2.6 Медь и ее сплавы
Медь—металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 г/см3 и температурой плавления 1083°С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет аллотропических превращений.
Нахождение в природе:
В земной коре содержание меди составляет около 5·10-3 % по массе. Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит , или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4.(52—65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu2O, (81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах. Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо, цинк, свинец, и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1% по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10-8 % меди.
Получение:
Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применяемый для переработки бедных окисленных руд, не получил широкого распространения в нашей промышленности. Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт — штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафинирование, т. е. очистку от примесей (рис. 2.1). Рис. 2.4 Упрощенная схема пирометаллургического производства меди
Наиболее широко для обогащения медных руд применяется метод флотации. Флотация основана на различном смачивании водой металлсодержащих частиц и частиц пустой породы (рис.2.3)
а) (б Рис 2.5.Схема флотации а – принципиальная схема механической флотационной машины; б – схема всплывания частиц; 1 – мешалка с лопастями; 2 – перегородка; 3 – схема минерализованной пены; 4 – отверстие для удаления хвосты (пустой породы); I – зона перемешивания и аэрации
Промышленное получение меди — сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18—45% меди по массе) подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок — твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до 40—50%.
Далее штейн подвергают конвертированию — через расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый флюс (песок SiO2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа SO2:
2FeS + 3O2 + 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2
Одновременно сульфид меди(I) Cu2S окисляется:
2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SO2
Образовавшийся на этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S:
2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2
В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5—99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки.
На заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более.
Применение: медь, как полагают, — первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы.
С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др.
Большое значение имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк, Zn), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами — оловом, алюминием, берилием, свинцом, кадмием и другими, кроме цинка и никеля) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием и медь с никелем) применяют для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота.
Бериллиевые сплавы:
Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность.
Сплавы на основе меди:
В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронзаилатунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимооловаицинкамогут входитьникель,висмути другиеметаллы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. В наше время находит применение в военном деле в кумулятивных боеприпасах благодаря высокой пластичности, большое количество латуни идёт на изготовлениеоружейных гильз.
Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм² у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм² ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью. Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевые сплавы используются для чеканки разменной монеты
Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за образцовой коррозионнойустойчивости.
Медь является важным компонентом твёрдых припоев— сплавов с температурой плавления 590—880 градусов Цельсия, обладающих хорошей адгезией к большинству металлов, и применяющихся для прочного соединения разнообразных металлических деталей, особенно, из разнородных металлов, от трубопроводной арматуры до жидкостных ракетных двигателей
- Глава 1. Научно-техническая революция (нтр)
- 1.1 Черты нтр
- 1.2 Составные части нтр
- 1.3 Научно-технический прогресс
- Глава 2.Легкие сплавы
- 2.1 Краткие сведения о производстве металлов и сплавов
- 2.2 Строение металлических кристаллов
- 2.3 Дефекты строения реальных кристаллов
- 2.4 Алюминий и его сплавы
- 2.5 Магний и его сплавы
- 2.6 Медь и ее сплавы
- 2.7 Ювелирные сплавы
- 2.8 Титан и его сплавы
- 3.Современные авиационные стали
- 3.1 Введение
- 3.2 Общая характеристика жаропрочных никелевых сплавов
- 3.3Характеристика сплава эп975ид
- 3.4 Выбор температурных интервалов горячей деформации жаропрочных никелевых сплавов
- 3.5 Способы получения штамповок дисков гтд из жаропрочных никелевых сплавов
- Глава5.Конструкционные композиционные материалы на металлической основе
- 5.1 Композиционные материалы
- 5.2 Слоистые композиционные материалы
- 5.3 Преимущества композиционных материалов
- 5.4 Недостатки композиционных материалов
- 5.5 Области применения
- 5.6 Характеристика
- 5.7 Технические характеристики
- 5.8 Технико-экономические преимущества
- 5.9 Области применения технологии
- Глава 6.Сверх конституционные материалы
- 6.1 Металлическое стекло
- 6.2 Сплавы с эффектом памяти
- 6.3 Углерод-углеродные материалы
- 5.3 Углеграфитовые материалы
- 5.4 Техническая керамика
- Глава 6. Композиционный материал на полимерной основе
- 6.1 Стеклопластики
- 6.2 Боропластики
- 6.3 Органопластики
- 6.4 Углепластики
- 6.5 Теплозащитные материалы
- Глава 7. Примеры эффективного применения новых материалов в технике.
- 7.1 Авиация и космонавтика
- Глава 8. Современные технологии получения металлических материалов
- 8.1 Производство чугуна
- 8.2 Производство стали
- 8.3 Производство алюминия
- 8.4 Производство магния
- 8.5 Производство меди
- 8.6 Производство титана
- Глава 9. Современные технологии литейного производства
- 9.1 Способы изготовления отливок
- 9.2 Литье в песчаные формы
- 9.3 Литье в кокиль
- 9.4 Литье под давлением
- 9.5 Литье по выплавляемым моделям
- 9.6 Литье по газифицируемым моделям
- 9.7 Центробежное литье
- 9.8 Литье в оболочковые формы
- 9.9 Непрерывное литье
- 9.10 Требования, предъявляемые к литейным сплавам
- 9.11 Производство отливок из цветных металлов
- 9.11 Производство отливок из чугуна
- 9.12 Контроль качества отливок
- 9.13 Способы исправления литейных дефектов
- 9.14 Непрерывные процессы в металлургии и машиностроении
- Глава 10. Современные технологии обработки металлов давлением
- 10.1 Прокатка
- 10.2 Определение и классификация процессов прокатки
- 10.3 Волочение
- 10.4 Прессование
- 10.5 Молоты
- Глава 11. Современные технологии порошковой металлургии
- 11.1 Получение металлических порошков
- 11.2 Формирование порошков
- 11.3 Спекание
- 11.4 Шликерное формирование
- 11.5 Газостат
- 11.6 Обзор методов контроля
- Глава 12.Современные технологии обработки резание
- 12.1 Основные виды станков
- 12.2 Параметры технологического процесса резания
- 12.3 Алмазное выглаживание
- 12.4 Смазочно-охлаждающая среда
- 12.5 Стойкость инструмента
- 12.6 Классификация металлорежущих станков
- 12.6 Точение
- Глава 13.Современные технологии сварки и пайки
- 13.1 Сварка металлов. Назначение и преимущества сварки
- 13.2 Газовая сварка ее преимущества и недостатки
- 13.3 Материалы, применяемые при газовой сварке
- 13.4 Аппаратура и оборудование для газовой сварки
- 13.6 Технология газовой сварки
- 13.7 Металлургические процессы при газовой сварке
- 13.8 Структурные изменения в металле при газовой сварке
- 13.9 Особенности и режимы сварки различных металлов