El efecto del contenido de oxígeno sobre las propiedades del cobre puro
El oxígeno es uno de los elementos impuros más comunes e influyentes en el cobre puro. Incluso concentraciones muy bajas de oxígeno pueden cambiar significativamente las propiedades físicas, mecánicas, eléctricas, térmicas y de procesamiento del cobre. En la producción industrial, el contenido de oxígeno suele controlarse estrictamente según los escenarios de aplicación y su impacto se refleja principalmente en los siguientes aspectos.
En primer lugar, el oxígeno tiene un efecto evidente sobre la conductividad eléctrica del cobre puro.
El óxido de cobre formado por oxígeno y cobre es un compuesto semiconductor con una resistividad mucho mayor que la matriz de cobre. Cuando el oxígeno se disuelve en cobre en forma de solución sólida o precipita como partículas de óxido de cobre en los límites de los granos, dificultará el movimiento de los electrones libres, aumentará la dispersión de electrones y, por lo tanto, reducirá la conductividad eléctrica. En términos generales, con el aumento del contenido de oxígeno, la conductividad del cobre disminuye gradualmente. Para el cobre de alta-conductividad utilizado en cables, alambres, motores y transformadores, el contenido de oxígeno debe limitarse estrictamente, generalmente controlado por debajo de 10 ppm; de lo contrario, afectará directamente la eficiencia de transmisión y el consumo de energía de los productos eléctricos.
En segundo lugar, el contenido de oxígeno determina la conductividad térmica del cobre puro.
De manera similar a la conductividad, la existencia de oxígeno y óxido de cobre interferirá con la propagación del flujo de calor en el cristal. El alto contenido de oxígeno reduce la conductividad térmica del cobre, lo que lo hace menos adecuado para componentes de disipación de calor como disipadores de calor, intercambiadores de calor y materiales de embalaje electrónicos. Por el contrario, el cobre con poco-oxígeno o sin oxígeno-tiene una conductividad térmica extremadamente alta y puede exportar calor rápidamente, lo cual es esencial para equipos electrónicos y eléctricos de alto-rendimiento.
En tercer lugar, el oxígeno tiene un impacto crítico en las propiedades mecánicas del cobre puro, especialmente en la plasticidad y la tenacidad.
Cuando el contenido de oxígeno es bajo, el cobre aún mantiene una buena ductilidad y maleabilidad, lo que lo hace adecuado para estampar, estirar, doblar y otros trabajos en frío. Sin embargo, cuando el oxígeno excede un cierto rango, se forma una gran cantidad de inclusiones de óxido de cobre y fases frágiles en los límites de los granos, lo que reduce significativamente la plasticidad y la tenacidad al impacto del cobre. Dicho cobre es propenso a fracturarse intergranularmente durante el procesamiento, y la superficie es propensa a grietas y defectos de piel de naranja. Al mismo tiempo, la resistencia y dureza del cobre aumentarán ligeramente con el aumento de oxígeno, pero esto a costa de la plasticidad, que no favorece un procesamiento profundo.
En cuarto lugar, el contenido de oxígeno afecta directamente el rendimiento de la soldadura y la trabajabilidad en caliente del cobre puro, que también es uno de los problemas más preocupantes en el procesamiento industrial.
El cobre que contiene alto contenido de oxígeno es muy fácil de producir fragilización por hidrógeno durante la soldadura o la soldadura fuerte. El hidrógeno en la atmósfera o fundente de soldadura reacciona con el óxido de cobre a alta temperatura para producir vapor de agua. Una gran cantidad de burbujas de vapor de agua se acumulan dentro del material, lo que produce micro-fisuras y poros, que reducen seriamente la resistencia de la unión y la estanqueidad al aire. Por lo tanto, el cobre con alto-oxígeno es difícil de soldar de manera confiable y también es propenso a agrietarse durante el laminado y forjado en caliente y otros procesos térmicos. Por el contrario, el cobre-libre de oxígeno o el cobre con bajo-oxígeno tiene un excelente rendimiento de soldadura y se usa ampliamente en dispositivos de vacío, guías de ondas y piezas de soldadura de precisión.
Además, el oxígeno también afecta la resistencia a la corrosión y la calidad de la superficie del cobre puro.
Es fácil que las inclusiones de óxido de cobre se conviertan en puntos de inicio de la corrosión, acelerando la corrosión local, como la corrosión por picaduras y la corrosión intergranular en ambientes húmedos, ácidos o contaminados. Los materiales con alto contenido de oxígeno también tienen más dificultades para obtener una superficie lisa y brillante durante la galvanoplastia, el pulido y otros tratamientos superficiales, y son propensos a manchas, picaduras y una mala adhesión de los recubrimientos.
En la clasificación industrial, el cobre puro a menudo se divide en cobre-libre de oxígeno (OF-Cu), cobre con bajo-oxígeno y cobre con alto-oxígeno según el contenido de oxígeno.
El cobre libre de oxígeno- con un contenido de oxígeno inferior a 5 ppm tiene la mejor conductividad, conductividad térmica, plasticidad y rendimiento de soldadura, y se utiliza en los campos de la electrónica, aeroespacial y de comunicaciones de alta-extremidad. El cobre con bajo-oxígeno se utiliza ampliamente en alambres, cables y hardware cotidianos debido a su costo y rendimiento moderados. El cobre con alto contenido de oxígeno-solo se utiliza en ocasiones con bajos requisitos de procesamiento y conductividad, como algunas piezas de fundición.
En resumen
El oxígeno es un elemento-de doble filo en el cobre puro. El exceso de oxígeno dañará la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, la plasticidad, el rendimiento de la soldadura y la resistencia a la corrosión, mientras que el oxígeno ultra-bajo es la clave para garantizar un cobre de alto-rendimiento. En la producción y aplicación, controlar con precisión el contenido de oxígeno es un medio importante para equilibrar el costo, el rendimiento y la vida útil de los materiales de cobre puro.
