Цветные металлы и сплавы (стр. 14 )

()

МЕДЬ

Медь — металл красного (в изломе розового) цвета, относится к тяжелым цветным металлам (r  = 8890 кг/м3). Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке (ГЦК) типа Al с параметром а = 0,36074 нм и полиморфных превращений не имеет.

Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди оцениваются 100 %, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17 % от свойств меди. Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)2CO3. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Характеристики основных свойств меди приведены ниже.

Характеристики основных физико-механических свойств меди

Плотность r, кг/м3	8890
Температура плавления Тпл, ° С	1083
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	208
Теплопроводность l, Вт/ (м × град), при 20–100 ° С	390
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г × К), при 20–100 ° С	0,375
Коэффициент линейного расширения a × 10–6, град–1, при 0–100 ° С	16,8
Удельное электросопротивление r × 108, Ом × м, при 20–100 ° С	1,724
Температурный коэффициент электросоп- ротивления, град–1, при 20–100 ° С	4,3× 10–3
Предел прочности s в, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	190–215
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280–360
Относительное удлинение d, %
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60
твердой меди (в нагартованном состоянии)	6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	45
твердой меди (в нагартованном состоянии)	110
Предел текучести s t, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60–75
твердой меди (в нагартованном состоянии)	280–340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	630–470
Модуль сдвига G × 10–3, МПа	42–46
Модуль упругости Е × 10–3, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	117–126
твердой меди (в нагартованном состоянии)	122–135
Температура рекристаллизации, ° С	180–300
Температура горячей деформации, ° С	1050–750
Температура литья, ° С	1150–1250
Линейная усадка, %	2,1

Благодаря своим свойствам медь широко используется в электротехнике, радиотехнике, приборостроении и различных отраслях машиностроения. Среди цветных металлов по объему потребления медь занимает второе место (после алюминия), причем около половины производимой меди используют в электро - и радиотехнике, а вторую половину — для получения медных сплавов.

Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают электропроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец и висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu—Cu2S и Cu—Cu2O, но красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 ° С и 1065 ° С соответственно) выше температур горячей обработки давлением. Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших количествах приводит к снижению пластичности.

Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают (при термообработке или эксплуатации) в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают оксид меди
Cu2O + H2 = 2Cu + H2O. Пары воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди. Склонность к «водородной болезни» (ГОСТ 24048–80) определяют путем отжига медных пластин в водороде при 825–875 ° С
(30 мин), последующего визуального осмотра и испытания на перегиб. Содержание вредных примесей в меди строго ограничено, например, не более 0,005 % Bi, 0,05 % Pb и т. д. (табл. 19.1). Для предупреждения окисления медь плавят или под слоем древесного угля, или с использованием защитных газов, или в вакууме. В ряде случаев производят дополнительное раскисление жидкой меди фосфором, который вводят в виде лигатуры марки МФ9 (ГОСТ 4515–93).

Высокая тепло - и электропроводность меди затрудняют ее электросварку (точечную и роликовую), особенно массивных изделий. Тонкие детали можно сварить вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2 мм можно сваривать нейтральным ацетилено-кислородным пламенем, предохраняя их от окисления и загрязнения. Наиболее надежный способ соединения медных изделий — пайка твердыми и мягкими припоями.

Медь отлично штампуется, но необходимо помнить, что в отожженном состоянии она отличается значительной анизотропией механических свойств, вызывающей образование фестонов при глубокой вытяжке. Для уменьшения фестонов листовую (ленточную) медь следует готовить по особому технологическому процессу.

В производстве меди из руды конечной стадией является электролитическое рафинирование. Выпускают четыре марки катодной меди (ГОСТ 859–78), используемых в качестве шихты при получении медных полуфабрикатов и сплавов. Слитки и полуфабрикаты из меди выпускают двенадцати марок (табл. 19.1). В российских марках меди ставится буква «М», остальные обозначения показывают степень чистоты и метод очистки. Сопоставление отечественных и зарубежных марок меди представлено в табл. 19.2.

Таблица 19.1

Химический состав (%) и применение технической меди (ГОСТ 859–2001)

Марка	Способ получения	Cu, не менее	Примеси*, не более												Области применения
Bi	Sb	As	Fe	Ni	Pb	Sn	S	O	Zn	P	Ag
Катоды
М00 к	Электролитическое рафинирование	99,98	0,0002	0,0004	0,0005	0,001	0,002	0,0005	–	0,0015	0,01	–	–	0,002	Для получения слитков и катанки
М0 к	99,97	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,002	0,015	0,001	0,001	0,002
М1 к	99,95	0,001	0,002	0,002	0,003	0,002	0,003	0,002	0,04	0,02	0,003	0,002	0,003
М2 к	99,93	0,001	0,002	0,002	0,005	0,003	0,005	0,002	0,01	0,03	0,004	0,002	0,003
Слитки и полуфабрикаты
М00 б	Переплав катодов в восстановительной или инертной атмосфере или в вакууме	99,9	0,0005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,0001	0,0003	0,002	Для проводников тока и сплавов высокой чистоты, полуфабрикатов, используемых в электронной промышленности
М0 б	(Cu+ Ag)	0,001	0,002	0,002	0,004	0,002	0,001	0,002	0,003	0,001	0,0003	0,002	–
М1 б	99,7	0,001	0,002	0,002	0,004	0,002	0,001	0,002	0,003	0,001	0,003	0,002	–
М00	Переплавка катодов	99,96	0,0005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,002	0,03	0,001	0,0005	0,002	Для проводников тока, проката и высококачественных бронз, не содержащих олова, полуфабрикатов и сплавов на медной основе, обрабатываемых давлением
М0	99,93	0,0005	0,002	0,001	0,004	0,002	0,003	0,001	0,003	0,04	0,003	–	0,002
М1	99,90	0,001	0,002	0,002	0,005	0,002	0,005	0,002	0,004	0,05	0,004	–	0,003
М1 р	Переплавка с раскислением	99,90	0,001	0,002	0,002	0,005	0,002	0,005	0,002	0,005	0,01	0,005	0,002–0,012	–
М1 ф	99,90	0,001	0,002	0,002	0,005	0,002	0,005	0,002	0,005	–	0,005	0,012–0,04	–
М2 р	99,70	0,002	0,005	0,01	0,05	0,2	0,01	0,05	0,01	0,01	–	0,005–0,06	–
М3 р	99,50	0,003	0,05	0,05	0,05	0,2	0,03	0,05	0,01	0,01	–	0,005–0,06	–
М2	Огневое рафинирование отходов меди	99,97	0,002	0,005	0,01	0,05	0,2	0,01	0,05	0,01	0,07	–	–	–
М3	99,50	0,003	0,05	0,01	0,05	0,2	0,05	0,05	0,01	0,08	–	–	–	Для проката, сплавов на медной основе обычного качества и прочих литейных сплавов

* Сумма нормированных примесей, исключая O, не должна превышать 0,0065 %. Содержание отдельных примесей может корректироваться по соглашению изготовителя с потребителем.