L'effetto del contenuto di ossigeno sulle proprietà del rame puro

L'ossigeno è uno degli elementi impuri più comuni e influenti nel rame puro. Anche concentrazioni molto basse di ossigeno possono modificare in modo significativo le proprietà fisiche, meccaniche, elettriche, termiche e di lavorazione del rame. Nella produzione industriale, il contenuto di ossigeno è solitamente strettamente controllato in base agli scenari applicativi e il suo impatto si riflette principalmente nei seguenti aspetti.

L'ossido di rame formato da ossigeno e rame è un composto semiconduttore con resistività molto più elevata rispetto alla matrice di rame. Quando l'ossigeno si dissolve nel rame sotto forma di soluzione solida o precipita come particelle di ossido di rame ai bordi dei grani, ostacolerà il movimento degli elettroni liberi, aumenterà la dispersione degli elettroni e quindi ridurrà la conduttività elettrica. In generale, all’aumentare del contenuto di ossigeno, la conduttività del rame diminuisce gradualmente. Per il rame ad alta-conduttività utilizzato in cavi, fili, motori e trasformatori, il contenuto di ossigeno deve essere rigorosamente limitato, solitamente controllato al di sotto di 10 ppm, altrimenti influirà direttamente sull'efficienza di trasmissione e sul consumo energetico dei prodotti elettrici.

In secondo luogo, il contenuto di ossigeno determina la conduttività termica del rame puro. 

Similmente alla conduttività, la presenza di ossigeno e ossido di rame interferisce con la propagazione del flusso di calore nel cristallo. L'elevato contenuto di ossigeno riduce la conduttività termica del rame, rendendolo meno adatto per componenti di dissipazione del calore come dissipatori di calore, scambiatori di calore e materiali di imballaggio elettronico. Al contrario, il rame a basso-ossigeno o privo di ossigeno-ha una conduttività termica estremamente elevata e può esportare rapidamente calore, il che è essenziale per le apparecchiature elettriche ed elettroniche ad alte-prestazioni.

In terzo luogo, l’ossigeno ha un impatto critico sulle proprietà meccaniche del rame puro, in particolare sulla plasticità e sulla tenacità. 

Quando il contenuto di ossigeno è basso, il rame mantiene comunque una buona duttilità e malleabilità, adatto allo stampaggio, alla trafilatura, alla piegatura e ad altre lavorazioni a freddo. Tuttavia, quando l'ossigeno supera un certo intervallo, ai bordi dei grani si formano un gran numero di inclusioni di ossido di rame e fasi fragili, il che riduce significativamente la plasticità e la resistenza agli urti del rame. Tale rame è soggetto a fratture intergranulari durante la lavorazione e la superficie è soggetta a crepe e difetti a buccia d'arancia. Allo stesso tempo, la resistenza e la durezza del rame aumenteranno leggermente con l'aumento dell'ossigeno, ma ciò va a scapito della plasticità, che non favorisce la lavorazione profonda.

In quarto luogo, il contenuto di ossigeno influisce direttamente sulle prestazioni di saldatura e sulla lavorabilità a caldo del rame puro, che è anche uno dei problemi più preoccupanti nella lavorazione industriale. 

Il rame contenente un alto contenuto di ossigeno è molto facile da produrre infragilimento da idrogeno durante la saldatura o la brasatura. L'idrogeno nell'atmosfera o nel flusso di saldatura reagisce con l'ossido di rame ad alta temperatura per produrre vapore acqueo. All'interno del materiale si accumula un gran numero di bolle di vapore acqueo, causando micro-fessure e pori, che riducono seriamente la resistenza del giunto e la tenuta all'aria. Pertanto, il rame ad alto-ossigeno è difficile da saldare in modo affidabile ed è anche soggetto a fessurazioni durante la laminazione a caldo, la forgiatura a caldo e altri trattamenti termici. Al contrario, il rame senza-ossigeno o il rame a basso-ossigeno offre eccellenti prestazioni di saldatura ed è ampiamente utilizzato in dispositivi a vuoto, guide d'onda e parti di saldatura di precisione.

Le inclusioni di ossido di rame diventano facilmente punti di inizio della corrosione, accelerando la corrosione locale come la corrosione per vaiolatura e la corrosione intergranulare in ambienti umidi, acidi o inquinati. È inoltre più difficile ottenere una superficie liscia e brillante sui materiali con un elevato contenuto di ossigeno durante la galvanica, la lucidatura e altri trattamenti superficiali e sono soggetti a macchie, cavità e scarsa adesione dei rivestimenti.

Il rame privo di ossigeno-con un contenuto di ossigeno inferiore a 5 ppm ha le migliori prestazioni di conduttività, conduttività termica, plasticità e saldatura e viene utilizzato nei settori dell'elettronica di fascia alta, dell'aerospaziale e delle comunicazioni. Il rame a basso-ossigeno è ampiamente utilizzato nei fili, nei cavi e nell'hardware di uso quotidiano grazie al suo costo e alle sue prestazioni moderati. Il rame ad alto-ossigeno viene utilizzato solo in occasioni con bassi requisiti di lavorazione e conduttività, come alcune parti di fusione.

L'ossigeno è un elemento a doppio taglio-nel rame puro. Un eccesso di ossigeno danneggerà la conduttività elettrica, la conduttività termica, la plasticità, le prestazioni di saldatura e la resistenza alla corrosione, mentre un livello di ossigeno ultra-basso è la chiave per garantire un rame ad alte-prestazioni. Nella produzione e nell'applicazione, il controllo accurato del contenuto di ossigeno è un mezzo importante per bilanciare costi, prestazioni e durata dei materiali in rame puro.