Медь и её сплавы

По применению в промышленности медь занимает второе место после алюминия. Это объясняется её высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью. Медь хорошо обрабатывается в холодном м горячем состоянии, у неё повышенная коррозионная стойкость. Содержание меди в рудах невелико – 0,5…5%, поэтому руду обогащают. Вначале получают концентрат, затем его подвергают обжигу, чтобы снизить содержание серы, далее плавят в отражательных печах, Полученный медный штейн переплавляют в конвертере и получают черновую медь, содержащую 98,4…99,4% меди. После рафинирования её очищают для удаления вредных примесей. При этом содержание меди возрастает до 99,5…99,95%. Очищенную таким образом медь подвергают электролизу: получают чистую электротехническую медь.

Чистая медь имеет розовато-красный цвет, плотность её 8,93 г/см³, температура плавления 1083ºС. В отожженном состоянии σ_в = 250 МПа, δ = 45…60%, твёрдость 60НВ. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет.

Благодаря высокой электропроводности около половины произведённой меди используют в электро- и радиотехнической промышленности для изготовления проводников, монтажных и обмоточных проводов и т.д. Как конструкционный материал медь не используется из-за высокой стоимости и низких механических свойств. Маркируется буквой М и число, зависящим от содержания примесей.

Технические меди М1 (примесей 0,1%), М2 (примесей 0,3%) М3 (примесей 0,5%), имеют высокие электрическую и тепловую проводимости, коррозионную стойкость; хорошо свариваются и обрабатываются давлением, но плохо обрабатываются резанием.

Широкое использование в промышленности имеют сплавы меди с другими элементами –латуни и бронзы.

Латуни. Сплав меди с цинком называются латунью. Механические свойства латуни – прочность и пластичность – выше, чем меди. Она хорошо обрабатывается резанием и давлением, характеризуется высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью и электропроводностью.

Большим преимуществом латуней является сравнительно низкая стоимость, так как входящий в состав цинк значительно дешевле меди. Максимальную прочность имеет латунь, содержащая 45%цинка, её σ_в = 350 МПа, а максимальную пластичность – латунь, содержащая 32% цинка, её` δ = 55%. При увеличении содержания цинка более 39% цинка резко падает пластичность, а выше 45% – и прочность. Поэтому латуни, содержащие более 45% цинка, не применяются.

По химическому составу различают простую (двойную) латунь, в которой содержатся только медь и цинк и сложную (специальную), в которой кроме цинка содержатся легирующие элементы: никель, свинец, олово, кремний и др. Специальная латунь отличается повышенной прочностью, лучшими антикоррозионными и технологическими свойствами.

По технологическому признаку делятся на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях указывается содержание меди и легирующих элементов, обозначаемых соответствующими буквами (О – олово, А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель, С – свинец), в процентах после всех буквенных обозначений. Например латунь Л63 содержит 63%меди и 37% цинка. Латунь ЛАЖ60-1-1 содержит 60% меди,1% алюминия, 1% железа и 38% цинка.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество легирующих элементов (в %) ставится после букв их обозначающих. Например. литейная латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40 %цинка, 3 % марганца, менее 1 % алюминия и 56 % меди.

Простые латуни выпускают следующих марок: Л96, Л90, Л85, Л70, Л68, Л63, Л60. Все они являются деформируемыми. Наибольшее применение имею латуни, содержащие 90, 80, 70 и 68 % меди. Латуни, содержащие до 15 % цинка (Л90, Л85) называют томпаком, они имеют цвет золота и применяются для изготовления украшений.

Из латуни Л63 изготовлены контакты в механизме нижнего движения материала КД-05, сепаратор в механизме иглы и нитепритягивателя ИН-12.

Специальные литейные латуни применяют для изготовления втулок, подшипников, для коррозионно-стойких деталей в машиностроении. Для вытачивания деталей на станках наилучшими свойствами обладают свинцовые латуни: ЛС59-1, ЛС63-3, ЛС64-2 (в обозначении: первая цифра – содержание меди в %, вторая – свинца, остальное – цинка).

Бронзы. Сплав меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинки никель не являются основными, называют бронзой.

По основному легирующему элементу бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др.

Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. Большинство бронз отличаются высокой коррозионной стойкостью и широко используются как антифрикционные сплавы.

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывается содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ6,5-0,4 содержит 6,5% олова и 0,4% фосфора, а литейная бронза БрО3Ц7С5Н – 3% олова, 7% цинка, 5% свинца, менее 1% никеля.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянные бронзы. Они обладают высокими механическими (σ_в =150 …350 МПа, δ = 3…15% ,60…90НВ) и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошо отливаются и обрабатываются резанием.

Литейные оловянные бронзы БрО5Ц5С5. БрО6Ц6С2, БрО10Ф1 и др. имеют самую низкую усадку и наилучшую жидкотекучесть среди всех медных сплавов. Применяют для изготовления деталей, работающих в условиях морской и пресной воды, для изготовления антифрикционных деталей (вкладыши подшипников скольжения).

Деформируемые оловянные бронзы обладают высокой пластичностью и упругостью. Из них изготавливают прутки, трубы, ленты, Бронзу БрОФ6,5-1,5 применяют для изготовления пружин, мембран, антифрикционных деталей; БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 – для производства плоских и круглых пружин, антифрикционных деталей.

Так как олово дорогостоящий и дефицитный материал, то оловянную бронзу применяют только для изготовления ответственных деталей. В остальных случаях стремятся использовать безоловянные бронзы, которые состоят из меди с алюминием или кремнием, бериллием, свинцом, железом и др.

Безоловянная бронза – сплав на медной основе, содержащий алюминий, кремний, марганец, фосфор и др. Используют деформируемые алюминиевые бронзы следующих марок: БрА5, БрАЖ9-4, БрАМц9-2, БрАЖМц10-3-1, БрАЖН10-4-4 и др. Например, бронза БрАЖ9-4 обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами. Из этой бронзы делают червячные колеса, втулки подшипников скольжения. В частности, из бронзы сделаны втулки механизма иглы и нитепритягивателя ИН-11, механизмов челноков МЧ-03 и МЧ-05, механизма обрезки края ткани, механизма для образования краеобмёточной строчки, шпонка (предохранительная) привода фрикционного с автостопом швейных машин различного класса.

К литейным относят алюминиевые бронзы марок БрА10Ж3Мц2, БрА9Ж4, БрА11Ж6Н6 и др. Из них получают фасонные отливки различной конфигурации и массы.

Механические свойства алюминиевых бронз характеризуются следующими показателями: σ_в =700 МПа, δ = 20 % ,80…250НВ.

Свинцовые бронзы марок БрС30 и с добавкой олова БрОС5-25, БрОС8-12 отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в 4 раза больше, чем у оловянных). Это позволяет хорошо отводить тепло из зоны трения. Поэтому свинцовые бронзы применяют для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения.

Кремнистые бронзы марок БрКМц3-1, БрКН1-3 заменяют дорогостоящие оловянные бронзы и бериллиевые бронзы, Они легко обрабатываются давлением, резанием, свариваются, обладают высокой упругостью и коррозионной стойкостью. Применяются для производства пружин и пружинящих деталей приборов, эксплуатируются при температурах до 250º С, а также в агрессивных средах.

Медно-никелевые сплавы. К медно-никелевым сплавам относятся сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель. Они маркируются буквой М, за которой следует обозначение и содержание легирующих элементов как и в деформируемых латунях и бронзах. Легирование меди никелем значительно повышает её механические свойства и коррозионную стойкость.

Мельхиоры МНЖМц 30-1-1, МН19 характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, растворах солей, органических кислотах. Они хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии. Применяются в химической промышленности и для изготовления хирургических инструментов.

Сплавы на основе Cu-Ni-Zn называются нейзильберами (МНЦ 15-20, МНЦС 16-29-18). Легирование цинком приводит к повышению механических свойств и удешевлению медно-никелевых сплавов, а также делает их внешне похожими на серебро.

Нейзильберы характеризуются высокой коррозионной стойкостью, Применяются в приборостроении, в медицине и в быту.

Сплавы группы Cu-Ni-Fl называются куниалями. Они характеризуются высокими механическими свойствами, упругостью, коррозионной стойкостью

Баббиты. Баббиты (от имени американского изобретателя И. Баббита) – общее название антифрикционных сплавов, на основе олова (Sn) или свинца (Pl) с добавками сурьмы (Sb), меди (Cu) и др. элементов. Применяются для заливки подшипников, работающих со смазкой при высоких нагрузках и скоростях скольжения. Отличаются хорошей прирабатываемостью, низкой температурой заливки (300…420º С) и малым коэффициентом трения. Лучшими антифрикционными свойствами [5] обладают баббиты оловянные:

– Б83 (10…12% сурьмы, 2,5…6,5% меди, остальные 83% олова);

– Б89 (7,5…8,2% сурьмы, 2,6…3,5% меди, остальные 89% олова).

Большое распространение получили свинцово-оловянные баббиты, имеющие более высокий коэффициент трения, менее износостойкие и хрупкие.

С повышением температуры твёрдость баббитов быстро снижается, поэтому их рабочие температуры не должны превышать 80º С, хотя их температура плавления более 340ºС. Коэффициент трения со смазкой для них составляет 0,005…0,006.

Могут быть баббиты на цинковой и алюминиевой основе.