Медные сплавы

Медные сплавы

Медные сплавы – продукция металлургического производства, процесс изготовления которой человечество освоило с давних времён. Первый медный сплав – сплав меди с оловом – дал начало целой технологической эпохе истории цивилизации, получившей название «бронзовый век».

Мягкий, пластичный металл розовато-золотистого цвета. Его красота издревле привлекала человека, поэтому первыми изделиями из меди были украшения.

В присутствии кислорода медные слитки и изделия из меди приобретают красновато-жёлтый оттенок за счёт образования плёнки из оксидов. Во влажной среде в присутствии углекислого газа медь становится зеленоватой.

Медь имеет высокие показатели теплопроводности и электропроводности, что обеспечивает ей использование в электротехнике. Не меняет свойств в значительном диапазоне температур от очень низких до очень высоких. Не магнитная.

В природе залежи медной руды чаще, чем других металлов, находятся на поверхности. Это позволяет вести добычу открытым способом. Встречаются крупные медные самородки с высокой чистотой меди и медные жилы. Помимо этого медь получают из таких соединений:

• медный колчедан,
• халькозин,
• борнит,
• ковеллин,
• куприт,
• азурит,
• малахит.

Сплавы меди и их применение

Медь и ее сплавы широко используются в процессе возведения линий электропередач и устройств разного типа связи. Сплавы применяют в электромашиностроительной отрасти, в создании разных приборов, при изготовлении холодильников, вакуум-аппаратов.
Примерно половина всей меди используется на нужды электропромышленности. На базе меди получено огромное количество сплавов с разными металлами, например, Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au. Существуют сплавы и с неметаллами, например, с фосфором, серой, кислородом и другими.
Сфера использования таких сплавов довольно обширна. Большая часть их них отличается высокими антифрикционными качествами. Сплавы используют в литой и кованой форме, а также в порошковой форме. К примеру, широко используются сплавы:

• оловянные. Содержат от 4 до 33 % Sn
• свинцовые. В них содержится примерно 30 % Pb
• алюминиевые. Содержат от 5 до 11 % Al
• кремниевые. В таких сплавах присутствует 4-5 % Si
• сурьмяные бронзы, которые востребованы в производстве подшипников, теплообменников и прочих материалов в виде листа, прутков и труб для химической, бумажной и пищевой промышленности.

Разные сплавы меди с хромом, а также вольфрамовый порошковый сплав применяются для изготовления электродов и электроконтактов.
Сложно представить себе химическую промышленность и машиностроение без латуни — сплава меди с цинком (до 50 % Zn). Чаще всего в небольших количествах тут присутствуют и другие элементы, например, Al, Si, Ni, Mn. Сплавы меди с фосфором (6-8 %) применяют как припои.

Сплав меди с цинком

Смесь меди и цинка называется латунью. Как и бронза, она появилась ещё до нашей эры. С тех пор технология ее изготовления несколько поменялась. Раньше, чтобы сделать латунь, смешивали медь с древесным углем и цинковой рудой. В XVIII веке англичанин Джеймс Эмерсон предложил смешивать сами металлы без использования руды.

Основу латуни представляет медь. Содержание цинка варьирует от 5 до 45 процентов. Из-за желтоватого цвета, напоминающего золото, в Древнем Риме латунь называли орихалком, что буквально означает «златомедь».

Сплав меди с цинком не всегда ограничивается только этими металлами. Он может содержать немного олова, свинца, железа, марганца, никеля и других компонентов. Если олова добавить больше, чем цинка, получится уже совершенно другой материал – оловянная бронза.

Первичная медь, получение и применение

В зависимости от чистоты металла, различают следующие марки:

Катодная медь М0

• М1 – 99,9%;

• М2 – 99,7%;

• М3 – 99,5%;

• М4 -99%.

Одним из источников сырья для получения металла выступает медный лом, перерабатываемый согласно технологии огневого рафинирования.

Природные ресурсы металла составляет самородная медь и сульфидные руды, в частности медные колчедан и блеск. Существует два металлургических способа получения металла из руды. На основной метод – пирометаллургический, приходится 90% первичного металла, оставшиеся 10% – результат гидрометаллургической технологии.

Физические свойства меди не могли остаться незамеченными в промышленности. Ее высокая электропроводность позволяет использовать металл при изготовлении электродов, проводов, особенно силовых кабелей (марка М0). Относительная химическая инертность меди нашла применение металлу в узлах аппаратуры для работы с огнеопасными веществами.

Высокая теплопроводность металла, наряду с устойчивостью к коррозии, используются при изготовлении сантехнических конструкций, узлов, а также кровельных покрытий. В настоящее время, медь вытеснили тут другие, более дешевые материалы.

Достаточно широкий рынок применения меди – производство сплавов. Латунь и бронза, где Cu является основным компонентом, уже были рассмотренные ранее. Широко используется другой сплав дюралюминий, где содержание меди доходит до 5%.

2 Двухкомпонентная и многокомпонентная латунь

Разделение интересующих нас сплавов на красный (томпак) и желтый – это не единственный вариант их классификации. Латуни, кроме того, делят на двух- и многокомпонентные. Двухкомпонентные включают в свой состав медь (ее всегда больше) и цинк, а также совсем немного иных включений. Томпак – яркий представитель таких композиций. В нем цинка всегда не больше 10 процентов, а концентрация меди может достигать 97 процентов (минимум – 88).

Латунь с двумя компонентами изменяет свои свойства в зависимости от того, какой фазовый состав она имеет. Существуют одно- и двухфазные сплавы. Первые имеют структуру, когда в меди присутствует раствор (твердый) цинка. В данном случае латуни проявляют высокую степень пластичности. А вот двухфазные комбинации, в которых цинка содержится более 39 процентов, описываются недостаточной пластичностью, но при этом они намного более прочные.

Однофазные сплавы легко обрабатываются давлением. Их форму за счет пластичности латуни можно изменять не только при высоких, но и при низких температурах. При этом есть один нюанс. Он заключается в том, что при температурах от 300 до 700 градусов томпак или другую латунь (одно- либо двухфазную) деформировать запрещается, так как в данном интервале в сплаве присутствует зона хрупкости.

Многокомпонентные композиции (как правило, их именуют специальными) включают в себя ряд других легирующих компонентов кроме цинка и меди. Обычно многокомпонентная латунь содержит следующие элементы:

• никель — он вводится для увеличения коррозионной стойкости сплавов и их прочностных показателей;
• олово — легирующий компонент, который увеличивает сопротивляемость изделий из латуни ржавлению в соленой воде (например, в море) и их прочность;
• кремний — элемент, повышающий антифрикционные возможности сплава цинка с медью, но одновременно ухудшающий их прочность и твердость;
• свинец — его добавка в латунь обеспечивает легкость ее обработки при помощи режущих инструментов, но, к сожалению, при этом наблюдается снижение механических возможностей сплава;
• марганец — легирование латуни марганцем обеспечивает высокую стойкость композиции к коррозии и отличную прочность (эффект от внесения этого элемента становится более ощутимым, если вместе с марганцем в сплав вводят олово, алюминий и железо).

Как видим, разные компоненты неодинаково воздействуют на свойства композиции из меди и цинка, будь то томпак или другой сплав, за счет чего можно создавать сплавы с особыми характеристиками.

Классификация и маркировка латуни

Содержание цинка в металле может варьироваться от 5 до 45 процентов. При содержании цинка до 20 процентов латунь называют красной или томпак, а выше 20% — жёлтой. Сплав, содержащий только цинк и медь, является двухкомпонентным, а содержащий присадки — многокомпонентным. Согласно сфер применения, латунь можно разделить на литейные, деформируемые, автоматные.

Относительно состава металла производится его маркировка по стандартам ГОСТ. Латунь по квалификации обозначается буквой «Л», затем идут обозначения присадок с цифрами, которые указывают процент меди и добавок. Например, ЛO70−1, где 70% — это медь, 1% — олово и соответственно не указан цинк, которого — 29%. Литейные сплавы имеют другую маркировку: количественное содержание указывается после буквы, а вместо меди указан цинк. Для примера переделана маркировка вышеуказанного сплава — ЛЦ29О1.

Маркировка сплавов, состоящих из меди и цинка

Маркировка сплавов меди, в которых содержится цинк, основана на достаточно несложном принципе. В обозначении любого сплава меди с цинком (как двух-, так и многокомпонентного) есть буква «Л», которая стоит первой. В двухкомпонентных сплавах за этой буквой следуют цифры, обозначающие содержание меди в целых процентах. Таким образом, по этой цифре можно сразу узнать, сколько процентов меди содержится в данной марке латуни.

Более сложной маркировкой отличаются многокомпонентные латуни, в обозначении которых присутствует сразу несколько букв и цифр. Первой буквой является «Л», по которой становится понятно, что перед нами латунь, за этой буквой следуют буквенные обозначения различных легирующих элементов. Вторая часть маркировки многокомпонентных сплавов – это процентное содержание легирующих элементов, указанных в буквенной части маркировки. Для большего удобства цифры, соответствующие содержанию каждого легирующего элемента, разделены между собой дефисами. Порядок расположения цифр в маркировке многокомпонентных латуней такой:

1. первая двухзначная цифра – это содержание меди;
2. остальные цифры, разделенные дефисами, соответствуют содержанию легирующих элементов, указанных в буквенной части маркировки.

Памятка по маркировке латуни

Чтобы было более понятно, разберем, какие элементы содержатся в сплаве меди с цинком марки ЛАЖМц66-6-3-2. Согласно первой цифре, в данном сплаве содержится 66% меди, затем следует Алюминий (6%), Железо (3%) и Марганец (2%). Если просуммировать эти цифры, то можно определить, что меди с остальными элементами в данной латуни содержится 77%. Оставшиеся 23% составляет цинк.

Несколько иначе маркируются латуни, относящиеся к категории литейных. В их маркировке сразу после букв, обозначающих легирующие элементы, ставятся цифры, соответствующие их процентному содержанию. К примеру, в сплаве марки ЛЦ40Мц1,5 содержится:

• 40% цинка;
• 1,5% марганца;
• оставшиеся 58,5% составляет медь.

Разновидности цинковых сплавов

Цинк могут сплавлять с различными веществами, отчего будут зависеть свойства полученного материала. Сплавление чистого цинка с медью, алюминием и оловом может улучшить его характеристики. Полученный состав будет более качественным, нежели чистое вещество.

Медь и цинк

Медно-цинковый сплав называется латунью. Такой сплав известен уже очень давно. Сначала его изготавливали посредством сплавления цинковой руды и меди. И только в 18 веке впервые был создан сплав из меди и металлического цинка.

Притом оба компонента могут брать в разных пропорциях. В результате этого отличают несколько разновидностей латуни:

• Зеленая. Содержит 60% меди и 40% цинка.
• Золотистая. В ее состав входит 75% меди и 25% цинка.
• Желтая. Содержит 67% меди и 33% цинка.

Латунь – сплав меди и цинка

Латунь отлично поддается обработке давлением. Характеризуется высокими механическими свойствами, неплохой коррозионной устойчивостью. Но на воздухе, в соленой воде и углекислых растворах латунь неустойчива, быстро покрывается темной кислородной пленкой.

Внешне латунь выглядит красивее меди, характеризуется лучшей коррозионной стойкостью. Но с ростом температуры интенсивность коррозии также увеличивается. Ее могут спровоцировать повышенная влажность воздуха, наличие в нем аммиака или сернистого газа. Поэтому для предотвращения коррозии материал подвергают низкотемпературному обжигу.

Латуни не теряют своих свойств при понижении температуры. Это позволяет использовать их, как конструкционный материал. Но при высоких температурах (более 200 градусов) могут наблюдаться явления хрупкости латуни.

Олово и цинк

Сплав цинка с оловом характеризуется высокими защитными свойствами. Ржавеет или нет цинковый сплав с оловом? Такой материал получается очень устойчивым к коррозии. Самыми лучшими антикоррозионными свойствами обладает сплав с 20-25% цинка и 75-80% олова. Поэтому его можно применять в условиях высокой влажности, со временем его внешний вид не ухудшится. Чем выше содержание цинка в сплаве, тем ниже его коррозионная устойчивость. Если сплав содержит 50% и более цинка, его корозионная стойкость приближена к стойкости чистого цинка.

Сплав олова с цинком обладает следующими преимуществами:

• Он очень пластичен, хорошо подается пайке.
• Полировка осадка сохраняется на протяжении долгого времени.
• Имеет высокую коррозионную стойкость.

За счет наличия вышеперечисленных свойств сплав олова и цинка обычно применяют в электро- и радиопромышленности. Изделия из него получаются очень прочными и устойчивыми к внешним воздействиям.

Алюминий и цинк

Чаще всего создается сплав из цинка, алюминия и меди, который называют ЦАМ. Также в его состав входит небольшое количество магния.

Такой сплав имеет небольшую температуру плавления, хорошо подается литью. Изделия из него получаются очень прочными и устойчивыми к окружающей среде.

Есть несколько качественных сплавов цинка с алюминием, которые обозначаются через ЦАМ 4-1, ЦАМ 4-3, ЦАМ 10-5 и другие. Они содержат примерно одинаковое количество алюминия, но разное – магния, никеля и меди. Стоимость сплава алюминия с цинком ниже, чем олова с цинком. Поэтому изделия из него стоят в разы дешевле.

Медистые ферросплавы

В отличие от других случаев соединения металлов, основой для легирования является не медь, а железо. Сплав Cu + Fe обладает высокой пористостью.

С точки зрения заготовки медного лома, медистые стали интереса не представляют — содержание Cu находится в пределах 0,2―0,5%. Но для переплавки чугуна и чёрного металлолома сплав железа и меди играет роль легирующей присадки при термическом переделе. За счёт добавления Cu антикоррозийные свойства стали улучшаются в 1,5―3 раза против обычной углеродистой. В порошковой металлургии в отношении медистой стали отмечаются следующие явления:

1. Медь повышает прочность при одновременном введении 5―6% Cu и углерода 0,3―0,6%. При этом ухудшаются пластические свойства сплава.
2. Улучшается обрабатываемость стали.
3. Возрастает стойкость к атмосферной коррозии.

Малоуглеродистая сталь с медью используется для обшивки ж/д вагонов, изготовления резервуаров. Краска на изделиях из такого металла удерживается дольше.