Общая характеристика меди и её сплавов

Медь – металл розово-красного цвета, относится к группе тяжелых металлов, является отличным проводником тепла и электрического тока. Электропроводность меди в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и в 6 раз выше, чем у железа.

Медь.

Она имеет характерный красноватый цвет, в природе встречается в виде сернистых соединений, в окислах и очень редко в чистом виде. Медь маркируют буквой М. В зависимости от чистоты меди (ГОСТ 859-2001). Самая чистая медь – содержит 99,99% меди и 0,01% примесей. Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Она обладает хорошей электропроводностью. Из нее изготовляют проводники электрического тока – провода и кабели.

Химические свойства меди

Медь – малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной).

Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной).

Основные физические свойства меди

Температура плавления °C

Температура кипения °C

Плотность, γ при 20°C, кг/м³

Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж)

Температурный коэффициент линейного расширения, а•10 6 от 20 до 100°C, К -1

Удельное электрическое сопротивление, р при 20°C, мкОм•м

Теплопроводность λ

при 20°C, Вт/(м•К)

Удельная электрическая проводимость, ω

при 20°C, МОм/м

Электронная библиотека

Общетехнические дисциплины / Материаловедение технология конструкционных материалов / 7.3.1 Медь и ее сплавы

К металлам и сплавам высокой проводимости предъявляют следую­щие требования:

· минимальное значение (ρ

v);

· достаточно высокие механиче­ские свойства, главным образом предел прочности при растяжении (σ

р) и относительное удлинение при разрыве ();

· хорошая технологичность (способность к пластическим деформациям, пайке, сварке);

· достаточно высокая стойкость к действию агрессивных сред.

Материалы высокой про­водимости применяют для изготовления обмоточных и монтажных прово­дов, различного вида токоведущих частей. Наиболее распространенными материалами высокой проводимости в электротехнике являются: медь, алюминий, серебро и сплавы на их основе, а также железо и сплавы на его основе; в электронной технике также ис­пользуют золото, платину, палладий.

Проводниковая медь

является лучшим после серебра проводниковым материалом высокой проводимости. Широкое применение меди в качестве проводникового материала обусловлено рядом ценных свойств этого мета­ла:

1) малым удельным электрическим сопротивлением (ρv

= 0,017241 мкОм·м при 20°С, что является электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают
ρ
v других проводниковых материалов);

2) высокой механической прочностью;

3) удовлетворительной коррозионной стойкостью;

4) хорошей технологичностью.

Примеси других металлов (включая и серебро) резко снижают прово­димость меди. Поэтому для основных марок проводниковой меди допуска­ется содержание примесей не более 0,1 % для марки М1 и 0,03 % для марки МО. Кроме того, содержание кислорода, существенно ухудшающего меха­нические свойства меди, допускается не более 0,08 % и 0,02 % для соответ­ствующих марок.

В электровакуумной технике применяют более чистую медь, не со­держащую кислорода и летучих примесей (Zn, Рb, Вi), бескислородную медь

марки МО. Она содержит не более 0,03 % примесей. Еще более чистой является
вакуумная медь
марки МВ с содержанием примесей не более 0,01 %.

Как проводниковый материал используют твердую медь

марки МТ и
мягкую медь
марки ММ. При холодной прокатке (волочении) у
твердой
(
твердотянутой
)
меди
повышаются твердость, упругость, предел прочности при растяжении, сопротивление (
ρ
v),. По­сле отжига при температуре в несколько сотен градусов получают
мягкую
(
отожженную
)
медь
, которая пластична, имеет проводимость на 3…5 % вы­ше, чем у твердой меди, характеризуется большим удлинением при разры­ве. К недостаткам отожженной меди следует отнести небольшую прочность и пониженную твердость.

Применение твердой и мягкой меди различно. Твердую медь приме­няют там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость к истиранию: для изготовления коллектор­ных узлов электрических машин, контактных проводов, шин распредели­тельных устройств и т.д. Мягкую медь используют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токоведущих жил кабелей, где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ-устройств. Медь достаточно до­рогой и дефицитный материал.

Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используют сплавы меди.

Латуни

– двойные и многокомпонентные медные сплавы с основным легирующим элементом – цинком. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Латуни могут иметь в своем составе до 45 % цинка. Повышение количества цинка в латуни до 45 % приводит к повышению её прочности (σ

в) до 450 МПа
.
Максимальная пластичность латуни достигается при содержании цинка около 37 %
.
По технологическому

признаку латуни подразделяются на
деформируемые
и
литейные
Изделия из
α-латуни
изготавливают главным образом холодной или горячей деформацией, обработка резанием не дает достаточной чистоты. Изделия из
(α + β)-латуней
изготавливают горячей (прессованием, штамповкой) или холодной (без вытяжки) деформацией или обработкой резанием. Изделия применяются в отожженом или же наклепанном состоянии, поскольку термическая обработка не дает эффекта.

В многокомпонентных

латунях добавки Al, Sn, Ni, Mn, Fe и Si повышают прочность, твердость, коррозионную стойкость и литейные свойства сплава. Свинец улучшает обрабатываемость резанием. Введение третьего компонента в двойные латуни изменяет их структуру и свойства. Экспериментально установлено, что добавки третьего компонента сдвигают границы
α-
и (
α + β
)-областей. Добавляемый элемент действует на структуру латуней качественно так же, как и сам цинк, но эффект от добавки 1 % этого элемента будет иной.

По ГОСТ 15527 – 70 простые

(
двойные
) латуни обозначаются буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах (остальное цинк).

Латуни с содержанием меди 90 % и более (Л96, Л90) называют томпак

, с содержанием меди 80 – 85 % меди (Л85, Л80) –
полутомпак
.

Легированные деформируемые латуни

маркируются буквой Л и буквами, обозначающими название легирующего элемента. Цифры, отделенные друг от друга знаком «тире», идущие после букв, показывают содержание меди (первая) и легирующих элементов (соответственно буквам) в процентах (остальное – цинк). Например: ЛАЖ 60-1-1, Л070-1, ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 и др. (ГОСТ 15527 – 70*).

Легированные латуни называют по легирующим добавкам. Например:

1) ЛА77-2 – алюминиевая деформируемая латунь, содержащая 77 % Сu, 2 % Al, остальное (21 %) Zn;

2) ЛО90-1 – оловянный томпак, содержащий 90 % Сu, 1 % Sn (О), остальное Zn (9 %).

По ГОСТ 17711 – 80* в марках литейных латуней

указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например: ЛЦ14К3С3, ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40С, ЛЦ30А3 и др.

Пример расшифровки марки ЛЦ23А6Ж3Мц2: алюминиево-железо-марганцовая литейная латунь, содержащая 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, остальное Сu (66 %).

Латуни, за исключением свинцовосодержащих, легко поддаются обработке давлением в холодном и горячем состоянии.

Все латуни хорошо паяются твердыми и мягкими припоями. Из латуней изготавливают различные детали машин, аппаратов.

Литейные латуни идут для фасонного литья, обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Бронзы

– сплавы меди, обычно многокомпонентные, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка и никеля.

По химическому составу

бронзы подразделяются на
оловянные
и
безоловянные
, не содержащие олова в качестве легирующего компонента.

Бронзы называют, как и латуни, по соответствующим добавкам:

· алюминиевые;

· свинцовые;

· кремнистые и т.д.

По технологическому признаку

бронзы делятся на
литейные
и
деформируемые
.

При маркировке бронз на первом месте стоят буквы Бр. Остальная запись сплава зависит от способа получения заготовок.

В марках литейных

бронз обозначение и количество легирующих компонентов такое же, как для латуней. В конце марки может дополнительно стоять прописная буква Л. Например: БрО3Ц7С5Н, БрО10, БрО10Ф, БрО8Н4Ц2 и др. (ГОСТ 613 – 79); БрА9Мц2Л, БрА10Ж4Н4Л, БрСу3Н3Ц3С20Ф (Су – сурьма) и др. (ГОСТ 493 – 79) и т.д.

Например, расшифровка марки БрО3,5Ц7С5: оловянно-цинково-свинцовая литейная бронза с содержанием олова (О) – 3,5 %, цинка (Ц) – 7 %, свинца (С) – 5 %, остальное (84,5 %) – медь.

Отличие обозначения марок деформируемых

бронз от марок литейных такое же, как и для латуней: сначала в обозначении марки записываются все легирующие элементы, а затем – цифры через тире, указывающие в той же последовательности содержание компонентов в процентах. Например: БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-4 и др. (ГОСТ 5017 – 74*), БрА5, БрАЖН10-4-4, БрБНТ1,9 и др. (ГОСТ 18175 – 78*) и т.д.

Пример расшифровки марок:

1) БрБ2 – безоловянная бериллиевая деформируемая бронза, содержащая 2 % бериллия (Б), остальное – 98 % медь;

2) БрБНТ1,7 – безоловянная бериллиево-никелево-титановая деформируемая бронза, содержащая 1,7 % бериллия (Б), менее 1 % никеля и титана каждого, остальное (около 97 %) – медь.

Бронзы, обрабатываемые давлением, характеризуются более низким содержанием олова, чем применяемые для литья.

В промышленности применяются двойные оловянные бронзы, имеющие в составе кроме меди и олова, добавки цинка, свинца, фосфора, никеля и др. Механические свойства двойных оловянных бронз зависят от содержания олова (рис. 7.5).

Широкий интервал кристаллизации сплавов меди с оловом является причиной их невысокой жидкотекучести и значительной пористости отливок. Для улучшения литейных свойств, повышения плотности отливок и уменьшения интервала кристаллизации в небольшом количестве в оловянную бронзу вводят цинк.

Свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием оловянных бронз, фосфор (при содержании фосфора 1 %

появляется тройная эвтектика) улучшает литейные, антифрикционные и механические свойства бронз. Кроме того, фосфор служит раскислителем.

Рис. 7.5. Зависимость механических свойств сплавов Cu-Sn

Алюминиевые бронзы

, среди медных сплавов, по своей распространенности занимают одно из первых мест. Это объясняется высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами алюминиевых бронз. Детали из алюминиевых бронз изготавливаются литьем и обработкой давлением.

Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы с содержанием 5…8 % алюминия. Увеличение алюминия до 10…11 % ведет к резкому повышению прочности и снижению пластичности алюминиевых бронз.

Свинцовые бронзы

выгодно сочетают в себе хорошие антифрикционные свойства с высокой теплопроводностью. Кроме того, они хорошо воспринимают ударные нагрузки и работают на усталость. В связи с этим их применяют для ответственных высоконагруженных подшипников, работающих при больших скоростях (подшипников авиационных двигателей, дизелей, мощных турбин и др.).

Свинцовые бронзы имеют высокую теплопроводность (в 4 раза большую, чем у оловянистой бронзы, в 6 раз большую, чем у баббитов

– сплавов олова с сурьмой)), допускают больший нагрев (до 300…320 °С), что весьма важно для быстроходных машин.

Наибольшее применение имеют бронзы, содержащие 25…30 % свинца. Медь и свинец в твердом состоянии не растворимы друг в друге и образуют эвтектику, которая практически состоит из кристаллов меди и включений свинца, которые располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства.

Бронза Бр30 имеет низкие механические свойства (σ

в = 60…80 МПа,
δ
= 4 % , НВ 250), поэтому ее применяют в виде тонкого слоя по стальной ленте или трубе, из которой изготавливают подшипники.

В соответствии с составом свинцовые бронзы условно делят на две группы: к первой группе относят двойные бронзы с 30…35 % свинца, ко второй группе – легированные свинцовые бронзы с присадками олова и никеля. Добавки олова и никеля повышают механические и коррозионные свойства бронзы.

Медно-никелевые сплавы

– сплавы, в которых основным легирующим элементом является никель.

Промышленные медно-никелевые сплавы можно условно разделить на две группы: конструкционные

и
электротехнические.
К первой группе относятся коррозионно-стойкие и высокопрочные сплавы типа мельхиор, нейзильбер, куниаль

. В качестве дополнительных легирующих элементов в них добавляют Mn, Al, Zn, Fe, Co, Pb и др.

Маркировка медно-никелевых сплавов (ГОСТ 5063 – 73, ГОСТ 5187 – 70) начинается с буквы М:

МНЖМц30-1-1, МН19 – мельхиор;

МНЦ15-20, МНЦС16-29-1,8 – нейзильбер;

МНА13-3, МНА6-1,5 – куниаль и др.

Медно-никелевые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость в различных средах, высокие механические свойства, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, устойчивы к разрушению при низких температурах.

Механические свойства меди

Предел прочности на разрыв, σ МПа

Относительное удлинение после разрыва, δ ψ%

Относительное сужение, после разрыва, %

Твердость по Бринеллю, НВ

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.

Характеристика меди М1

Медь М1 с высоким содержанием основного металла в своем составе является высококачественной медью. Цифра 1 после буквенного обозначения означает чистоту медного сплава. В составе сплава также содержится свинец, мышьяк, никель, железо, сера, сурьма, олово и висмут. Марка М1 имеет высокую электрическую, тепловую проводимость, пластичность, коррозионную стойкость и легко обрабатывается. Марка М1 участвует в выпуске наиболее востребованных сплавов цветных металлов таких как бронза и латунь. Легирующие компоненты в составе оказывают на характеристики меди сильное влияние (фосфор, никель и т. д.). в зависимости от метода производства различают следующие марки меди: М1к — медь катодная, М1б — медь бескислородная, М1ф — медь раскисленная фосфором, М1р — медь раскисленная кислородом. По физическим параметрам медь бывает: М1М — мягкая и М1Т-твердая.

Актуальность

Медь является наиболее распространенным цветным металлом, отличается высокими антикоррозийными свойствами не только в пресной и морской, воде, но и в различных агрессивных средах. Медь, несмотря на это, неустойчива в атмосфере аммиака и сернистых газов. Она довольно легко поддаётся пайке, а также обработке под давлением, тем не менее, обладая ограниченными литейными свойствами, медь достаточно плохо подвергается сварке и сложно режется. Как правило, на практике ее применяют в виде труб, шин, листов, прутков, проволоки. В составе М1 содержание кислорода составляет примерно 0,05−0,08%.

Промышленное использование: выплавка высококачественной бронзы и латуни, производство проводников тока; фрагментов криогенной техники, изготовление прутков, проволоки для автоматического сваривания под флюсом или в среде инертных газов чугуна, меди.

Процентный состав меди М1

Медная рулонная фольга для технических целей (по ГОСТ 5638-75 в ред. 1990 г.)

Фольгу изготовляют из меди марок M1 и M2 по ГОСТ 859-2001 и поставляют твердой.

Временное сопротивление разрыву фольги должно быть не менее 290 Н/мм².

Сортамент. Толщина фольги и предельные отклонения по толщине должны соответсвовать приведенным в таблице 117а

Примеры обозначений:

• Фольга холоднокатаная (Д), прямоугольного сечения (ПР), нормальной точности изготовления (Н), твердая (Т), толщиной 0,020 мм, шириной 50 мм, из меди марки M2:

Фольга ДПРНТ 0,020 х 50 М2 ГОСТ 5638-75