Медь (Copper, Cu)

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 м^3/моль, атомный радиус 0,128 нм, ионный радиус 0,098 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d^104s^1. 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 м^2.

Плотность. Плотность меди р зависит от ее чистоты и способа производства. Плотность технически чистой меди 8,9—8,94 Мг/м^3, а особо чистой (более 99,99 % Си) — 8,96 Мг/м^3. Плотность жидкой меди 8,03 Мг/м^3. 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*=еСu^2+ 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.