Η επίδραση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο στις ιδιότητες του καθαρού χαλκού

Το οξυγόνο είναι ένα από τα πιο κοινά και επιδραστικά στοιχεία ακαθαρσιών στον καθαρό χαλκό. Ακόμη και πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τις φυσικές, μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές και μεταποιητικές ιδιότητες του χαλκού. Στη βιομηχανική παραγωγή, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο συνήθως ελέγχεται αυστηρά σύμφωνα με τα σενάρια εφαρμογής και ο αντίκτυπός της αντανακλάται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές.

Το οξείδιο του χαλκού που σχηματίζεται από το οξυγόνο και ο χαλκός είναι μια ημιαγωγική ένωση με πολύ υψηλότερη ειδική αντίσταση από τη μήτρα του χαλκού. Όταν το οξυγόνο διαλύεται στον χαλκό με τη μορφή στερεού διαλύματος ή καθιζάνει ως σωματίδια οξειδίου του χαλκού στα όρια των κόκκων, θα εμποδίσει την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, θα αυξήσει τη σκέδαση των ηλεκτρονίων και έτσι θα μειώσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Γενικά, με την αύξηση της περιεκτικότητας σε οξυγόνο, η αγωγιμότητα του χαλκού μειώνεται σταδιακά. Για χαλκό υψηλής{3} αγωγιμότητας που χρησιμοποιείται σε καλώδια, καλώδια, κινητήρες και μετασχηματιστές, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο πρέπει να είναι αυστηρά περιορισμένη, συνήθως ελέγχεται κάτω από 10 ppm, διαφορετικά θα επηρεάσει άμεσα την απόδοση μετάδοσης και την κατανάλωση ενέργειας των ηλεκτρικών προϊόντων.

Δεύτερον, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο καθορίζει τη θερμική αγωγιμότητα του καθαρού χαλκού. 

Παρόμοια με την αγωγιμότητα, η ύπαρξη οξυγόνου και οξειδίου του χαλκού θα παρεμποδίσει τη διάδοση της ροής θερμότητας στον κρύσταλλο. Η υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνει τη θερμική αγωγιμότητα του χαλκού, καθιστώντας τον λιγότερο κατάλληλο για εξαρτήματα απαγωγής θερμότητας όπως ψύκτρες θερμότητας, εναλλάκτες θερμότητας και ηλεκτρονικά υλικά συσκευασίας. Αντίθετα, ο χαλκός με χαμηλό-οξυγόνο ή-ελεύθερο οξυγόνο έχει εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα και μπορεί να εξάγει γρήγορα θερμότητα, κάτι που είναι απαραίτητο για ηλεκτρονικό και ηλεκτρικό εξοπλισμό υψηλής απόδοσης.

Τρίτον, το οξυγόνο έχει κρίσιμο αντίκτυπο στις μηχανικές ιδιότητες του καθαρού χαλκού, ιδιαίτερα στην πλαστικότητα και την σκληρότητα. 

Όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι χαμηλή, ο χαλκός εξακολουθεί να διατηρεί καλή ολκιμότητα και ελατότητα, κατάλληλος για σφράγιση, σχεδίαση, κάμψη και άλλη ψυχρή επεξεργασία. Ωστόσο, όταν το οξυγόνο υπερβαίνει ένα ορισμένο εύρος, ένας μεγάλος αριθμός εγκλεισμάτων οξειδίου του χαλκού και εύθραυστων φάσεων σχηματίζεται στα όρια των κόκκων, γεγονός που μειώνει σημαντικά την πλαστικότητα και την σκληρότητα κρούσης του χαλκού. Αυτός ο χαλκός είναι επιρρεπής σε ενδοκοκκώδη θραύση κατά την επεξεργασία και η επιφάνεια είναι επιρρεπής σε ρωγμές και ελαττώματα φλοιού πορτοκαλιού. Ταυτόχρονα, η αντοχή και η σκληρότητα του χαλκού θα αυξηθούν ελαφρώς με την αύξηση του οξυγόνου, αλλά αυτό είναι σε βάρος της πλαστικότητας, η οποία δεν ευνοεί τη βαθιά επεξεργασία.

Τέταρτον, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο επηρεάζει άμεσα την απόδοση συγκόλλησης και την εργασιμότητα εν θερμώ του καθαρού χαλκού, που είναι επίσης ένα από τα πιο ανησυχητικά προβλήματα στη βιομηχανική επεξεργασία. 

Ο χαλκός που περιέχει υψηλό οξυγόνο είναι πολύ εύκολο να δημιουργήσει ευθραυστότητα υδρογόνου κατά τη συγκόλληση ή τη συγκόλληση. Το υδρογόνο στην ατμόσφαιρα ή τη ροή συγκόλλησης αντιδρά με το οξείδιο του χαλκού σε υψηλή θερμοκρασία για την παραγωγή υδρατμών. Ένας μεγάλος αριθμός φυσαλίδων υδρατμών συσσωρεύεται μέσα στο υλικό, με αποτέλεσμα μικρο-ρωγμές και πόρους, που μειώνουν σοβαρά την αντοχή της άρθρωσης και την αεροστεγανότητα. Επομένως, ο χαλκός με υψηλό-οξυγόνο είναι δύσκολο να συγκολληθεί αξιόπιστα και είναι επίσης επιρρεπής σε ρωγμές κατά την εν θερμώ έλαση, τη σφυρηλάτηση εν θερμώ και άλλες θερμικές επεξεργασίες. Αντίθετα, ο χαλκός-χωρίς οξυγόνο ή ο χαλκός χαμηλής-οξυγόνου έχει εξαιρετική απόδοση συγκόλλησης και χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευές κενού, κυματοδηγούς και εξαρτήματα συγκόλλησης ακριβείας.

Τα εγκλείσματα οξειδίου του χαλκού γίνονται εύκολα σημεία έναρξης διάβρωσης, επιταχύνοντας την τοπική διάβρωση, όπως η διάβρωση με κοιλότητες και η διακοκκώδης διάβρωση σε υγρά, όξινα ή μολυσμένα περιβάλλοντα. Τα υλικά με υψηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι επίσης πιο δύσκολο να αποκτήσουν μια λεία και φωτεινή επιφάνεια κατά την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, τη στίλβωση και άλλες επιφανειακές επεξεργασίες και είναι επιρρεπή σε κηλίδες, κοιλώματα και κακή πρόσφυση των επικαλύψεων.

Ο χαλκός χωρίς οξυγόνο-με περιεκτικότητα σε οξυγόνο κάτω από 5 ppm έχει την καλύτερη αγωγιμότητα, θερμική αγωγιμότητα, πλαστικότητα και απόδοση συγκόλλησης και χρησιμοποιείται σε τομείς υψηλής-ηλεκτρονικής, αεροδιαστημικής και επικοινωνίας. Ο χαλκός με χαμηλό-οξυγόνο χρησιμοποιείται ευρέως σε καθημερινά καλώδια, καλώδια και εξοπλισμό λόγω του μέτριου κόστους και της απόδοσής του. Ο χαλκός με υψηλό-οξυγόνο χρησιμοποιείται μόνο σε περιπτώσεις με χαμηλές απαιτήσεις για επεξεργασία και αγωγιμότητα, όπως ορισμένα μέρη χύτευσης.

Το οξυγόνο είναι ένα στοιχείο διπλής-ακμής σε καθαρό χαλκό. Το υπερβολικό οξυγόνο θα βλάψει την ηλεκτρική αγωγιμότητα, τη θερμική αγωγιμότητα, την πλαστικότητα, την απόδοση συγκόλλησης και την αντίσταση στη διάβρωση, ενώ το εξαιρετικά{2}}χαμηλό οξυγόνο είναι το κλειδί για τη διασφάλιση του χαλκού υψηλής-απόδοσης. Στην παραγωγή και την εφαρμογή, ο ακριβής έλεγχος της περιεκτικότητας σε οξυγόνο είναι ένα σημαντικό μέσο για την εξισορρόπηση του κόστους, της απόδοσης και της διάρκειας ζωής των υλικών καθαρού χαλκού.