Общие сведения и методы получения. Медь (Сu) Д металл, имеющий в компактном виде в зависимости от способа изготовления и примесей красно-коричневый и светло-розовый цвет, в диспергированном состоянии (порошок) Д кирпично-красный цвет. Одни 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, Однако такие руды сравнительно редки и в настоящее время из них добывают не более 5 % Си. Самородная медь, обычно очень чистая, содержит лишь небольшие примеси серебра и железа, следы свинца, еще реже следы ртути и золота. Кроме того, очень часто в самородной меди присутствуют включения оксида (I) меди.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕДИ, % (ГОСТ 859Д78)

Примечания: 1. Содержание отдельных примесей, не указанных в таблице, в меди марок МВЧк, М00к и М00б, а также содержание газов в меди марки М00б устанавливается по соглашению изготовителя и потребителя. 2. Массовая доля серебра в меди марок М0к, М1к, М0б, М1у и Ml не должна превышать 0,003 %, а в меди марки М0ку Д0,002 %. По требованию потребителя медь марок М0б, М1у и M1 изготовляют с массовой долей серебра не более 0,0025 %. 3. В марках меди предназначенных для электротехнических целей, определяют только содержание меди и электрическое сопротивление (электропроводность), Для полуфабрикатов из меди марок М0б, М1б и M1 электрическое сопротивление отожженной проволоки при температуре 20 ⁰С не должно превышать 0,01724 Ом*мм²/м или электропроводность должна быть не менее 58 м/Ом*мм²; для полуфабрикатов из меди марок М1р и M1, предназначенных для отдельных видов продукции, в которых допускается повышенное электросопротивление, удельное электрическое сопротивление не должно превышать 0,01754 Ом*мм²/м или электропроводность должна быть не менее 57 м/Ом*мм²; для полуфабрикатов из меди марок М006 и М1у удельное электрическое сопротивление не должно превышать 0,01706 Ом*мм²/м или электропроводность должна быть ие менее 58,6 м/Ом*мм². Медь марок Ml и М1р, предназначенная для электротехнических целей, дополнительно обозначается буквой Е. В марках меди, предназначенных для длительного хранения, определяют все примеси, указанные в таблице. 4. По соглашению сторон допускается изготовление меди М0б с массовой долей кислорода не более 0,002%, содержание же кислорода в меди марок M1 и М1у Д по ГОСТ 193Д67 и 5.1073Д71. 5.   По требованию заводов по обработке цветных металлов и электротехнической промышленности медь марки М0к изготовляют с содержанием серы не более 0,003 %. Для электротехнической промышленности в меди марки М1у массовая доля серы не должна превышать 0,003 %, а в меди марки М0б для эмальпроводовДне выше 0,002 %. 6.  Знак «тире» в таблице означает, что данная примесь не нормируется.

______________________________________________________________________

Медь входит в состав более чем 200 минералов, однако лишь немногие из них (приблизительно 40) имеют промышленное значение. Важнейшие минералы, входящие в состав медных руд,  халькозин, или медный блеск; халькопирит, или медный колчедан; малахит. Медные руды Д комплексное сырье, помимо меди, содержащее цинк, никель, молибден, кобальт и, кроме того, серу, селен, теллур, индий, германий, свинец, гадолиний, а также серебро и золото. В настоящее время перерабатываются руды, содержащие от 0,7 до 3 % меди. Производство меди основано на переработке сульфидных и окисленных медных руд. Более 80 % меди получают пирометаллургическим методом, остальные 20 % Д методом гидрометаллургии. При пирометаллургическом методе руды предварительно обогащают, а затем концентрат подвергают собственно пирометаллургическому переделу, состоящему из обжига, плавки и конвертирования. Получаемую черновую медь подвергают огневому или электролитическому рафинированию. Гидрометаллургическая переработка состоит в выщелачивании руды для перевода меди в раствор с последующим осаждением ее из раствора. Гидрометаллургическим методом перерабатывают главным образом бедные окисленные руды и самородную медь. Выщелачиванию подвергают руду в мелкораздробленном состоянии. Реагентами процесса служат обычно раствор серной кислоты или аммиачные растворы. Осаждение меди из ее сернокислых растворов, полученных в результате выщелачивания, производится электролитическим способом (электролиз с нерастворимыми анодами) или цементацией (осаждение железом). При выщелачивании аммиачными растворами после разложения их острым паром медь выделяется в виде СuО. Цементационная медь и медь, полученная разложением аммиачных растворов, поступает на рафииироваиие или переработку на специальные заводы.

Физические свойства

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

Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов с массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Получены радиоактивные изотопы ⁵⁸Cu, ⁵⁹Cu, ⁶⁰Сu, ⁶¹Сu, ⁶²Сu, ⁶⁴Сu, ⁶⁶Сu, ⁶⁷Сu, ⁶⁸Сu с периодами полураспада от 0,18 с до 58,5 ч. Из искусственных радиоактивных изотопов в качестве меченых атомов используют ⁶¹Сu (период полураспада 3,3 ч) и ⁶⁴Сu (период полураспада 12,8 ч). Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов атомов меди 3,59*10^-28 м². Работа выхода электронов 4,40 эВ, а для расплавленной меди 5,5 эВ.

Плотность. Плотность меди р зависит от ее чистоты и способа производства. Плотность технически чистой меди 8,9Д8,94 Мг/м³, а особо чистой (более 99,99 % Си) Д 8,96 Мг/м³. Плотность жидкой меди 8,03 Мг/м³. Изменение плотности чистой меди с увеличением температуры (в интервале температур 293Д1356 К) можно подсчитать по формуле р(Т) =р₀ДR_P(TД То), где р₀=8,96 Мг/м³; Rp = (0,0005644-0,000574) Мг/(м³*К); Т₀=293 К. Плотность жидкой меди в интервале температур 1356Д2860 К можно подсчитать по формуле: р(Т) = (9,077÷8,06) *10^-4Т Мг/м³. Изменение плотности при плавлении 4,1 %.

Электрические и магнитные.

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

Электросопротивление в зависимости от температуры:

Изменение удельного электрического сопротивления при плавлении Рж/Ртв=2,1÷2,2. Температурный коэффициент удельного электросопротивления при 298Д398 К α =4,33*10^-3 К^-1. Абсолютный коэффициент т. э. д. с. при 298 К составляет е = 1,7 мкВ/К, в жидкой фазе при 1356 К е = + 15 мкВ/К. Постоянная Холла при комнатной температуре R =  -0,52*10^-10 м³/Кл, а при 800 К R = - 0,58*10^-10 м³/Кл.

Магнитная восприимчивость при 296 К χ = Д 0,0860 *10^-9, а жидкой {чистота 99,9 % Сu) χ = 0,097*10^-9. Наибольшее значение коэффициента вторичной электронной эмиссии σ макс =l,14, при ускоряющем напряжении первичных электронов 0,60 кэВ.

Тепловые и термодинамические. Температура плавления 1083°С, температура кипения 2573°С, характеристическая температура Θ_D 345 К, удельная теплота плавления 239 кДж/кг, удельная теплота испарения 4790 кДж/кг. Удельная теплоемкость меди при 293 К при постоянном давлении Ср= 384,2 Дж/(кг*K), а жидкой (при температуре плавления) 495 Дж/(кг*К). Удельная электронная теплоемкость Ср^эл = [0,688 мДж/(моль*К²)] *Т. Теплопроводность λ при 293 К равна 397 Вт/(м*К), при температуре 1356 К 165,8 Вт/(м*К).

Зависимость теплопроводности λ, от температуры (чистота 99,999 %):

Теплопроводность меди заметно не изменяется под влиянием висмута, свинца, серы, селена, сильно понижается под влиянием незначительных количеств мышьяка, алюминия, снижается под влиянием сурьмы. Температурный коэффициент линейного расширения при 293 К α = 16,7*10^-6К^-1.

Изменение α в зависимости от температуры (чистота 99,999%):

Температурный коэффициент объемного расширения при 293 К β = 49,2*10^-6 К^-1, в диапазоне 293-1356 К: β= (45,0+0,016 Т)*10^-6К^-1, где β Д коэффициент объемного расширения, К^-1; Т Д температура, К.

Молярная энтропия s° в зависимости от температуры:

Поверхностное натяжение при 1083 °С σ =1351 мН/м. Поверхностная энергия v =1115 мДж/м², для грани (100) v =1060, а для (111) v = 926 мДж/м³. Энергия дефекта упаковки 67 МДж/м². Давление пара р в зависимости от температуры:

Давление пара при температуре плавления Р =50,47 мПа. Энергия активации самодиффузии в интервале 1135Д1330 К Е= 205 КДж/моль.

Параметры взаимной диффузии (предэкспоненциальный множитель Do и энергия активации Е) некоторых элементов в меди:

Оптические свойства. Спектральный коэффициент излучения гладкой поверхности при 773Д1373 К еλ=0,12, длина волны λ=0,65 нм; для жидкой неокисленной меди коэффициент излучения еλ=0,15, а длина волны λ= 0,65 нм. Отражательная способность (коэффициент отражения n_D) в зависимости от длины волиы λ, для полированной меди (угол падения ~0):

Показатель преломления n в зависимости от длины волны (пленка толщиной 0,025Д0,050 мкм):

Механические свойства.

Временное сопротивление литой меди при сжатии σ_В^сж =1540 МПа. Микротвердость электролитической меди (99,95 % Сu) при 20 ⁰С Нμ =760 МПа, а при 300 °С 535Д545 МПа. Механические свойства меди (99,95 % Си) при низких температурах:

Скорость звуковых волн, м/с: продольных С_l= 4730; поперечных Ct = 2300. Удельное акустическое сопротивление Zs, МПа*с/м. Ударная вязкость меди KCU= 1570Д1765 кДж/м². Модуль нормальной упругости Е в зависимости от температуры:

Модуль сдвига G=42,400 ГПа.

Предел ползучести в зависимости от температуры:

Предел выносливости σ_R при 10⁸ циклов для мягкой меди равен 70 МПа, а для твердой 120 МПа. Установлено, что долговечность меди в вакууме возрастает, причем понижение давления до 1,33*10^-2 Па приводит к увеличению долговечности на порядок; при дальнейшем увеличении вакуума до 1,33*10^-6 Па долговечность практически не изменяется.

Типичные механические свойства меди (99,95 % Сu) при комнатной температуре (прутки прессованные):

* Сопротивление разрушению при растяжении.

** Предел выносливости σ_R определялся на базе 10⁸ циклов.

Химические свойства. Нормальный электродный потенциал реакции Сu-2е=Сu²⁺ = 0,34 В, а реакции Cu=Cu²⁺ =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 Д кислород, сера, висмут, свинец и железо. Сухой воздух и влага при комнатной температуре порознь не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО₂, на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. При нагреве на воздухе выше 185 °С медь покрывается слоем оксида (I) меди Сu₂О, который при 1025 °С переходит в оксид (II) меди СuО. При нагревании медь растворяется в серной и азотной кислотах, а также в аммиаке. Влажный хлор взаимодействует с медью при обычной температуре, oбразуя СuCl₂, 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 окисляемость меди при комнатной и повышенной температурах. Висмут в твердом состоянии практически в меди нерастворим. Свинец практически не 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 Д 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 % О₂ медь легко разрушается при горячей обработке давлением. Водород значительно растворим в твердой и 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 Cu₂Se. Теллур незначительно растворим в меди в твердом состоянии (около 0,01 %). Электрохимический эквивалент 0,32938 мг/Кл.

Технологические свойства. Температура литья 1150Д1230 °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 85Д95%. Вакуумная плавка улучшает пластичность меди. Температура прессования 800Д950 °С, температура горячей прокатки 820Д860 °С. Температура полного отжига 500Д700 °С, а отжига для уменьшения остаточных напряжений 180Д230 °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 2Д3 % Н₂. Для светлого отжига технической меди, содержащей 0,02Д0,03% О₂, используют пары воды при отсутствии веществ, вызывающих ее диссоциацию, смесь азота с 2Д3 % водорода. Качество меди можно улучшить применением вакуума при горячей деформации. Температура рекристаллизации в зависимости от чистоты меди составляет 257Д377 ⁰С. Медь лучше обрабатывается резанием в деформированном состоянии. Хорошо поддается сварке и пайке. Коэффициент трения меди в паре со сталью со смазкой (веретенное масло Ж 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, провода, кабели, в частности, кабели для подземных линий высокого напряжения, шины, детали в телеграфных, телефонных и радио-телевизионных аппаратах, печатные схемы);

б)   машиностроение (теплообменники, криогенные установки, опреснительные 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 на алюминиевой основе (дуралюмин и др.). Используется медь и в качестве легирующей присадки железным сплавам для улучшения их свойств. Присадка меди к конструкционным сталям повышает их предел текучести, коррозионную стойкость и увеличивает закаливаемость.