Чистая медь обладает самой высокой электропроводностью среди всех промышленных металлов. Это свойство делает его предпочтительным материалом для силовых и телекоммуникационных кабелей, магнитных (обмоточных) проводов, проводников печатных плат и множества других электрических применений. Медь обладает достаточной прочностью, пластичностью и твердостью для этих применений при рабочих температурах до 100 °C. Однако для многих других применений требования электротехнической технологии требуют, чтобы медь обладала более высокими механическими свойствами и могла использоваться при повышенных рабочих температурах, сохраняя при этом хорошую проводимость, за которую она выбрана в первую очередь.
На протяжении десятилетий медная промышленность вкладывала много исследовательских усилий в создание материалов, способных удовлетворить эти высокие требования. Результаты этого исследования получены в большом разнообразии сплавов с высоким содержанием меди, материалов, свойства которых равны или, в некоторых случаях, выше, чем у многих других технических металлов, но которые имеют достаточно высокую проводимость для применения в электротехнике.
С точки зрения состава и формы кованых изделий (стержень, пруток, лист, полоса и т.д.), эти сплавы изначально определялись как имеющие содержание меди менее 99,3%, но более 96% и не попадают ни в какую другую группу медных сплавов. «Другая группа сплавов» означает, что они обычно не относятся к категории, скажем, бронзы или медно-никелевых сплавов.
Чистая медь является оптимальным материалом для проводников электрического тока. Она сочетает в себе высокую электропроводность и разумную цену. Но для многих применений проводов и кабелей требуется прочность, превышающая прочность, достижимую для чистой медной проволоки, например, для контактов разъема. В этих случаях использование медных сплавов становится необходимым. Повышение прочности сплавов возможно за счет двух различных металлургических эффектов: твердения в растворе и осадительного упрочнения.
Семейство сплавов с высоким содержанием меди включает в себя в кованых формах кадмиевые медные сплавы (C16200 и C16500), бериллиевые медные сплавы (C17000-C17500), хромовые медные сплавы (C18100-C18400), циркониевую медь (C15000), хромо-циркониевую медь (C14500) и комбинации этих и других элементов. Сплав C18000, еще один член группы, содержит никель, кремний и хром. Существует меньше литых сплавов с высоким содержанием меди, хотя семейство бериллиевой меди широко представлено.
Медная решетка способна растворять определенное количество атомов других металлов, например, Sn, Zn и Mg. Эти атомы занимают места решетки атомов меди, которые называются твердым раствором. Решетка меди вблизи атомов искажается при расширении, если атомы, которые больше атома меди, например, Zn и Mg. Если атомы меньше меди, например, Sn, Ni и Al, искажение решетки представляет собой сжатие.
В обоих случаях сопротивление материала деформации увеличивается по сравнению с чистой медью, другими словами, материал становится тверже. Этот вид сплавов называется «сплавами, закаленными в твердом растворе». Некоторые элементы могут быть растворены в меди в высоких процентах. Согласно диаграммам равновесной фазы, максимальная растворимость Zn составляет 39,0%, а Sn — 15,8%. Стандартные латуни с 30 или 36% Zn и бронзы с 5, 6 и 8% Sn часто применяются в электронной промышленности, если прочность чистой меди недостаточна.
Для получения высокопрочной проволоки, в дополнение к эффекту твердения в твердом растворе, необходима высокая степень деформации при холодной вытяжке. Тонкие провода из люминофорной бронзы легко достигают значений прочности 1000 МПа благодаря холодной вытяжке. Но искажение решетки из-за легированных элементов снижает электропроводность. Недостатком сплавов, упрочненных твердым раствором, является низкая электропроводность, например, около 25% IACS (латунь CuZn36) и около 14% IACS (фосфорная бронза CuSn6). Это снижение электропроводности связано с искажением решетки, вызванным легирующими атомами.
Для минимизации падения электропроводности и повышения прочности применяются сплавы с высоким содержанием меди, упрочненные твердым раствором, с низким содержанием легированных элементов.
Способность растворять другие типы атомов в целом увеличивается при повышенных температурах. При понижении температуры предел растворимости не соблюдается. Этот факт может быть использован для получения осадков в результате процедуры отжига при температурах ниже предела растворимости. Атомы образуют осадки, вторую фазу, интерметаллид. Размер этих частиц обычно меньше 100 нм. Когда атомы покидают решетку, искажение решетки устраняется, а электропроводность материала увеличивается.
Холодная деформация после отжига в растворе, способствует образованию мелких и однородно распределенных осадков. С другой стороны, осадки повышают базовую прочность материала и влияют на характеристики упрочнения. Они упрочняют материал. По этой причине такие сплавы называются «сплавами, упрочненными осадками».
Большим преимуществом сплавов, упрочненных осадками, является их устойчивость к релаксации. Если материал подвергается воздействию повышенных рабочих температур, осадки не растворяются и повышенная твердость основы сохраняется. Провода из двух сплавов, CuFe2P и CuNi3SiMg, уже используются для соединительных контактов. Поскольку содержание легированных элементов в этих сплавах низкое, эти сплавы классифицируются как сплавы с высоким содержанием меди. Их называют “сплавами с высоким содержанием меди, упрочненными осадками”.
Для тяжелых условий эксплуатации требуются высокоэффективные материалы, например, в автомобильной промышленности, если проектируются разъемы вблизи двигателя:
Прочность сплавов, закаленных в твердом растворе, обусловлена деформацией решетки в процессе холодной вытяжки. При воздействии повышенных температур деформация термически восстанавливается (ослабевает), а прочность снижается до значения базовой прочности материала. Поскольку эта базовая прочность низкая, сплавы, закаленные в твердом растворе, подвержены сильному расслаблению. В принципе, сплавы, упрочненные осадками, подвергаются такому же разрушению. Однако их базовая прочность намного выше, и, следовательно, они обладают хорошей, а некоторые сплавы даже очень хорошей релаксационной стойкостью.
Ниже приведены несколько типичных применений, каждое из которых охватывает очень широкий спектр конструкций и требований для удовлетворения потребностей продукта.
Некоторые из перечисленных применений обычно удовлетворяются одним из электрических котлов UNS C10100-C12000, а сплавы с высоким содержанием меди используются только тогда, когда требуются их улучшенные свойства и когда можно допустить несколько меньшую электрическую или теплопроводность.
Клеммы и разъемы для электрических, электронных и автомобильных применений. Основная их часть изготовлена из латуни или, для более сложных применений, из фосфорной бронзы. Сплавы с высоким содержанием меди, такие как бериллиевая медь, медно-никелевые и другие, предназначены для более тяжелых условий эксплуатации, особенно в отношении сопротивления релаксации напряжений. Как всегда, такие факторы, как формуемость, прочность и проводимость, играют важную роль при выборе материалов. Проектировщики обычно работают с поставщиками сплавов, когда речь идет о подробных требованиях к свойствам.
Пружины для контактов реле и распределительных устройств. Здесь также используются менее дорогостоящие сплавы для изделий товарного типа, а при необходимости используются сплавы с высоким содержанием меди.
Рамки выводов интегральных схем. Они изготовлены из специальных сплавов, разработанных как для их свойств, связанных с соединителями, так и для совместимости с требованиями к упаковке.
Шинопроводы. Шинопроводы (стержни, прутки, пластины), если они не сварены, обычно изготавливаются из электролитической меди с твердым шагом, C11000, или для максимальной проводимости из электронных или бескислородных медей с высокой проводимостью. Там, где механические требования требуют более высокой прочности, могут быть рассмотрены разбавленные сплавы, такие как серебросодержащая медь или сплавы с высоким содержанием меди. Для сварных или паяных шинопроводов требуется либо бескислородная медь, либо раскисленная медь.
Стержни ротора. Обычно они изготавливаются из чистой меди, если требования к прочности не требуют более высоких механических свойств.
Арматура. Она также изготавливается из чистой меди, если не требуется более высокая прочность или стойкость к отжигу, и в этом случае можно использовать серебросодержащую медь.
Коллекторы. Серебросодержащая медь (C11400) используется из-за ее стойкости к отжигу.
Электроды для точечной сварки, круги для сварки швов. Различные марки, перечисленные Ассоциацией производителей контактной сварки (RWMA), включают хромовые медные (класс II) и дисперсионно-упрочненные медные (класс III), среди ряда других.
