Физико-химические свойства меди
В естественной среде (на воздухе) у меди яркий желто-красный оттенок. Этот цвет придает металлу оксидная пленка, образующаяся на его поверхности. Чистый металл – это довольно мягкий материал, он легко подвергается прокату и вытяжке. Но использование при его получении определенных примесей позволяет увеличить ее твердость и изменить другие параметры.
Плотность этого материала равна 8890 кг/ м3, температура плавления лежит в пределах 1100 °C.
Ключевым свойством, которое определило применяемость в быту и производстве. Кроме высокой электропроводимости меди свойственна высокая теплопроводности. Использование таких примесей, как железо, олово и некоторые другие оказывают существенное влияние на ее свойства.
Кроме названных параметров, у меди высокая температура плавления и кипения. Медь обладает высокой стойкостью к воздействию коррозии.
Медь в природе
Физические параметры меди позволяют получать из нее различную продукцию, например, проволоку толщиной в несколько микрон.
Медь и ее соединения нашли свое применение, в первую очередь, в электротехнической промышленности, впрочем без нее вряд ли обойдется любая другая область промышленности.
Способы получения
Практическое применение нашли два процесса – электролиз и гидрометаллургия. Электролитическим способом сплав, содержащий медь, получают следующим образом. Исходным материалом является чистая катодная медь, свойства которой зависят от ряда переменных — концентрации серной кислоты и сульфата меди, типа и количества легирующих добавок, температуры электролита, плотности тока и частоты очистки электродов. После осаждения конечный продукт промывают, удаляя все следы электролита. Далее происходит отжиг полуфабриката в восстановительной атмосфере, после чего порошок спекают и прессуют в требуемые формы (иногда после прессования продукт подвергают прокатке). Процесс характеризуется высокой однородностью готовых изделий по показателям плотности и прочности..
Исходным сырьём для гидрометаллургического процесса получения медных сплавов может служить первичная или вторичная медь (медный лом). Основной металл выщелачивается серной кислотой или аммиачными растворами, насыщенный раствор отделяют от остатка фильтрацией. Медь осаждают из раствора водородным восстановлением под давлением. Во время восстановления 90…95% сплава осаждается в виде порошка, который далее перекачивается в центрифугу, где и происходит отделение. Влажный медный порошок сушат в восстановительной атмосфере и измельчают, добавляя требуемые легирующие элементы. Дальнейшие операции производят в той же последовательности, что и в предыдущем варианте.
Медь и ее сплавы как источник цветного вторичного металла
На практике существует два типа сплавов – латунь и бронза. Между тем их можно разделить еще на несколько групп.
Бронза с большим содержанием алюминия. Ее применяют для изготовления деталей, которые работают под воздействием высоких температур и в агрессивных средах, например, морской воде.
Бронза со свинцом – это материал, обладающий высокими антифрикционными свойствами, и это широко применяется в промышленности.
Добыча цветных металов – это дорогостоящее предприятие и поэтому, многие детали и узлы производят из вторичного металла.
То есть существует множество пунктов приема вторичного сырья. Они специализируются на утилизации лома медного сплава и передаче его на заводы по производству цветного металла. Такой подход в итоге позволяет замещать множество изделий, для изготовления которых идет добытая медь и соединения полученные из нее.
Область применения
Конечно же, использование бронзы не теряет своей популярности и в наше время. Сувенирная продукция, декоративные предметы интерьера, украшения на ворота и калитки… Кроме того, сплав применяют для изготовления фурнитуры (ручки, петли, замки) и сантехники (краны, фитинги, прокладки, смесители). В промышленных сферах бронза также имеет обширные области использования. Так, литейный сплав используют для изготовления подшипников, уплотнительных колец, втулок.
На широкое применение бронзы особенно влияют её коррозионные свойства. По этой причине её используют для изготовления деталей механизмов, работающих при постоянном контакте с водой. Высокая упругость сплава позволяет изготавливать из него пружины и части контрольно-измерительной аппаратуры.
Латунь
При введении в расплав меди цинка, получают сплав под названием латунь. Существует двухкомпонентная латунь, в нем содержаться только медь и цинк. Кроме нее промышленность выпускает специальные сплавы, в состав которых входят многочисленные легирующие элементы.
Применение цинка, как компонента сплава существенно повышает прочностные параметры меди. Максимальной пластичности достигает латунь, в состав которой входит порядка 40% цинка.
Большая часть произведенной латуни, используют для производства катаных изделий – труб, листа, проволоки и многих других.
Латунь
При маркировке латуни используют набор букв и цифр. Буква Л, говорит о том, что это латунь. Затем следует набор символов, показывающий какие материалы, входят в состав этого сплава. Надо отметить, то, что содержание цинка не показывается. Для того, что бы его узнать, надо из 100% отнять, входящее в медный сплав количество основного материала и других элементов. Например, латунь Л90, содержит в себе 90% меди, а остальное составляет цинк.
Если сравнивать характеристики латуни и меди, то надо отметить, что у латуни более высокие прочностные параметры, она отличается стойкостью к воздействию коррозии.
По технологическому предназначению из разделяют на литейные и те, которые обрабатывают под давлением. Последние называют деформируемыми.
Rimoyt.com
Медь и ее сплавы: бронзы, латуни, сплавы меди с никелем
Медь – цветной металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Чистая медь согласно ГОСТ 854-66 859-66 имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, М1, М2, М3 и т.д.) в зависимости от содержания вредных примесей в меди. Суммарное количество примесей (висмут, сурьма, мышьяк, железо, никель, свинец, олово, сера, кислород, фосфор) в лучшей марке М00б – 0,01% (то есть меди в ней 99,99%), а в марке М3 примесей 0,5%.
Одним из главным природным источником для получения меди служат сульфидные руды, содержащие халькопирит CuFeS2, называемый медным колчеданом, или другие сернистые минералы руды, например борнит 5Cu2S·Fe2S3, халькозин CuS и др. Вторым по значению источником получения меди являются окисленные медные руды, содержащие медь в виде куприта Cu2O или азурита 2CuCO3·Cu(OH)2. Также известен теперь уже очень редкий, окисленный минерал меди – малахит CuCo3·Cu(OH)2.
Чистая медь розовато-красного цвета, плотность составляет 8,93 г/см3, температура плавления — 1083 ?С. Предел прочности чистой меди не очень высок и составляет 220 МПа. Чистую медь благодаря высокой электропроводности применяют для электротехнических целей (основная сфера применения меди). Также медь обладает высокой теплопроводностью и пластичностью.
Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: — латуни — бронзы — сплавы меди с никелем
Латуни
Латунями называют двойные (томпак, где 90% и более — меди и 10% цинка и полутомпак, где меди 79-86%Ю остальное цинк) или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например, железофосфорномарганцевая латунь и т.п.
По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью. Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они лучше обрабатываются (резанием, литьем, давлением). Большим их преимуществом является более низкая стоимость, так как входящий в состав латуней цинк значительно дешевле меди.
Латуни нашли широкое применение в приборостроении, в общем и химическом машиностроении.
Латуни могут содержать до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%.
Медноцинковые латуни в соответствии с ГОСТ 15527-70 выпускают восьми марок.
Латуни обозначают начальной буквой Л, затем ставят цифру указывающую средний процент меди в этом сплаве.
Л96 – томпак, меди 96%, цинка 4%.
Латуни более сложного состава в обозначении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, указывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни.
Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами:
| Ц – цинк |
| А — алюминий |
| О – олово |
| Н – никель |
| К – кремний |
| С — свинец |
| Мц – марганец |
| Ж – железо |
| Ф – фосфор |
| Б – бериллий |
Цифры, помещенные за буквами, указывают среднее процентное содержание элементов.
ЛАЖМц66-6-3-2 – алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа и 2% марганца, остальное составляет цинк.
По технологическому признаку латуни, как другие сплавы цветных металлов (алюминиевые, титановые, магниевые сплавы), подразделяют на: — литейные (ГОСТ 17711-72) — деформируемые (ГОСТ15527-70)
Бронзы
Бронзы (медь, олово) – сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. В зависимости от введенного элемента бронзы бывают: — оловянными, — алюминиевыми, — кремнистые — марганцовистые — свинцовистые — бериллиевые
Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием.
Благодаря хорошим литейным качествам из бронз отливают пушки, колокола и статуи. Также бронзы используются при изготовлении арматуры газовых и водопроводных линий и в химическом машиностроении, где важна также высокая коррозионная стойкость бронз. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает бронзы незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.
Бронзы легируют для повышения механических характеристик и придания особых свойств. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля – пластичности, железа – прочности, цинка – улучшению литейных свойств, свинца – улучшению обрабатываемостью.
Бронзы маркируют русскими буквами Бр. Справа ставят обозначение элементов, входящих в состав бронзы:
| О – олово |
| Ц – цинк |
| С – свинец |
| А – алюминий |
| Ж – железо |
| Мц – марганец |
Далее идут цифры, обозначающие среднее содержание дополнительных элементов в бронзе в процентах (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзе, не ставят).
БрОЦС5-5-5 – бронза содержит по 5% олова, свинца, цинка, остальное – медь (85%).
Медно-никелевые сплавы
Медно-никелевые сплавы – это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель.
Нейзильберы (медь, никель, цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное составляет медь. Мельхиоры (меди около 80%, никеля около 20%, небольшие добавки железа и марганца ) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности, в морской воде. Широко применяется для изготовления украшений, столовых и чайных приборов. Копель (медь, 43% никеля, 0,5% марганца) – специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар.
Манганин (медь, 3% никель, 12% марганца) – специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов.
Бронза
Так называют сплав меди и олова. Кроме последнего в бронзу могут входить алюминий, кремний, свинец и многие другие вещества. Сплавы этого типа можно разделить на те, которые обрабатывают под давлением и литьем.
Маркировка этого медного сплава выполняется следующим образом – Бр, обозначает бронзу, затем идут буквенно-цифровые обозначения, показывающие содержание других элементов смеси.
Бронза
Производители выпускают оловянистые бронзы, то есть выполненные с большим содержанием олова. И те, которые получены без его участи. Сплав меди с оловом может использоваться при производстве вкладышей для подшипников скольжения.
Первые сплавы
Открытие меди, а также сплавов, содержащих этот металл, произошло после случайного (а потом – и намеренного) нагрева сульфидных руд до температуры более 8000С. Этот процесс оказался доступным человечеству ещё с 4000-3000 гг. до н.э., тогда и были получены сплавы меди.
Поскольку извлечение меди из медных руд происходило с неизбежным включением в состав конечного продукта также и попутных химических элементов – кремния, олова, железа, то фактически речь шла о получении бронзы. Бронза – исторически первый сплав меди. Достоверно известно, что бронза уже была известна в древнем Иране и на Балканах. Так родилась металлургия Бронзового века человечества.
Значительно позже была открыта латунь. Впервые латунь (позже названную за тусклый жёлтый блеск «поддельным золотом») получили римляне в эпоху правления императора Октавиана Августа (начало нашей эры). Для этого медь сплавили с рудой, содержащей большой процент цинка.
В последующем металлургия медных сплавов постоянно совершенствовалась: уменьшалось количество посторонних примесей, увеличивалась точность состава сплавов, содержащих медь, росла их номенклатура.
Маркировка по ГОСТ
Медные сплавы подразделяют в соответствии со своими техническими характеристиками:
- литейные;
- деформируемые;
- термически упрочняемые;
- термически неупрочняемые.
Скачать ГОСТ 3297-2013
Латунь обозначают буквой Л, бронзы – Бр. Затем следуют буквы, которые показывают наличие других химических веществ. Например, Мц – обозначает наличие марганца, С – свинец и пр. Цифры, которые идут далее сообщают о процентном содержании примесей в сплаве.
Аргонодуговая сварка
Сваривание происходит при помощи электрической дуги в аргоне, т. е. в инертной среде, при использовании плавящихся или неплавящихся электродов. В качестве неплавящегося чаще всего используют вольфрамовый электрод. Подача присадки производится к зоне дуги извне, в электрическую цепь не подсоединяется. Аргонодуговую сварку обычно применяют для соединения небольших изделий.
Качество сварного соединения зависит от степени проплавления стали и будет более приемлемо при возможно меньшем количестве стали в получившемся шве. Это достигается корректной регулировкой нагрева и контролем плавления обоих металлов: большую температуру дуги концентрируют на меди, а сталь нагревается и оплавляется, благодаря тепловой энергии, поступающей от получившейся сварной ванны.
С учётом этой особенности для сварки меди с толстым железом предварительный прогрев не производят. При этом сварку лучше выполнять на флюсе. Чтобы предотвратить вытекание жидкого металла, при таком подходе используют соответствующие ограничители со стороны меди.
При использовании неплавящегося электрода используется постоянный ток прямой полярности и чистый аргон без примесей. Материал толще 4 мм приваривают после предварительного прогрева до 800°С. Сварку лучше вести, наклоняя электрод к свариваемому участку на 85-90°, при этом присадочную проволоку нужно наклонять на 15-20° , а вылет электрода поддерживать на 5-10 мм. Также очень важно правильно выбрать присадочный материал. Обычно используют различные сплавы меди.
Процентный состав
| Процентный состав материала | |||||||||||||
| Марки медных сплавов | Fe | Ni | S | Cu | As | Pb | O | Sb | Bi | Sn | P | Zn | Ag |
| M1 | ≤ 0.005 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.004 | 99.9 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.005 | ≤ 0.05 | ≤ 0.002 | ≤ 0.001 | ≤ 0.002 | ≤ 0.004 | ≤ 0.003 | |
| M 1р | ≤ 0.005 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.005 | 99.9 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.005 | ≤ 0.01 | ≤ 0.002 | ≤ 0.001 | ≤ 0.002 | от 0.002 до 0.012 | ≤ 0.005 | |
| M 2 | ≤ 0.05 | ≤ 0.2 | ≤ 0.01 | 99.7 | ≤ 0.01 | ≤ 0.01 | ≤ 0.07 | ≤ 0.005 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.05 | |||
| M 2р | ≤ 0.05 | ≤ 0.2 | ≤ 0.01 | 99.7 | ≤ 0.01 | ≤ 0.01 | ≤ 0.01 | ≤ 0.005 | ≤ 0.0020 | ≤ 0.05 | |||
| M 3 | ≤ 0.05 | ≤ 0.2 | ≤ 0.01 | 99.5 | ≤ 0.01 | ≤ 0.050 | ≤ 0.08 | ≤ 0.050 | ≤ 0.003 | ≤ 0.05 | |||
| M 3р | ≤ 0.05 | ≤ 0.2 | ≤ 0.01 | 99.5 | ≤ 0.05 | ≤ 0.03 | ≤ 0.01 | ≤ 0.05 | ≤ 0.003 | ≤ 0.05 | от 0.005 до 0.06 |
Медь техническая
В отожженном состоянии она достаточно пластична, но имеет относительно низкую прочность. Химический состав технических марок меди определяет ГОСТ 859–41. Технические марки применяются при выплавке медных сплавов в качестве шихтового материала Техническая марки М0 используется при изготовлении высокой чистоты сплавов, проводников тока. M1 при изготовлении полуфабрикатов, которые получают методом прокатки, при производстве высококачественных бронз, которые не содержат олова. М2 — техническая марка, служит для производства бронз для изготовления высококачественных полуфабрикатов, которые обрабатываются под давлением. Техническая марка МЗ востребована для полуфабрикатов, которые получают способом прокатки, производства бронз стандартного качества и др. литейных сплавов, а также неответственных электрических контактов (как и сплав М2). Техническая марка М4 используется при выплавке литейных бронз.
Другие виды сварки
Рассмотрим менее распространённые виды сварки:
- Сварка трением позволяет получить сварные соединения с прочностью на уровне основного материала.
- Сварка взрывом дает соединение высокой прочности. Метод применяется для получения слоистых листов и лент.
- Сварка прокаткой применяется для получения биметаллических листов и лент сталь + медь. Обычно соединение не уступает по прочности основному металлу.
- Контактная сварка обеспечивает интенсивность тепловыделения в зоне сварки и высокие градиенты температур.
- Ультразвуковая сварка деталей малых толщин. Колебания подводятся со стороны меди.
- Диффузионная сварка. Обеспечивает получение термостойких, вибропрочных сварных соединений при сохранении высокой точности геометрических размеров и форм изделий.
- Сварка плавлением. На сталь предварительно наплавляется слой другого металла или применяется промежуточная вставка.
- Электронно-лучевая сварка. Очень перспективная, но пока малораспространённая методика. Это относительно безопасный и экологически чистый метод, почти не подвергающий опасности здоровье сварщика.
Чистая медь
Марка М0 содержит 99,95% Cu и не больше 0,05% примесей. По специальным техническим условиям производят несколько марок вакуумной меди и особенно бескислородной чистой меди, которая применяется в электровакуумной промышленности. Из безкислородной меди серий, А и Б производят полосы, ленты, прутки, трубы. Из вакуумной чистой меди изготавливают ленты и прутки. Из чистой меди, которую раскисляют марганцем, производят прутки. Все данные полуфабрикаты используются в электровакуумной промышленности. Для безкислородной чистой меди характерна пониженная (-100°С) температура рекристаллизации.
