2. Медь и ее сплавы

Медь, как золото и серебро, встречается в самородном виде и поэтому в древности человек, который еще не знал металлургии (восстановления металла из руд), уже мог применять медь. В те времена железо (метеоритное) ценилось на много выше меди и золота, так как железо по его свойствам, очевидно, более подходило для изготовления оружия, чем медь.

В настоящее время медь производят металлургическим способом, отделением ее от кислорода и серы.

Несмотря на то, что содержание меди в земной коре невелико (0,01%), она не рассеянный металл и концентрируется в медных рудах, где содержание ее порядка 5%.

Объем производства меди возрастает, и в настоящее время ее производится примерно столько же, сколько алюминия

По свойствам медь близка к серебру и золоту. Последние на воздухе не окисляются и поэтому называются благородными металлами, медь окисляется слабо, поэтому ее называют полублагородным металлом.

Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость — все это обусловило широкое применение меди. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов — латуней и бронз.

Высокая электропроводность меди обусловливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового металла. После серебра медь стоит на втором месте по электропроводности.

Все примеси уменьшают электропроводность меди, как это видно и рис. 4.1. Наклеп также понижает электропроводность меди. Поэтому, если провода не должны быть особо прочными, то применяют отожженную медь. Для подвесных же проводов (где требуется прочность) применяют нагартованную медь или медь с небольшими добавками активных упрочнителей (например, с добавкой 1% Cd).

Путем электролиза удается получить медь весьма высокой чистоты. Для научных целей можно приготовить медь 99,999%-ной чистоты, но техническая медь обычной чистоты содержит 0,1—0,5% примесей (табл. 4.7.).

Вреднейшими примесями меди являются висмут и свинец. Эти элементы почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики.

Кристаллизация сплавов меди с висмутом и свинцом фактически заканчивается при температурах плавления этих металлов (соответственно при 270 и 327 °С), а структура сплава состоит из ранее выделившихся кристаллов меди, вокруг которых расположены в виде оболочек висмут или свинец. Вследствие этого нагрев сплава выше температур плавления этих металлов сопровождается нарушением связи между первичными кристаллами меди (красноломкость). Прокатка такого сплава невозможна из-за его красноломкости. Уже тысячные доли процента висмута вызывают красноломкость меди; свинец вызывает красноломкость при наличии его в сотых долях процента.

Таблица 4.7.

Состав (%) технической меди

Марка	Сu	Примеси (не более)
		Bi	Pb	∑прим
М000	99,99	0,0005	0,001	0,01
М1	99,9	0,001	0,005	0,1
М2	99,7	0,002	0,01	0,3
М3	99,5	0,003	0,05	0,5

Сера и кислород также нерастворимы в меди, но медь образует с сульфидом и оксидом эвтектики, богатые медью, содержащие 0,39% О₂ и 0,77% S и плавящиеся соответственно при 1065 и 1067°С, т. е. выше температур горячей обработки меди. Поэтому ни кислород, ни сера не вызывают красноломкости.

Рис. 4.1. Влияние примесей на электропроводность меди.

В литой меди эвтектика Cu+Cu₂О располагается по границам зерен и имеет точечное строение. После обработки давлением эвтектика разрушается, и в деформированной меди кислород присутствует уже в виде обособленных включений закиси меди.

Медь, содержащая кислород, подвержена при нагреве так называемой «водородной болезни». Если нагревать медь в среде, содержащей водород (например, в продуктах неполного сгорания жидкого топлива), то происходит диффузия водорода в меди и протекает реакция восстановления закиси меди. А так как пары воды при этом создают высокое давление, то внутри несплошностей металла возможно образование разрывов, трещин.

1. Латуни

Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45%, которые называются латунями.

Диаграмма состояния Си—Zn показана на рис. 4.2. Сложная, на первый взгляд, диаграмма фактически составлена из пяти: простых перитектических диаграмм.

У сплавов меди и цинка в твердом состоянии возможно образование шести фаз:

α – твердый раствор цинка в меди: растворимость цинка в меди при комнатной температуре равна 39%, она не изменяется практически до 454 °С и убывает до 32% при 902° С;

β – твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи;

γ – твердый раствор на базе соединения Cu₅Zn₈ электронного типа, имеет сложную кубическую решетку. Температура упорядочения этой фазы равна 270°С;

ε – твердый раствор на базе соединения CuZn₃ электронного типа с гексагональной плотноупакованной решеткой.

δ – твердый раствор (природа химического соединения, лежащего в основе этого твердого раствора, не установлена);

η – твердый раствор меди в цинке.

При комнатной температуре практически применяемые лату­ни либо состоят из одних α-кристаллов, либо являются смесью α – и β – кристаллов.

Рис. 4.2. Диаграмма состояния Cu – Zn

Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30% Zn.

Переход через границу однофазной области (39% Zn) резко снижает пластичность; β – латунь обладает максимальной прочностью (σ_в=420 МПа) при относительно низкой для латуней пластичности (δ=7%); γ – латунь является весьма хрупкой. В силу отмеченных обстоятельств (малая пластичность) не только γ- и γ+β- но и β – латуни не имеют практического применения.

Применяются латуни, имеющие структуру α или α+β

Латунь легко поддается пластической деформации, и поэтому из латуней изготавливают катаный полуфабрикат (листы, ленты, профили и т. д.).

В табл. 4.8 приведены состав и механические свойства простых латуней (двойных α-латуней), а в приложении 8 – состав и механические свойства некоторых сложных – специальных латуней.

Таблица 4.8.

Состав и свойства двойных α-латуней

Марка латуни	Содержание элементов, %		Механические свойства
	Сu	примеси	σв, МПа	δ, %
Л96	95—97	0,2	240	52
Л90	88—91	0,2	260	44
Л85	84—86	0,3	280	43
Л80	79—81	0,3	310	52
Л70	69—72	0,2	320	55
Л68	67—70	0,3	330	56
Л62	60,5—63,5	0,5	360	49

Латуни маркируют буквой Л, за которой следует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Так как цинк дешевле меди, то чем больше в латуни цинка, тем она дешевле.

Практически применяемые латуни в зависимости от структуры при комнатной температуре разделяются на две категории: α-латуни и α+β-латуни; α-латуни содержат меди не менее 61%. Марки этих латуней Л62, Л68 и др. Их изготавливают в виде тонких листов, лент и других полуфабрикатов, из которых штампуют различные детали.

α -Латуни с более высоким содержанием меди (Л80) имеют цвет золота, и их применяют для ювелирных и декоративных изделий. Такие латуни, содержащие высокий процент меди, называют томпаком.

Латуни α+β содержат 55—61% Сu; наиболее распространенная марка Л59. Из латуни этой марки изготавливают прутки, а из них с помощью обработки резанием — различные детали.

Кроме простых латуней – сплавов только меди и цинка, применяют специальные латуни, в которых для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец для улучшения обрабатываемости (латунь марки ЛС59 содержит около 40% Zn и 1—2% Рb, так называемая автоматная латунь), олово для повышения сопротивления коррозии и морской воде (так называемая морская латунь), алюминий и никель для повышения механических свойств и т. д.

2. Бронзы

Наличие хрупкой фазы исключает возможность прокатки, поэтому, за исключением бронз, содержащих небольшое количество олова (применяемых редко), бронза, обычно содержащая более 5—6% Sn, не прокатывается и не куется и ее применяют в литом виде.

Высокие литейные свойства бронз определяются исключительно малой усадкой, которую имеют бронзы. Усадка оловянистой бронзы меньше 1%, тогда как усадка латуней и чугуна около 1,5%, а сталей – более 2%. Наиболее сложные по конфигурации отливки (в том числе художественное литье) обычно изготавливают из бронзы.

Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но проявляется более резко. Уже при 5% Sn пластичность начинает падать. Прочность начинает падать при 20% Sn, когда в структуре слишком много олова сплав становится хрупким.

Бронза с 10% Sn является лучшим антифрикционным материалом и ее широко применяют как подшипниковый сплав.

Благодаря высокой химической стойкости бронз из них изготавливают арматуру (паровую, водяную и пр.). Таким образом, основное применение бронз — сложные отливки, вкладыши подшипников, арматура.

Для удешевления в большинство промышленных бронз добавляют 5—10% Zn. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру.

Для лучшей обрабатываемости в бронзу вводят до 3—5% Рb, который присутствует в виде обособленных свинцовых включений, облегчающих стружколомание.

Фосфор вводят в бронзу как раскислитель и он устраняет хрупкие включения окиси олова (SnO). При наличии около 1% Р такую бронзу часто называют фосфористой.

Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, а потом цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах.

В приложении 9 приведены составы наиболее применяемых в промышленности оловянистых бронз и примерные механические свойства этих бронз для литых в землю образцов.

Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами

Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами также называются бронзами. В отличие от оловянистых их называют соответственно алюминиевыми, кремнистыми и т. д. Малой величиной усадки оловянистая бронза превосходит эти бронзы, но они в свою очередь превосходят оловянистую, в других отношениях: по механическим свойствам (алюминиевая, кремнистая бронза), по химической стойкости (алюминиевая бронза), по жидкотекучести (кремнецинковистая бронза). Олово – дефицитный элемент, поэтому эти бронзы, кроме, разумеется, бериллиевой, дешевле оловянистой.

Бериллиевая бронза отличается от остальных высокими твердостью и упругостью.

Наряду с простыми алюминиевыми бронзами применяют сложные алюминиевые бронзы. Состав и свойства некоторых алюминиевых бронз приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9.

Состав и свойства алюминиевых бронз

Марка бронзы	Содержание элементов, %				Механические свойства
	Al	Mn	Fe	Ni	σВ, МПа	δ, %
БрА7	6 – 8	—	—	—	420	70
БрАМц9-2	8 – 10	1,5 – 2,5	—	—	500	55
БрАЖН10-4-4	9,5 – 11	—	3,5 – 5,5	3,5 – 5,5	650	40

Алюминиевые бронзы применяют для изготовления различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестерен и многих других, преимущественно мелких, но ответственных деталей.

Кремнистые бронзы, например бронза БрКД4-4 (4% Si, 4% Zn), назначаются как заменители оловянистых бронз, например БрОЦС5-5-5. Уступая оловянистой бронзе по величине усадки, кремнистая бронза превосходит ее в отношении коррозионной стойкости, механических свойств и плотности отливки.

Особый интерес представляет бериллиевая бронза. Высокая прочность и упругость при одновременной высокой химической стойкости, хорошей свариваемости, обрабатываемости резанием делают бериллиевую бронзу подходящим материалом для ответственных пружин, мембран, пружинящих контактов и т.д. Кроме того, бериллиевую бронзу можно применять как безыскровый инструмент. При ударе бериллиевой бронзы о металл или камень не получаются искры, как у стали. Поэтому инструмент из бериллиевой бронзы применяется при взрывоопасных горных работах.

Высококачественным антифрикционным материалом, широко применяемым в машиностроении, является свинцовистая бронза, содержащая 30% Pb (Бр.С3О).

Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца. Равномерное вкрапление свинца в медь обеспечивает высокие антифрикционные свойства сплава.