В системе железо–медь медь может растворяться в расплавленном железе, образуя жидкую твёрдый раствор в широком диапазоне концентраций. При 1477 °C растворимость меди в Fe составляет 8%, причём с понижением температуры она даже возрастает; например, при 1094 °C растворимость может достигать 8,5%. При температуре ниже 650 °C растворимость практически достигает постоянного значения — около 0,35%. При комнатной температуре растворимость меди в железе крайне мала. Независимо от состояния — жидком или твёрдом — при превышении предельной растворимости при различных температурах образуется медно‑богатая фаза. Растворимость меди в расплавленном чугуне составляет примерно 3–5%. Марганец, алюминий, никель и другие элементы, входящие в состав чугуна, повышают растворимость меди, тогда как магний её снижает. При наличии магния, когда содержание меди превышает 2%, выпадает жёлтая медно‑богатая фаза, содержащая около 97% меди. Когда содержание меди увеличивается до 3,8%, количество медно‑богатых фаз существенно возрастает.
Медь оказывает незначительное влияние на температуру эвтектического превращения чугуна. Медь является слабо графитизирующим элементом и может несколько уменьшить склонность к образованию белой зоны. Она понижает температуру эвтектоидного превращения; при увеличении содержания меди на 1% температура эвтектоида снижается на 6–10 °C, что способствует стабилизации аустенита. Кроме того, медь повышает содержание перлита, утончает эвтектику и облегчает получение перлитной структуры при нормализации чугуна. Таким образом, медь способствует преобразованию аустенита в перлит и препятствует графитизации во время эвтектоидного превращения. Также медь укрепляет феррит и повышает его прочность.
При содержании меди менее 2,0% существенного влияния на степень сфероидизации, количество шариков и их диаметр не наблюдается; при этом степень сфероидизации может быть гарантированно сохранена на уровне свыше 90%. При содержании меди свыше 2% сфероидизирующее действие ослабевает: степень сфероидизации и количество шариков резко снижаются. Когда содержание меди достигает 2,5%, появляются агломерированные графитовые образования и жёлтая медистая фаза. Температура плавления медистой фазы ниже, чем у расплавленного чугуна. После выпадения графита медистая фаза может окружать часть графита, вследствие чего графит постепенно переходит из сферической формы в агломерированную.
Противосфероидизирующее действие меди связано с другими элементами. Например, в магниевом вермикулярном чугуне, содержащем 0,04% титана, если при содержании меди 0,94% появляется агломерированная графитовая структура, добавление 0,02–0,03% церия может нейтрализовать это противосфероидизирующее воздействие меди.
Влияние меди на сфероидизирующий эффект зависит от размера и толщины отливки. При добавлении 3–4% меди в отливку со стенкой толщиной более 300 мм можно полностью устранить агломерированную графитовую структуру в сердцевине отливки. Следует отметить, что такое действие меди проявляется лишь при совместном введении редкоземельных элементов.
Медь способствует образованию перлита в вермикулярном чугуне; его количество в 10 раз больше, чем у никеля, но лишь на одну десятую по сравнению с оловом. В эксперименте было добавлено около 0,5% меди, и содержание перлита в испытательном стержне из пластичного чугуна диаметром 25 мм достигло 90%; при добавлении 1,5% меди содержание перлита приблизилось к 100%. Однако при превышении 1,5% вместо перлита начинает формироваться феррит. Благодаря такому положительному влиянию меди становится возможным получение литого перлитного пластичного чугуна без термической обработки.
Влияние меди на свойства серого чугуна. При содержании меди менее 0,5% наблюдается повышение предела прочности, предела текучести и модуля упругости, однако эта зависимость не является линейной. При содержании меди около 0,8% в сером чугуне достигается максимальная прочность. С увеличением содержания меди ударная вязкость серого чугуна снижается.
Медь влияет на механические свойства вермикулярного чугуна, способствуя образованию перлита и укрепляя металлическую матрицу. При небольшом добавлении меди (до 0,5%) резко возрастает содержание перлита, а также значительно повышаются предел прочности, предел текучести и твердость, одновременно резко снижаясь удлинение. Когда же содержание меди превышает 0,5%, матрица уже состоит из перлита, при этом прочность и твердость продолжают расти, а удлинение перестает уменьшаться. Это объясняется тем, что медь укрепляет металлическую матрицу. Кроме того, медь обладает свойством формировать мелкие графитовые шарики, что позволяет повысить усталостную прочность вермикулярного чугуна с добавлением меди.
Твёрдое растворимость меди в чугуне при комнатной температуре составляет 0,35%. Добавление более 0,5% меди изменяет скорость диффузии атомов углерода во время аустенитного и эвтектоидного превращений, способствует образованию перлита и утончает его структуру. При охлаждении отливки, особенно в процессе старения, медь выпадает из твёрдого раствора, упрочняя матрицу и существенно повышая микротвердость перлита. Увеличение содержания меди может повысить износостойкость отливок. При проведении отжига для снятия напряжений медь не снижает твердость, а, напротив, повышает значение HB10.