Медные сплавы и их характеристики

Автор:

Редакция сайта Vtmstol

СОДЕРЖАНИЕ

Свойства латуни

Разновидности медно-никелевых сплавов

Медь является самым известным из цветных металлов. Востребована она благодаря своим антикоррозийным свойствам, которые сохраняются даже в неблагоприятных условиях. В настоящее время существует более 400 сплавов, содержащих медь, каждый из которых отличается уникальными характеристиками.

Чаще всего, путем добавления цинка и олова, получают такие медные сплавы, как бронзу и латунь. Известно, что производить их научились еще в древнем Риме. Сейчас их применяют в различных областях промышленности и на производстве. Расскажем о медных сплавах подробнее.

История возникновения медных сплавов

Появление первого медного сплава принято относить к VII тысячелетию до н. э. В бронзовом веке в него стали добавлять олово. Сплавы использовались для изготовления оружия, посуды, зеркал и украшений.

В производственную технологию вносили изменения. В зависимости от назначения изделия в соединения стали добавлять мышьяк, железо, цинк, свинец. Украшения делали из особого сплава, содержащего медь, свинец и олово.

В VIII веке до н. э. умельцы из Малой Азии смогли получить латунь. Тогда люди еще не знали о способах получения чистого цинка и для производства использовали его руду. Впоследствии объемы изготовления медных сплавов увеличивались, область их применения становилась все шире. В настоящее время производство данного материала прочно занимает лидирующие позиции.

В данной статье мы расскажем о том, какие сплавы называют медными, разберемся в их свойствах, характеристиках и особенностях.

Характеристики меди

Медь имеет мягкую, пластичную структуру и розово-золотистый оттенок. С давних времен людей притягивал внешний вид этого металла, вследствие чего сперва ее использовали для изготовления украшений.

Покрываясь оксидной пленкой при контакте с кислородом, медь становится красновато-желтого цвета. Влага и углекислый газ придают изделиям из меди зеленоватый оттенок.

Металл обладает высокой тепло- и электропроводностью, поэтому медь и медные сплавы часто применяются при изготовлении электротехники. Свойства меди остаются неизменными в довольно большом диапазоне колебания температур. Металл не имеет магнитной силы.

Добывают медную руду открытым способом, так как в природных условиях она часто встречается на поверхности в виде крупных самородков меди с высоким показателем чистоты и медных жил.

Также медь содержится в следующих соединениях:

медном колчедане;
халькозине;
борните;
ковеллине;
куприте;
азурите;
малахите.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

При производстве медного сплава сохраняются ключевые преимущества металла, при этом улучшаются его характеристики и раскрываются новые ценные свойства.

Наиболее распространенными видами являются латунь, бронза и медно-никелевые сплавы.

Классификация и маркировка медных сплавов

Различия в технических свойствах позволяют выделить деформируемые медные сплавы (ГОСТ18175-78) и литейные (ГОСТ613-83). В зависимости от возможности закаливания сплавы могут быть термоупрочняемыми и нетермоупрочняемыми. Различия в химическом составе позволяют разделить сплавы на 2 группы: бронзы (медь с добавлением прочих элементов, но без примеси цинка) и латуни (смесь меди и цинка с добавлением прочих элементов). Бронзы и латуни относятся к группе литейных медных сплавов.

При определении медных сплавов используют маркировку легирующих элементов: олово – О, алюминий – А, свинец – С, марганец – Мц, магний – Мн, железо – Ж, фосфор – Ф, кремний – К, бериллий – Б, никель – Н.

При обозначении бронз используют буквосочетание «Бр», а также буквенно-цифровую маркировку в зависимости от входящих в состав элементов и их процентного содержания. К примеру, в медный сплав марки БрО5Ц5С5 входят: олово (5 %), цинк (5 %), свинец (5 %), и медь (оставшиеся 85 %).

Читайте также: «Контактная сварка»

При маркировке латуней используют букву «Л» и цифру, указывающую, в каком процентном количестве в ней содержится легирующий элемент – цинк. Легированные латуни также обозначаются буквами и цифрами в соответствии с процентным содержанием прочих легирующих добавок. К примеру, в латуни марки ЛЦ35А3Ж2Мц1 содержится цинк (35 %), алюминий (3 %), железо (2 %), марганец (1 %) и медь (оставшиеся 59 %).

Показатели прочности, антифрикции, коррозионной стойкости лучше у бронз, что объясняет их более высокую стоимость.

Особенности бронзы

Бронзу люди научились делать очень давно. Проведенные археологические раскопки доказывают, что человечество с давних пор использовало ее для изготовления различных изделий.

Бронза применялась для военных нужд – из нее делали холодное оружие, пушки и ядра. Также ее использовали в ювелирном деле и скульптурном искусстве.

Свойства и уникальность бронзовых сплавов

Все бронзовые сплавы отличаются твердостью и пластичностью. При изменении процентного содержания легирующих и дополнительных элементов медные сплавы приобретают новые свойства. Цвет соединения меняется в зависимости от того, какая доля в его составе приходится на медь.

Если бронзовый сплав содержит 85 % основного металла, его цвет будет золотистым. Если доля меди составляет ниже 50 %, сплав приобретет серебристый оттенок. Серую и черную бронзу можно получить при добавлении в сплав менее чем 35 % меди. При количестве свыше 90 % меди бронза приобретет красный цвет.

К старейшим видам сплавов относят колокольную бронзу, из которой с давних пор отливали колокола. Она состоит из меди (80 %) и олова (20 %). Но из-за невысокого содержания олова такой сплав получается довольно хрупким.

Самую широкую область применения имеют медные сплавы, в состав которых входит олово и незначительная доля других добавок. Ряд исторических обстоятельств привел к постепенному снижению производства бронзы с добавлением мышьяка и все большему распространению оловянных сплавов.

Хотя изготовление оловянных бронзовых сплавов обходилось дороже, с экономической точки зрения они оказались более выгодными. Гужевой транспорт развивался, формировались новые торговые отношения, в результате чего рос импорт бронзовых сплавов без мышьяка.

Виды и характеристики бронзовых сплавов

Наибольшее распространение сплавы меди и олова получили в результате развития крупной промышленности. Их использовали в качестве основных медных сплавов на протяжении долгого времени. В последнее столетие все чаще стали применяться соединения меди с бериллием, кремнием, а также алюминиево-медные сплавы.

Классифицировать бронзы можно на 2 вида:

Безоловянные – с содержанием алюминия, кремния, бериллия, а также других веществ. Их наличие определяет, какими свойствами будет обладать бронза. Увеличению антифрикционных свойств и повышению коррозионной стойкости способствует добавление в сплав алюминия. Включение в состав бериллия сделает бронзу более твердой и прочной. Благодаря кремнию и цинку полученный сплав будет обладать лучшей текучестью и стойкостью к истиранию.
Оловянные – сплавы с большим содержанием меди. Именно такие сплавы стали использоваться людьми раньше других. В отличие от чистой меди, они характеризуются более высокими показателями прочности и твердости и лучшей способностью к плавлению. Основное легирующее вещество таких бронзовых сплавов – олово, стоящее на втором месте по массовой доле после меди.

Третью позицию по объему в сплаве занимают цинк, свинец и мышьяк. Предпочтение чаще отдается свинцу благодаря его максимально низкой усадке, которая позволяет более качественно выполнить литье. Он почти не затачивается и не режется, а также сложно обрабатывается давлением. Несмотря на пониженную текучесть и склонность к ликвации, из таких медных сплавов часто изготавливают отливки сложной конфигурации (как, например, при художественном литье).

«Адмиралтейская» бронза содержит в своем составе цинк. Этот медный сплав нашел применение в судостроении – из него производят детали, которые часто или непрерывно контактируют с морской водой. Выбор сплава обусловлен высокой коррозионной стойкостью.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Увеличить способность бронзы сопротивляться коррозии в соленой воде можно путем добавления никеля и алюминия. Из подобных «морских» сплавов изготавливают составляющие нефтяных платформ, которые расположены на отмели моря или океана.

Фосфор, цинк, марганец, серебро и мышьяк придают бронзовым сплавам дополнительные свойства. Например, серебро увеличивает показатель электропроводности до схожих с медью значений.

Свойства латуни

Латуни – это медные сплавы, содержащие цинк. В некоторых случаях в состав могут входить и другие компоненты. Количество меди в латуни любой марки всегда выше, доля цинка составляет 5-45 %.

Применение латуни нашли еще в древности. Этот сплав золотистого цвета отличается податливостью и коррозионной стойкостью. Согласно историческим данным, первыми смогли ее добыть жившие в Причерноморье племена моссинойков. Соединение также было обнаружено на территории Древнего Рима, однако не получило там широкого распространения. Причина могла заключаться в том, что латунь чересчур походила на золото и способна была вызывать глубокое разочарование.

С другой стороны, Апеннины не могли похвастать богатыми залежами цинковой руды. В средние века ситуация поменялась мало – латунные медные сплавы имели небольшую область применения; в основном их использовали жители Индии и Китая. На территории Европы более востребованным было железо.

Массовое использование латуни началось лишь с XVIII века. Свойства цинка были уже широко известны, его добычу вели на всей территории Европы. Революция в промышленном производстве вызвала множество открытий в этой области. В 1781 году Джеймсом Эмерсоном (Англия, Бристоль) была запатентована технология производства медного сплава с добавлением цинка. С этого момента стала активно развиваться латунная металлургия.

Структура и химический состав латуни

При формировании состава сплав проходит через следующие фазы:

При альфа-фазе доля цинка не превышает 35 %.
При бета-фазе содержание цинка приближается к 50 %. В соединение также добавляется 6 % олова.

Ряд медных сплавов структурно содержит только альфа-фазу. При изменении количества меди и цинка могут одновременно присутствовать и альфа, и бета-фазы.

Читайте также: «Быстрорежущая сталь»

Латунь содержит не только медь и цинк, но и другие компоненты. В качестве легирующих веществ могут быть использованы никель, алюминий, свинец, железо, марганец и кремний. Их доля в составе незначительна, однако наличие или отсутствие этих веществ меняет характеристики сплава.

Характеристики и свойства латуни

Ключевым преимуществом является способность сопротивляться коррозии. В числе других важных свойств:

Устойчивость в агрессивных средах, которая усиливается при нанесении лакового покрытия.
Материал имеет хорошие показатели прочности.
Латунь обладает высоким уровнем пластичности.
Сплав хорошо проходит обработку с помощью давления. Возможно проведение горячих и холодных работ.
Возможность осуществить сварку и пайку медного сплава.
Хороший уровень теплопроводности, который увеличивается при повышении процентной доли меди.
Латунь плавится при температуре 880-950 ?С. Уменьшение содержания цинка в составе сплава снижает температуру плавления.
Материал не имеет магнитных свойств.

Твердость и пластичность медного сплава зависит от доли добавленного в него цинка. С увеличением его количества растет прочность сплава. Рост пластичности происходит, когда доля цинка в составе не достигнет 36 %. Когда его процентное содержание превосходит 45 %, пластичные свойства уменьшаются.

В результате нагартовки (термической обработки) увеличивается плотность латуни. Кроме того, с ее помощью можно снять напряжения внутри структуры медного сплава.

Преимущества и недостатки

Медные сплавы, в зависимости от характеристик, могут иметь свои плюсы и минусы:

Относительно небольшой вес, что позволяет использовать их в ряде промышленных отраслей.
Высокий показатель пластичности.
Относительно невысокая цена.
Способность сопротивляться коррозии теряется с ростом содержания меди.
Теплопроводность латунных сплавов ниже по сравнению с бронзой и чистой медью.

Разновидность медно-никелевых сплавов

Выделяются медные сплавы с никелем трех видов:

конструкционные;
электротехнические;
ювелирные.

Соединения меди и никеля обладают следующими характеристиками: увеличенная твердость, устойчивость к стиранию и коррозии. Кроме никеля, в состав медных сплавов входят такие металлы и неметаллы, как алюминий, цинк, марганец, хром и т. д.

Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»

В составе электротехнических сплавов количество марганца может превышать долю никеля. Эти соединения хорошо проводят ток и имеют стабильные характеристики сопротивления.

Декоративные медно-никелевые сплавы хорошо режутся и деформируются, имеют хороший показатель жидкотекучести.

Константан

Этот сплав обозначают как МНМц 40-1,5. Маркировка показывает, что доля никеля в медном сплаве составляет примерно 40 %. Материал обладает электротехническими свойствами, высоким омическим сопротивлением и небольшим линейным расширением в процессе нагревания.

Константан характеризуется хорошей пластичностью и возможностью выполнения прокатки. Он востребован при изготовлении проволоки, преобразователей, листов для термоэлектродов.

Копель

Маркировка сплава – МНМц 43-0,5. Легирующими элементами являются никель и марганец. Соединение хорошо противостоит термическим воздействиям. Копель – это проволока, которая может иметь разный диаметр. Из этого материала делают компенсационные провода, низкотемпературные преобразователи. С копелем можно работать в кислой среде и в среде инертного газа.

Данный медно-никелевый сплав отличается важной характеристикой – при изменении температурного режима сопротивление остается стабильным. Жаростойкое соединение, свойства которого не меняются, если температура не превышает 600 ?С.

Нейзильбер

В состав этого ювелирного сплава входят цинк (до 20 %) и никель (15 %). Наличием последнего обусловлен белый цвет материала и зеленоватый или голубоватый оттенок.

Читайте также: «Коррозия металлоконструкций»

Данный медный сплав был получен в Германии. Им заменяли белое золото – внешне материал выглядит так же, но его производство обходится дешевле. Сплав отличается лучшей твердостью и стойкостью к воздействию влаги и пара. Кроме того, он хорошо сохраняет декоративный внешний вид и не темнеет. Европейцы делали из нейзильбера бижутерию и наградные атрибуты. Современной областью его использования является изготовление орденов, медалей, гитарных ладов и хирургических инструментов.

Куниаль

Существует два вида этого медного сплава, в наименованиях которых на конце стоят буквы А и Б. Каждый из них устойчив к коррозии. Могут растрескиваться при увеличении температур.

В состав куниаля-А входят железо, алюминий и кобальт. Его выпускают в форме прутков.

При производстве куниаля-Б медь сплавляют с никелем. Доля прочих элементов не превышает 1 %. Полученный сплав используют для изготовления полос для рессор и пружин.

Манганин

В его состав входит марганец (13 %). Манганин отличается золотисто-красным цветом. В соединение также может быть добавлено железо. Этот медный сплав, согласно классификации, является изначально состаренным – для приобретения определенных механических свойств необходимо провести его термическую обработку. Электрически стабилен в условиях изменения температурного режима.

Читайте также: «Цинкование металлоконструкций»

Сфера его использования – изготовление высокоточных электроизмерительных приборов, создание эталонов.

Манганин может иметь в составе серебро вместо меди. С технической точки зрения он почти идентичен медному сплаву, однако белый манганин отличается более высокой стоимостью.

Монель

Монель – сплав, который состоит из меди, никеля, железа и марганца. Он был разработан в одной из химических лабораторий США, в честь руководителя которой и был назван полученный материал. Монель обладает коррозионной стойкостью, прочностью и пластичностью. Устойчив к кислотам и щелочам. Маркировка такого медного сплава – НМЖМц28-2,5-1,5.

Сфера использования монеля – нефтехимическая промышленность; из него делают специальные приборы и оборудование. Аппаратостроительная отрасль, медицина, судостроение также не обходятся без его применения – из монеля делают антикоррозийные детали и элементы.

Материал имеет высокий показатель пластичности, без труда проходит обработку в любом состоянии (горячем или холодном). Проводить механическую обработку необходимо при низких оборотах.

Мельхиор

Мельхиор является твердым ювелирным сплавом белого цвета, в котором доля меди составляет от 70 % до 90 %. В состав входят никель, марганец (1 %) и железо (0,8 %).

Мельхиор обладает коррозионной стойкостью к среде газов и к морской воде. Вне зависимости от количественного соотношения включенных в состав элементов, материал плавится при температурах от 1150 ?С до 1230 ?С.

Чаще всего применяют мельхиор двух марок – МН16 либо МНЖМц30-1-1. Для получения нужных технических характеристик следует провести его отжиг. Является изначально состаренным медным сплавом.

Раньше носил разговорное название «серебра для пролетариата», так как по внешним признакам он идентичен названному металлу, однако обладает большей твердостью и более низкой стоимостью. Мельхиоровые изделия склонны к окислению и потемнению аналогично серебряным, поэтому за ними обязательно нужно ухаживать.

Ввиду низкой цены на этот медный сплав, мельхиоровая посуда была доступна для обычных рабочих, которые часто выдавали ее за серебро. Провести очистку можно с помощью зубной пасты или порошка без добавок.

Материал востребован при изготовлении вилок, ложек, кухонной посуды, элементов декора и украшений. Его легко обрабатывать, резать, чеканить. Применяется для изготовления монет, медалей, хирургических инструментов.

Читайте также: «Пайка металлов»

Существует большое многообразие медных сплавов (латуней, бронз, медно-никелевых соединений), которые востребованы в различных производственных областях. Практичность их применения обусловлена качественными характеристиками материала, которые привлекли внимание людей очень давно. Вряд ли когда-нибудь медные сплавы потеряют свою популярность.

Медные сплавы

Оцените, пожалуйста, статью

Всего оценок: 4, Средняя: 3