§ 27. МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Получение меди и ее сплавов. В настоящее время мель получают из сульфидных руд, содержащих медный, колчедан (CuFeS₂). Обогащенный концентрат медных руд (содержащий 11-35% Си), сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн - отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16-60% Си. Медные штейны переплавляют в медеплавильном конвертере с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1-2% примесей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содержание меди после рафинирования возрастает до 99,5-99,99% (медь первичная – технически чистая). Чистая медь имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, M1y, M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей марке М00б - 0,01%, а в марке М3 - 0,5%.
Механические свойства чистой отожженной 'меди: σ_в=220-240 МПа, НВ 40-50, δ=45-50%. Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.
Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т. п.
В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%.
Сплав обозначают начальной буквой Л - латунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц - цинк, О - олово, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное цинк.
По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни (ГОСТ 17711-72) предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (табл. 11).
Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527-70) в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. Латуни поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Латуни широко применяют в общем и химическом машиностроении.
Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т. д.
Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характеристик и придания особых свойств бронзы легируют железом, никелем, титаном, цинком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля - пластичности, железа - прочности, цинка – улучшению литейных свойств, свинца - улучшению обрабатываемости (табл. 12).



Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О - олово, Ц - цинк, С - свинец, А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное – медь (85%).
Оловянные бронзы содержат в среднем 4-6% олова, имеют высокие механические (σ_в=150-350 МПа; δ=3-5%; твердость НВ 60-90), антифрикционные и антикоррозионные свойства; хорошо отливаются и обрабатываются резанием. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные свойства; фосфор, повышающий литейные, механические и антифрикционные свойства.
Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017-74) поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т. п. Литейные оловянные бронзы содержат большее количество олова (до 15%), цинка (4-10%), свинца (3-6%), фосфора (0,4-1,0%). Литейные бронзы (ГОСТ 614-73) применяют для получения различных фасонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова - основной недостаток оловянных бронз.
Безоловянные бронзы содержат алюминий, железо, марганец, бериллий, кремний, свинец или различное сочетание этих элементов. Алюминиевые бронзы содержат 4-11% алюминия. Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Эти бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 8% - и в холодном состоянии. Бронзы, содержащие 9-11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (закалка и отпуск). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°) повышает твердость с НВ 170-200 до НВ 400.
Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают хорошей сопротивляемостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.
Свинцовистые бронзы (БрС30) отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у оловянных бронз), применяют для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.
Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие механические свойства, например у БрБ2 σ_в=1250 МПа, НВ 350, высокий предел упругости, хорошая коррозионная стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.
Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) применяют как заменители дорогостоящих бериллиевых бронз.
Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы - это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы.
Куниали (медь-никель-алюминий) содержат 6-13% никеля, 1,5-3% алюминия, остальное - медь. Куниали подвергают термической обработке (закалка-старение). Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электротехнических изделий.
Нейзильберы (медь-никель-цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное медь. Нейзильберы имеют белый приятный цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; применяют в приборостроении и производстве часов.
Мельхиоры ( медь-никель и небольшие добавки железа и марганца до 1%) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий.
Копель (медь-никель 43%-марганец 0,5%) - специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар.
Манганин (медь-никель 3%-марганец 12%) - специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов.
Константан (медь-никель 40%-марганец 1,5%) имеет такое же назначение, как и манганин.