Твердый металл медь люди научились плавить еще до нашей эры. Название элемента по таблице Менделеева – Cuprum, в честь первого массового расположения производства меди. Именно на острове Кипр в третьем тысячелетии до н.э. начали добывать руду. Металл зарекомендовал себя как хорошее оружие и красивый, блестящий материал для изготовления посуды и других приборов.
Процесс плавления меди
Изготовление предметов требовало множество усилий при отсутствии технологий. В первых шагах развития цивилизации и поиску новых металлов, люди научились добывать и плавить медную руду. Получение руды происходило в малахитовом, а не в сульфидном состоянии. Получение на выходе свободной меди, из которой можно изготавливать детали, требовало обжига. Для исключения окислов, металл с древесным углем размещалась в сосуд из глины. Поджигался металл в специально подготовленной яме, образующийся в процессе угарный газ способствовал процессу появления свободной меди.
Для точных расчетов использовался график плавления меди. В то время производился точный расчет времени и примерная температура, при которой происходит плавка меди.
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.
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.
Физические свойства
Основные характеристики металла:
- в чистом виде плотность металла составляет 8.93 г/см 3 ;
- 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.
В природе она не однородна по своему составу, так как содержит ряд кристаллических элементов, образующих с ней устойчивую структуру, так называемые растворы, которые можно подразделить на три группы:
- Твердые растворы. Образуются, если в составе содержаться примеси железа, цинка, сурьмы, олова, никеля и многих других веществ. Такие вхождения существенно снижают ее электрическую и тепловую проводимость. Они усложняют горячий вид обработки под давлением.
- Примеси, растворяющиеся в медной решетке. К ним относятся висмут, свинец и другие компоненты. Не ухудшают качества электропроводимости, но затрудняют обработку под давлением.
- Примеси, формирующие хрупкие химические соединения. Сюда входят кислород и сера, а также другие элементы. Они ухудшают прочностные качества, в том числе снижают электропроводность.
Масса меди с примесями гораздо больше, чем в чистом виде. Ко всему прочему, элементы примесей существенно влияют на конечные характеристики уже готового продукта. Поэтому их суммарный состав, в том числе количественный, по отдельности должен регулироваться еще на этапе производства. Рассмотрим более подробно влияние каждого элемента на характеристики конечных медных изделий.
- Кислород. Один из самых нежелательных элементов для любого материала, не только медного. С его ростом ухудшается такое качество, как пластичность и устойчивость к коррозионным процессам. Его содержание не должно превышать 0,008%. В ходе термической обработки в результате процессов окисления количественное содержание этого элемента уменьшается.
- Никель. Образует устойчивый раствор и существенно снижает показатели проводимости.
- Сера или селен. Оба компонента одинаково влияют на качество готовой продукции. Высокая концентрация таких вхождений снижает пластичные свойства медных изделий. Содержание таких компонентов не должно превышать 0,001% от общей массы.
- Висмут. Негативно влияет на механические и технологические характеристики готовой продукции. Максимальное содержание не должно превышать 0,001%.
- Мышьяк. Он не меняет свойств, но образует устойчивый раствор, является своего рода защитником от пагубного влияния других элементов, как кислород, сурьма или висмут.
- Марганец. Он способен полностью раствориться в меди практически при комнатной температуре. Влияет на проводимость тока.
- Сурьма. Компонент лучше всех растворятся в меди, наносит ей минимальный вред. Содержание его не должно превышать 0,05% от массы меди.
- Олово. Образует устойчивый раствор с медью и повышает ее свойства по проведению тепла.
- Цинк. Его содержание всегда минимально, поэтому такого пагубного влияния он не оказывает.
Фосфор. Основной раскислитель меди, максимальное содержание которого при температуре 714°С составляет 1,7%.
Сплав на основе меди с добавлением цинка называется латунь. В некоторых ситуациях добавляется олово в меньших пропорциях. Джеймс Эмерсон в 1781 году решил запатентовать комбинацию. Содержание цинка в сплаве может варьироваться от 5 до 45%. Латуни различают в зависимости от предназначения и спецификации:
- простые, состоящие из двух компонентов – меди и цинка. Маркировка таких сплавов обозначается буквой «Л», напрямую значащая содержание меди в сплаве в процентах;
- многокомпонентные латуни – содержат множество других металлов в зависимости от назначения к использованию. Такие сплавы повышают эксплуатационные свойства изделий, обозначаются также буквой «Л», но с прибавлением цифр.
Физические свойства латуни относительно высокие, коррозийная стойкость на среднем уровне. Большинство сплавов не критично к пониженным температурам, возможно эксплуатировать металл в различных условиях.
Технологии получения латуни взаимодействует с процессами медной и цинковой промышленности, обработке вторичного сырья. Эффективным способом плавки является использование электропечи индукционного типа с магнитным отводом и регулировкой температуры. После получения однородной массы, она разливается в формы и подвергается процессам деформации.
Применение материала в различных отраслях, повышает на него спрос с каждым годом. Сплав применяется в суд строительстве и производстве боеприпасов, различных втулок, переходников, болтов, гаек и сантехнических материалов.
Цветной металл для изготовки изделий разных типов начали использовать с древних времен. Данный факт подтверждается найденными материалами при археологических раскопках. Состав бронзы изначально был богат оловом.
Промышленностью выпускается различное количество разновидностей бронзы. Опытный мастер способен по цвету металла определить его предназначение. Однако не каждому под силу определить точную марку бронзы, для этого используется маркировка. Способы производства бронзы подразделяются на литейные, когда происходит плавление и отлив и деформируемые.
Состав металла зависит от предназначения к использованию. Основным показателем является наличие бериллия. Повышенная концентрация элемента в сплаве, подвергнутая процедуре закаливания, может соперничать с высокопрочными сталями. Наличие в составе олова отнимает у металла гибкость и пластичность.
Производство бронзовых сплавов изменилось с древних времен фактически внедрением современного оборудования. Технология с использованием в качестве флюса в виде древесного угля используется до сих пор. Последовательность получения бронзы:
- печь разогревается для требуемой температуры, после этого в нее устанавливается тигель;
- после плавки металл может окислится, во избежание этого добавляют флюс в качестве древесного угля;
- кислотным катализатором служит фосфорная медь, добавление происходит после полного прогрева сплава.
Плавка бронзы
Старинные изделия из бронзы подвержены естественным процессам – патинирование. Зеленоватый цвет с белым оттенком проявляется из-за образования пленки, обволакивающей изделие. Искусственные методы патинирования включают в себя методы с использованием серы и параллельным нагреванием до определенной температуры.
Температура плавления меди
Плавится материал при определенной температуре, которая зависит от наличия и количества сплавов в составе.
В большинстве случаев, процесс происходит при температуре от 1085°. Наличие олова в сплаве дает разбег, плавление меди может начаться при 950°. Цинк в составе также понижает нижнюю границу до 900°.
Для точных расчетов времени понадобится график плавления меди. На обычном листке бумаги используется график, где по горизонтали отмечается время, а по вертикали градусы. График должен указывать, на каких моментах поддерживается температура при нагреве для полного процесса кристаллизации.
Плавление меди в домашних условиях
В домашних условиях медные сплавы возможно плавить несколькими способами. При использовании любого из методов, понадобятся сопутствующие материалы:
- тигель – посуда, изготовленная из закаленной меди или другого огнеупорного металла;
- древесный уголь, понадобится в роли флюса;
- крюк металлический;
- форма будущего изделия.
Наиболее легким вариантом для плавления является муфельная печь. В емкость опускаются куски материала. После установки температуры плавления процесс можно наблюдать через специальное окошко. Установленная дверца позволяет удалять образованную в процессе оксидную пленку, для этого понадобиться заранее подготовленный металлический крюк.
Вторым способом плавления в домашних условиях является использование горелки или резака. Пропан – кислородное пламя отлично подойдет для работ с цинком или оловом. Куски материалов для будущего сплава помещаются в тигель, и нагреваются мастером произвольными движениями. Максимальная температура плавления меди может быть достигнута при взаимодействии с пламенем синего цвета.
Плавка меди в домашних условиях подразумевает работу с повышенными температурами. Приоритетом служит соблюдение техники безопасности. Перед любой процедурой следует одеть защитные огнеупорный перчатки и плотную, полностью закрывающую тело одежду.
Значение плотности меди
Плотность - это отношение массы к объему. Выражается она в килограммах на кубический метр всего объема. В виду неоднородности состава, значение плотности может меняться в зависимости процентного содержания примесей. Поскольку существуют разные марки медных прокатов с разным содержанием компонентов, то и значение плотности у них будет разное. Плотность меди можно найти в специализированных технических таблицах, которая равна 8,93х10 3 кг/м 3 . Это справочная величина. В этих же таблицах показан удельный вес меди, который равен 8,93 г/см 3 . Таким совпадением значений плотности и его весовых показателей характеризуются не все металлы.
Не секрет, что от плотности напрямую зависит конечная масса изготовленного изделия. Однако для расчетов гораздо правильнее использовать удельный вес. Этот показатель очень важен для производства изделий из меди или любых других металлов, но применим больше к сплавам. Он выражается отношением массы меди к объему всего сплава.
Расчет удельного веса
В настоящее время учеными разработано огромное количество способов, помогающих найти характеристики удельного веса меди, которые позволяют даже без обращения к специализированным таблицам вычислять этот немаловажный показатель. Зная его, можно с легкостью подобрать необходимые материалы, благодаря которым в конечном итоге можно получить нужную деталь с требуемыми параметрам. Это делается еще на стадии подготовки, когда планируется создать необходимую деталь из меди или ее содержащих сплавов.
Как уже говорилось выше, удельный вес меди можно подсмотреть в специализированном справочнике, но если под рукой такого нет, то его можно рассчитать по следующей формуле: вес делим на объем и получаем необходимую нам величину. Общими словами такое соотношение можно выразить как общее весовое значение к общему значению объема всего изделия.
Не стоит путать его с понятием плотности, так как он характеризует металл по-другому, хоть и имеет одинаковые значения показателей.
Рассмотрим, как можно вычислить удельный вес, если известна масса и объем медного изделия.
Например, имеем чистый медный лист толщиной 5 мм, шириной 2 м и длиной 1 м. Для начала посчитаем его объем: 5 мм * 1000 мм (1 м = 1000 мм) * 2000 мм, что составляет 10 000 000 мм 3 или 10 000 см 3 . Для удобства расчетов будем считать, что масса листа составляет 89 кг 300 грамм или 89300 грамм. Делим рассчитанный результат на объем и получаем 8,93 г/см 3 . Зная этот показатель, мы всегда с легкостью можем вычислить весовое содержание в меди того или иного сплава. Это удобно, например, для обработки металла.
Единицы измерения удельного веса
В разных системах измерения используются разные единицы для обозначения удельного веса меди:
- В системе измерения СГС или сантиметр-грамм-секунда используется дин/см 3 .
- В Международной СИ используются единицы н/м 3 .
- В системе МКСС или метр-килограмм-секунда-свеча применяется кг/м 3 .
Первые два показателя равны между собой, а третий при конвертации равен 0,102 кг/м 3 .
Расчет веса с использованием значений удельного веса
Не будем уходить далеко и воспользуемся примером, описанным выше. Вычислим общее содержание меди в 25 листах. Поменяем условие и будем считать, что листы изготовлены из медного сплава. Таким образом, берем удельный вес меди из таблицы и он равен 8.93 г/см 3 . Толщина листа 5 мм, площадь (1000 мм * 2000 мм) составляет 2 000 000 мм, соответственно объем будет равняться 10 000 000 мм 3 или 10 000 см 3 . Теперь умножаем удельный вес на объем и получаем 89 кг и 300 гр. Мы вычислили общий объем меди, который содержится в этих листах без учета веса самих примесей, то есть общее весовое значение может быть больше.
Теперь умножаем рассчитанный результат на 25 листов и получаем 2 235 кг. Такие расчеты уместно использовать при обработке медных деталей, так как позволяют узнать, сколько меди всего содержится в изначальных объектах. Аналогичным образом можно рассчитать медные прутки. Площадь сечения провода умножается на его длину, где получим объем прутка, а далее по аналогии с вышеописанным примером.
Как определяется плотность
Плотность меди, как и плотность любого другого вещества, является справочной величиной. Она выражается соотношением массы к объему. Самостоятельно вычислить этот показатель весьма сложно, так как без специальных приборов состав проверить невозможно.
Пример расчета плотности меди
Выражается показатель в килограммах на кубический метр или в граммах на кубический сантиметр. Показатель плотности более полезен для производителей, которые на основе имеющихся данных могут скомпоновать ту или иную деталь с требуемыми свойствами и характеристиками.
Области использования меди
Благодаря физико-механическим свойствам, она широко используется для различных отраслей промышленности. Наиболее часто ее можно встретить в электротехнической области в качестве составляющей части электрического провода. Не меньшей популярностью она пользуется также в производстве систем отопления и охлаждения, электроники и системах теплового обмена.
В строительной отрасли она используется, прежде всего, для создания разного рода конструкций, которые получаются гораздо меньше по массе, чем из любых других аналогичным материалов. Часто ее используют для кровли, так как такие изделия обладают легкостью и пластичностью. Такой материал легко обрабатывается и позволяет менять геометрии профиля, что очень удобно.
Как уже говорилось выше, основное свое применение она находит в изготовлении электрических и иных токопроводящих кабелей, где она используется для изготовления жил проводов и кабелей. Обладая хорошей электропроводностью, она дает достаточное сопротивление электронам тока.
Широко используются также сплавы меди, например, сплав меди и золота повышает прочность последнего в разы.
На стенках медных прокатов никогда не образуются соляные отложения. Такое качество полезно для транспортировки жидкостей и паров.
На основе оксидов меди получают сверхпроводники, а в чистом виде она идет на изготовление гальванических источников питания.
Она входит в состав бронзы, которая обладает стойкостью к агрессивным средам, как морская вода. Поэтому часто ее используют в навигации. Также бронзовые продукты можно увидеть на фасадах домов, как элемент декора, так как такой сплав обрабатывается легко, так как очень пластичен.
Кристаллическая решетка меди - гранецентрированный куб. Полиморфных превращений она не имеет. Температура плавления 1083 °С. Прочность и пластичность меди сильно зависит от наклепа. После прокатки и отжига медь имеет предел прочности 200...250 МПа, а относительное удлинение 30...35 %.
Вследствие высокой пластичности медь плохо обрабатывается резанием, но легко деформируется в горячем и холодном состояниях. Прочность меди в результате холодной деформации возрастает до 700 МПа, а пластичность ее снижается до 1...3 %.
В зависимости от химического состава существуют следующие марки меди: М00 (99,99 % Си), МО (99,95 % Си), Ml (99,90 % Си), М2 (99,70 % Си), М3 (99,50 % Си), М4 (99,0 % Си). Чем больше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей.
Все примеси, кроме бериллия, ухудшают электропроводность меди. Особенно сильно снижают ее элементы, образующие твердые растворы с ограниченной растворимостью и вызывающие сильное искажение кристаллической решетки - фосфор, кремний, железо и мышьяк. Элементы, обладающие полной растворимостью в меди и слабо искажающие ее решетку, в значительно меньшей степени снижают ее электропроводность. Например, серебро почти не влияет на электропроводность меди. Сплав, содержащий приблизительно 0,25 % серебра, применяют для изготовления обмоток сверхмощных турбогенераторов.
Примеси, не растворяющиеся в меди или образующие нерастворимые включения, почти не влияют на электропроводность меди (силикаты, сернистые и кислородные включения, свинец, висмут).
В установках глубокого охлаждения для присоединения манометров и других приборов применяют медные трубки. Малая механическая прочность меди не позволяет использовать медные трубы большого диаметра. Следует иметь в виду, что медь подвержена ползучести при комнатной температуре.
Из-за высокой теплопроводности и хорошей коррозионной стойкости во многих средах медь находит применение как материал для поверхностей нагрева трубчатых теплообменников.
Латуни - медные сплавы, в которых преобладающим легирующим компонентом является цинк. Кроме меди и цинка, латуни могут содержать небольшие примеси других элементов.
Латуни маркируют буквой Л, после буквы следует цифра, указывающая на содержание в ней меди (Л96, Л68 и др.). Если кроме меди и цинка латунь содержит примеси других элементов, то за буквой Л следует буква, принятая для условного обозначения примеси: О - олово, С - свинец, А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, К - кремний, Ф - фосфор. Например: ЛАЖ60-1 -1 -латунь содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа, остальное цинк.
Латуни с большим содержанием меди называют томпаками - Л96 и Л80, а Л85 и Л80 - полутомпаками.
В теплотехнике латуни применяют для изготовления трубок конденсаторов паровых турбин и теплофикационных бойлеров. Для конденсаторов, работающих на пресной воде, применяют трубки из латуни Л68, а для теплофикационных бойлеров из Л68 и Л63. Латунные трубки предпочтительнее по сравнению с трубками из углеродистой стали вследствие более высокой коррозионной стойкости в воде.
В процессе эксплуатации наблюдается особый вид разрушения латунных трубок - обесцинкование. Отдельные участки трубы или вся ее поверхность превращаются в рыхлые кристаллы меди. Иногда этот процесс развивается в виде язвенных образований: «пробки» меди легко выпадают, и сплошность трубы нарушается. Нормальный срок службы латунных труб в бойлерах и конденсаторах 20 лет, однако при сплошном слоевом растворении цинка массовый выход из строя труб начинается через 4...6 лет. При образовании «пробок» выход труб из строя начинается через 1...2 года, а иногда даже через несколько месяцев. Латунь Л070-1 несколько лучше сопротивляется растворению цинка, чем латунь Л63, Поэтому трубки из латуни ЛО70-1 ставят на конденсаторы, охлаждаемые морской водой. Сильно ускоряют процесс обесцинкования угольная кислота и аммиак, растворенный в охлаждаемой воде.
Экономичнее устанавливать на охладителях, работающих на морской воде, более дорогие мельхиоровые трубки (МН70-30), срок службы которых составляет не менее 10 лет против 3 лет дешевых латунных трубок.
В табл. 8.1 приведены некоторые латуни и их механические свойства.
Латунные трубки в процессе изготовления получают наклеп, поэтому в материале трубок имеются остаточные напряжения. Хранение их на воздухе приводит к образованию трещин. Для предупреждения образования трещин трубки подвергают отжигу при 200...400 °С в течение нескольких часов.
Для деталей, изготавливаемых обработкой резанием, применяют латунь Л59 и латунь со свинцом ЛС59-1.
Таблица 8.1
Механические свойства некоторых латуней (после отжига)
Ряд латуней применяют преимущественно для изготовления литых деталей. Коррозионно-стойкие детали льют из алюминиевой латуни ЛА67-2,5, на арматурное литье идут латуни ЛК80-ЗЛ и ЛМцОС5 8-2-2-2.
Латунь деформируемая - латунь, содержащая 57...97 % Си, обладающая высокой пластичностью, легко обрабатывается давлением (табл. 8.2).
Таблица 8.2
Химический состав и применение деформируемых латуней*
(по ГОСТ 15527-70)
Окончание табл. 8.2
* В латуни марки Л70 должно быть не более 0,005 % А$; 0,005 % Бп и 0,002 % Б; в антимагнитных латунях содержание железа должно быть не более 0,03 %.
Латунь литейная предназначена для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья. Латунь литейная содержит 50...81 % Си. В качестве легирующих элементов применяются алюминий, марганец, железо, кремний, олово и свинец. Латуни литейные отличаются высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью. Большинство из них имеют хорошие антифрикционные свойства и в ряде случаев являются полноценными заменителями оловянистых бронз. По ГОСТ 17711-80 изготовляется 10 марок латуни литейной (табл. 8.3).
Из литейной латуни изготовляют коррозионно-стойкие литые детали морских судов (гребные винты, лопасти, арматуру и др.), самолетов, различных машин и аппаратов, всевозможных нажимных и червячных винтов, шестерен, подшипников и других антифрикционных деталей, работающих в тяжелых условиях.
Структура литейной латуни за исключением латуни Л62, однофазовая. Латунь Л62 в отожженном состоянии имеет двухфазную структуру - (а + Р)-кристаллы. При температуре выше 750 °С эта латунь состоит только из кристаллов р-фазы. ПрочТаблица 8.3
Химический состав и механические свойства литейных латуней (по ГОСТ 17711-80)
|
Механические свойства |
|||||
|
другие элементы |
ст в, МПа (не менее) |
||||
|
ЛАЖМц66-6-3-2 | |||||
|
ЛМцОС58-2-2-2 | |||||
* Литье в кокиль. ** Литье в землю. *** Центробежное литье.
ность и твердость латуней возрастает с увеличением содержания цинка. Максимальной пластичностью обладает латунь Л68, применяемая главным образом для деталей, изготовляемых штамповкой или другими видами обработки с высокими степенями вытяжки. Наибольшее применение из стандартных деформируемых латуней имеет латунь Л62, содержащая минимальное количество меди и обладающая достаточно высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Деформируемые латуни, предназначаемые для изготовления деталей штамповкой, наряду с высокой пластичностью должны иметь определенный размер зерна. Крупнозернистая структура приводит к образованию на штампованных изделиях шероховатой поверхности. На деформируемых латунях с очень мелким зерном могут возникать трещины при глубокой вытяжке.
Из деформируемых латуней изготавливают листы, прутки, трубки и проволоку.
Латунь деформируемая марки Л96 стойкая против коррозионного растрескивания имеет высокую теплопроводность, применяется для изготовления трубок авиационных радиаторов и конденсаторных трубок.
Латунь Л90 обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо сваривается со сталью. Из нее изготовляют биметаллы типа сталь-латунь.
Латунь деформируемая коррозионно-стойкая - латунь, содержащая 60...91 % Си и один или несколько легирующих элементов.
Латунь деформируемая коррозионно-стойкая обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем простые (двойные) латуни, и хорошо обрабатывается давлением. Добавки, улучшающие коррозионную стойкость латуней: алюминий, марганец, кремний, никель, олово и мышьяк.
Алюминий повышает коррозионную стойкость латуней в условиях морской и пресной воды. Добавки никеля и железа к алюминийсодержащим латуням повышают их коррозионную стойкость и прочность. Изготовляются следующие марки, содержащие алюминий: ЛА85-0,5, ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2. Предел прочности этих латуней в отожженном состоянии составляет 380-500 МПа и в наклепанном (на 50 %) - 580...700 МПа, относительное удлинение 40...55 и 8... 12 % соответственно. Латунь деформируемую коррозионно-стойкую с высоким содержанием меди марки ЛА85-0,5 применяют для изготовления знаков отличия, фурнитуры и художественных изделий; ЛА77-2 - для конденсаторных труб. Из латуни деформируемой коррозионно-стойкой ЛАЖ60-1-1 изготовляют трубы и прутки для высокопрочных деталей, работающих в морской воде. Латунь деформируемая коррозионно-стойкая ЛАН59-3-2 отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью и предназначается для коррозионно-стойких, высокопрочных деталей, применяемых в морском судостроении, электромашиностроении и химической апаратуре.
Марганец повышает стойкость латуней против действия морской воды, хлоридов и перегретого пара. В сочетании с алюминием и железом марганец также повышает прочность латуней. Механические свойства выпускаемых латуней деформируемых коррозионно-стойких с марганцем марок ЛЖМц59-1-1, ЛМц58-2 и ЛМцА57-3-1: предел прочности 45...600 МПа, относительное удлинение 40...60 %. Из латуней ЛЖМц59-1-1, ЛМц58-2 и ЛМцА57-3-1 изготовляют трубы, листы, полосы и прутки. Выпускают также нестандартную латунь ЛНМцЖА60-1-2-1-1 (58...62 % Си, 0,1...0,5 % №, 1,5...2,5 % Мп, 0,5...1,1 % Ре и 0,5... 1 % А1), характеризующуюся высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Эта латунь заменяет бронзы и латуни с высоким содержанием меди и может изготовляться из вторичных медных сплавов; применяется для изготовления деталей в морском судостроении.
Кремний (кремнистая латунь) повышает коррозионную стойкость латуней в морской воде и атмосферных условиях, а также увеличивает стойкость против коррозионного растрескивания. Выпускается латунь с кремнием стандартная ЛК80-3 и нестандартная ЛКС65-1,3-3 (63,5...66,5 % Си, 1...2 % Бц 2,5...3,5 РЬ). Последняя хорошо обрабатывается резанием и обладает высокими антифрикционными свойствами. Из латуни ЛК80-3 изготовляют кованные и штампованные детали. Механические свойства латуни ЛК80-3: предел прочности 300...500 МПа, относительное удлинение 15...40 %.
Никель (никелевая латунь) повышает коррозионную стойкость латуней в атмосферных условиях и морской воде и несколько увеличивает стойкость против обесцинкования. Выпускается стандартная латунь ЛН65-5, отличающаяся высокой коррозионной стойкостью и повышенными механическими свойствами (предел прочности 380...700 МПа, относительное удлинение 4...60 %). Из латуни ЛН65-5 изготовляют листы, полосы, ленты, трубы, прутки и профили. Ее применяют для конденсаторных труб, манометрических трубок и сеток бумагоделательных машин.
Олово повышает коррозионную стойкость латуней в морской и пресной воде, вследствие чего они получили название морских латуней. По ГОСТ 17711-80 выпускают четыре марки латуни с оловом: ЛО90-1, ЛО70-1, Л062-1 и ЛО60-1. Механические свойства оловянистых латуней в зависимости от содержания олова: предел прочности в отожженном состоянии от 280 до 350 МПа, в нагартованном состоянии от 450 до 650 МПа, а относительное удлинение 40...60 % и 8... 12 % соответственно. Из латуни ЛО90-1 изготовляют полосы и ленты, применяемые для антифрикционных деталей, от которых требуется хорошая коррозионная стойкость. Латунь Л070-1 в основном предназначается для изготовления конденсаторных труб, теплотехнической аппаратуры и т.п. Латунь Л062-1 поставляется в виде листов, полос и прутков и предназначается для всевозможных деталей в морском судостроении. Латунь ЛО60-1 применяется в виде проволоки и тонких прутков для сварки различных конструкций в судостроении.
Мышьяк в количестве до 0,05 % в несколько раз повышает стойкость против обесцинкования латуней с высоким содержанием цинка (более 20 %).
Латунь заклепочная. К ней относится латунь Л 62, из которой изготавливают проволоку диаметром от 1 до 10 мм. Проволока выпускается в отожженном состоянии с а в не менее 380 МПа и относительным удлинением не менее 18 %. Во избежание коррозионного растрескивания клепанные детали необходимо подвергать низкотемпературному отжигу при 250...300 °С.
Бронзы. Бронзы - сплавы меди, в которых основным легирующим компонентом является любой металл, кроме цинка. Цинк также может входить в состав бронз, но в них он не является основным легирующим элементом. Большинство бронз обладают хорошими литейными свойствами и хорошо обрабатываются резанием.
Обозначение марок бронз начинаются буквами Бр. Далее следуют буквы, соответствующие легирующим элементам бронзы. Цифры указывают на содержание этих элементов в процентах. Например: БрСЗО содержит около 30 % свинца, а БрФ6,5-0,25 содержит 6,5 % олова и 0,25 % фосфора.
Из бронз изготавливают втулки подшипников скольжения и другие трущиеся детали (шестерни, направляющие и др.). Бронзы обеспечивают малый коэффициент трения в паре со сталью, хорошо прирабатываются (хорошо воспринимают очертания вала), выдерживают большие удельные давления и мало изнашиваются.
Материал вкладыша подшипника или другой трущейся детали, обладающий хорошими антифрикционными свойствами, должен состоять, по крайней мере, из двух структурных составляющих: твердой и мягкой. В процессе приработки вала к подшипнику мягкая составляющая вырабатывается, образуются микроканалы, по которым циркулирует смазка. Вал опирается на твердые включения вкладыша подшипника. Но твердые включения материала вкладыша должны быть мягче самой мягкой структурной составляющей вала. Иначе твердые включения материала вкладыша подшипника будут вызывать быстрый износ вала. Мягкая металлическая основа вкладыша хорошо поглощает случайно попавшие в подшипник твердые частицы.
Оловянистые бронзы склонны к ликвации: при ускоренном охлаждении они получают резко выраженное дендритное строение. Хорошие литейные свойства оловянистых бронз позволяют применять их для фасонного литья.
Обработке давлением можно подвергать только однофазные бронзы, содержащие не более 5...6 % 8п. Эти бронзы проходят рекристаллизационный отжиг (при 600...650 °С) - как промежуточную операцию при холодной обработке давлением или заключительную операцию для придания готовым полуфабрикатам требуемых свойств. Оловянистые бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами.
Бронзы с большим содержанием дорогостоящего олова заменяют более дешевыми бронзами, в которые добавляют цинк и свинец. Кроме того, свинец улучшает обрабатываемость резанием.
В оловянистые бронзы добавляют также фосфор (до 1 %), который является раскислителем и улучшает их литейные свойства. Фосфор повышает механические и антифрикционные свойства.
Алюминиевые бронзы , содержащие до 6...8 % А1, обрабатывают давлением в холодном или горячем состоянии. Холодная деформация значительно повышает прочность.
Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и в то же время являются более дешевыми. Они обладают высокой устойчивостью против коррозии в ряде агрессивных сред, особенно в щелочах. Однофазные кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью.
Бериллиевые бронзы содержат 2...2,5 % Ве, обладают наилучшим комплексом свойств из всех известных бронз. Бериллиевая бронза значительно повышает механические свойства в результате термической обработки. Наиболее высокие механические свойства бериллиевые бронзы приобретают после закалки с
760...780 °С в воде и старении при 300...350 °С в течение 2 ч.
В закаленном состоянии бериллиевые бронзы имеют а в = = 500 МПа; 5 = 45 % и твердость НВ 120. При старении временное сопротивление разрыву возрастает до 1300... 1350 МПа, твердость до НВ 400, относительное удлинение снижается до 1,5 %, Из бериллиевых бронз изготавливают пружины в электроаппаратуре, мембраны, а также детали электронной техники.
Свинцовистые бронзы содержат до 30 % РЬ. Свинец и медь нерастворимы в твердом состоянии, поэтому микроструктура свинцовистых бронз состоит из кристаллов более твердой меди и мягкого свинца. Это обеспечивает хорошие антифрикционные свойства сплава, но механические свойства при заливке в кокиль невысокие. Свинцовистые бронзы применяют для изготовления вкладышей подшипников, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.
В табл. 8.4 приведены механические свойства и назначение некоторых бронз.
Таблица 8.4
Механические свойства и назначение бронз
Окончание табл. 8.4
|
Состояние материала |
Назначение |
|||
|
БрОФ6,5-0,15 |
холодной деформации |
Листы и ленты, проволока для пружин |
||
|
Токоведущие пружины, контакты (пружинящие) в электромашинах и аппаратах химической промышленности |
||||
|
холодной деформации |
||||
|
Литье в землю |
Фасонное литье |
|||
|
Прессованные прутки |
Прутки, поковки |
|||
|
БрАЖ10-4-4Л |
Литье в кокиль |
Фасонное литье |
||
|
БрАЖН 10-4-4 |
деформации и отжига |
Прутки, трубы, поковки |
||
|
холодной деформации |
||||
|
После прокатки и отжига |
Лента, проволока, прутки. Сварные резервуары в пищевой промышленности |
|||
|
холодной деформации |
||||
|
Ответственные детали узлов трения, работающих при высоких скоростях, повышенных удельных давлениях и температурах. Пружинящие контакты, пружины, мембраны, сильфоны |
||||
|
После закалки и старения |
|
Основы > Электротехнические материалы > Проводниковые материалы
МЕДЬ
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси С
u
О, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ S0
2
, сероводород H
2
S, аммиак NH
3
, окись азота NО, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди (рис. 8-1), делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и M1) по ГОСТ 859-66, химический состав которых приведен в табл. 8-1.
В табл. 8-1 не указана бескислородная медь марки М00 (99,99% Си), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и M1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. По проводимости медь М00 не отличается от меди М0 и M1. Медь повышенной чистоты широко используется в электровакуумной технике.
Примеси Bi и Р
b
в больших количествах, чем указано в табл. 8-1, делают невозможным горячую прокатку меди. Сера не вызывает горячеломкость меди, но повышает ее хрупкость на холоде. Примеси в небольших количествах Ni, Ag, Zn и Sn не ухудшают технологических свойств, повышая механическую прочность и термическую стойкость меди.
Кислород как примесь в малых дозах, не затрудняя заметно прокатку, несколько повышает проводимость меди, так как находящиеся в меди другие примеси в результате окисления выводятся из твердого раствора, где они наиболее сильно влияют на снижение проводимости металла.
Повышенное содержание кислорода снижает проводимость и делает медь хрупкой в холодном состоянии, поэтому в электротехнических марках меди присутствие кислорода ограничивается (табл. 8-1). Медь, содержащая кислород, подвержена также водородной болезни. В восстановительной атмосфере закись меди восстанавливается до металла. Во время реакций, идущих с образованием водяных паров, в.меди появляются микротрещины.
Рис. 8-1. Влияние примесей на электрическую проводимость меди.
Таблица 8-1 Химический состав проводниковой меди (ГОСТ 859-66)
Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, пресования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При холодной обработке давлением прочность меди в результате обжатия (наклепа) растет, а удлинение падает, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160-200 °С, после чего из-за процесса рекристаллизации происходят разупрочнение и резкое падение твердости наклепанной меди. Чем выше степень обжатия при холодной обработке, тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.
При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются. Физические и технологические свойства меди приведены в табл. 8-2.
Влияние температуры отжига на механические свойства и электрическую проводимость меди представлено на рис. 8-2.
Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.
Согласно ГОСТ 434-71 число твердости Бринелля твердых лент
при испытании шариком диаметром 5 мм, нагрузке 2500 Н и выдержке 30 с.
В зависимости от рабочей температуры механические свойства меди представлены в табл.8-3.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07-0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и другими элементами.
В настоящее время медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.
Таблица 8-2 Физические и технологические свойства меди
Свойства |
Состояние |
Показатель |
Температура плавления, °С |
1083±0,1 |
|
Плотность, кг/м3 |
При 20 °С |
8930 |
Температурный коэффициент линейного расширения, |
В интервале 20-100 °С |
|
Теплопроводность, Вт/(м °С) |
375-380 |
|
Удельное электрическое сопротивление при +20 °С (мягкая проволока), мкОм м |
Обусловленное ГОСТ 2112-71 |
0,01724 |
То же (твердая проволока) |
То же |
0,0180-0,0177 |
Температурный коэффициент сопротивления, |
При 0-150 °С |
0,00411 |
Температура горячей обработки, °С |
Твердое |
900-1050 |
Температура начала рекристаллизации, °С |
Наклепанное |
160-200 |
Травитель для полуфабрикатов, % |
H 2 SO 4 |
|
Атмосфера при плавлении |
Восстановительная |
|
Температура литья, °С |
1150-1200 |
|
Температура отжига, °С |
500-700 |
|
Температура кипения, °С |
2300-2590 |
|
Теплота плавления, Дж/кг |
||
Теплота испарения, Дж/кг |
5400 |
|
Объемная усадка, % |
При кристаллизации |
|
Отношение электрического сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой меди |
При плавлении и кристаллизации |
2,07 |
Потенциал выхода электронов, В |
4,07-2,61 |
|
Термо-э.д.с. относительно платины, мВ |
0,15 |
|
Рис. 8-2. Влияние температуры отжига на свойства меди.
Таблица 8-3 Характер изменения механических свойств проводниковой меди в зависимости от температуры
Свойства |
Температура, °С |
||||||||
Твердотянутая |
Отожженная (650 °С, 1 / 2 ч) |
||||||||
Предел прочности при растяжении, МПа
|
400
|
365
| |||||||
Отечественная промышленность выпускает медь одиннадцати марок, различающихся содержанием примесей Все примеси снижают электропроводность меди, но в большей мере это относится к растворимым примесям (Al, Zn, Sn, Ni, Sb). Наиболее вредными примесями являются висмут, свинец и кислород.
Висмут почти нерастворим в твердой меди (растворимость при 600 °C менее 0,001 %). Поэтому он весь выделяется по эвтектической реакции при 270 °C и располагается по границам зерен в виде прослоек. Влияние его на электропроводность невелико. Однако сотые доли процента висмута вызывают разрушение слитков при горячей прокатке (красноломкость) из-за расплавления прослоек при нагреве выше 270 С. Хрупкость прослоек висмута делает невозможной и холодную деформацию Поэтому содержание его не должно превышать 0,001 %.
Свинец растворяется в меди в количестве до 0,3 % при 400 С. Поэтому он в большей мере, чем висмут, снижает ее электропроводность. Так же как и висмут, свинец вызывает красноломкость меди из-за оплавления эвтектики при нагреве выше 400 °C. Однако свинец менее опасен, чем висмут, что обусловлено наличием в системе медь-свинец монотектического превращения
Взаимодействие меди с кислородом описывается эвтектической диаграммой с очень малой растворимостью кислорода в твердом состоянии (0,005 % при 100 °С). Поэтому в меди, содержащей более 0,005 % кислорода, по границам кристаллов появляются выделения эвтектики (Cu + Cu2O) Влияние кислорода на электропроводность меди невелико. Примесь кислорода не вызывает и красноломкости при горячей деформации. Однако хрупкие включения закиси меди существенно понижают пластичность меди и делают ее склонной к «водородной болезни» - образованию трещин в изделиях при работе в восстановительной атмосфере.
Сера образует с медью сульфид меди, выделяющийся по границам зерен. He отражаясь существенно на электропроводности, сера снижает пластичность меди при низких и высоких температурах. Содержание кислорода и серы в проводниковой меди лимитируется 0,005 %.
Чистую медь используют в основном для изготовления листов, труб, профилей, прутков и проволоки методами пластической деформации. Отливки из меди применяют для электротехнических целей, а также для изготовления сварочных машин, котлов и химических аппаратов. В зависимости от требований к свойствам изделий из чистой меди для изготовления литых заготовок используют катодную медь марок M0, M1.
Медь имеет низкие литейные свойства: большую линейную (2,1 %) и объемную (~ 11 %) усадку, высокую склонность к газопоглощению и образованию трещин при затрудненной усадке, низкую жидкотекучесть.
Литейные сплавы. Состав и свойства наиболее распространенных бронз и латуней приведены в табл. 31-33.
Оловянные бронзы широко применяют при изготовлении арматуры, подшипников, шестерен, втулок, работающих в условиях истирания, повышенного давления воды и водяного пара. Характерная особенность этой группы сплавов - большой интервал между температурами ликвидуса и солидуса (150-200 °С), что обусловливает образование в отливках рассеянной усадочной пористости. Оловянные бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать при литье в землю сложные по конфигурации отливки.
Бронзы с высоким содержанием олова (БрО10, БрО10Ц2, БрО10Ф1) ввиду его высокой стоимости и дефицитности применяют лишь для изготовления изделий ответственного назначения. Для рядовых отливок используют малооловянные бронзы.
Из примесей, присутствующих в бронзах, наиболее вредное влияние на свойства оказывают алюминий и кремний. Сотые доли процента этих элементов снижают механические свойства бронз и способствуют усилению поглощения ими водорода при плавке.
Безоловянные бронзы используют как заменители оловянных. По механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянные. Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, антифрикционным износом. Алюминиевые бронзы применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжелонагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов и других отливок. Механические, технологические и эксплуатационные свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марганцем, никелем и другими элементами.
Свинцовая бронза БрСЗО обладает высокой износостойкостью при трении в условиях больших удельных нагрузок и скоростей скольжения. Поэтому она применяется как заменитель оловянных при изготовлении вкладышей подшипников. Особенность свинцовых бронз - сильная ликвация свинца. Дисперсное распределение свинца в бронзе может быть достигнуто большими скоростями охлаждения.
Латуни. Для фасонного литья применяют сложнолегированные медноцинковые сплавы; простые латуни используют сравнительно редко. Состав и свойства литейных латуней приведены в табл. 31.
Легирование двойных латуней алюминием и кремнием повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость сплавов и механические свойства и уменьшает угар цинка при плавке. Вместе с тем алюминий и кремний повышают склонность латуней к газонасыщению и образованию пористости. Железо и марганец увеличивают значения механических свойств сплавов, но снижают жидкотекучесть. Олово до 2-2,5 % не оказывает заметного действия на литейные свойства латуней и повышает их механические свойства
Примеси алюминия и олова оказывают вредное влияние на литейные свойства кремнистой латуни ЛЦ16К4, снижая жидкотекучесть и увеличивая склонность к газопоглощению и образованию газовой пористости.
Деформируемые сплавы. Для получения деформированных полуфабрикатов используют большое число различных медных сплавов, которые делят на четыре группы: оловянные бронзы, безоловянные бронзы, латуни и медноникелевые сплавы.
Многие из деформируемых сплавов имеют однофазную структуру и обладают высокой пластичностью в горячем и холодном состоянии. Некоторые из них (алюминиевые и оловянные бронзы, сложнолегированные латуни) по составу близки к литейным сплавам.
Особую группу составляют медноникелевые сплавы, широко применяющиеся для изготовления посуды (мельхиор, нейзильбер), проволоки для термопар (константан, копель) и других целей.
25.11.2019
В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...
25.11.2019
На сегодняшний день обогрев зеркал является новой опцией, позволяющей сохранить чистую поверхность зеркала от горячего пара после приёма водных процедур. Благодаря...
25.11.2019
Штрих код является графическим символом, изображающим чередование полосок чёрного и белого цвета либо других геометрических фигур. Его наносят в составе маркировки...
25.11.2019
О том, как грамотно выбирать топку для камина, задумываются многие хозяева загородных жилых имений, которые хотят создать в своём доме максимально уютную обстановку,...
25.11.2019
И в любительском, и в профессиональном строительстве весьма востребованными являются профильные трубы. С их помощью сооружают способные выдерживать большие нагрузки...
24.11.2019
Спецобувь - часть экипировки рабочего, предназначенная для защиты ног от холода, высоких температур, химикатов, механических повреждений, электричества и т. д....
24.11.2019
Все мы привыкли, выходя из дома, обязательно смотреть в зеркало, чтобы проверить свой внешний вид и лишний раз улыбнуться своему отражению....
23.11.2019
Испокон веков главными делами женщин по всему свету являлись стирка, уборка, приготовление еды и всевозможные действа, способствующие организации уюта в доме. Однако, то...
МЕДЬ и МЕДНЫЙ ПРОКАТ
Марки и химический состав технической меди
Марки меди и их химический состав определен в ГОСТ 859-2001 . Сокращенная информация о марках меди приведена ниже (указано минимальное содержание меди и предельное содержание только двух примесей – кислорода и фосфора):
| Марка | Медь | О 2 | P | Способ получения, основные примеси |
| М00к | 99.98 | 0.01 | - | Медные катоды: продукт электролитическогорафинирования, заключительная стадия переработки медной руды. |
| М0к | 99.97 | 0.015 | 0.001 | |
| М1к | 99.95 | 0.02 | 0.002 | |
| М2к | 99.93 | 0.03 | 0.002 | |
| М00 | 99.99 | 0.001 | 0.0003 | Переплавка катодов в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере. Уменьшает содержание кислорода. |
| М0 | 99.97 | 0.001 | 0.002 | |
| М1 | 99.95 | 0.003 | 0.002 | |
| М00 | 99.96 | 0.03 | 0.0005 | Переплавка катодов в обычной атмосфере. Повышенное содержание кислорода. Отсутствие фосфора |
| М0 | 99.93 | 0.04 | - | |
| М1 | 99.9 | 0.05 | - | |
| М2 | 99.7 | 0.07 | - | Переплавкалома . Повышенное содержание кислорода, фосфора нет |
| М3 | 99.5 | 0.08 | - | |
| М1ф | 99.9 | - | 0.012 - 0.04 | Переплавка катодов и лома меди с раскислением фосфором. Уменьшает содержание кислорода, но приводит к повышенному содержанию фосфора |
| М1р | 99.9 | 0.01 | 0.002 - 0.01 | |
| М2р | 99.7 | 0.01 | 0.005 - 0.06 | |
| М3р | 99.5 | 0.01 | 0.005 - 0.06 |
Первая группа марок относится к катодной меди, остальные - отражают химический состав различных медных полуфабрикатов (медные слитки, катанка и изделия из неё, прокат).
Специфические особенности меди, присущие разным маркам, определяются несодержанием меди (различия составляют не более 0.5%), а содержанием конкретных примесей (их количество может различаться в 10 – 50 раз). Часто используют классификацию марок меди по содержанию кислорода:
Бескислородная медь (М00 , М0 и М1 ) с содержанием кислорода до 0.001%.
Рафинированная медь (М1ф, М1р, М2р, М3р) с содержанием кислорода до 0.01%, но с
повышенным содержанием фосфора.
Медь высокой чистоты (М00, М0, М1) с содержанием кислорода 0.03-0.05%.
Медь общего назначения (М2, М3) с содержанием кислорода до 0.08%.
Примерное соответствие марок меди, выпускаемой по разным стандартам, приведено ниже:
ГОСТ | EN , DIN |
М00 | Cu-OFE |
| М0 | Cu-PHC , OF-Cu |
| М1 | Cu-OF , Cu-OF1 |
| М1 | Cu-ETP, Cu-ETP1,Cu-FRTP, Cu-FRHC, SE-Cu, E-Cu, E Cu57, E Cu58 |
| М1 ф | Cu-DHP , SF-Cu |
| М1р | Cu-DLP , SW-Cu |
Разные марки меди имеютразличное применение, а отличия в условиях их производства определяют существенные различия в цене.
Для производства кабельно-проводниковой продукции катоды переплавляют по технологии, которая исключает насыщение меди кислородом при изготовлении продукции. Поэтому медь в таких изделях соответствует маркамМ00, М0 , М1 .
Требованиям большинства технических задач удовлетворяют относительно дешевые марки М2 и М3. Это определяет массовое производство основных видов медного проката из М2 и М3.
Прокат из марок М1, М1ф, М1р, М2р, М3р производится в основном для конкретных потребителей и стоит намного дороже.
Физические свойства меди
Главное свойство меди, которое определяет её преимущественное использование – очень высокая электропроводность (или низкое удельное электросопротивление). Такие примеси как фосфор, железо, мышьяк, сурьма, олово, существенно ухудшают её электропроводность. На величину электропроводности существенное влияние оказывает способ получения полуфабриката и его механическое состояние. Это иллюстрируется приведенной ниже таблицей:
Удельное электрическое сопротивление меди для различных полуфабрикатов разных марок (гарантированные значения) при 20 о С.| мкОм*м | марка | Вид и состояние полуфабриката | ГОСТ, ТУ |
| 0.01707 | М00 | Слитки (непрерывное вертикальное литье) | 193-79 |
М00 | Катанка кл.А (кислород : 0.02-0.035%) | ТУ
1844 010
03292517
2004 |
|
0.01718 | Катанка кл.В (кислород : 0.045%) |
||
| 0.01724 | Катанка кл.С (кислород : 0.05%) |
||
| 193-79 |
|||
Слитки (горизонтальное литье) |
|||
| 0.01748 | Ленты | 1173-2006 |
|
Прутки отожженные | 1535-2006 |
||
0.01790 | Прутки полутвердые, твердые, прессованные |
Различия в сопротивлении катанки марок М00, М0 и М1, обусловлены разным количеством примесей и составляют около 1%. В то же время различия в сопротивлении, обусловленные разным механическим состоянием, достигают 2 – 3%. Удельное сопротивление изделий из меди маркиМ2 примерно 0.020 мкОм*м.
Второе важнейшее свойство меди - очень высокая теплопроводность.
Примеси и легирующие добавки уменьшают электро- и теплопроводность меди, поэтому сплавы на медной основе значительно уступают меди по этим показателям. Значения параметров основных физических свойств меди в сравнении с другими металлами приведены в таблице (данные приведены в двух разных системах единиц измерения):
Показатели при | Единица измерения | Медь | Алю- миний | Латунь Л63, ЛС | Бронза БрАЖ | Сталь 12Х18Н10 |
Удельное элетросопротивление, | мкОм * м | 0.0172 – 0.0179 | 0.027- 0.030 | 0.065 | 0.123 | 0.725 |
Теплопроводность, | кал/см * с * град | 0.93 | 0.52 | 0.25 | 0.14 | 0.035 |
Вт/м *град | 386 - 390 |
По электро- и теплопроводности медь незначительно уступает только серебру.
Влияние примесей и особенности свойств меди различных марок
Отличия в свойствах меди разных марок связаны с влиянием примесей на базовые свойства меди. О влиянии примесей на физические свойства (тепло- и электропроводность) говорилось выше. Рассмотрим их влияние на другие группы свойств.
Влияние на механические свойства .
Железо, кислород, висмут, свинец, сурьма ухудшают пластичность. Примеси, малорастворимые в меди (свинец, висмут, кислород, сера), приводят к хрупкости при высоких температурах.
Температура рекристаллизации меди для разных марок составляет 150-240 о С. Чем больше примесей, тем выше эта температура. Существенное увеличение температуры рекристаллизации меди дает серебро, цирконий. Например введение 0.05% Ag увеличивает температуру рекристаллизации вдвое, что проявляется в увеличении температуры размягчения и уменьшении ползучести при высоких температурах, причем без потери тепло- и электропроводности.
Влияние на технологические свойства .
К технологическим свойствам относятся 1) способность к обработке давлением при низких и высоких температурах, 2) паяемость и свариваемость изделий.
Примеси, особенно легкоплавкие,формируют зоны хрупкости при высоких температурах, что затрудняет горячую обработку давлением. Однако уровень примесей в марках М1 и М2 обеспечивают необходимую технологическую пластичность.
При холодном деформировании влияние примесей заметно проявляется при производстве проволоки. При одинаковом пределе прочности на разрыв (? в = 16 кгс /мм 2 ) катанки из марок М00, М0 и М1 имеют разное относительное удлинение ? (38%, 35% и 30% соответственно). Поэтому катанка класса А (ей соответствует марка М00) более технологична при производстве проволоки, особенно малых диаметров. Использование бескислородной меди для производства проводников тока обусловлено не столько величиной электропроводности, сколько технологическим фактором.
Процессы сварки и пайки существенно затрудняются при увеличении содержания кислорода, а также свинца и висмута.
Влияние кислорода и водорода на эксплуатационные свойства .
При обычных условиях эксплуатационныесвойства меди (прежде всего долговечность эксплуатации) практически одинаковы для разных марок. В то же время при высоких температурахможет проявиться вредное влияние кислорода, содержащегося в меди. Эта возможность обычно реализуется при нагреве меди в среде, содержащей водород.
Кислород изначально содержится в меди марокМ0, М1, М2, М3. Кроме этого, если бескислородную медь отжечь на воздухе при высоких температурах, то вследствие диффузии кислорода поверхностный слой изделия станет кислородсодержащим.Кислород в меди присутствует в виде закиси меди ,которая локализуется по границам зерен.
Кроме кислорода в меди может присутствовать водород. Водород попадает в медь в процессе электролиза или при отжиге в атмосфере, содержащей водяной пар. Водяной пар всегда присутствует в воздухе. При высокой температуре он разлагается с образованием водорода, который легко диффундирует в медь.
В бескислородной меди атомы водорода располагаются в междоузлиях кристаллической решетки и особо не сказываются на свойствах металла.
В кислородсодержащей меди при высоких температурах водородвзаимодействует с закисью меди. При этом в толще меди образуется водяной пар высокого давления, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление известно как «водородная болезнь» или «водородное охрупчивание». Оно проявляется при эксплуатации медного изделия при температурах свыше 200 о С в атмосфере, содержащей водород или водяной пар.
Степень охрупчивания тем сильнее, чем больше содержание кислорода в меди и выше температура эксплуатации. При 200 о С срок службы составляет1.5 года, при 400 о С - 70 часов.
Особенно сильно оно проявляется в изделиях малой толщины (трубки, ленты).
При нагреве в вакууме изначально содержащийся в меди водород взаимодействует с закисью меди и также ведет к охрупчиванию изделия и ухудшению вакуума. Поэтому изделия, которые эксплуатируются при высокой температуре, производятся из бескислородных (рафинированных) марок меди М1р, М2р, М3р.
Механические свойства медного проката
Большая часть медного проката, поступающего в свободную продажу, производится из марки М2. Прокат из марки М1 производится в основном под заказ, кроме того он примерно на 20% дороже.
Холоднодеформированный прокат – это тянутые (прутки, проволока, трубы) и холоднокатаные (листы, лента, фольга) изделия. Он выпускается в твердом, полутвердом и мягком (отожженном) состояниях. Такой прокат маркируется буквой «Д», а состояния поставки буквами Т, П или М.
Горячедеформированный прокат – результат прессования (прутки, трубы) или горячей прокатки (листы, плиты) при температурах выше температуры рекристаллизации. Такой прокат маркируется буквой «Г». По механическим свойствам горячедеформированный прокат близок (но не идентичен) к холоднодеформированному прокату в мягком состоянии.
Параметры при комнатной темп. | ||
Модуль упругости E , кгс /мм 2 | 11000 | 13000 |
Модуль сдвига G , кгс /мм 2 | 4000 | 4900 |
Предел текучести ? 0.2 , кгс /мм 2 | 5 - 10 | 25 - 34 |
Предел прочности ? в , кгс /мм 2 | 19 – 27 | 31 – 42 |
Относ. удлинение
?
| 40 – 52 | 2 - 11 |
Твердость НВ | 40 - 45 | 70 - 110 |
Сопротивление срезу, кгс /мм 2 | 10 - 15 | 18 - 21 |
Ударная вязкость, | 16 - 18 | |
Обрабатываем. резанием, % к Л63-3 | ||
| Предел усталости ? -1 при 100 млн циклов |
Высокий предел прочности на сжатие (55 - 65 кгс/мм 2 ) в сочетании с высокой пластичностью определяет широкое использование медив качестве прокладок в уплотнениях неподвижных соединений с температурой эксплуатации до 250 о С (давление 35Кгс\см 2 для пара и 100 Кгс\см 2 для воды).
Медь широко используется в технике низких температур, вплоть до гелиевых. При низких температурах она сохраняет показатели прочности, пластичности и вязкости, характерные для комнатной температуры. Наиболее часто используемое свойство меди в криогенной технике – её высокая теплопроводность. При криогенных температурах теплопроводность марок М1 и М2становится существенной, поэтому в криогенной технике применение марки М1 становится принципиальным.
Медные прутки выпускаются прессованными (20 – 180 мм) и холоднодеформированными, в твердом, полутвердом и мягком состояниях (диаметр 3 - 50 мм)по ГОСТ 1535-2006.
Плоский медный прокат общего назначения выпускается в виде фольги, ленты, листов и плит по ГОСТ 1173-2006:
Фольга медная – холоднокатаная: 0.05 – 0.1 мм (выпускается только в твердом состоянии)
Ленты медные - холоднокатаные: 0.1 – 6 мм.
Листы медные - холоднокатаные: 0.2 – 12 мм
Горячекатаные:3 – 25 мм (механич. свойства регламентируются до 12 мм)
Плиты медные – горячекатаные:свыше 25 мм (механические свойства не регламентируются)
Горячекатаные и мягкие холоднокатаные медные листы и ленты выдерживают испытание на изгиб вокруг оправки диаметром равным толщине листа. При толщине до 5 мм они выдерживают изгиб до соприкосновения сторон, а при толщине 6 – 12 мм - до параллельности сторон. Холоднокатанные полутвердые листы и ленты выдерживают испытание на изгиб на 90 град.
Таким образом допустимый радиус изгиба медных листов и лент равен толщине листа (ленты).
Глубина выдавливания лент и листов пуансоном радиусом 10 мм составляет не менее 7 мм для листов толщиной 0.1-0.14 мм и не менее 10 мм для листов толщиной 1-1.5 мм. По этому показателю (выдавливаемость) медь уступает латуням Л63 и Л68.Медные трубы общего назначения изготавливаются холоднодеформированными (в мягком, полутвердом и твердом состояниях) и прессованными (больших сечений) по ГОСТ 617-2006.
Медные трубы используются не толькодля технологических жидкостей, но и для питьевой воды. Медь инертна по отношению к хлору и озону, которые используются для очистки воды, ингибирует рост бактерий, при замерзании воды медные трубы деформируются без разрыва. Медные трубы для воды производятся по ГОСТ Р 52318-2005 , для них ограничено содержание органических веществ на внутренней поверхности. Минимальные радиусы изгиба и допустимые давления для мягких медных труб приведены ниже:
Размер трубы, мм | Допустимое давление, бар | Радиус изгиба, мм | Размер трубы | Допустимое давление, бар |
Дюймы (мм) |
||||
1/4” (6.35*0.8) | ||||
10*1 | 3/8” (9.52*0.8) | |||
12*1 | 1/2” (12.7*0.8) | |||
14*1 | 90 | 52 | ||
16*1 | 60 | 5/8” (15, 87*1) | ||
18*1 | 3/4” (19,05*1) | |||
20*1 | 60 | 75 | ||
22*1 | 80 | 7/8” (22.22*1) |
Коррозионные свойства меди .
При нормальных температурах медь устойчива в следующих средах:
Сухой воздух
Пресная вода (аммиак, сероводород, хлориды, кислоты ускоряют коррозию)
В морской воде при небольших скоростях движения воды
В неокислительных кислотах и растворах солей (в отсутствии кислорода)
Щелочные растворы (кроме аммиака и солей аммония)
Сухие газы-галогены
Органические кислоты, спирты, фенольные смолы
Медь неустойчива в следующих средах:
Аммиак, хлористый аммоний
Окислительные минеральные кислоты и растворы кислых солей
Коррозионные свойства меди в некоторых средах заметно ухудшаются с увеличением количества примесей.
Контактная коррозия .
Допускается контакт меди с медными сплавами, свинцом, оловом во влажной атмосфере, пресной и морской воде. В то же время не допускается контакт с алюминием, цинком вследствие их быстрого разрушения.
Свариваемость медиВысокая тепло- и электропроводность меди затрудняют её электросварку (точечную и роликовую). Особенно это касается массивных изделий. Тонкие детали можно сварить вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2-х мм можно сваривать нейтральным ацетилено-кислородным пламенем. Надежный способ соединения медных изделий – пайка мягкими и твердыми припоями. Подробно о сварке меди см www.weldingsite.com.ua
Медные сплавыТехническая медь имеет низкую прочность и износоустойчивость, плохие литейные и антифрикционные свойства. Этих недостатков лишены сплавы на медной основе - латуни и бронзы . Правда эти улучшения достигаются за счет ухудшения тепло- и электропроводности.
Имеются особые случаи, когда нужно сохранить высокую электро- или теплопроводность меди, но придать ей жаропрочность или износоустойчивость.
При нагревании меди выше температурырекристаллизации происходит резкое снижение предела текучести и твердости. Это затрудняет использование меди в электродах для контакной сварки. Поэтому, для этой цели используют специальные медные сплавы с хромом, цирконием, никелем, кадмием (БрХ, БрХЦр, БрКН, БрКд). Электродные сплавы сохраняютотносительно высокую твердость и удовлетворительную электро- и теплопроводностьпри температурах сварочного процесса (порядка 600С ).
Жаропрочностьдостигается также легированием серебром. Такие сплавы (МС) имеют меньшую ползучесть при неизменной электро- и теплопроводности.
Для использования в подвижных контактах (коллекторные пластины, контактный провод) применяют медь с небольшим уровнем легирования магнием или кадмием БрКд, БрМг. Они имеют повышенную износоустойчивость при высокой электропроводности.
Для кристаллизаторов используют медь с добавками железа или олова. Такие сплавы имеют высокую теплопроводность при повышенной износоустойчивости.
Низколегированные марки меди по сути являются бронзами, но часто их относят к группе медного проката с соответствующей маркировкой (МС, МК, МЖ) .
