Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 31
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
-6.
Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10-6. Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м2 (т. е. 35 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м2 (т. е. 22 кгс/мм2); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·103 Мн/м2(т.е. 13,2·103 кгс/мм2).
Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м2, при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3% .
Последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести меди возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза.
Отжиг наклепанной меди следует проводить при 600-700 °С. Небольшие примеси Bi (тысячные доли%) и Рb (сотые доли%) делают медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.
Медь растворяет водород, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь"). Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химическая активность меди невелика. В сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH)2·CuCO3.
Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения.
При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид CuO.
В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатной температуре с галогенами, например с влажным хлором образует хлорид CuCl2, при нагревании с серой образует сульфид Cu2S, с селеном.
Но с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная и разбавленная серная кислоты.
Но в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей:
2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O.
Кроме того, медь можно перевести в раствор действием водных растворов цианидов или аммиака:
2Cu + 8NH3·H2O + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O
При нагревании металла на воздухе или в кислороде образуются оксиды меди: желтый или красный Cu2O и черный CuO. Повышение температуры способствует образованию преимущественно оксида меди(I) Cu2O.
В лаборатории этот оксид удобно получать восстановлением щелочного раствора соли меди(II) глюкозой, гидразином или гидроксиламином:
2CuSO4 + 2NH2OH + 4NaOH = Cu2O + N2 + 2Na2SO4 + 5H2O
Эта реакция – основа чувствительного теста Фелинга на сахара и другие восстановители. К испытываемому веществу добавляют раствор соли меди(II) в щелочном растворе. Если вещество является восстановителем, появляется характерный красный осадок.
Поскольку катион Cu+ в водном растворе неустойчив, при действии кислот на Cu2O происходит либо дисмутация, либо комплексообразование:
Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O
Cu2O + 4HCl = 2 H[CuCl2] + H2O
Оксид Cu2O заметно взаимодействует со щелочами. При этом образуется комплекс:
Cu2O + 2NaOH + H2O = 2Na[Cu(OH)2]
Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH)2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II).
Бледно-голубой осадок гидроксида меди(II), проявляющий амфотерные свойства (способность химических соединений проявлять либо основные, либо кислотные свойства), можно растворить не только в кислотах, но и в концентрированных щелочах. При этом образуются темно-синие растворы, содержащие частицы типа [Cu(OH)4]2–. Гидроксид меди(II) растворяется также в растворе аммиака:
Cu(OH)2 + 4NH3*H2O = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O
Гидроксид меди(II) термически неустойчив и при нагревании разлагается:
Cu(OH)2 = CuO + H2O
Большой интерес к химии оксидов меди в последние два десятилетия связан с получением высокотемпературных сверхпроводников, из которых наиболее известен YBa2Cu3O7. В 1987 было показано, что при температуре жидкого азота это соединение является сверхпроводником.
Главные проблемы, препятствующие его широкомасштабному практическому применению, лежат в области обработки материала. Сейчас наиболее перспективным считается изготовление тонких пленок.
Многие из халькогенидов меди – нестехиометрические соединения. Сульфид меди(I) Cu2S образуется при сильном нагревании меди в парах серы или в среде сероводорода. При пропускании сероводорода через водные растворы, содержащие катионы Cu2+, выделяется коллоидный осадок состава CuS. Однако, CuS – не простое соединение меди(II). Оно содержит группу S2 и лучше описывается формулой CuI2CuII(S2)S. Селениды и теллуриды меди проявляют металлические свойства, а CuSe2, CuTe2, CuS и CuS2 при низких температурах являются сверхпроводниками.
Практическое значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):
2FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2FeCl2
Этот процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы меди Cu2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)]2+. При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Основные механические свойства, активно используемые в производстве отражены в таблице 1.
Таблица 1. Механические свойства меди.
При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Следует отметить, что важными технологическими свойствами меди, необходимыми для расчета научно обоснованных режимов обработки давлением и термической обработки, являются сопротивление деформации и пластичность.
Бескислородная медь и медь, раскисленная фосфором с малым остатком раскислителя, по деформируемости в горячем и холодном состоянии превосходит кислородсодержащую медь (M1, М2, М3).
Заготовки из бескислородной меди перед горячей деформацией нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере до температур в диапазоне 800...900°С.
Суммарная относительная деформация бескислородной меди при холодной обработке давлением (прокатка, волочение) может достигать 98%.
Слитки и заготовки из кислородсодержащей меди нагревают до 875...900°С, продолжительность нагрева зависит от толщины слитка и составляет 15...20 мин. на каждые 25 мм толщины. Минимальная температура окончания горячей прокатки составляет 700°С. Ниже этой температуры кислородсодержащую медь обрабатывать не рекомендуется во избежание растрескивания заготовок.
Горячую деформацию слитков из кислородсодержащей меди проводят с небольшими единичными обжатиями, а из бескислородной меди - с максимальными. Нагрев заготовок кислородсодержащей меди следует проводить в нейтральной или окислительной атмосфере, так как медь, содержащая кислород, подвержена «водородной болезни».
При нагреве меди в восстановительной атмосфере (в средах, содержащих Н2, СН4, и др. газы) соединения диссоциируют и образуется атомарный водород, который обладает высокой диффузионной подвижностью в твердой меди.
Водород, диффундируя в металл, взаимодействует с закисью меди. Образующиеся при этом пары воды не растворяются в меди и создают высокое давление в микрообъемах металла, вызывающее образование надрывов и трещин, из-за чего резко снижается пластичность и прочность меди.
При штамповке меди следует иметь в виду, что в отожженном состоянии она отличается значительной анизотропией механических свойств, вызывающей образование фестонов при глубокой вытяжке. Кроме анизотропии свойств на штампуемость меди влияет величина зерна в отожженном металле. Для определения способности металла к холодной штамповке применяется испытание по Эриксену.
Медь подвергают двум видам термической обработки: отжигу для уменьшения остаточных напряжений и рекристаллизационному отжигу. Температура начала рекристаллизации бескислородной меди высокой частоты составляет 200...240°С, а электролитической деформированной меди в зависимости от содержания кислорода составляет 180...230°С.
Во избежание водородной болезни, как отмечено выше, полуфабрикаты из меди, содержащей кислород, рекомендуется отжигать в слабоокислительной или нейтральной атмосфере, полуфабрикаты из бескислородной меди и меди, раскисленной фосфором, - в нейтральной или слабовосстановительной, чтобы уменьшить потери металла из-за окисления.
Температуру рекристаллизационного отжига и время выдержки выбирают в зависимости от его назначения: промежуточный между операциями холодной деформации или окончательный. Режимы окончательного отжига назначают с учетом требуемого состояния поставки. Размер зерна в полностью рекристаллизованной структуре металла достаточно однороден.
Следует учитывать, что с увеличением размера зерен качество поверхности штампованных изделий ухудшается из-за образоваия поверхностного дефекта — «апельсиновая корка».
Кроме того, неправильно выбранные режимы рекристаллизационного отжига могут привести к появлению групп зерен разного размера, что нежелательно при последующих операциях глубокой вытяжки, гибки, полировки и травления изделий.
Свариваемость меди взаимосвязана с ее высокой теплопроводностью, оказывающей отрицательное влияние на процесс, так как выделяющееея при сварке тепло очень быстро отводится из зоны парки.
Хорошей свариваемостью обладает раскисленная фосфором медь с высоким остаточным его содержанием, которая имеет более низкую теплопроводность по сравнению с медью других марок.
Широкое распространение получила электродуговая сварка меди в среде инертного газа, благодаря ее большим технологическим преимуществам. Непрерывная подача инертного газа (аргона) в зону сварки предотвращает поглощение металлом шва кислорода и водород и способствует получению качественного сварного соединения.
Пайку меди осуществляют мягкими и твердыми припоями. При пайке мягкими припоями (содержащими олово или свинец) уменьшения прочностных характеристик меди практически не происходит. При пайке твердыми припоями вследствие высоких температур медь может разупрочняться в зоне пайки.
Обработка резанием является распространенной технологической операцией. При обработке заготовок из меди на металлорежущих станках образуется сливная стружка, что значительно усложняет применение автоматических линий из-за сложностей ее удаления. Медь также склонна к налипанию на режущий инструмент.
Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10-6. Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м2 (т. е. 35 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м2 (т. е. 22 кгс/мм2); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·103 Мн/м2(т.е. 13,2·103 кгс/мм2).
Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м2, при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3% .
Последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести меди возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза.
Отжиг наклепанной меди следует проводить при 600-700 °С. Небольшие примеси Bi (тысячные доли%) и Рb (сотые доли%) делают медь красноломкой, а примесь S вызывает хрупкость на холоде.
Медь растворяет водород, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь"). Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химическая активность меди невелика. В сухой атмосфере медь практически не изменяется. Во влажном воздухе на поверхности меди в присутствии углекислого газа образуется зеленоватая пленка состава Cu(OH)2·CuCO3.
Так как в воздухе всегда имеются следы сернистого газа и сероводорода, то в составе поверхностной пленки на металлической меди обычно имеются и сернистые соединения меди. Такая пленка, возникающая с течением времени на изделиях из меди и ее сплавов, называется патиной. Патина предохраняет металл от дальнейшего разрушения.
При нагревании на воздухе медь тускнеет и в конце концов чернеет из-за образования на поверхности оксидного слоя. Сначала образуется оксид Cu2O, затем — оксид CuO.
В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатной температуре с галогенами, например с влажным хлором образует хлорид CuCl2, при нагревании с серой образует сульфид Cu2S, с селеном.
Но с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная и разбавленная серная кислоты.
Но в присутствии кислорода воздуха медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей:
2Cu + 4HCl + O2 = 2CuCl2 + 2H2O.
Кроме того, медь можно перевести в раствор действием водных растворов цианидов или аммиака:
2Cu + 8NH3·H2O + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O
При нагревании металла на воздухе или в кислороде образуются оксиды меди: желтый или красный Cu2O и черный CuO. Повышение температуры способствует образованию преимущественно оксида меди(I) Cu2O.
В лаборатории этот оксид удобно получать восстановлением щелочного раствора соли меди(II) глюкозой, гидразином или гидроксиламином:
2CuSO4 + 2NH2OH + 4NaOH = Cu2O + N2 + 2Na2SO4 + 5H2O
Эта реакция – основа чувствительного теста Фелинга на сахара и другие восстановители. К испытываемому веществу добавляют раствор соли меди(II) в щелочном растворе. Если вещество является восстановителем, появляется характерный красный осадок.
Поскольку катион Cu+ в водном растворе неустойчив, при действии кислот на Cu2O происходит либо дисмутация, либо комплексообразование:
Cu2O + H2SO4 = Cu + CuSO4 + H2O
Cu2O + 4HCl = 2 H[CuCl2] + H2O
Оксид Cu2O заметно взаимодействует со щелочами. При этом образуется комплекс:
Cu2O + 2NaOH + H2O = 2Na[Cu(OH)2]
Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH)2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II).
Бледно-голубой осадок гидроксида меди(II), проявляющий амфотерные свойства (способность химических соединений проявлять либо основные, либо кислотные свойства), можно растворить не только в кислотах, но и в концентрированных щелочах. При этом образуются темно-синие растворы, содержащие частицы типа [Cu(OH)4]2–. Гидроксид меди(II) растворяется также в растворе аммиака:
Cu(OH)2 + 4NH3*H2O = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O
Гидроксид меди(II) термически неустойчив и при нагревании разлагается:
Cu(OH)2 = CuO + H2O
Большой интерес к химии оксидов меди в последние два десятилетия связан с получением высокотемпературных сверхпроводников, из которых наиболее известен YBa2Cu3O7. В 1987 было показано, что при температуре жидкого азота это соединение является сверхпроводником.
Главные проблемы, препятствующие его широкомасштабному практическому применению, лежат в области обработки материала. Сейчас наиболее перспективным считается изготовление тонких пленок.
Многие из халькогенидов меди – нестехиометрические соединения. Сульфид меди(I) Cu2S образуется при сильном нагревании меди в парах серы или в среде сероводорода. При пропускании сероводорода через водные растворы, содержащие катионы Cu2+, выделяется коллоидный осадок состава CuS. Однако, CuS – не простое соединение меди(II). Оно содержит группу S2 и лучше описывается формулой CuI2CuII(S2)S. Селениды и теллуриды меди проявляют металлические свойства, а CuSe2, CuTe2, CuS и CuS2 при низких температурах являются сверхпроводниками.
Практическое значение имеет способность меди реагировать с растворами солей железа (III), причем медь переходит в раствор, а железо (III) восстанавливается до железа (II):
2FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2FeCl2
Этот процесс травления меди хлоридом железа (III) используют, в частности, при необходимости удалить в определенных местах слой напыленной на пластмассу меди.
Ионы меди Cu2+ легко образуют комплексы с аммиаком, например, состава [Cu(NH3)]2+. При пропускании через аммиачные растворы солей меди ацетилена С2Н2 в осадок выпадает карбид (точнее, ацетиленид) меди CuC2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Основные механические свойства, активно используемые в производстве отражены в таблице 1.
| Свойства | Состояние | |
| Деформированное | Отожженное | |
| Предел прочности на разрыв, σ МПа | 340 - 450 | 220 - 245 |
| Относительное удлинение после разрыва, δ ψ% | 4 - 6 | 45 - 55 |
| Относительное сужение, после разрыва, % | 40 - 60 | 65 - 80 |
| Твердость по Бринеллю, НВ | 90 - 110 | 35 - 55 |
Таблица 1. Механические свойства меди.
При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Следует отметить, что важными технологическими свойствами меди, необходимыми для расчета научно обоснованных режимов обработки давлением и термической обработки, являются сопротивление деформации и пластичность.
Бескислородная медь и медь, раскисленная фосфором с малым остатком раскислителя, по деформируемости в горячем и холодном состоянии превосходит кислородсодержащую медь (M1, М2, М3).
Заготовки из бескислородной меди перед горячей деформацией нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере до температур в диапазоне 800...900°С.
Суммарная относительная деформация бескислородной меди при холодной обработке давлением (прокатка, волочение) может достигать 98%.
Слитки и заготовки из кислородсодержащей меди нагревают до 875...900°С, продолжительность нагрева зависит от толщины слитка и составляет 15...20 мин. на каждые 25 мм толщины. Минимальная температура окончания горячей прокатки составляет 700°С. Ниже этой температуры кислородсодержащую медь обрабатывать не рекомендуется во избежание растрескивания заготовок.
Горячую деформацию слитков из кислородсодержащей меди проводят с небольшими единичными обжатиями, а из бескислородной меди - с максимальными. Нагрев заготовок кислородсодержащей меди следует проводить в нейтральной или окислительной атмосфере, так как медь, содержащая кислород, подвержена «водородной болезни».
При нагреве меди в восстановительной атмосфере (в средах, содержащих Н2, СН4, и др. газы) соединения диссоциируют и образуется атомарный водород, который обладает высокой диффузионной подвижностью в твердой меди.
Водород, диффундируя в металл, взаимодействует с закисью меди. Образующиеся при этом пары воды не растворяются в меди и создают высокое давление в микрообъемах металла, вызывающее образование надрывов и трещин, из-за чего резко снижается пластичность и прочность меди.
При штамповке меди следует иметь в виду, что в отожженном состоянии она отличается значительной анизотропией механических свойств, вызывающей образование фестонов при глубокой вытяжке. Кроме анизотропии свойств на штампуемость меди влияет величина зерна в отожженном металле. Для определения способности металла к холодной штамповке применяется испытание по Эриксену.
Медь подвергают двум видам термической обработки: отжигу для уменьшения остаточных напряжений и рекристаллизационному отжигу. Температура начала рекристаллизации бескислородной меди высокой частоты составляет 200...240°С, а электролитической деформированной меди в зависимости от содержания кислорода составляет 180...230°С.
Во избежание водородной болезни, как отмечено выше, полуфабрикаты из меди, содержащей кислород, рекомендуется отжигать в слабоокислительной или нейтральной атмосфере, полуфабрикаты из бескислородной меди и меди, раскисленной фосфором, - в нейтральной или слабовосстановительной, чтобы уменьшить потери металла из-за окисления.
Температуру рекристаллизационного отжига и время выдержки выбирают в зависимости от его назначения: промежуточный между операциями холодной деформации или окончательный. Режимы окончательного отжига назначают с учетом требуемого состояния поставки. Размер зерна в полностью рекристаллизованной структуре металла достаточно однороден.
Следует учитывать, что с увеличением размера зерен качество поверхности штампованных изделий ухудшается из-за образоваия поверхностного дефекта — «апельсиновая корка».
Кроме того, неправильно выбранные режимы рекристаллизационного отжига могут привести к появлению групп зерен разного размера, что нежелательно при последующих операциях глубокой вытяжки, гибки, полировки и травления изделий.
Свариваемость меди взаимосвязана с ее высокой теплопроводностью, оказывающей отрицательное влияние на процесс, так как выделяющееея при сварке тепло очень быстро отводится из зоны парки.
Хорошей свариваемостью обладает раскисленная фосфором медь с высоким остаточным его содержанием, которая имеет более низкую теплопроводность по сравнению с медью других марок.
Широкое распространение получила электродуговая сварка меди в среде инертного газа, благодаря ее большим технологическим преимуществам. Непрерывная подача инертного газа (аргона) в зону сварки предотвращает поглощение металлом шва кислорода и водород и способствует получению качественного сварного соединения.
Пайку меди осуществляют мягкими и твердыми припоями. При пайке мягкими припоями (содержащими олово или свинец) уменьшения прочностных характеристик меди практически не происходит. При пайке твердыми припоями вследствие высоких температур медь может разупрочняться в зоне пайки.
Обработка резанием является распространенной технологической операцией. При обработке заготовок из меди на металлорежущих станках образуется сливная стружка, что значительно усложняет применение автоматических линий из-за сложностей ее удаления. Медь также склонна к налипанию на режущий инструмент.