Сплав меди с другими металлами

Обновлено: 18.09.2024

Оптимальный метод для точной идентификации металла — спектральный анализ. Однако, для его проведения необходимы сложные дорогие приборы. Если нужно отличить меди своими силами, приходиться обходиться подручными средствами.

Металлическая медь имеет три отличительные особенности: характерный окрас, высокая пластичность и устойчивость к коррозии. Антикоррозийные свойства обусловлены тончайшим слоем оксида, покрывающим поверхность металла. Такая пленка обеспечивает химическую инертность материала и изменяет свет изделия.

Как идентифицировать медь на глаз?

Зрительный метод самый доступный, хотя и не всегда действенный. Сходную с медью окраску имеют такие металлы:

цезий с примесями;
осмий с примесями;

Другие окрашены в серые тона, и потому несложно отличить медь от большинства металлов.

Чистая медь имеет розовато-красный цвет. Рассматривать изделие нужно при дневном освещении, иначе предмет может казаться желто-зеленым.

Важный момент: необходимо предварительно удалить слой оксида, имеющий голубовато-зеленый оттенок.

Некоторые сложности могут возникнуть с медными сплавами — латунью и бронзой, а также с алюминием, обогащенным медью.

Как отличить медь от латуни

Латунь — сплав меди и цинка, содержание которого колеблется от 4 до 45%. При существенной доле цинка окраска латуни становится желтоватой. Если же цинка менее 10%, визуальный метод не поможет. В такой ситуации существует 3 решения:

Акустический метод. При ударе медь издает приглушенный звук, латунь - звонкий. Необходим тонкий слух. Такой способ хорош для крупногабаритных объектов.
Механический метод. Медь пластична и, в отличие от латуни, легко гнется.
Взвешивание. Цинк и его сплав легче меди. При низком содержании цинка и для мелких предметов потребуются точные весы. Плотность меди составляет 9 г/см3, цинка - 7,1 г/см3, плотность латуни зависит от ее состава, но всегда ниже, чем у чистого металла.

Имеются и другие методы. Например, если есть возможность снять стружку. У меди она имеет спиралевидную форму, тогда как у латуни она прямая, игольчатая.

Еще один способ несколько сложнее, поскольку для него потребуется соляная кислота. Медь не вступает в реакцию с этим реагентом, а латунь реагирует с образованием хлористого цинка, образующего беловатый налет.

Как отличить медь от бронзы

Бронза — сплав меди с оловом. Она окрашена почти также, как чистая медь. Визуальный метод окажется в такой ситуации малоэффективным. Самый распространенный способ идентификации основан на высокой пластичности меди. Надавливание твердым предметом на медное изделие приведет к образованию вмятины. Бронза значительно прочнее. Такой способ подойдет для лома или изделий технического назначения. Но не всегда допустимо оставлять дефекты на предмете.

Для другого способа потребуется раствор поваренной соли, которая всегда имеется в хозяйстве. Приготовьте раствор из расчета 200 г соли на 1 л воды и разогрейте до 50 град. или чуть выше. Погрузите в него исследуемое изделие и продержите там четверть часа. Бронза останется инертной, тогда как медь поменяет окраску.

Еще одна методика — патирование. Это процесс образования оксидной пленки в естественных условиях. Старая медная вещь уже покрыта голубовато-зеленым налетом, а только что выпущенная или зачищенная неизбежно покроется им в течение некоторого времени. Бронза же не патируется.

Как отличить медь от алюминия

Чистые металлы легко различить по цвету. Однако, довольно часто возникает необходимость идентифицировать луженую медь, имеющую серебристую окраску, или обогащенный медью алюминий, имеющий желтоватый цвет. Оба сплава используются для изготовления кабеля, а в некоторых случаях важно знать, из чего он сделан. В такой ситуации зрительный анализ не даст результата.

Проще всего измерить сопротивление. У стометрового медного провода эта величина составляет 4 - 8 Ом, тогда как у алюминиевого - порядка 12 - 20 Ом. Достоинства такой методики в том, что кабель не повреждается.

Другой способ основан на разной прочности на изгиб. Если несколько раз согнуть и разогнуть алюминиевую жилу, она сломается, а медная выдержит такое испытание.

Наконец, можно подержать кабель в огне. Алюминий плавится уже при 600 град., медь — при значительно более высокой температуре. Необходимо понимать, что при нагревании, особенно на открытом огне, медь быстро покроется оксидной пленкой и изменит окраску. Этим можно пользоваться, чтобы отличить медь и от других сплавов.

Еще один универсальный способ — воздействие азотной кислотой. Аккуратно капните реактивом на изделие. Металлическая медь в зоне контакта окрасится в сине-зеленый цвет.

Самый простой способ

Перед тем, как начинать какие-либо испытания, внимательно осмотрите предмет. Современные изделия чаще всего маркируются. Так можно совершенно безошибочно определить не только материал, но и марку

Медь и ее сплавы

Медь относится к группе цветных металлов, наиболее широко применяемых в промышленности. Порядковый номер меди в периодической системе Д. И. Менделеева — 29, атомный вес А = 63,57. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) с периодом а = 3,607 Å.

Удельный вес меди g = 8,94 г/см 3 , температура плавления — 1083 0 С. Чистая медь обладает высокой тепло — и электропроводностью. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм×м, теплопроводность l = 395 Вт/(м×град). Предел прочности s_в = 200…250 МПа, твердость 85…115 НВ, относительное удлинение d = 50 %, относительное сужение y = 75 %.

Медь — немагнитный металл. Она обладает хорошей технологичностью: обрабатывается давлением, резанием, легко полируется, хорошо паяется и сваривается, имеет высокую коррозионную стойкость. Основная область применения — электротехническая промышленность.

Электропроводность меди существенно понижается при наличии даже очень небольшого количества примесей. Поэтому в качестве проводникового материала применяют в основном особо чистую медь М00 (99,99 %), электролитическую медь М0 (99,95 %), М1 (99,9 %). Марки технической меди М2 (99,7 %), М3 (99,5 %), М4 (99,0 %).

В зависимости от механических свойств различают медь твердую, нагартованную (МТ) и медь мягкую, отожженную (ММ).

Вредными примесями в меди являются висмут, свинец, сера и кислород. Действие висмута и свинца аналогично действию серы в стали; они образуют с медью легкоплавкие эвтектики, располагающиеся по границам зерен, что приводит к разрушению меди при ее обработке давлением в горячем состоянии (температура плавления эвтектики соответственно 270 0 С и 326 0 С).

Сера и кислород снижают пластичность меди за счет образования хрупких химических соединений Сu₂O и Сu₂S.

В качестве конструкционного материала технически чистую медь применяют редко, так как она имеет низкие прочностные свойства, твердость. Основными конструкционными материалами на основе меди являются сплавы латуни и бронзы. Для маркировки медных сплавов используют следующее буквенное обозначение легирующих элементов:

О — олово; Ц — цинк; Х — хром;
Ж — железо; Н — никель; С — свинец;
К — кремний; А — алюминий; Ф — фосфор;
Мц — марганец; Мг – магний; Б – бериллий.

Латуни

Латуни — это медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк.

В зависимости от содержания цинка латуни промышленного применения бывают:

однофазные a — латуни, содержащие до 39 % цинка (это предельная растворимость цинка в меди);
двухфазные (a+b|)- латуни, содержащие до 46 % цинка;
однофазные b|- латуни ,содержащие до 50 % цинка.

Однофазные a- латуни пластичны, хорошо обрабатываются резанием, давлением при температурах ниже 300 0 С и выше 700 0 С (в интервале от 300 0 С до 700 0 С — зона хрупкости). С увеличением содержания цинка прочность латуней повышается. В латунях b|- фаза представляет собой упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения СuZn с решеткой ОЦК, она хрупкая и прочная. Поэтому, чем больше в латунях b|- фазы, тем они прочнее и менее пластичны. Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 42…43 %.

Латуни, обрабатываемые давлением, маркируются буквой Л (латунь), после которой ставятся буквенные обозначения легирующих элементов; цифры, следующие за буквами, указывают содержание меди и количество соответствующего легирующего элемента в процентах. Содержание цинка определяется по разности от 100 %. Например, латунь Л62 содержит 62 % Сu и 38 % Zn. Литейные латуни маркируются буквой Л, после которой ставится содержание цинка и других легирующих элементов в процентах. Количество меди определяется по разности от 100 %. Например, латунь ЛЦ36Мц20С2 содержит 36 % Zn, 20 % Mn, 2 % Pb и 42 % Сu.

К однофазным a — латуням относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), Л68, имеющая наибольшую пластичность (d = 56 %). Двухфазные (a+b|) — латуни марок Л59 и Л60 имеют меньшую пластичность в холодном состоянии, но большую прочность и износостойкость. Однофазные имеют после отжига s_в = 250…350 МПа и d = (50…56) %, двухфазные — s_в = 400…450 МПа и d = (35… 40 %).

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости латуни могут легироваться оловом, алюминием, марганцем, кремнием, никелем, железом и др.

Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию b|- фазы, поэтому такие латуни чаще двухфазные (a+b|). Никель увеличивает растворимость цинка в меди, и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной. Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni, Sn.

В морском судостроении применяются оловянистые ”морские” латуни, например, ЛО70-1 (70 % Сu, 1 % Sn, 29 % Zn). Она используется для изготовления конденсаторных трубок, деталей теплотехнической аппаратуры.

Алюминиевые латуни используют для изготовления конденсаторных трубок, цистерн, втулок, а также для изготовления коррозионно-стойких деталей, работающих в морской воде. Марки латуней: ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2 (в электрических машинах, в хим. машиностроении). Из латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 изготовляют цельнотянутые круглые трубы для производства манометрических трубок и пружин в приборах повышенного класса точности. С помощью закалки и старения sв достигает 700 МПа.

Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью (s_в до 640 МПа), пластичностью и вязкостью до минус 183 0 С. Латунь ЛК80-3 применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судо- и общем машиностроении.

Свинцовистые латуни отлично обрабатываются резанием и обладают высокими антифрикционными свойствами. Латуни ЛС60-1, ЛС59-1 применяют для изготовления крепежных деталей , зубчатых колес, втулок.

Никелевая латунь обладает повышенными механическими (s_в до 785 МПа) и коррозионными свойствами, обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Латунь ЛН65-5 применяется для изготовления манометрических и конденсаторных трубок, различного вида проката.

Литейные латуни содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие этого они обладают хорошими литейными характеристиками.

Бронзы

Бронзы — это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами.

Литейные бронзы маркируются аналогично литейным латуням. Например, бронза Бр06Ц3Н6 содержит 6 % Sn, 3 % Zn, 6 % Pb, 85 % Сu.

Бронзы по сравнению с латунью обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью.

Оловянные бронзы. Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержащие до 10…12 % Sn. Предельная растворимость олова в меди 15,8%, однако в реальных условиях кристаллизации и охлаждения предельная растворимость снижается примерно до 6 %. К однофазным сплавам относятся бронзы с содержанием олова до 5…6 % и a — фаза, представляет твердый раствор олова в меди с ГЦК — решеткой. При большем содержании олова наряду с a — раствором присутствует эвтектоид (a + Сu31Sn8). Предел прочности бронзы возрастает с увеличением олова, но при его высоких концентрациях резко снижается из-за большего количества хрупкого интерметаллида Сu₃₁Sn₈.

Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Pb, Ni, P. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет ее. Фосфор улучшает литейные свойства. Для изготовления художественного литья содержание фосфора может достигать 1 %. Свинец (до 3…5 %) вводится в бронзу для улучшения ее обрабатываемости резанием. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок, уменьшает ликвацию. Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую линейную усадку (0,8 % при литье в землю и 1,4 % — в металлическую форму).

Для проведения пластичности проводится гомогенизация сплавов при температурах 700…750 0 С с с быстрым охлаждением. Остаточные напряжения снимаются отжигом при 550 0 С.

Оловянные деформируемые бронзы Бр0Ф7-0.2, БрОЦС4-4-4, БрОЦ4-3 и другие имеют более высокую прочность, упругость, сопротивление усталости, чем литейные. Их используют для изготовления подшипников скольжения, шестерен, трубок контрольно — измерительных и других приборов, манометрических пружин и т.д.

Литейные оловянные бронзы. По сравнению с деформируемыми они содержат большее количество легирующих элементов, имеют ниже жидкотекучесть, малую линейную усадку, склонны к образованию усадочной пористости. Бронзы БрОЗЦ7С5Н, БрО10Ф1, БрО6Ц6С3, БрО5С25 и другие применяются для изготовления арматуры, работающей в воде и водяном паре, подшипников, шестерен, втулок.

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими антикоррозионными свойствами, жидкотекучестью, малой склонностью к дендритной ликвации. Из-за большой усадки трудно получить сложную фасонную отливку. Они морозостойки, немагнитны, не дают искры при ударах. По коррозионной стойкости превосходят латуни и оловянистые бронзы.

Алюминий растворяется в меди, образуя a — твердый раствор замещения с пределом растворимости 9,4 %. При большем содержании в структуре появляется эвтектоид (a + g|); g| — интерметаллид Сu₃₂Al₉.

Однофазные бронзы БрА5, БрА7 имеют хорошую пластичность и относятся к деформируемым. Обладают наилучшим сочетанием прочности и пластичности: s_в = 400…450 МПа, d = 60 %.

Двухфазные бронзы (a + g|) имеют повышенную прочность до 600 МПа, но пластичность заметно ниже d = (35…45) %. Эти сплавы упрочняются термообработкой и дополнительно легируются Fe, Ni, Mn.

Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость, температуру рекристаллизации и коррозионную стойкость. Марганец повышает технологические и коррозионные свойства.

Бронзы БрАЖН10-4-4, БрАЖМц10-3-1-5 и др. применяются для изготовления зубчатых колес, деталей турбин, седел клапанов и других деталей, работающих в тяжелых условиях износа при повышенных температурах до 400 0 С, корпуса насосов, клапанные коробки и др.

Закалка проводится с температуры 950 0 С, после чего бронзы подвергают старению при 250…300 0 С в течение 2…3 ч.

Кремнистые бронзы применяются в качестве заменителей оловянистых бронз. До 3 % кремний растворяется в меди, и образуется однофазный a-твердый раствор. При большем содержании кремния появляется твердая и хрупкая g-фаза. Никель и марганец улучшает механические и коррозионные свойства. Они не теряют пластичности при низких температурах, хорошо паяются, обрабатываются давлением, немагнитны и не дают искры при ударах. Их используют для деталей, работающих до 500 0 С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Бронзы БрКН1-3, БрКМц3-1 применяют для изготовления пружин, антифрикционных деталей, испарителей и др.

Бериллиевые бронзы. Содержат 2…2,5 % Ве. Эти сплавы упрочняются термической обработкой. Предельная растворимость бериллия в меди при 866 0 С составляет 2,7 %, при 600 0 С — 1,5 %, а при 300 0 С всего 0,2 %. Закалка проводится при 760…800 0 С в воде и старение при 300 0 С в течение 3 ч. Сплав упрочняется за счет выделения дисперсных частиц g-фазы СuBe, что приводит к резкому повышению прочности до 1250 МПа при d = 3…5 %. Бронзы БрБ2, БрБНТ1,9 и БрБНТ1,7 имеют высокую прочность, упругость, коррозионную стойкость, жаропрочность, немагнитны, искробезопасны (искра не образуется при размыкании электрических контактов). Применяются для изготовления мембран, пружин, электрических контактов.

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Бронза БрС30 применяется для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих при повышенных давлениях и с большими скоростями. По сравнению с оловянистыми бронзами, теплопроводность ее в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении. Прочность этих бронз невысокая s_в = 60 МПа, d = 4 %.

Разновидности и применение сплавов меди с другими металлами

Сбор цветного металла для вторичного передела — древний промысел. Медь (Cu) начали одной из первых применять для изготовления оружия и посуды. Период зарождения металлургии — бронзовый век, он выделен в истории по получению сплава меди самородной с оловом. Простота обработки материала и высокие потребительские свойства обеспечивают спрос на легированные изделия и сегодня. Легирующие возможности медных добавок используют для улучшения различных типов стали.

Свойства и применение чистой меди

В чистом виде металл имеет лёгкий розовый оттенок, в естественном состоянии его наблюдают редко: на воздухе оксидная плёнка окрашивает поверхность в жёлто- или коричнево-красный цвет. Световые отличия позволяют отнести медь и её сплавы к разряду самых ценных и широко применяемых в промышленности металлов — цветных. Одно из свойств — отсутствие намагничивания, температура перехода в жидкую фазу 1083ºС.

Высокая технологичность меди обусловлена пластичностью, мягкостью и тягучестью: поддаётся обработке давлением, хорошо сваривается и паяется, режется и полируется.

Химическая активность низкая — в условиях нормальной влажности и температуры коррозии не наблюдается. Прочностные качества невысоки, как конструкционный материал чистую медь используют редко.

Основные свойства — высокая электро- и теплопроводность, эти качества предопределяют спектр поиска ценного металла сборщиками цветного лома, а также указывают на производства, где наблюдается накопление отходов медных изделий или некондиционных обрезков латуни и бронзы. Это электротехника — провода и кабели, строительство и химические предприятия — инструменты, детали декораций и приборов, металлургия — изготовление сплавов, бытовая и художественная сферы — посуда, чеканка по меди, бронзовые бюсты и детали интерьера.

Оценить количество Cu в обнаруженных дефектных кабелях, трубопроводах и калориферах поможет обмер кучи — полученный объём нужно умножить на удельный вес металла (8,9 г/м3) и сделать поправку на пустоты и посторонние примеси. Собственно медь присутствует обычно в электротехнических устройствах в виде контактов, передаточных шин, проводов и обмоток. Примерное содержание ценного металла в некоторых бытовых приборах:

телевизор ламповый весом 50―70 кг — до 1500 г;
полупроводниковый домашний экран — 500 граммов;
двигатель-компрессор и трубки холодильника — 1 кг;
обычные электромоторы дают хороший доход сборщикам меди: 1кг/кВт мощности изделия.

Немало красного металла содержат отслужившие магнитные пускатели и трансформаторы, автомобильные стартеры и генераторы, дроссели люминесцентных ламп и реле различного назначения. Одним из способов получения чистой меди является переплавка вторичного лома и термическое рафинирование — освобождение от посторонних примесей.

Элементи, сплавливаемые с медной основой

Существует много легирующих присадок к главному веществу, посредством которых сплавам меди с другими металлами придаются требуемые для производства свойства. Чтобы довести до пользователей состав многокомпонентного материала, принято обозначать наименования входящих в новый металл элементов по первым буквам их названий: цинк — Ц, никель — Н, олово — О, марганец — Мц, магний — Мг. Аналогичным образом шифруют хром, железо, свинец, кремний, алюминий, фосфор и бериллий.

Примеры маркировки

Медь входит в состав многих сплавов, и для определения содержания Cu в предмете надо разбираться в маркировках, представлять, в каких пределах изменяется доля основного металла. Наибольшую известность приобрели:

латунь (Cu + Zn);
бронза (Cu + Sn);
мельхиор — сплав с никелем; из него чеканили советские монеты от 10 копеек, изготавливали подарочные наборы столовых ножей, вилок и ложек.

Больше распространены изделия из бронзы и латуни — жёлтой меди, как её именуют в сантехнике. По химическому составу сплав с цинком бывает двойным и многокомпонентным. В последнем случае в него входят другие легирующие добавки, например, марганец. Соотношение основного металла и вторичных компонентов варьирует в широких пределах.

Если двойная латунь содержит Zn до 20%, её называют томпак. В маркировке после буквенного обозначения указывают количество меди: Л60 — 60%. Многокомпонентный сплав с участием 2% марганца шифруется как ЛМц58−2, цинка в нём — 40%.

Сбор легированного красного металла

Оценивая с точки зрения прибыльности доход от сдачи 1 кг лома меди и её сплавов, приходят к выводу о предпочтительности поиска чистого металла: в этом случае рентабельность оказывается выше в 1,5―2 раза. Найти Cu без добавления легирующих элементов — большая удача и случается редко. Медные сплавы часто встречаются в отслуживших свой век бытовых приборах:

в сантехнике — душевые шланги и трубки, смесители, краны и вентили, регистры отопления;
в мебели и элементах квартиры — фурнитура шкафов, окон и дверей;
в светильниках старого года выпуска.

Практически во всех применяемых сегодня медных сплавах, кроме латуни, количество легирующих элементов не превышает 10%. Свойства сплавов меди и их применение зависят от добавок: кремний и алюминий придают пластичность, свинец — улучшает антифрикционные качества и упрощает обработку резанием. Стойкость против коррозии усиливается за счёт цинка, олова и марганца.

Латунь используется преимущественно в приборо- и машиностроении — запорные устройства и вкладыши скольжения, из неё изготавливают гильзы для боеприпасов. Детали оборудования также делают на основе сплавов. В известном материале дюраль меди содержится 4,4%. Соединения Cu + Au применяют в ювелирном деле для придания золоту большей стойкости к истиранию.

Сплавы медно-оловянные

Бронза в классическом понимании, это сплав меди с оловом, но на практике термин используется для определения любых соединений Cu с основным легирующим металлом, исключая цинк и никель. Отсюда пошло разделение бронзы на две категории: с содержанием Sn и безоловянные. Последние сорта встречаются чаще. Ещё сплав меди с оловом называется оловянистой бронзой.

По технологическому признаку металл бывает деформируемым или литейным, маркировка аналогична латуни с заменой буквы Л на сочетание Бр. В первом случае шифровка выглядит как БрОЦС 8−4−2, что означает процентное вхождение в состав сплава:

олова — 8;
цинка — 4;
свинца — 2;
меди — 100-(8+4+2)=86%.

Литейные сорта бронзы кодируются сходно с аналогичными видами латуни — буквы и цифры чередуются. Например: БрО6Ц3Н5: 6% Sn, 3 — Zn, 1 — Ni, 90% Сu.

Подразделение от содержания олова — сплав общего назначения 6―10%, у высокопрочной бронзы количественные значения Sn выше: до 16―19%. С увеличением в соединении оловянной составляющей до 30%, хрупкость бронзы возрастает до такой степени, что от удара молотком изделие крошится. Искры при этом не возникают. Области применения бронзы различного состава и плотности сплавов приведены в таблице.

Марка бронзы	Удельный вес, т/м3	Направления использования
БрО3Ц12С5	8,6	Тонкостенные литые элементы, способные работать в морской воде, насыщенном пару и под давлением
БрО3Ц7Н1	8,8	То же
Бро4Ц7С5	8,9	Заготовки для подвижных конструкций тракторов и автомобилей, оснастка поршневых головок и шатунов дизелей
БрО4Ц4С7	9,2	Антифрикционные изделия и муфты для машиностроительных станков
БрО5Ц5С5	8,8	Литые детали узлов скольжения, червячные колёса
БрО5С25	9,4	Подшипники и втулки поршневой системы дизельных двигателей, водяных насосов и турбин, маслосъёмные кольца

Как видно из таблицы, удельный вес оловянистых сплавов меди находится на уровне плотности основного металла: 8,9 т/м3 ~ 8,6―9,4. Это позволяет подходить к оценке количества собранного лома бронзы с меркой, применяемой для самой меди.

Медистые ферросплавы

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

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

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

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

Материаловедение: медь

Чем примечательна медь, и за какие такие заслуги ее считают одним из важнейших металлов в истории человечества? Каковы ее плотность, температура плавления и прочие физико-химические свойства? Чем вызван скачок цен на медь в 2020-2021 гг., и почему это в общем-то только начало? Отвечаем на эти и другие вопросы в нашей четвертой статье из цикла «материаловедение».

Медь (Cu) – мягкий и пластичный металл золотисто-розового цвета, 29-й элемент периодической системы. Это один из главных промышленных металлов. По объемам производства среди цветметов медь вторая вслед за алюминием.

Ковкая и устойчивая к коррозии, медь используется в инженерных коммуникациях, машино- и судостроении, ювелирном деле. Однако до 60% от производимых объемов идет на электротехнику и энергетику. И это вполне логично: по тепло- и электропроводности медь впереди всех промышленных металлов и дышит в спину только серебру. Но сколько стоит медь, а сколько – серебро. Разница в цене стократная.

Медь – один из первых металлов на службе у человека. И это неспроста. Начнем с простого факта: чистая медь – химически неактивный металл, она не стремится к взаимодействию с другими элементами и веществами, как тот же алюминий. Вот почему в природе она часто встречается в самородках, даже чаще, чем железо. Кроме того, у нее умеренная температура плавления – 1 085°C, тогда как у железа 1539 °C

Одни из древнейших медных артефактов возрастом 8500 лет обнаружены на раскопках поселения Чатал-Хююк (Турция). При экскавации кургана археологи нет-нет да находили окалины и шлак – казалось бы, явные свидетельства переплавки медной руды. Впрочем, некоторые ученые воздерживаются от скоропалительных выводов. По их версии, куски руды могли образоваться случайно в попытках намешать краску для ритуальных погребений.

Тем не менее к IV тысячелетию до н. э. медь приручили если и не все цивилизации, то многие. Сперва медные самородки обрабатывали холодной ковкой: заготовки для наконечников копий и будущие лезвия топоров обстукивали камнями до нужной формы. Горючую же ковку миру явила невероятно продвинутая по тем временам кипро-минойская цивилизация. Как показывают раскопки, в III тысячелетии до н. э. на Кипре уже вовсю плавили медь из малахита, бирюзы и других окисных руд. Отсюда, между прочим, и латинское название меди Cuprum, производное от Aes Cyprium («металл Кипра»).

Сегодня медь добывают в основном из сернистых соединений CuS, Cu2S сульфидных руд: медного колчедана, медного блеска и др. В России крупнейшее медные месторождения сосредоточены в Красноярском крае и Забайкалье, а ведущим производителем считается «Норникель».

Чистая медь – мягкий и пластичный металл из семейства переходных. Она легко тянется в проволоку, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, сваривается почти всеми видами термомеханической сварки и сносно режется. К технологическим недостаткам относят низкие литейные качества. Дело в том, что расплав меди густотекучий, отливки дают большую усадку, а это требует сложных расчетов и вообще делает расход материала непомерным.

Плотность: 8933 кг/м3 (8,93 г/см3). Изделия из меди и медных сплавов увесистые. Подсчитано, что если в легковушке заменить всю медную проволоку алюминиево-циркониевой, то автомобиль «сбросит» около 12 кг.

Температура плавления: 1083°C. Это среднеплавкий металл. Для сравнения: у цинка температура плавления – 419,5°C, у алюминия – 658°C, железа – 1 539°C.

Коэффициент теплопроводности: 394 Вт/(м·К). Высокая теплопроводность делает медь эффективной в радиаторах охлаждения, отопления и кондиционирования, системах водоснабжения.

Электропроводность: 55,5—58 МСм/м. Этот показатель падает с увеличением доли примесей. По этой причине провода по нормативам изготавливают из меди с примесями не более 0,1% от состава.

Высокая стойкость к коррозии. Причем не только в пресной и морской воде, но и в различных химических средах, включая органические кислоты, едкие щелочи и галогены.

Цвет: от золотисто-розового до желто-красного. Желтоватые нотки – заслуга оксидной пленки, образующейся при взаимодействии с воздухом. Впоследствии эта пленка служит естественной защитой от коррозии. Отметим, что медь окисляется даже при комнатной температуре, чем разительно отличается от золота и серебра.

Поскольку медь отлично проводит электричество, ее активно используют в электронике, смартфонах, телевизорах, компьютерах и т. д.

В домах с медными трубами аварийные ситуации – редкость. Для сравнения: по данным ВЦИОМ за 2006 год, в первые три года использования пластиковых труб аварии случаются в 8 квартирах из 100. Кроме того, медь в отличие от пластика инертна к хлору и благодаря ионизации имеет антибактерицидные свойства. Совсем как серебро. Это, к слову, объясняет, почему поручни и дверные ручки из медесодержащих сплавов называют самоочищающимися.

От внутриквартирной разводки до перекачки мазута – медные трубы пригодятся в самом широком спектре инженерных работ. При этом срок их службы может достигать 50-100 лет.

Всего лишь одна ветряная турбина мощностью 3 МВт нуждается в более 4 т меди. Отметим, что в том числе переход на зеленую энергетику со всеми ее солнечными панелями и ветрогенераторами спровоцировал стремительный рост цен на медь, наметившийся еще с 2017 года.

Медь сплавляют с золотом, чтобы придать тому большую прочность на изгиб и стойкость к истиранию. Те же розовое и красное золото – это все сплавы меди с чистым желтым золотом в пропорции 1:3 (для пробы 750).

Первичная медь маркируется по ГОСТ 859-2014 буквой М и числом, обозначающей чистоту металла. Самая беспримесная марка однокомпонентной меди – М006, переплавляемая из катодов в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере. Степень ее чистоты не менее 99,99%. Для сравнения: получаемая переплавкой лома М3 содержит 99,5% меди.

Иногда после числа в маркировке стоит буква: М1ф, М2р… Эта буква на конце обозначает легирующий элемент либо указывает степень раскисления. К примеру, в марке М1ф помимо собственно меди (99,9%) содержится фосфор (0,04%) и другие примеси. В марке М2р 99,7% меди, 0,01% раскисляющего кислорода и до 0,06% фосфора, а остальное – примеси.

Отметим, что примеси в составе значительно снижают характеристики меди, в первую очередь тепло- и электропроводность. Особенно критично в этом плане превышение доли мышьяка (As) и сурьмы (Sb). По этой причине как проводник используют только электролитическую медь чистых марок: М1 (99,9%), М0 (99,93%) и практически беспримесную М006 (99,99%).

Для большей прочности и улучшения технологических свойств (в первую очередь – литейных) в меди растворяют различные легирующие компоненты: Zn, Sn, Be, Ae, Mn, Ni, Si. В целом по химическому составу все сплавы на основе меди можно разделить на три большие группы: латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Медный сплав с добавлением цинка (от 5 до 45%) и иногда другими присадками. Цвет всегда с блеском и в зависимости от содержания цинка варьируется от красно-желтого или желтого (Zn ≤ 20%) до чуть зеленоватого (Zn 36-45%). Если сравнивать с медью, латунь удобнее в литье, но склонна к растрескиванию под напряжением и хуже реагирует на морскую воду. Применение: сантехника, коммутирующие устройства в электротехнике, различная фурнитура, украшения и др.

Сплав меди с оловом (~12%) и другими легирующими компонентами: алюминием, марганцем, фосфором, кремнием и др. Цвет красновато-коричневый. Будучи более хрупкими, чем медь и латунь, многие бронзы тем не менее прекрасно подходит для художественного литья, давая всего 1% усадки. Также бронза отлично противостоит морской воде и агрессивной химии, из-за чего применяется в топливной и паровой арматуре. Кому-то она известна и как подшипниковый материал – дают о себе знать отменные антифрикционные свойства.

В частности, конструкционные сплавы мельхиор (Ni 5-30%) и нейзильбер (Ni 5-35%, Zn 13-45%). Меньше на слуху электротехнические сплавы константан (Ni 39-41%, Mn 1-2%) и копель (Ni 43-44%, Fe 2-3%).

Применяются медно-никелевые сплавы в изготовлении реостатов и резисторов; в судостроении; в медицинской промышленности; в чеканке монет. В частности, до 2009 года из сплавов меди с никелем чеканились монеты Банка России в 1 и 2 рубля. В 2009 году материал поменяли: с тех пор это сталь с гальванопокрытием. Что ж, посткризисное время требует посткризисных решений.

На середину июля 2021 года цена за 1 кг меди на пунктах приема составляет от ~300 руб. за медно-никелевую трубу МНЖ5-1 до ~550 руб. за блестящий медный кабель.

Что касается цен на биржах, то после шокировавшего многих зимнего пика наметился курс на постепенную стабилизацию. На момент написания статьи на Лондонской бирже медь торгуется по стоимости $9 419,2817 за тонну.

Стабилизация – стабилизацией, но отката цен к уровню 2019 года пока не предвидится. Куда вероятнее нас ждет новый виток роста. Тому есть несколько причин. Самые очевидные – разгон мировой инфляции и дефицит металлопроката, вызванный прекращением сбора лома в первую волну коронавирусных карантинов, лавиной отложенного спроса впоследствии. В долгосрочной перспективе во все это вмешается еще и агрессивная политика озеленения энергетики. На декарбонизацию экономик согласно целям устойчивого развития, навязанных ООН и расписанных на первом этапе до 2030 года, понадобится много редкоземельных и цветных металлов. И медь в этом списке значится чуть ли не первой.

В чистом виде медь в производстве замочно-скобяных изделий не используется. Зато в ход идут медные и медесодержащие сплавы, прежде всего латунь и ЦАМ (цинковый сплав с Cu ~1%).

Если упрощенно, то чем больше меди в сплаве, тем качественнее фурнитура: точнее в размерах, дольше держит покрытие, лучше противостоит коррозии. К примеру, дверные петли Palladium отлиты из премиальной латуни Class A с Cu 54-57,4%. Отсюда эталонная геометрия, поразительная плавность хода и срок службы длиной в вечность. Также отметим латунные навесные замки Palladium и смесители Manzzaro. В последних, кстати, используется латунь ЛЦ40С с Cu 59-60%.

И в заключение о фурнитуре из медесодержащего сплава ЦАМ, прежде всего – о дверных ручках. В самом материале меди ~1%. Однако меднение является важнейшим этапом в гальванизации, от него зависит долговечность наносимого покрытия. Если производитель схитрил и недоложил адгезионный медный слой в требуемую толщину, ручка потрется или потемнеет за 1-2 года. При честном же соблюдении технологии ручка из ЦАМ должна сохранять близкий к товарному вид 5-10 лет. Даже если установлена на двери в ванной, на кухне и в других помещениях с капризной средой.

Читайте также: