2. Медь – ее свойства и области использования в художественных целях.
Химические свойства меди.
Медь - малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, ра-створами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь
растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрирован-ной серной кислотах). Медь обладает достаточно высокой стойкостью к кор-розии. На воздухе медь постепенно тускнеет, быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок окиси красного цвета (Cu2O), который затем под действием сернис-тых, хлористых и углекислых соединений темнеет и может, наконец, превра-титься в патину зеленого цвета (рис. 2). Патину можно увидеть на шпилях церквей, на памятниках: из-за обилия частиц различной грязи патина обычно бывает темно-коричневого цвета.
Замечание.
Патина - плёнка или налёт, например, на меди и её сплавах. Различают два ее вида: искусственную и естественную.
Естественная патина - это оксидно-карбонатная плёнка, образующаяся на поверхности декоративных (от памятников до монет) или технических изделий (разъёмы, контакты) под воздействием окружающей среды (рис. 2).
Искусственная патина - налёт, образующийся на поверхности памятников или декоративных изделий вследствие нанесения специальных веществ (специальных составов, обычно содержащих некоторые кислоты и окислители).
Рис. 2. Бронзовая монета с патиной (I век до н.э.).
Основные физические и свойства.
Медь - золотисто-розовый пластичный металл. Наряду с осмием, цези-ем и золотом, медь - один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Кристаллы меди образуют кубическую гранецентрированную решётку (рис. 3).
Рис. 3. Кристаллическая решетка меди.
Ниже приведены некоторые физические свойства меди:
Атомная масса - 63;
Плотность при 20°С, г/см3 - 8, 96;
Температура, плавления °С: - 1083;
Температура кипения, °С: - 2600;
Удельная теплоёмкость, ккал/г - 0,092;
Теплопроводность кал/ (см . сек . град) - 0,941;
Удельное электросопротивление, Ом . мм2 /м - 0,0178
Отметим, что медь обладает высокой теплопроводностью и электро-проводностью - второе место по электропроводности после серебра.
Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода.
Основные механические свойства.
Медь относится к пластичным металлам со сравнительно невысоким уровнем механических свойств. Ниже приведены некоторые механические свойства меди.
Предел прочности деформированной меди, МПа : - 400 - 500 Предел прочности отожжённой меди, МПа: - 200 - 240
Предел текучести меди, МПа , при температуре, °С: 20°С - 70
200°С - 50
400°С - 14
Относительное удлинение деформированной меди, % : - 4 - 6 Относительное удлинение отожжённой меди, %: - 40 - 50
Предел упругости деформированной меди, МПа: - 300
Предел упругости отожжённой меди, МПа: - 70
Модуль упругости, МПа: - 132000 Модуль сдвига, МПа: - 42400
Предел усталости меди при переменно-изгибающих напряжениях на базе 108 циклов, МПа :
деформированной - 110
отожжённой - 67
Твёрдость меди НВ:
деформированной - 90 - 120
отожжённой - 35 - 40
При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочност-ные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением тем-пературы увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротив-ление пластической деформации.
Технологические свойства.
Медь мягкий и вязкий металл, он легко обрабатывается давлением и в частности, волочением. Из меди легко можно штамповать, дифовать (допус-кает выколотку высокого рельефа) и чеканить. Медь хорошо прокатывается – из нее изготавливают тончайшие листы и ленты (фольгу), толщина которой может быть не более 0,05 мм. Также получают различные трубки, прутки и проволоку с минимальным диаметром 0,02 мм. Медь хорошо шлифуется и полируется, но быстро теряет блеск; ее затруднительно точить, сверлить, фрезеровать, так как у нее большая вязкость, поэтому обработка чистой меди на режущих станках затруднительна. Медь хорошо сваривается, паяется оло-вом и твердым припоем.
Температура литья меди 1150 - 1230 °С. Линейная усадка при литье в кокиль 2,1 %, жидкотекучесть (при литье в песок) 35 см. Медь высокопластична в отожженном состоянии, при обработке давлением выдерживает без промежуточных отжигов обжатие до 85 - 95%. Вакуумная плавка улучшает пластичность меди. Температура прессования 800 - 950 °С, температура горячей прокатки 820 - 860 °С. Температура полного отжига 500 - 700 °С, а отжига для уменьшения остаточных напряжений 180 - 230 °С.
Маркировка меди.
Марки меди в общем случае обозначают буквой "М", далее идут циф-ры, характеризующие степень чистоты и буква, показывающая степень очи-стки:
к - катодная;
р - рафинированная и раскисленная;
ф - раскисленная фосфором;
б - безкислородная медь.
В зависимости от чистоты (ГОСТ 859-41) предусмотрено пять марок меди: М0, M1, М2, М3, М4. В наиболее чистой меди (марки М0) общее ко-личество примеси не должно превышать 0,05%, в меди марки М1 – 0,1%, в меди марки М2 – 0,3%. Наибольшее количество примесей (до 1%) допуска-ется в меди марки М4.
Меди марки М0 предназначаются для изготовления проводников тока, М3 - для литья, а медь марки М4 - для изготовления неответственных дета-лей и паяния.
Использование меди в художественных целях.
При отжиге меди образуется темный слой окиси меди CuO, который вместе с Cu2O создает хрупкую отслаивающуюся окалину. В художественной промышленности чистая, или красная, медь применяется довольно часто, од-нако все же не так широко, как ее сплавы – бронза и латунь. Применение чи-стой меди в ряде случаев обусловливается ее исключительно высокой плас-тичностью и вязкостью, позволяющей из листов сравнительно небольшой толщины (0,8-1,2 мм) получать путем выколотки сложные объемные формы. Свойства чистой меди сделали ее основным материалом для дифовочных ра-бот при изготовлении крупных скульптурных и орнаментальных компози-ций. Примером таких медночеканных скульптур могут служить многочис-ленные статуи и декоративные фигуры начала XIX в., украшающие различ-ные здания Санкт-Петербурга (квадрига Аполлона на Александрийском театре).
Кроме дифовочного производства чистая медь применяется для шта-мповки очень высоких и сложных рельефов и орнаментов, для которых лату-нь оказывается недостаточно пластичной. Красная медь остается пока неза-менимым материалом в области филигранных работ массового производства.
Листовая медь является основным материалом для чеканных, гравер-ных работ и декоративных работ из проволоки. Проволока из красной меди, применяемая для филигранных работ, в отожженном состоянии она станови-тся настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевоз-можные шнуры и выгибать самые сложные, причудливые элементы орнаме-нта. Она может быть изготовлена практически любой толщины. Кроме того, проволока из красной меди (благодаря своей теплопроводности) очень легко и хорошо спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится.
Из меди часто делают кровлю, реже медь встречается в интерьерах. Медные детали превосходно сочетаются с мебелью из натурального дерева. Из нее делают вытяжки над камином или плитой.
Коэффициент линейного и объемного расширения при нагреве у кра-сной меди очень близок к такому же коэффициенту горячих эмалей. Поэтому при остывании эмаль хорошо держится на красномедном изделии, не треска-ется и не отскакивает.
Используют медь также для приготовления припоев, так она является основным компонентом твердых припоев (медных, серебряных и золотых), применяемых для пайки самых разнообразных изделий художественной про-мышленности, начиная от ювелирных изделий и кончая крупными декорати-вными предметами.
Кроме того, медь наряду с золотом и селеном применяется для изготовления цветного красного стекла (медного рубина), эмали и смальты.
Отметим также, что, не являясь драгоценным, этот металл имеет огромное применение в ювелирной промышленности, используется почти во всех сплавах как легирующий элемент для получения определенного цвета или механических свойств. Медь делает более прочным золотые сплавы, для использования наиболее подходит электролитическая медь 999, выпускаемая в виде катодов.
Как указывалось выше, сплавы меди с другими металлами применяют-ся в художественных целях шире, чем собственно чистая медь.