Названия и свойства сплавов на основе меди

Первые сплавы

Открытие меди, а также сплавов, содержащих этот металл, произошло после случайного (а потом – и намеренного) нагрева сульфидных руд до температуры более 8000С. Этот процесс оказался доступным человечеству ещё с 4000-3000 гг. до н.э., тогда и были получены сплавы меди.

Поскольку извлечение меди из медных руд происходило с неизбежным включением в состав конечного продукта также и попутных химических элементов – кремния, олова, железа, то фактически речь шла о получении бронзы. Бронза – исторически первый сплав меди. Достоверно известно, что бронза уже была известна в древнем Иране и на Балканах. Так родилась металлургия Бронзового века человечества.

Значительно позже была открыта латунь. Впервые латунь (позже названную за тусклый жёлтый блеск «поддельным золотом») получили римляне в эпоху правления императора Октавиана Августа (начало нашей эры). Для этого медь сплавили с рудой, содержащей большой процент цинка.

В последующем металлургия медных сплавов постоянно совершенствовалась: уменьшалось количество посторонних примесей, увеличивалась точность состава сплавов, содержащих медь, росла их номенклатура.

Общие свойства сплавов на основе меди

Характеристики медных сплавов всегда адаптировали соответственно конкретным промышленным применениям и высокотехнологичным продуктам. Это достигается с помощью процесса легирования, когда в основной компонент сплава – медь – вводят два или несколько различных металлов. Комбинируя медь с другими металлами, можно изготавливать целый ряд медных сплавов для решения любых задач, стоящих перед техникой и обществом.

Общими свойствами рассматриваемых соединений являются:

1. Высокая электропроводность.
2. Высокая теплоёмкость.
3. Легкость образования прочных химических соединений.
4. Достаточная химическая инертность при работе во влажных или химически агрессивных средах.
5. Привлекательный товарный вид.

Использование медных сплавов вместо чистой меди снижает стоимость готовых изделий и уменьшает напряжённость в сфере потребления данной продукции, поскольку ресурсы меди в значительной мере уже разведаны и интенсивно вырабатываются. Отметим также, что металлургия медных сплавов отличается повышенным уровнем токсичности производственных процессов.

Сплавы меди с другими химическими элементами

Особенностями химического состава и структуры таких сплавов являются:

1. Высокие пластические характеристики, повышающиеся при увеличении процентного содержания меди. Это позволяет использовать данные сплавы в технологических процессах обработки давлением, которые характеризуются высокими значениями интенсивности деформации. К таким технологиям относятся холодное выдавливание, прессование, волочение, глубокая вытяжка.
2. Отличная теплопроводность, вследствие чего электротехнические изделия, изготовленные из большинства марок медных сплавов, не нагреваются даже при пропускании через них токов большой мощности.
3. Отличная электропроводность, что находит своё отражение в снижении поперечного сечения токопроводящих профилей при той же нагрузке (в сравнении, например, с алюминиевыми или стальными).
4. Хорошая коррозионная стойкость и стойкость от биообрастания. Это находит применение в изготовлении из таких сплавов подводной части морских судов.
5. Нечувствительность к температурным колебаниям: даже при криогенных температурах медные сплавы полностью сохраняют свои механические и электрические свойства.

Все медные сплавы немагнитны. Некоторые из них имеют особые названия. Так, сплав меди называется нейзильбером, если он дополнительно содержит хром, и мельхиором, если там есть ещё и марганец.

Бронза

Все разновидности бронз выделяются тем, что основным легирующим элементом в них не является никель или цинк. Согласно современной классификации к бронзе относят также сплавы, которые содержат алюминий, кремний, свинец и (в незначительном количестве) ряд других металлов.

Бронзы – как литые, так и деформируемые - можно разделить на четыре группы. К кованым бронзовым сплавам относят:

1. Сплавы системы «медь-олово-фосфор» или фосфорную бронзу.
2. Сплавы системы «медь-олово-свинец-фосфор» или свинцовые фосфорные бронзы.
3. Медно-алюминиевые сплавы (или алюминиевые бронзы).
4. Медно-кремниевые сплавы (кремниевые бронзы).

Все сплавы данного семейства хорошо обрабатываются давлением в нагретом состоянии или при комнатной температуре.

Литые бронзовые сплавы включают в себя:

1. Медно-оловянные бронзы.
2. Сплавы системы «медь-олово-свинец « (сплавы, которые содержат повышенный процент свинца).
3. Медно-оловянно-никелевые бронзы, имеющие в своём химическом составе значительное количество никеля (не на уровне металлургической примеси.
4. Медно-алюминиевые сплавы, часто именуемые алюминиевыми бронзами.

Физические характеристики бронз практически не зависят от химсостава этих сплавов.

Среди прочих бронз выделим медно-бериллиевые сплавы. Они считаются самыми твердыми и прочными, хорошо поддаются механической и термической обработке. В результате бериллиевые бронзы по механическим свойствам практически аналогичны многим высокопрочным легированным сталям, сохраняя при этом высокую коррозионную стойкость.

Медно-никелевые сплавы

Характерная особенность этих сплавов - превосходная устойчивость к морской коррозии. Кроме того, добавление никеля к меди улучшает прочность и коррозионную стойкость, при этом хорошая пластичность сохраняется.

При добавлении к основным компонентам – меди и никелю – также цинка и серебра такие сплавы (иногда называемые специальными латунями), улучшают свою внешнюю привлекательность и часто используются в декоративных применениях.

Латунь

Наименование «латунь» принято для обширного класса медно-цинковых сплавов, которые характеризуются высокими показателями прочности, обрабатываемости, пластичности , износостойкости, твёрдости. Все латуни выделяются характерным соломенно-жёлтым цветом, имеют высокие показатели электро- и теплопроводности. Они обладают высокой стойкостью к коррозии.

Способы получения

Практическое применение нашли два процесса – электролиз и гидрометаллургия. Электролитическим способом сплав, содержащий медь, получают следующим образом. Исходным материалом является чистая катодная медь, свойства которой зависят от ряда переменных - концентрации серной кислоты и сульфата меди, типа и количества легирующих добавок, температуры электролита, плотности тока и частоты очистки электродов. После осаждения конечный продукт промывают, удаляя все следы электролита. Далее происходит отжиг полуфабриката в восстановительной атмосфере, после чего порошок спекают и прессуют в требуемые формы (иногда после прессования продукт подвергают прокатке). Процесс характеризуется высокой однородностью готовых изделий по показателям плотности и прочности..

Исходным сырьём для гидрометаллургического процесса получения медных сплавов может служить первичная или вторичная медь (медный лом). Основной металл выщелачивается серной кислотой или аммиачными растворами, насыщенный раствор отделяют от остатка фильтрацией. Медь осаждают из раствора водородным восстановлением под давлением. Во время восстановления 90…95% сплава осаждается в виде порошка, который далее перекачивается в центрифугу, где и происходит отделение. Влажный медный порошок сушат в восстановительной атмосфере и измельчают, добавляя требуемые легирующие элементы. Дальнейшие операции производят в той же последовательности, что и в предыдущем варианте.

Области применения

Медные сплавы играют ключевую роль в удовлетворении современных социальных потребностей – при производстве возобновляемых источников энергии, в здравоохранении, изготовлении высокоэффективных энергетических устройств, а также в сфере коммуникаций. Вот некоторые примеры:

При изготовлении систем вентиляции, отопления и кондиционирования медные сплавы способствуют снижению трудоёмкости изготовления и сборки кондиционеров, снижению их веса, уменьшению размеров, повышению КПД работы приборов, снижению расхода хладагента.

В строительстве и архитектуре медные сплавы улучшают внешний вид и выразительность зданий, повышают их устойчивость от наводнений и подтоплений. Использование медных сплавов отвечает важным требованиям современного дизайна зданий, которые требуют применения перерабатываемых и экологически чистых материалов, что обеспечивает эффективную защиту окружающей среды.

В электроэнергетике медные сплавы применяются, начиная от технологии производства высоковольтных проводов и микросхем до мощных генераторов и компьютеров. Возрастает их роль в вопросах оптимального распределения и генерации энергии, в том числе, и из возобновляемых источников.

Эффективность использования сплавов на основе меди увеличивается при внедрении процессов вторичной переработки некондиционных устройств, которые содержат в своей конструкции детали из данных материалов.