1. ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของทองแดงบริสุทธิ์
ทองแดงบริสุทธิ์ (ทองแดงปลอดออกซิเจน-หรือทองแดงบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ เช่น T2, C11000) มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนค่อนข้างสูง ซึ่งเป็นหนึ่งในคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญในการใช้งานทางวิศวกรรม
จาก 20 องศาถึง 100 องศา : ประมาณ 16.5 × 10⁻⁶ / องศา
จาก 20 องศาถึง 200 องศา : ประมาณ 17.3 × 10⁻⁶ / องศา
จาก 20 องศาถึง 300 องศา : ประมาณ 17.7 × 10⁻⁶ / องศา
ซึ่งหมายความว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ทองแดงบริสุทธิ์จะขยายตัวอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งจะต้องพิจารณาในการออกแบบการระบายความร้อน การประกอบให้พอดี และ-ส่วนประกอบโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูง
2. ทองแดงบริสุทธิ์เหมาะสำหรับบริการที่อุณหภูมิสูง-ระยะยาว-หรือไม่
2.1 บทสรุป
ทองแดงบริสุทธิ์ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานระยะยาว-ที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะที่สูงกว่า 250 องศา
สามารถรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงได้เฉพาะในการให้บริการระยะยาว-ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 150 องศาในบรรยากาศที่ไม่กัดกร่อน เหนืออุณหภูมินี้ การเกิดออกซิเดชัน การอ่อนตัว การสูญเสียความแข็งแรง และการเสื่อมสภาพของโครงสร้างจะรุนแรงและจำกัดอายุการใช้งาน
2.2 การเสื่อมประสิทธิภาพของทองแดงบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิสูง
(1) เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน
อุณหภูมิต่ำกว่า 300 องศา ทองแดงจะเกิดฟิล์มออกไซด์บางๆ (Cu₂O และ CuO) ที่ให้การป้องกันที่จำกัด
สูงกว่า 300 องศา การเกิดออกซิเดชันจะเร่งขึ้นอย่างมาก ชั้นออกไซด์จะหนา หลวม และไม่มีการป้องกัน โดยแทรกซึมเข้าไปด้านในอย่างต่อเนื่อง อุณหภูมิสูงกว่า 500 องศา ออกซิเดชั่นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก นำไปสู่การใช้วัสดุ การแตกตัวของพื้นผิว และการแตกร้าว
ในสภาพแวดล้อมที่มีซัลเฟอร์ คลอรีน หรือองค์ประกอบที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ การกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง-จะถูกเร่งให้เร็วขึ้นอีก ทำให้เกิดความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ
(2) การสูญเสียความแข็งแรงทางกลอย่างมีนัยสำคัญ
ทองแดงบริสุทธิ์มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงต่ำ และมีแนวโน้มที่จะอ่อนตัวลงและคืบคลาน
ที่ 100–200 องศา ความแข็งแรงจะลดลงประมาณ 10%–20% ที่ 300–400 องศา ความแข็งแรงจะลดลง 30%–50% และการเปลี่ยนรูปพลาสติกภายใต้ภาระเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
สูงกว่า 500 องศา ความแข็งแรงตกค้างน้อยกว่าหนึ่งในสามของความแข็งแรงอุณหภูมิห้อง ทำให้ไม่เหมาะสมกับโครงสร้างรับน้ำหนักใดๆ
(3) การเสื่อมสภาพของการนำไฟฟ้าและความร้อน
แม้ว่าทองแดงจะยังคงนำไฟฟ้าได้สูงที่อุณหภูมิสูง แต่ความต้านทานไฟฟ้าของทองแดงจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ (ประมาณ +0.4% ต่อองศา )
ที่ 500 องศา ความต้านทานเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า ทำให้ประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าลดลงและเพิ่มการสร้างความร้อน
ค่าการนำความร้อนยังลดลงเรื่อยๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้ข้อได้เปรียบในการกระจายความร้อนลดลง
2.3 ช่วงอุณหภูมิในการทำงานระยะยาวที่แนะนำ
น้อยกว่าหรือเท่ากับ 120 องศา : อุณหภูมิการใช้งานที่ยาวนานมาตรฐานสำหรับส่วนประกอบไฟฟ้า สายไฟ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน มั่นคงและเชื่อถือได้
120–250 องศา : ยอมรับได้สำหรับบริการระยะกลางแต่มีการเร่งอายุ ต้องมีการตรวจสอบเป็นประจำ
>250 องศา : ไม่แนะนำให้ใช้ในระยะยาวต่อเนื่อง
>500 องศา : สำหรับการสัมผัสในระยะสั้นมากเท่านั้น การใช้งานเป็นเวลานานจะทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว
2.4 มาตรการปรับปรุงสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง
หากต้องใช้ทองแดงบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิสูง มาตรการต่อไปนี้สามารถยืดอายุการใช้งานได้:
การเคลือบผิว: ชุบนิกเกิล ชุบดีบุก หรือชุบเงินเพื่อแยกออกซิเจน
บรรยากาศควบคุม: ใช้ในบรรยากาศเฉื่อยหรือบรรยากาศลด (ไนโตรเจน ไฮโดรเจน) เพื่อระงับการเกิดออกซิเดชัน
การทดแทนโลหะผสม: โลหะผสมทองเหลือง บรอนซ์ หรือทองแดง-นิกเกิลให้ความเสถียรที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่ามาก
การออกแบบโครงสร้าง: อนุญาตให้มีพื้นที่ขยายตัวเนื่องจากความร้อนและลดความเครียดจากความร้อน
2.5 สรุป
ทองแดงบริสุทธิ์เป็นเลิศในการนำความร้อนและไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำถึงปานกลาง (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 150 องศา)
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากออกซิเดชั่นอย่างรวดเร็ว การอ่อนตัวลงอย่างรุนแรง และคุณสมบัติทางกลที่ลดลง จึงไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 250 องศาในระยะยาว สำหรับการใช้งานทางวิศวกรรมที่อุณหภูมิสูง การเลือกใช้วัสดุควรเลือกใช้ทองแดงผสมทนความร้อนหรือส่วนประกอบทองแดงที่มีการป้องกันพื้นผิว โดยมีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอุณหภูมิการทำงานและสภาพแวดล้อมการบริการ
