кабели, в частности, кабели для подземных линий высокого напряже-
ния, шины, детали в телеграфных, телефонных и радио-телевизионных ап-
паратах, печатные схемы);

б) машиностроение (теплообменники, криогенные установки, опрес-
нительные установки);

в) транспорт (детали и узлы вагонов, тепловозов, судов, самолетов,
сигнальных устройств);

г) бытовая техника (стиральные машины, конденсаторы, часы и др.);

д) строительные материалы (фитинговая арматура, декоративные
украшения);

е) химическая промышленность (катализаторы, краски и др.);

ж) сельское хозяйство (ядохимикаты).

Широкое техническое применение получили сплавы меди с цинком (латуни), оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием (оловян­ные и специальные бронзы), никелем (мельхиор, константан, нейзильбер, монельметалл), марганцем (манганины) и другие более сложные спла­вы.

Значительно также применение меди в качестве легирующей добав­ки в сплавы иа алюминиевой основе (дуралюмин и др.). Использу­ется медь н в качестве легирующей присадки железным сплавам

для улучшения их свойств. Присадка меди к конструкционным сталям повышает их предел текучести, коррозионную стойкость и увеличивает закаливаемость.