Свойства медных сплавов: от бронзового века до наших дней

Археологические находки свидетельствуют о том, что медную руду человек стал применять в своих целях уже во времена каменного века. Столетие за столетием человечество училось создавать из этого металла необходимые ему приспособления, используя различного рода обработку – ковку, нагревание, литье. В данной статье мы раскроем свойства медных сплавов.

История меди – «вечного металла»

Предположительно уже около десяти тысяч лет назад люди начали использовать медь. Это подтверждается находкой медного кулона, изготовленного около 8700 года до н.э. на территории современного государства Ирак. Археологи также приводят доказательства того, что в одной из областей Турции примерно в 6400 г. до н. э. производили медные сплавы и отливку изделий из них. Египтяне начали осваивать эти технологии около 4500 года до н.э.

Основными поставщиками меди, которую использовали до 4000 года до н.э., были отдельные наземные россыпи руды или метеоритные обломки, обнаруженные на земле. Впервые о регулярной разработке месторождений меди упоминается около 3800 года до н. э. Запись, описывающая добычу медной руды, найдена в Египте на Синайском полуострове.

Научными данными подтверждено, что медь была известна всем народам и применялась повсеместно. К примеру, для Колосса Родосского и египетского водопровода использовали именно медные сплавы.

Название меди, кстати, пошло от римлян: сначала появилось сочетание слов «aes cyprium» (руда с Кипра). Позже оно сократилось до «cuprum», и постепенно все европейские языки пополнились новым словом (cooper, Kupfer, cuivre).

Самыми внушительными запасами сегодня обладают Чили и Соединенные Штаты, в этих месторождениях сосредоточено примерно 20 % всей медной руды. Другие значимые регионы добычи находятся в Африке, Австралии, Китае, Канаде, Индонезии, Южной Америке, России и Польше. Основные европейские разработки меди истощились, действуют только несколько мелких месторождений.

Медь в целом является очень распространенным металлом на планете, ее содержание в земной коре около 0,006 %. Среди известных химических элементов у меди 23-е место. Почти все каменные породы содержат то или иное количество этого минерала.

Общие объемы медной руды на планете еще очень велики, к старым месторождениям прибавляются новые регионы добычи, таким образом происходит прирост запасов. Помимо открытия и освоения месторождений, современные технологии позволяют более эффективно проводить разработки и увеличивать пригодные к использованию резервы медной руды.

Несмотря на оптимистичные прогнозы по поводу запасов сырья, следует бережно относиться к имеющемуся у нас богатству. Поэтому в основном медь используется не один раз. Ее плюс в том, что она может проходить многократную переработку. За эти свойства мастера Древнего Египта подобрали для меди символ «анкх», имеющий значение «вечная жизнь» − что очень верно подмечено. Ведь для использования этого металла не существует ограничения по времени. Раз за разом медные изделия переплавлялись в новые, и наверняка в современном обиходе продолжает находиться медь, добытая сотни и тысячи лет назад.

Способность сохранять свои качества при многочисленных переплавках – это очень существенное преимущество. По статистике, около 80 % всего добытого сырья возвращаются в оборот.

Преимущества и классификация медных сплавов

Медные сплавы обладают целым рядом достоинств. К ним можно отнести высокую коррозионную устойчивость при взаимодействии с паровоздушной средой, а также пресной и соленой морской водой. Низкое значение коэффициента трения улучшает антифрикционные качества сплавов. Кроме того, они наделены высокими механическими свойствами, легко поддаются резанию. Но медное сырье относится к дефицитным и дорогим материалам, поэтому стоимость сплавов с медью выше, чем из стали и чугуна.

Технология легирования необходима для того, чтобы сплав приобрел требуемые механические, технологические, антифрикционные свойства. Наиболее распространены бронзовый и латунный сплавы, которые получили обозначение Бр и Л. В составе бронзы и латуни за легирующими элементами сохраняются начальные буквы их названий: «О» относится к олову, «А» – к алюминию, «Ц» – к цинку, «Н» –к никелю, «Ж» – к железу. За буквой в обозначении проставляется цифровое значение содержания в процентах этого металла в сплаве. Например, марка БрО5Ц5С5 обозначает, что в сплаве бронзы содержатся по 5 % олова, цинка и свинца, а меди 85 %.

Существует следующая классификация медных сплавов в зависимости от химического состава:

• латунь;
• бронза;
• сплавы с медно-никелевым составом.

По технологическим свойствам сплавы бывают:

• деформируемыми;
• литейными.

По тому, как влияет термическая обработка, сплавы считаются:

• упрочняемыми;
• неупрочняемыми.

Самые распространенные медные сплавы, их свойства и применение Раньше всего люди освоили процесс сплавления меди и олова. Это соединение – всем знакомая теперь бронза − применялось древнегреческими скульпторами для создания своих великолепных произведений искусства. Конечно, современное производство ушло далеко вперед от древних технологий. Сегодня процесс идет с использованием электрических дуговых печей, а вакуумные камеры не дают сплавам окисляться. Чтобы придать соединению большую прочность и пластичность, применяют методы закаливания и старения металлического сплава олова и меди.

У сплава кремния и меди ниже величина усадки, чем у оловянной бронзы, однако у него более высокая коррозионная стойкость, механические свойства и плотность отлитых заготовок. Добавление кремния к меди придает сплаву плотности и пластичности, он хорошо поддается давлению. Традиционно из бронзы с кремнием изготавливают детали с антифрикционными качествами, пружины, мембраны для различных видов оборудования.

Алюминий придает особые свойства сплаву с медью, такой материал в дальнейшем легко обрабатывается на прессе, у него высокая коррозионная стойкость. Этот сплав необходим в производстве элементов конструкций, находящихся в высокотемпературном режиме эксплуатации. В советские годы был период, когда этот сплав использовался для выпуска монет.

Высокая механическая прочность у бериллиевой бронзы. Ее отличительными качествами являются высокая твердость, упругость, износостойкость и устойчивость к агрессивным средам, что дает возможность использовать этот сплав в условиях повышенных температур. Подходящие методы обработки бериллиевой бронзы – резка и сварка. Перечисленные качества дают возможность изготавливать из этого сплава детали для эксплуатации при жестких нагрузках с высокими скоростями перемещения.

Отличительные особенности сплава с хромом – это высокие механические качества, электропроводность и теплопроводность, повышенная температура рекристаллизации. Из этих материалов изготавливают электроды электросварочной аппаратуры и коллекторы электромоторов. Качественные показатели этого сплава выше, чем у кадмиевой бронзы и коллекторной меди, применяемых обычно.

Что такое латунь? Это сплав с двухкомпонентным или многокомпонентным составом, таким как томпак или полутомпак, основное содержание которого составляет медь.

Латунь относится к очень прочным сплавам, так как в ней высокий процент цинка, примерно 40–45%. Латунный сплав легче подвергать различным видам обработки, чем чистую медь. Соединение цинка и меди чаще всего применяется в приборостроительной промышленности. 90 кг/мм2 – таким показателем прочности может похвастать латунный сплав, который содержит алюминий, марганец и другие металлы в небольшом количестве. Из латуни производят запорную арматуру, вкладыши в подшипники и огромные партии патронных гильз.

Самые разные производственные отрасли широко применяют для своих нужд медь и ее сплавы. Наверняка вы сразу назовете электротехнические коммуникации, в которых повсеместно используются медные изделия. Медь необходима для производства электрической проводки, электродвигателей и километров кабелей. 1/3 всех металлических деталей трубопроводов, вакуумных машин, теплообменных камер – это медь. Без медных сплавов невозможно создать автомобиль или любую другую автотехнику. Высокие антикоррозионные свойства позволяют применять медные сплавы в производстве аппаратов для проведения химических опытов. Для изготовления сверхпроводниковых технических устройств применяется медно-свинцовый сплав.

Для изготовления изделий со сложными узорами требуются материалы с вязкими и пластичными свойствами, например, как у серебра. Медь обладает подобными качествами, поэтому из нее могут производиться гибкие детали и проволока. С проволокой довольно легко работать, с помощью пайки она соединяется с деталями из золота и серебра.

Эмаль тоже может успешно сочетаться с медными сплавами. Эмалированные поверхности на меди хорошо противостоят внешнему воздействию, не отслаиваются, не растрескиваются.

Другие востребованные медные сплавы

Известны и другие сплавы меди с разными металлами, однако у одних шире область применения, чем у других.

• Свойства и применение медно-никелевых сплавов.

Сплавы из меди и никеля в основном содержат медную составляющую, а никель добавляется как легирующий элемент. Результатом такого соединения является сплав с повышенными показателями антикоррозионной стойкости, прочности и электросопротивления. Сплавы медно-никелевого состава относят к одному из двух видов: электротехническому или конструкционному.

Конструкционные сплавы – это нейзильбер и мельхиор. Мельхиором называют сочетание, в составе которого медь, никель (5–35 %), цинк (13–45 %). Нейзильбер представляет собой соединение меди и никеля, иногда в смесь добавляются железо и марганец. Мельхиоровые изделия наверняка имеются у многих дома, особая популярность принадлежит знаменитым подстаканникам.

У электротехнических медно-никелевых сплавов высокое электросопротивление. В эту группу входят константан и копель. В составе термостабильного соединения − константана − чуть больше половины, примерно 59 %, занимает медь, никель составляет 39–41 %, марганец всего 1-2 %. Материал отличается высоким удельным электрическим сопротивлением (около 0,5 мкОм-м), минимальным значением термокоэффициента электрического сопротивления, высокой электродвижущей силой в паре с медью, хромом, железом. Копелем называют сплав, в котором никель составляет 43-44 %, железо 2-3 %, остальную часть занимает медь.

Состав и свойства медных сплавов, в данном случае медно-никелевых, подходят для применения в электрических аппаратах и следующих типах изделий: резисторов, реостатов, термопар. Из материалов этого вида изготавливается посуда, медицинский инструмент, художественные изделия и сувениры. Медно-никелевые соединения применяются в строительстве судов. Банк России заказывает из этого сплава монеты достоинством один и два рубля по образцу 1997 г.

• Свойства и применение вольфрамово-медных сплавов.

Очень необычные свойства у вольфрамово-медного соединения CuW или WCu. Это сочетание по большому счету назвать полноценным сплавом нельзя. В полученном материале частицы одного металла равномерно распределяются внутри кристаллической решетки второго. В сплаве сочетаются качества и меди, и вольфрама, благодаря чему он отличается термостойкостью, устойчивостью к абляции, высокой тепло- и электропроводностью. К тому же он хорошо поддается обработке. Для изготовления деталей применяется следующая технология: вольфрамовые частицы прессуют и уплотняют, придавая необходимую форму, затем проходит этап инфильтрации медного расплава.

Космическая индустрия, электроэнергетика, металлургия, машиностроение, электроника – вот неполный перечень промышленных областей, где используют сплав меди и вольфрама. Из этого материала изготавливают электроды для сварочных аппаратов – детали из сплава выдерживают высокое и среднее напряжение при дуговой и вакуумной сварке.

• Свойства и применение молибденово-медных сплавов.

Сплав из меди и молибдена обладает меньшим весом, чем медно-вольфрамовый. Это преимущество используют там, где нужно уменьшить массу изделия. Заготовки из молибденово-медного сплава – это плоские пластинки, имеющие многослойную структуру. Внутри располагается основной слой чистого молибдена, который с двух сторон покрывают слоями 100%-ной меди или медью с дисперсионно-упрочненными качествами.

Данный вид медных сплавов обладает свойствами обоих видов металлов и отличается хорошими комплексными характеристиками. Вот некоторые качества данного соединения:

- высокая проводимость;

- возможность регулирования коэффициента теплового расширения;

- низкий процент содержания газов;

- сплав не магнитится;

- у материала имеются необходимые вакуумные свойства;

- легко обрабатывается механическим путем, обладает особыми высокотемпературными качествами.

При отсутствии скачков температуры и при средних температурных показателях у молибденово-медного сплава хорошие показатели прочности и пластичности. Когда внешняя температура выше температуры плавления меди, металл сжимается, испаряется и поглощает тепло, он может оказывать охлаждающее воздействие. Данные качества высокотемпературного материала могут использоваться в технологиях изготовления огнеупорных вкладышей горла сопла, электрических контактов и т. д.