🔥 Miedź Własności i Zastosowanie

Miedź była już znana w starożytności. Obecnie otrzymuje się ją za pomocą procesów ogniowych stosowanych w pirometalurgii oraz w mniejszym stopniu za pomocą procesów hydroelektrometalurgicznych. Miedź otrzymana za pomocą procesów pirometalurgicznych jest silnie zanieczyszczona i z tego powodu poddaje się ją zazwyczaj rafinacji ogniowej lub elektrolitycznej.

Cu
– metal półszlachetny
– dobra odporność korozyjna (pokrywa się patyną)
– wysoka przewodność elektr i cieplna
– łatwość odlewania
– przeróbka plast na zimno i gorąco
– bardzo dobra skrawalność i spawalność
– Miedź stopowa
– stop podwójny 98% Cu, do 2% pierw stopowych (np. na wymienniki ciepła)

Miedź elektrolityczna dla wielu celów, zwłaszcza naukowych i elektronicznych, jest jeszcze zbyt silnie zanieczyszczona i z tego powodu poddaje się ją dodatkowo rafinacji, ale najczęściej już w pracowniach naukowych lub w zakładach użytkowych, metodami metalurgii próżniowej. Jako materiał wyjściowy do tej rafinacji służy miedź elektrolityczna, którą poddaje się najpierw w stanie ciekłym redukcji tlenkiem węgla, lub węglem i otrzymuje się miedź beztlenową. Następnie przetapia się ją w próżni i otrzymuje się miedź próżniową pozbawioną prawie całkowicie gazów.

Własności Fizyczne Miedzi

Do własności tych należą: bardzo duża przewodność elektryczna, co wpływa na znaczne zastosowanie miedzi w przemyśle elektrotech­nicznym i elektronicznym oraz duża przewodność cieplna; co dzięki również wysokiej odporności miedzi na korozję, czyni ją bardzo uży­teczną w przemyśle chemicznym. Z innych własności miedzi na szczególną uwagę zasługuje zdolność do tworzenia dużej liczby stopów z róż­nymi pierwiastkami o bardzo dobrych własnościach mechanicznych i specjalnych.

Wysoka przewodność elektryczna miedzi zależy przede wszystkim od jej czystości. Wszelkie zanieczyszczenia miedzi wpływają mniej lub bardziej szkodliwie na jej przewodność elektryczną. Z tego powodu w elektronice, oraz na przewody elektryczne stosuje się tylko miedź o dużej czystości. Na przewodność elektryczną miedzi naj­bardziej obniżająco działają zanieczyszczenia fosforem, krzemem, żela­zem, arsenem, berylem, aluminium, cyną i niklem. Natomiast srebro, kadm i cynk obniżają przewodność elektryczną miedzi tylko w stopniu nieznacznym.

Własności Chemiczne Miedzi

Jedną z najważniejszych własności chemicznych miedzi jest jej stosun­kowo duża odporność na korozję. W wilgotnym powietrzu miedź pokrywa się warstwą tzw. paty­ny, która jest zasadowym węglanem miedzi, chroniącą w pewnym stopniu miedź przed dalszą korozją. Na działanie wilgotnej atmosfery przemysłowej, zawierającej dwutlenek siarki, jest miedź jednak nieodporna, ponieważ wytwarza­jąca się wtedy na jej powierzchni warstewka zasadowego siarczanu miedzi nie zabezpiecza jej przed dalszą korozją.

Miedź w mniejszym lub w większym stopniu utleniona, z jaką przeważnie ma się do czynienia w przemyśle, traci zdolność do obrób­ki plastycznej po wyżarzeniu jej w temperaturze 500°C­ lub w tempe­raturze wyższej w atmosferze redukującej, zawierającej wodór, a więc przede wszystkim w czystym wodorze, gazie świetlnym, gazie koksow­niczym, gazie generatorowym wodnym itp. To szkodliwe zjawisko, zwane chorobą wodorową mie­dzi, spowodowane jest stosunkowo dużą zdolnością wodoru do dy­fundowania do miedzi, szczególnie w wyższych temperaturach i reak­cją wodoru z tlenkiem miedziawym w myśl równania

Cu2 + H2 = 2Cu + H20

przy czym powstaje czysta miedź oraz para wodna, która z powodu braku zdolności do dyfuzji nie może się z miedzi wydostać na zew­nątrz. Ponieważ wytworzona para wodna może mieć duże ciśnienie, przeto może ono wywołać lokalne mikroskopowe pęknięcia miedzi, których wpływ na własności uwidacznia się wyraźnie dopiero podczas następnej obróbki plastycznej. Uniknięcie tego szkodliwego zjawiska jest możliwe przez użycie miedzi nie zawierającej tlenu lub przez za­stosowanie wyżarzania w atmosferze nie zawierającej wodoru, ani łatwo rozkładających się związków zawierających wodór.

Z technicznie ważnych materiałów chemicznych silnie działają na miedź: chlor, chlorek amonu, chlorek glinu, chlorek żelaza, fluorek amonu, kwas siarkowy w wyższych temperaturach, siarkowodór, a nie­co słabiej: acetylen (niebezpieczeństwo eksplozji), chlorek sodowy, chlorek wapnia, chlorowodór, kwas solny, siarczek sodowy, wapno bie­lące, zaprawa murarska itp. Rozpuszczalnikiem miedzi jest kwas azotowy, w którym rozpusz­cza się ona bardzo łatwo, szczególnie przy użyciu go w stanie stężo­nym.

Własności Mechaniczne Miedzi

Umocnienie miedzi może być osiągnięte tylko przez obróbkę plastyczną na zimno (zgniot). Wyżarzanie miedzi zgniecionej, poczynając od temperatury rekry­stalizacji, powoduje znaczny spadek własności wytrzymałościowych przy jednoczesnym wzroście własności plastycznych. Jednoznaczna temperatura początku rekrystalizacji dla każdego rodza­ju miedzi: dla miedzi elektrolitycznej (jako dla miedzi bardziej czy­stej) wynosi ona ok. 200°C, a dla miedzi hutniczej (znacznie zanie­czyszczonej) – nieco więcej.

Na ogół można stwierdzić, że temperatu­ra rekrystalizacji dla miedzi, objawiająca się najgwałtowniejszym spadkiem wytrzymałości na rozciąganie lub twardości, a jednocześnie wzrostem wydłużenia dla różnych gatunków miedzi i różnych zgniotów waha się w zakresie temperatury ok. 300-400°C. Dla miedzi elektrolitycznej, największą wartość wydłużenia otrzy­muje się po wyżarzeniu jej w temperaturze 400-500°C, a dla miedzi hutniczej – po wyżarzeniu w temperaturze 650°C.

Wpływ zanieczyszczeń na własności mechaniczne miedzi jest bar­dzo różny i zależy przede wszystkim od tego, w jakim stanie one wy­stępują się i gdzie się one umiejscawiają.

Wpływ antymonu na własności miedzi, zwłaszcza plastyczne, jest bardzo szkodliwy i z tego powodu nawet w najgorszej miedzi ra­finowanej ogniowo nie powinno go być więcej niż 0,2%.

Wpływ arsenu na własności plastyczne miedzi jest również szkodliwy, lecz dopiero przy większej zawartości, ponieważ zwiększa kruchość na zimno, a powyżej 1% As – również na gorąco. Dopuszczalna zawartość arsenu w miedzi wynosi 0,2%, gdyż w tych ilościach jest on jeszcze nie szkodliwy, a nawet przeciwstawia się innym domieszkom. Dodatek arsenu w podanej wyżej ilości podnosi wytrzymałość na rozciąganie, nie obniżając udarności.

Bizmut należy do pierwiastków trudno usuwalnych z miedzi na skutek rafinacji. Z powodu nie rozpuszczalności bizmutu w stałej miedzi, wydziela się on na granicy ziarn, a z powodu swej niskiej tem­peratury topnienia powoduje kruchość na gorąco już przy zawartości przekraczającej 0,01% Bi. Dopuszczalna zawartość bizmutu wynosi 0,005%. Obecność arsenu i tlenu przeciwstawia się temu szkodliwemu działaniu bizmutu. Przy zawartości 0,05% Bi, miedź staje się krucha również na zimno.

Fosfor jest najbardziej popularnym odtleniaczem miedzi. Większa jego pozostałość w miedzi po odtlenieniu jest na ogół nie­wskazana, ponieważ wpływa na kruchość miedzi. Najlepsze wyniki daje stosowanie fosforu z nieznacznym tylko nadmiarem, np. 0,03%÷0,1% P, gdyż daje to pewność całkowitego usunięcia tlenków. Oko­liczność ta jest szczególnie pożądana, gdy miedź ma być wyżarzona w atmosferze zawierającej wodór (choroba wodorowa).

Ołów jest w miedzi nierozpuszczalny i wskutek tego wydziela się przeważnie na granicy ziarn, co czyni miedź powyżej temperatury topnienia ołowiu (327°C) kruchą na gorąco i to już przy zawartości 0,1% Pb. Z tego powodu jest on w miedzi w ogóle niepożądany. W przypadku jednak blachy miedzianej do głębokiego tłoczenia, opuszcza się w niej pewną zawartość ołowiu, dochodzącą nawet do 0,2%, jednak pod warunkiem, że będzie obrabiana plastycznie tylko na zimno.

Siarka dostaje się do miedzi przeważnie z gazów spalinowych i do zawartości 0,1% nie jest jeszcze szkodliwa. Obecność jej łatwo można wykryć przez obserwację pod mikroskopem w świetle spola­ryzowanym próbki wytrawionej kwasem fluorowodorowym; siarczki uwidaczniają się wtedy w postaci niebieskich pól, a tlenki po takim samym wytrawieniu – w postaci pól czarnych.

Tlen tworzy od strony miedzi bardzo ubogie roztwory stałe ­i eutektykę w temperaturze 1065°C o zawartości 0,39% tlenu (3,5% Cu2O). Rozpuszczalność tlenu w miedzi w miarę obniżania temperatu­ry szybko maleje i w temperaturze 400°C spada prawie do zera.

Zastosowanie Miedzi

Miedź znalazła bardzo duże zastosowanie, przede wszystkim z powodu swojej wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej oraz dużej odporności na korozję, znacznej plastyczności i zdolności do tworzenia wielu bardzo cennych stopów. Ponieważ miedź ma po srebrze największą przewodność elektryczną właściwą, wynoszącą w temperaturze 20°C, 58,0 MS/m, przeto jest ona najważniejszym materiałem na przewody. Połowa całego zużycia miedzi przypada na elektrotechnikę, w której znajduje zastosowanie w postaci drutów, blach, taśm itp.

Z powodu dużej przewodności cieplnej, miedź znalazła również za­stosowanie w przemyśle chemicznym do wyrobu chłodnic, aparatów chemicznych itp. Na zastosowanie to wpływa również stosunkowo duża odporność miedzi na korozję. Zdolność miedzi do pokrywania się patyną spowodowała, że zna­lazła zastosowanie do krycia dachów zabytkowych budowli oraz do wyrobu dzieł sztuki. Dużą plastyczność miedzi umożliwia wykonanie z niej za pomocą obróbki plastycznej na zimno lub gorąco różnych półfabrykatów w po­staci prętów, drutów, rur, blach, taśm itp., a duża zdolność do tworze­nia bardzo cennych stopów, w których występuje jako składnik głów­ny lub stopowy, czyni ją również niezmiernie cennym materiałem dla przemysłu maszynowego.

Stopy Miedzi

Stopy miedzi są po stalach i stopach aluminium najbardziej rozpowszechnionymi stopami technicznymi. Zawartość miedzi jest w nich różna i zależy przede wszystkim od dodanego składnika stopowego. Stopy podwójne miedzi z niklem, manganem, złotem, platyną i palladem, tworzą roztwory stałe ciągłe, a ze srebrem – w zależności od zawartości jednego składnika w drugim, tworzą roztwory stałe lub mieszaniny roztworów stałych granicznych. Z innymi składnikami, jak np. cynkiem, cyną, aluminium, krzemem, berylem, antymonem, kad­mem i magnezem podwójne stopy miedzi tworzą układy dość skompli­kowane na skutek występowania w nich różnych faz międzymetalicz­nych.

We wszystkich tych układach, od strony miedzi istnieją zawsze mniej lub bardziej szerokie zakresy roztworów stałych, oznaczonych jako ?. Roztwory te odznaczają się przeważnie dobrymi własność wytrzymałościowymi oraz dobrymi własnościami plastycznymi i z tego powodu stanowią zwykle użyteczne stopy przemysłowe. Rzadziej natomiast stosowane są stopy wielofazowe, które oprócz roztworu ? zawierają jeszcze i inne roztwory na bazie faz międzyme­talicznych. Stopy o takiej budowie są już mniej plastyczne i z tego powodu stosowane są przeważnie w stanie lanym.

Miedź jest metalem który występuje w skorupie ziemskiej w postaci związków chemicznych, głównie z tlenem, żelazem i siarką. Miedziane rudy siarczkowe są dzisiaj podstawowym surowcem do produkcji miedzi. Zawartość miedzi w rudach wynosi zwykle 1 – 2,5%, choć zdarza się spotykać czasem w przyrodzie miedź w stanie czystym w postaci ziarenek, kryształów i większych kawałków. Czysta miedź ma wiele cennych właściwości technicznych. Dużą plastyczność, dużą przewodność elektryczną i dobre przewodnictwo cieplne, jak również małe powinowactwo chemiczne z tlenem. Te właściwości przyczyniły się do jej szerokiego zastoso­wania.

Związki miedzi, tworzące się łatwo pod wpływem nawet słabych kwasów organicznych, są trujące (grynszpan), dlatego wszystkie naczy­nia miedziane muszą być wewnątrz pobielane cyną i w miarę zużycia pobielenie musi być odnawiane. Miedź ma charakterystyczną barwę różo­wo – złocistą. W wilgotnym powietrzu pokrywa się ona zieloną patyną, np. na starych dachach pokrytych blachą miedzianą. Jest to związek chemiczny, który chroni metal przed dalszą korozją. Ciężar właściwy czy­stej miedzi wynosi 8,9 G/cm3, temperatura topnienia 1083° C. Właściwości mechaniczne miedzi: wytrzymałość na rozciąganie Rr = 21÷24 kG/mm2, wydłużenie a – 38÷50%, twardość HB 35=50 kG/mm.

Miedź dzięki Dużej plastyczności i ciągliwości źle obrabia się na obrabiarkach. W celu polepszenia obrabialności poddaje się ją zgniotowi na zimna, co powoduje zwiększenie jej twardości i poprawę obrabialności. W stanie ciekłym miedź wchłania znaczne ilości gazów, które wydzielając się podczas krzepnięcia, tworzą puste miejsca. Skutki zgniotu spowodowane obróbką plastyczną na zimno można usunąć przez wyżarzenie przy 560÷7500C w ciągu 1-2 godzin. Po wyżarzeniu miedzi przywraca się normalne właściwości mechaniczne. Zależnie od metody otrzymywania w handlu występuje kilka gatunków miedzi, różniących się stopniem zawartości zanieczyszczeń.