XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Медь относится к числу основных конструкционных металлов, используемых в электронной промышленности. Широкое применение меди обусловлено благоприятным сочетанием ее свойств: высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью.Детали из бескислородной меди широко применяются в процессе производства электровакуумной техники специального назначения, таких как клистроны, маг­нетроны, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии СВЧ-приборов, некоторые типы волноводов и резонаторов.

Из выпускаемых в России марок стандартной меди в электротехнической промышленности в основном используются медь М1 и М0. Так, медь Ml содержит 99,90 % Сu, медь М0 - 99,95 % Сu. Маркировка меди проводится по содержанию примесей в основном металле. В электровакуумной технике к числу наиболее вредных примесей в меди следует отнести кислород. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механические и технологические свойства меди, а также затрудняется пайка и лужение. Наибольшую опасность представляет наличие кислорода в меди, используемой для получения электродов ВКУ, поэтому для их изготовления применяют так называемую бескислородную медь, чистотой 99,99% и выше (OFC – Oxygen-FreeCopper).

Водородной хрупкостью меди называют нарушение структуры, которое наблюдается в электротехнической меди. Так как удельное электрическое сопротивление меди при механической обработке возрастает свыше допустимой границы, ее нужно после такой обработки отжигать, чтобы вернуть ей первоначальные свойства. Чтобы ограничить окисление, медь отжигают в защитной атмосфере. Если эта атмосфера содержит водород или углеводороды, водород при высоких температурах проникает путем диффузии в медь и в ней реагирует с кислородом, который содержится в окиси меди, в результате чего образуется вода. Молекулы воды не могут диффундировать в меди. Водяной пар создает высокое давление, которое вызывает возникновение Пор и трещин в меди. Медь, пораженная водородной болезнью, становится хрупкой и легко ломается.

Бескислородная медь является дорогим продуктом, поэтому в погоне за прибылью производители меди часто используют вместе с исходным продуктом лом сомнительного происхождения, нарушают технологию производства. В связи с закрытием отечественных предприятий, занимающихся прокатом меди, на отечественном рынке появилось большое количество дилеров, предлагающих медь сомнительного качества под видом европейской продукции (Германии, Болгарии, Франции и т. д.), к которой чаще всего прилагаются реально существующие сертификаты с измененными номерами, датами, объемами и т.п. В расплав при получении меди могут попасть различные химические элементы и их соединения, существующие в ломе, что, в свою очередь, приводит к ухудшению таких показателей качества, как электропроводность и эластичность. Большинство производителей указывают в своих сертификатах качества только содержание меди без указания примесей, в том числе и растворенных газов скрывая, что их содержания выходят за рамки требований стандарта. При этом концентрация меди соответствует стандарту, поэтому помимо содержания кислорода в используемой при производстве электровакуумных приборов меди необходимо проверять весь спектр химических элементов, содержащихся в металле.

Для исключения образования различных окислов, ухудшающих контактирование, в вакуумной промышленности медь подвергают термической обработке в инертной среде водорода. Водород вступает в химическую реакцию с кислородом, который распределен в меди в виде мельчайших частиц закиси меди что приводит к выделению паров воды :

Крупные молекулы воды остаются в объеме меди и накапливаются в ее мельчайших порах, где при нагревании вода постепенно достигает высокого давления и образует пузырьки, а при охлаждении металла или последующей холодной деформации эти пузырьки становятся причиной появления трещин по границам зерен в металле. Медь становится хрупкой. Это явление получило название водородная болезнь меди.

В электронной промышленности процедура контроля бескислородной меди на стойкость к водородной хрупкости проводится в соответствии с нормативно-технической документацией [1,2] путем испытаний на перегиб. От каждого прутка изготовляют по одной пластинке толщиной 2 мм, шириной 10 мм, длиной не менее 100 мм. Для прутков диаметром менее 10 мм ширина пластинок должна соответствовать диаметру прутка.  Проводят отжиг в водороде при температуре (850±25) °С в течение 30 мин. Испытуемые образцы помещают в специальное устройство (рисунок 1) и проводят испытания проб на перегиб.

Рисунок 1 Устройство для испытаний на перегиб

Результаты испытания оценивают по следующим показателям:

а) достижению заданного числа перегибов без появления трещины;

б) по числу перегибов: до появления трещины на образце; до продвижения трещины до половины ширины образца; до полного разрушения образца.

Перегиб, при котором появилась трещина или образец разрушился до половины ширины, или образец разрушился полностью, - не учитывается при подсчете. Образцы меди, не содержащей кислорода, выдерживают более 10 перегибов, в то время как в присутствии 0,02% (по массе) кислорода образцы разрушаются после первого перегиба.

Более точный метод контроля меди на стойкость к водородной болезни является металлографический контроль. Для его проведения образцы вырезают так, чтобы плоскость шлифа была параллельна направлению пластической деформации. Одна из боковых сторон не должна подвергаться механической обработке. Наблюдение под металлографическим микроскопом проводят при 200-кратном увеличении. Вид материала испытуемых образцов приведён на рисунках 3 и 4.

Рисунок 2 Выявленная водородная хрупкость на образцах

из бескислородной меди

Рисунок 3 Годный образец

При допустимом содержании кислорода отжиг в водороде не приводит к образованию газовых пузырей, вздутий или мелкозернистой зоны на краю образца, растравливанию по границам зерен, что и показано на рисунке 3.

Для повышения достоверности оценивания состояния бескислородной меди предлагается использовать электронный растровый электронный микроскоп (РЭМ), что позволит получить больше информации о структуре, строении и составе исследуемой поверхности. На рисунке 4 приведены фото микроструктуры исследуемых образцов меди.

Рисунок 4 Изображение микроструктуры образцов меди, полученная

с помощью РЭМ

Анализ изображений показывает, что первый образец (рисунок 4,а) имеет мелкозернистую структуру, области зерен сравнимы по площади, в то время как микроструктура второго образца (рисунок 4,б) имеет явные включения посторонних примесей, несмотря на наличие удовлетворительного сертификата. Посторонние примеси, а также большие различия площадей зерен могут послужить причиной возникновения дефектов при последующей механической обработке образцов меди.

Таким образом, стандартные методы, регламентированные ГОСТ, не всегда обеспечивают полную информацию о качестве меди. Лишь сочетая различные методы, можно получить объективную оценку свойств анализируемого материала.

Список используемых источников

1. ГОСТ 24048-80 (СТ СЭВ 459-77, ИСО 2626-73) Медь. Методы определения стойкости против водородной хрупкости (с Изменениями N 1, 2) [Электронный доступ] http://docs.cntd.ru/document/1200010972

2. ГОСТ 13813-68 (ИСО 7799-85) Металлы. Метод испытания на перегиб листов и лент толщиной менее 4 мм (с Изменениями N 1, 2) [Электронный доступ] http://docs.cntd.ru/document/1200008787