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.