Сплавы меди

Сплавы на основе меди

Медь — цветной металл, который на поверхности имеет красный оттенок, а в изломе — розовый. В периодической системе Д.И. Менделеева обозначается символом Cu. В чистом виде металл имеет высокую степень пластичности, электро- и теплопроводности, а также характеризуется устойчивостью к коррозии. Это позволяет использовать медь и ее сплавы для кровель ответственных зданий.

Важные свойства металла:

• Температура плавления — 1083°С.
• Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.
• Плотность — 8,94 г/см3.

Благодаря пластичности медь легко поддается обработке давлением, но плохо режется. Из-за большой усадки металл обладает низкими литейными свойствами. Любые примеси, за исключением серебра, оказывают большое влияние на вещество и снижают его электрическую проводимость.

При маркировке меди используется буква М с числом, которое обозначает марку. Чем меньше номер марки, тем больше в ней чистого вещества. Например, М00 содержит 99,99 % меди, а М4 — 99 %.

Наиболее широкое применение в технике находят две группы медных сплавов — бронзы и латуни.

Бронзы

Бронзы — сплавы на основе меди, в которых легирующим элементом является любой металл, кроме цинка. Наиболее часто применяются сплавы меди со свинцом, оловом, алюминием, кремнием и сурьмой.

Все бронзы по химическому составу делятся на оловянные и специальные, или безоловянные, то есть не содержащие в своем составе олова.

Оловянные бронзы отличаются наиболее высокими литейными, механическими и антифрикционными свойствами, а также имеют повышенную устойчивость к коррозии. Из-за высокой стоимости олова эти сплавы применяют ограниченно.

Специальные бронзы часто используют в качестве заменителей оловянных, и некоторые имеют лучшие технологические свойства. Выделяются следующие виды специальных бронз:

• Алюминиевые. Они содержат от 5% до 11% алюминия, а также марганец, никель, железо и другие металлы. Эти сплавы обладают более высокими механическими свойствами, чем оловянные бронзы, однако их литейные свойства ниже. Алюминиевые бронзы служат для изготовления мелких ответственных деталей.
• Свинцовистые. В их состав входит около 30% свинца. Эти сплавы имеют высокие антифрикционные свойства, поэтому широко применяются в производстве подшипников.
• Кремнистые. Эти бронзы содержат примерно 4% кремния, легируются никелем и марганцем. По своим механическим свойствам почти соответствуют сталям. Применяются, в основном, для изготовления пружинистых элементов в судостроении и авиации.
• Бериллиевые. Содержат до 2,3% бериллия, характеризуются высокой упругостью, твердостью и износостойкостью. Эти бронзы используются для пружин, которые работают в условиях агрессивной среды.

Все бронзы имеют хорошие антифрикционные показатели, коррозионную стойкость, высокие литейные свойства, которые позволяют использовать сплавы для изготовления памятников, отливки колоколов и др.

При маркировке бронз используются начальные буквы Бр, после которых идут первые буквы названий основных металлов с указанием их содержания в процентах. Например, сплав БрОФ8-0,3 включает 8% олова и 0,3% фосфора.

Латуни

Латунями называют сплавы меди и цинка с добавлением других металлов — алюминия, свинца, никеля, марганца, кремния и др. В простых латунях содержится только медь и цинк, а многокомпонентные сплавы включают от 1% до 8% различных легирующих элементов, которые добавляют для улучшения различных свойств.

• Марганец, никель и алюминий повышают устойчивость сплава к коррозии и его механические свойства.
• Благодаря добавкам кремния сплав становится более текучим в жидком состоянии и легче поддается сварке.
• Свинец упрощает обработку резанием.

Процентное содержание цинка в любой латуни не превышает 50 %. Эти сплавы стоят дешевле, чем чистая медь, а благодаря добавлению цинка и легирующих элементов, они обладает большей устойчивостью к коррозии, прочностью и вязкостью, а также характеризуются высокими литейными свойствами. Латуни используют для изготовления деталей методами прокатки, вытяжки, штамповки и др.

При маркировке простой латуни используется буква Л и число, обозначающее содержание меди. Например, марка Л96 содержит 96% меди. Для многокомпонентных латуней используется сложная формула: буква Л, затем первые буквы основных металлов, цифра, обозначающая содержание меди, а затем состав других элементов по порядку. Например, латунь ЛАМш77-2–0,05 содержит 77% меди, 2% алюминия, 0,05% мышьяка, остальное — цинк.

3 Как маркируется латунь?

Разобраться с маркировкой описываемых сплавов несложно. В простых (двухкомпонентных) латунях на первом месте их марки стоит литера “Л”, а затем идет двузначное число. Это число указывает на то, сколько меди содержится в сплаве (данные приводятся в процентах). Таким образом, если мы видим перед собой маркировку Л70, сразу становится понятным, что в данной композиции имеется 70 % меди и 30 % цинка.

Многокомпонентные сплавы имеют чуть более сложную маркировку. После литеры “Л”, говорящей потребителю о том, что перед ним именно латунь, а не какой-либо иной состав, ставятся и другие литеры. Под ними зашифрованы легирующие добавки, введенные в сплав. А после этих “буквенных шифров” идут цифры (друг от друга они отделяются дефисами):

• первая (двузначная) определяет содержание в сплаве меди;
• остальные говорят о количестве легирующих компонентов.

Для примера давайте посмотрим на латунь ЛАЖМц66-6-3-2. В ней имеется 66 % меди (первое число после букв), 6 % алюминия (вторая цифра), 3 % железа (третья цифра) и 2 % марганца (четвертая цифра). Сложив друг с другом эти числа, мы получим сумму 77. Это означает, что второго главного компонента в данном сплаве (цинка) содержится 23 % (от 100 отнимаем 77).

Добавим, что литейные латуни, о которых мы расскажем чуть ниже, маркируются иначе. В них после литеры, указывающей на легирующий компонент, сразу ставят цифру, определяющую процентное содержание этого самого компонента в сплаве. То есть, состав сплава, допустим, ЛЦ40Мц1,5 расшифровывается следующим образом:

• цинка – 40 %;
• марганца – 1,5 %;
• остальное – медь.

Виды медно-никелевых сплавов

Легированный сплав меди никелем образует большое количество твердых растворов, которые делятся на несколько групп:

• конструкционные;
• электротехнические;
• ювелирные.

Основные характеристики конструкционных медно-никелевых сплавов: высокая твердость, сопротивление стиранию, коррозионная стойкость. Вместе с никелем используют марганец, хром, алюминий, цинк и другие компоненты.

В электротехнических сплавах содержание марганца может превосходить никель. Сплавы обладают стабильным сопротивлением, высокой токопроводностью.

К декоративным относятся соединения меди и никеля, хорошо поддающиеся разным видам обработки: резанию, деформации. Они обладают высокой жидкотекучестью.

Константан

Сплав маркируется — МНМц 40-1,5. Такое обозначение говорит о том, что в нем около 40% никеля. Константан относится к электротехническим материалам. Имеет высокое омическое сопротивление и малое линейное расширение при нагреве.

Пластичный материал хорошо обрабатывается прокаткой. Из константана делают проволоку и лист для термоэлектродов, преобразователей.

Копель

Медно-никелевый сплав с высокой термической устойчивостью, маркируется МНМц 43-0,5. Дополнительный легирующий компонент — марганец. Выпускается в виде проволоки различных диаметров. Используется для изготовления компенсационных проводов и низкотемпературных преобразователей. Устойчив к воздействию кислой среды, работает в инертных газах.

Основное свойство — высокая стабильность сопротивления при изменении температур. Относится к жаростойким материалам. Устойчиво сохраняет свои характеристики при температуре до 600⁰.

Проволока

Нейзильбер

Ювелирный медный сплав с содержанием никеля 15% и цинка в пределах 20%. Никель придает сплаву белый цвет с зеленоватым или голубым отливом.

Немецкие химики изобрели сплав, как дешевый заменитель белого золота, не отличающийся от него внешне. Нейзильбер получился более твердым, устойчивым к влаге и пару. Не темнеет и не теряет своих декоративных свойств. В Европе использовался для изготовления наград и бижутерии. В настоящее время из него делаются медали, ордена, лады для гитар и хирургические инструменты.

Куниаль

Сплав выпускается в 2 вариантах и в конце маркировки имеет буквы А и Б. Оба вида сплава обладают коррозийной стойкостью. При повышенных температурах склонен к растрескиванию.

Куниаль-А легируется дополнительно алюминием, кобальтом и железом. Производится в виде прутков.

Куниали-Б — в меди растворяют только никель, содержание остальных веществ в сумме составляют не более 1%. Из материала изготавливают полосы для пружин и рессор.

Манганин

В этом сплаве кроме меди и никеля присутствует 13% марганца. Имеет красивый золотисто-красный цвет. Манганин может содержать железо. Он относится к изначально состаренным сплавам — приобретает свои механические свойства после термической обработки. Обладает электрической стабильностью при изменении температуры.

Манганин применяется в электроизмерительных приборах высокой точности, для создания эталонов.

Существует и другой состав сплава, в котором медь заменена серебром. Технические характеристики практически не отличаются. Белый Манганин значительно дороже.

Монель

Кроме меди и никеля в сплав добавляют марганец и железо. Монель назван в честь руководителя американской химической лаборатории, где разрабатывался сплав. Материал устойчив к коррозии, пластичен и прочен. Обладает высокой устойчивостью к воздействию кислот, щелочей. Маркируется — НМЖМц28-2,5-1,5.

Монель применяется при изготовлении приборов, оборудования химической, нефтяной промышленности. Используется в аппаратостроении, медицине и судостроительной промышленности для изготовления антикоррозионных деталей.

Сплав высокопластичный, легко обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Механическая обработка возможна только на низких оборотах.

Мельхиор

Белый твердый сплав содержит меди в пределах 70–90%. Относится к ювелирным составам. Кроме никеля имеет легирующие вещества:

• 0,8% железа;
• 1% марганец.

Обладает высокой коррозионной устойчивостью в морской соде и среде газов. Температура плавления в пределах 1150–1230⁰, не зависит от соотношения составляющих.

Наиболее распространенные марки мельхиора — МНЖМц30-1-1 и МН16. Свои технические характеристики получает после отжига. Относится к группе изначально состаренных сплавов.

Из мельхиора делают ложки, вилки, столовую посуду, различные украшения. Он хорошо поддается обработке, резьбе, чеканке. Из него изготавливают хирургические инструменты, монеты, медали.

Изделия из мельхиора

Область применения меди

Как в форме чистого металла, так и в сочетании со сплавами медь применяется в разных промышленных областях.Ее свойства позволяют активно применять этот металл электротехники. Свыше 50% добытого металла используется для производства всевозможных электроприборов и электропередач.Высокие показатели электро- и теплопроводности обуславливают широкое использование меди в строительной отрасли. Как известно, металл отличается устойчивостью к отрицательному действию коррозии и ультрафиолетовых лучей, также не деформируется в условиях резких колебаний температурного режима. Самым популярным продуктом из меди являются провода. Для их изготовления применяется максимально чистый металл, потому что дополнительные примеси в значительной степени уменьшают показатель токопроводимости. К примеру, если в готовом продукте будет присутствовать свыше 0,02% алюминия, то способность продукта проводить ток падает на 10%.Хорошая вязкость и пластичность обуславливают популярность меди для создания продукции с различными узорами. В результате обжига, проволока, созданная из красной меди, приобретает максимальный уровень пластичности и мягкости. Из нее можно формировать узоры и орнаменты любой сложности.Такую проволоку применяют в:

• электротехнике
• электроэнергетике
• автомобилестроении
• судостроении
• производстве кабеля и проводов.

Высокий показатель теплопроводности меди позволяет использовать ее в различных теплообменниках и теплоотводных приборах. Именно из меди создают кулера для системных блоков, радиаторы отопления, трубы, кондиционеры и другие механизмы. Несмотря на довольно высокую стоимость медных труб, их достоинства неоспоримы:

• не боятся ультрафиолетового излучения
• устойчивы к образованию коррозии
• не реагируют на температурные перепады. Поэтому монтаж можно проводить даже в условиях низких температур воздуха.

Вследствие высокого показателя механической прочности, а также возможности механической обработки специалисты создают бесшовные медные трубы, имеющие круглое сечение. Они предназначены для транспортировки жидких веществ или газов в системах газо- и водоснабжения, кондиционирования и отопления.Пожалуй, самым первым материалом, из которого сделали кровельное покрытие, была медь. Такой вариант кровли характеризуется долгим периодом эксплуатации – около 200 лет. Через определенное время кровля из меди окисляется, вследствие чего формируется пленка патины. Она защищает поверхность меди от неблагоприятного действия ультрафиолета, низкой температуры, влажности и других погодных явлений.

Способы обработки

Механическую обработку можно выполнить путем:

1. Протяжки. Технологический процесс, применяющийся при изготовлении проводов, проволоки разного диаметра. Для производства применяется экструдерный механизм.
2. Прокатки. Технологический процесс производства плоских изделий из меди. Заготовки прокатываются через установку с подвижными вальцами.
3. Полировки. Для придания медным изделиям характерного металлического блеска, применяются войлочные, тканевые диски.
4. Шлифования. Применяется для снятия определенного слоя металла, его очистки от налета, загрязнений. Шлифовка осуществляется с помощью абразивов.

Также внимания заслуживает токарный способ обработки медных заготовок. С его помощью изготавливаются шайбы, шпильки, штуцера, втулки, фланцы.

Медь — востребованный цветной металл с хорошими физическими и химическими свойствами. Металл подходит для изготовления украшений, деталей промышленных станков, бытовой техники, радиодеталей.

Магний и его сплавы

Магний — цветной металл, который имеет серебристый оттенок и обозначается символом Mg в периодической системе.

Важные свойства магния:

• Температура плавления — 650°С.
• Плотность — 1,74 г/см3.
• Твердость — 30-40 НВ.
• Относительное удлинение — 6-17%.
• Временное сопротивление — 100-190 МПа.

Металл обладает высокой химической активностью, в атмосферных условиях неустойчив к образованию коррозии. Он хорошо режется, воспринимает ударные нагрузки и гасит вибрации. Так как магний имеет низкие механические свойства, он практически не применяется в конструкционных целях, зато используется в пиротехнике, химической промышленности и металлургии. Он часто выступает в качестве восстановителя, легирующего элемента и раскислителя при изготовлении сплавов.

При маркировке используются буквы Мг с цифрами, которые обозначают процентное содержание магния. Например, в марке Мг96 содержится 99,96% магния, а в Мг90 — 99,9 %.

Сплавы на основе магния характеризуются высокой удельной прочность (предел прочности — до 400 МПа). Они хорошо режутся, шлифуются, полируются, куются, прессуются, прокатываются. Из недостатков магниевых сплавов — низкая устойчивость к коррозии, плохие литейные свойства, склонность воспламеняться при изготовлении.

Деформируемые сплавы магния

Наиболее распространены три группы сплавов на основе магния.

Сплавы магния, легированные марганцем

Содержат до 2,5% марганца, не упрочняются термической обработкой. У них хорошая коррозионная стойкость. Так как эти сплавы легко свариваются, они применяются для сварных деталей несложной конфигурации, а также для деталей арматуры, масляных и бензиновых систем, которые не испытывают больших нагрузок. Среди данной группы — сплавы МА1 и МА8.

Сплавы системы Mg-Al-Zn-Mn

В состав этих сплавов, помимо магния и марганца, входят алюминий и цинк. Они заметно повышают прочность и пластичность, благодаря чему сплавы подходят для изготовления штампованных и кованых деталей сложных форм. К этой группе относятся марки МА2-1 и МА5.

Сплавы системы Mg-Zn

Сплавы на основе магния и цинка дополнительно легируются кадмием, цирконием и редкоземельными металлами. Это высокопрочные магниевые сплавы, которые применяются для деталей, испытывающих высокие нагрузки (в самолетах, автомобилях, станках и др.). К данной группе относятся сплавы марок МА14, МА15, МА19.

Литейные сплавы магния

Самая распространенная группа литейных магниевых сплавов относится к системе Mg-Al-Zn. Эти сплавы практически не поглощают тепловые нейтроны, поэтому широко применяются в атомной технике. Из них также делают детали самолетов, ракет, автомобилей (двери кабин, корпуса приборов, топливные баки и др.). Сплавы магния, цинка и алюминия используют в приборостроении и в изготовлении кожухов для электронной аппаратуры. К данной группе относятся марки МЛ5 и МЛ6.

Высокопрочные литейные магниевые сплавы отличаются лучшими механическими и технологическими свойствами. Они применяются в авиации для изготовления нагруженных деталей. К данной группе относятся сплавы МЛ12 (магний, цинк и цирконий), МЛ8 (магний, цинк, цирконий и кадмий), МЛ9 (магний, цирконий, неодим), МЛ10 (магний, цинк, цирконий, неодим).

Температура плавления меди

При нормальных условиях температура плавления меди составляет 1083 градусов по шкале Цельсия. А во время нагрева происходит ряд превращений на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств вещества. Чтобы разобраться во всех этих изменениях, нужно рассмотреть основные этапы нагрева и расплавления медного слитка. Примерный график плавления меди выглядит так:

1. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов внутри меди образуется прочная кристаллическая решетка, которая обеспечивает материалу большую устойчивость, упругость, химическую инертность. Решетка является достаточно прочной, однако в случае сильной деформации может происходить пространственное изменение положения атомов в решетке. Этим объясняется ковкость и пластичность медных изделий, которые могут сгибаться и деформироваться (скажем, при кузнечной обработке или в случае пресса).
2. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов на поверхности медного изделия также образуется тонкая оксидная пленка. Наличие такой пленки является большим плюсом для изделия, поскольку она выполняет множество важных функций — минимизирует контакт с внешними веществами, защищает материал от коррозии, немного увеличивает прочность. В случае охлаждения материала ниже температуры 0 градусов сама медь сохраняет все свои физические свойства. Однако оксидная пленка при охлаждении становится менее упругой и плотной, изделие становится менее твердым (хотя с практической точки зрения это снижение прочности практически незаметно).
3. При нагреве материала выше температуры 100 градусов происходит постепенная деструкция оксидной пленки на поверхности металла. Это повышает химическую активность материала, что делает его восприимчивым к воздействию веществ во внешней среде. Одновременно с этим при нагреве происходит насыщение энергией атомов меди, что делает материал более пластичным. По этой причине ковку медных изделий выполняют именно после нагрева, поскольку без нагрева для изменения формы изделия понадобится большое количество физических усилий (это может быть мускульная сила кузнеца, расходы электроэнергии для запуска электрического пресса и так далее).
4. При достижении температуры 1083 градусов кристаллическая медная решетка начинается постепенно разрушаться, что превращает твердую медь в жидкую. На физическом уровне происходит следующее — из-за избытка энергии атомы начинают двигаться в кристаллической решетке более интенсивно и хаотично, что приводит к частому столкновению атомов между собой. В конечном счете это разрушает решетку, хотя за счет взаимного столкновения и притяжения атомы не разлетаются в разные стороны. На физическом уровне такая структура материала соответствует жидкости (то есть такому состоянию вещества, при котором атомы находятся в относительно свободном движении, но не разлетаются в разные стороны подобно газу).
5. При остывании медной жидкости ниже температуры 1083 градусов происходит постепенная кристаллизация вещества. Медь вновь обретает твердую форму (чем ниже температура, тем интенсивней происходит затвердение вещества). Однако при необходимости жидкую медь можно и дальше нагревать (на химическом уровне будет происходить дальнейшее насыщение атомов энергией). При достижении температуры 2595 градусов по Цельсию жидкость начнет закипать, а медь начнет принимать газообразную форму. На практике длительное удержание вещества в газообразной форме проблематично — при контакте с атмосферным воздухом вещество будет быстро остывать, обратно превращаясь в жидкость. Чтобы обойти это ограничение, используются разные технологии. Оптимальная — нагрев вещества в тугоплавкой камере с поддержанием стабильной температуры выше критической точки (то есть выше температуры 2595 градусов). В таком случае температура среды будет высокой, а остывание вещества происходить не будет.

Чтобы расплавить/испарить медное изделие с помощью высокоточного нагревательного прибора, нагревать рекомендуется до чуть более высокой температуры. Скажем, в случае расплавления нагревать изделие следует до температуры 1100-1200 градусов (а не 1083 градусов). С практической точки зрения объясняется это просто — нагрев вещества происходит неравномерно, поэтому некоторые фрагменты медного изделия будут долго держать свою форму, тогда как другие — быстро расплавятся. К тому же вещество будет постоянно остывать, что может привести к кристаллизации отдельных фрагментов расплава.

Физические свойства

Основные характеристики металла:

• в чистом виде плотность металла составляет 8.93 г/см3;
• хорошая электропроводность с показателем 55,5S, при температуре около 20⁰;
• теплопередача 390 Дж/кг;
• кипение происходит на отметке 2600°, после чего начинает выделение углерода;
• удельное электрическое сопротивление в среднем температурном диапазоне – 1.78×10 Ом/м.

Основными направлениями эксплуатации меди является электротехнические цели. Высокая теплоотдача и пластичность дают возможность применения к различным задачам. Сплавы меди с никелем, латунью, бронзой, делаю более приемлемой себестоимость и улучшают характеристики.

Что такое сплавы?

Сплавы представляют собой материалы из смеси нескольких металлов и других элементов. Они могут содержать случайные примеси природных компонентов. Одним из первых известных сплавов была бронза. Изделия из неё человек создавал ещё в IV тысячелетии до нашей эры.

Сплавы изготавливают для улучшения качества металлов. Например, чтобы золотые украшения дольше служили, были прочнее или имели определенный оттенок, к ним добавляют небольшую долю никеля, платины, цинка или серебра.

Смешав несколько компонентов, можно изменить свойства металла, повысить температуру плавления и ковкость, придать прочности и твердости, увеличить износоустойчивость. Наиболее распространенными сплавами являются бронза, латунь (сплав меди с цинком), чугун, сталь, баббит, победит, дюралюминий.

Их используют в машиностроении, строительстве, промышленности, авиастроении и т.д. Из смеси никеля, магния и кобальта делают магниты. Олово со свинцом раньше использовали для изготовления столовых приборов, а чугун широко применялся для изготовления бытовых предметов, например, сковородок или утюгов.

Медь и ее сплавы

Металл имеет красновато-желтый оттенок благодаря оксидной пленке, которая образуется при первом взаимодействии металла с кислородом. Пленка придает благородный вид и обладает антикоррозийными свойствами.

Сейчас доступно несколько способов добычи металла. Распространёнными являются медный колчедан и блеск, которые встречаются в виде сульфидных руд. Каждая из технологий получения меди требует особого подхода и следования процессу.

Добыча в природных условиях происходит в виде поиска медных сланцев и самородков. Объемные месторождения в виде осадочных пород находятся в Чили, а медные песчаники и сланцы расположились на территории Казахстана. Использование металла обусловлено невысокой температурой плавления. Практически все металлы плавятся путем разрушения кристаллической решетки.

https://www.youtube.com/embed/xBwvHuWBqTo

Основной порядок плавления и свойства:

• на температурных порогах от 20 до 100°  материал полностью сохраняет свои свойства и внешний вид, верхний оксидный слой остается на месте;
• кристаллическая решетка распадается на отметке 1082°, физическое состояние становится жидким, а цвет белым. Уровень температуры задерживается на некоторое время, а затем продолжает рост;
• температура кипения меди начинается на отметке 2595°, выделяется углерод, происходит характерное бурление;
• при отключении источника тепла происходит снижение температуры, происходит переход в твердую стадию.

Плавка меди возможна в домашних условиях, при соблюдении определенных условий. Этапы и сложность задачи зависят от выбора оборудования.