Медные сплавы. Физические и химические свойства меди. Марки медных сплавов.

Медные сплавы. Физические и химические свойства меди. Марки медных сплавов.

Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Р. Христова. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется, с одной стороны, более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Медь как художественный материал используется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда). Кованые и литые изделия из Меди и сплавов украшаются чеканкой, гравировкой и тиснением. Лёгкость обработки Меди (обусловленная её мягкостью) позволяет мастерам добиваться разнообразия фактур, тщательности проработки деталей, тонкой моделировки формы. Изделия из Меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов, а также свойством обретать блеск при шлифовке. Медь нередко золотят, патинируют, тонируют, украшают эмалью. С 15 века Медь применяется также для изготовления печатных форм.

Химические и физические свойства меди. Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер - 29, атомная масса - 63,546. Температура плавления- 1083 градусов C, температура кипения - 2595 градусов C, плотность - 8,98 г/см3. По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов. Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах. Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико (0,01 вес %), однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причем самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лёгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была использована человеком. Академиком В.И. Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями. Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu (63) приходится 69,09%, процентное содержание изотопа Cu (65) - 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди. К валентности 1 относятся лишь глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт - Cu2O. Все остальные минералы, около сотни отвечают валентности два. Радиус одновалентной меди +0.96. Величина атомного радиуса двухвалентной меди - 1,28; ионного радиуса 0,80.

Медь - металл сравнительно мало активный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют. Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu2+ - 984 кДж/моль, Cu+ - 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984, Pb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы.

Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являются халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4, халькозин Cu2S. Окислы: тенорит, куприт. Карбонаты: малахит, азурит. Сульфаты: халькантит, брошантит. Сульфиды: ковеллин, халькозин, халькопирит, борнит. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах. Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух примеров: CuCl - белый, Cu2O - красный, CuCl2+H2O - голубой, CuO - черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды. Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды, сульфосоли и карбонаты (силикаты).

Медные сплавы. Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм2 у сплавов и 25-29 кгс/мм2 у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм2 ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью.
Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных.

Марки медных сплавов. Марки обозначаются следующим образом. Первые буквы в марке означают: Л - латунь и Бр - бронза. Буквы, следующие за буквой Л в латуни или Бр. В бронзе, означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор. Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый для латуней, отличается от порядка, принятого для бронз. В марках латуни первые две цифры (после буквы) указывают содержание основного компонента - меди. Остальные цифры, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Эти цифры расположены в том же порядке, как и буквы, указывающие присутствие в сплаве того или иного элемента. Таким образом содержание цинка в наименовании марки латуни не указывается и определяется по разности. Например, Л68 означает латунь с 68% Cu (в среднем) и не имеющую других легирующих элементов, кроме цинка; его содержание составляет (по разности) 32%. ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с 60% Cu , легированную алюминием (А) в количестве 1% , с железом (Ж) в количестве 3% и марганцем (Мц) в количестве 1%. Содержание цинка (в среднем) определяется вычетом из 100% суммы процентов содержания меди, алюминия, железа и марганца. В марках бронзы (как и в сталях) содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом.

Медно-цинковые сплавы. Латуни. По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком. Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и поковках. Двухфазные простые латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы. Прочность простых латуней 30-35 кгс/мм2 при однофазной структуре и 40-45 кгс/мм2 при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией).

Оловянные бронзы. Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде). Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства. Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость. Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные свойства, они получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

Алюминиевые бронзы. Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы. Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность. Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях. Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 55-60 кгс/мм2. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере.
Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

Кремнистые бронзы. Применение кремнистых бронз ограниченно. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах. Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах. Кремнистые бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.

Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность ( до 120 кгс/мм2 ) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных случаях в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических машинах, аппаратах и приборах. Указанные свойства бериллиевые бронзы получаются после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия в меди уменьшается с понижением температуры. Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает прочность и уменьшает концентрацию бериллия в растворе меди.

Подробнее о использовании меди в промышленности, читайте:

"Медь в промышленности. Использование меди"

фальцевая кровля