Медные сплавы: классификация, основные свойства разных материалов

Что такое медные сплавы? Это металлы, получаемые после добавления к основе других компонентов: олова, никеля, цинка, алюминия, хрома, вольфрама. Количество легирующих элементов обычно составляет не более 10 %, а прочих – еще меньше.

На что обратить внимание? В зависимости от того, что именно и в каких количествах добавляется в сплав, материал, получаемый на выходе, приобретает те или иные полезные свойства вроде высокой прочности, хорошего показателя теплопроводности, термической стойкости.

Общая характеристика меди

Еще в эпоху палеолита, как показывают археологические находки, человек начал использовать медную руду. На протяжении веков он осваивал различные методы обработки меди (ковку, нагрев, литье) для создания необходимых в быту предметов.

С древних времен этот металл привлекал людей своим нежным розово-золотистым блеском и податливой, пластичной структурой. Неудивительно, что данный материал сначала нашел свое применение в искусстве создания украшений.

Медь, покрываясь оксидной пленкой при контакте с кислородом, приобретает характерный красновато-желтый цвет. Под воздействием влаги и углекислого газа изделия из данного металла покрываются зеленоватым налетом.

Добыча медной руды часто ведется открытым способом, поскольку в природе она нередко залегает близко к поверхности. Встречается медь в виде крупных самородков высокой чистоты, а также в виде жил. Также металл содержится в:

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

Фото: Marcel Strauß / unsplash.com

Медные сплавы не только сохраняют все преимущества чистой меди, но и приобретают улучшенные характеристики, а также новые ценные свойства.

История появления медных сплавов

В древности изготовление оружия, посуды, зеркал и украшений не обходилось без комбинаций металлов. Хотя состав медных сплавов значительно варьировался, в литературе их принято объединять под общим названием «бронза». Среди ранних бронзовых соединений выделяются мышьяковистые и оловянистые. Примечательно, что древние сочетания металлов часто содержали свинец, цинк, сурьму, железо и другие элементы в микродозах.

Состав соединения определялся назначением предмета и технологией его изготовления. Например, для литья художественных изделий использовался тройной сплав меди, олова и свинца. Этот рецепт был популярен в античной Греции, Римской империи, на Ближнем и Среднем Востоке, в Индии, а в Китае бронза стала одним из самых распространенных сочетаний металлов.

В древности мастера не умели выделять чистые металлы, поэтому создавали сплавы на медной основе, смешивая различные руды. Так, задолго до открытия металлических цинка и никеля, человечество уже использовало такие материалы, как латунь и медно-никелевое соединение. Первые упоминания о латуни относятся к VIII веку до нашей эры и связаны с народами Малой Азии. Любопытно, что в Европе получить металлический цинк и, соответственно, латунь удалось лишь в 1738 году в Англии.

В те времена виды медных сплавов определяли по цвету после полировки. Средневековые источники различают «красное» (сама медь), «желтое» (латунь), «зеленое» (бронза), «белое» соединение и «белую бронзу» (светлые сочетания).

С XVIII века с развитием промышленности стали получать чистые металлы, что привело к появлению новых материалов – медных сплавов с заданными свойствами.

Однако названия сплавов, встречающиеся в старых источниках, не позволяют точно определить их состав и содержание легирующих элементов.

Производство металлических изделий прошло долгий путь развития. На заре человечества предметы создавались с помощью холодной ковки, позже освоили литье. Горячая ковка пришла на смену холодной, а термообработка позволила наделить металл особыми свойствами.

Конструкции изделий постоянно совершенствовались, появился метод ковочной сварки, стали использовать пайку, комбинировать кованые и литые элементы.

Самые распространенные медные сплавы

Медь, как правило, используют не в чистом виде, а в сплавах с оловом, никелем или цинком для увеличения ее твердости. Получаемые твердые материалы, такие как бронза и латунь, находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Сплав меди с оловом

Соединение меди и олова подарило миру бронзу и стало одним из важнейших достижений древности. Этот прочный и пластичный материал широко использовался древнегреческими мастерами для создания шедевров скульптуры. Сегодня ее производство шагнуло далеко вперед.

Бронза бывает двух видов. Свойства безоловянных (вместо олова присутствуют алюминий, кремний, бериллий и другие элементы) сплавов определяются именно этими добавками. Алюминий увеличивает антифрикционные качества и коррозионную стойкость, бериллий делает металл тверже и прочнее, кремний и цинк улучшают текучесть соединения и повышают его стойкость к истиранию.

В оловянных соединениях преобладает медь, а основным легирующим элементом выступает олово. Именно эти медные сплавы люди начали использовать первыми. По сравнению с чистым металлом, они обладают повышенными показателями прочности и твердости, а также лучше плавятся.

Бронза известна своей устойчивостью к коррозии, даже в морской воде. Для усиления сопротивления соленой среде в ее состав добавляют легирующие элементы, такие как никель и алюминий. Эти модифицированные сплавы используются при создании элементов нефтяных платформ, размещенных на морских и океанических шельфах.

Фото: fanjianhua / freepik.com

Такие легирующие элементы, как фосфор, цинк, марганец, серебро и мышьяк, позволяют модифицировать свойства медных сплавов. Например, добавление серебра повышает электропроводность бронзы до уровня, сравнимого с чистой медью.

Сплав меди с никелем

Медные соединения, легированные никелем, разделяют на три основных вида в зависимости от области применения: конструкционные, электротехнические и ювелирные. Эти сплавы отличаются повышенной твердостью, устойчивостью к износу, коррозионной стойкостью. Помимо Ni, для достижения специфических свойств в состав композиций на основе меди вводят такие элементы, как алюминий, цинк, марганец, хром и др.

В некоторых электротехнических сплавах Mn может преобладать над Ni. Такие металлы характеризуются высокой электропроводностью и стабильными показателями сопротивления. Декоративные медно-никелевые соединения отличаются хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, а также высокой текучестью.

Классификация медно-никелевых соединений основана на введении в их состав различных легирующих элементов, которые и определяют цвета медных сплавов и характеристики.

• Константан. Этот сплав меди с никелем (около 40 %) обладает ценными электротехническими свойствами. Высокое сопротивление и низкий коэффициент теплового расширения делают его идеальным материалом для изготовления проволоки, термопар, преобразователей и других электротехнических изделий. Металл также отличается хорошей пластичностью.
• Копель. Здесь основные легирующие элементы – никель и марганец. Этот металл устойчив к высокой температуре и агрессивным средам, включая кислоты и инертные газы. Материал в виде проволоки различного диаметра применяется для производства компенсационных проводов и низкотемпературных преобразователей.
• Нейзильбер. Этот сплав, содержащий цинк (до 20 %) и никель (15 %), отличается высокой твердостью, стойкостью к коррозии и долго сохраняет декоративный внешний вид. Материал используется в ювелирном деле, для изготовления орденов, медалей, а также в производстве музыкальных и медицинских инструментов.
• Куниаль. Существует два вида этого соединения: куниаль-А (с медью, железом, алюминием, кобальтом) и куниаль-Б (с медью, никелем и другими элементами не более 1 %). Оба типа обладают высокой коррозионной стойкостью. Первый выпускается в виде прутков, а второй – в виде полос для рессор и пружин.

• Манганин. Это соединение меди с марганцем (13 %) характеризуется золотисто-красным цветом. Добавление железа и термическая обработка позволяют регулировать механические свойства материала, который отличается стабильностью электрических параметров при изменении температуры, что делает его незаменимым в производстве высокоточных электроизмерительных приборов и эталонов.
• Монель. Данный сплав на основе меди включает никель, железо и марганец. Обладает высокой прочностью, пластичностью и исключительной коррозионной стойкостью, в том числе к воздействию кислот и щелочей. Благодаря этим свойствам материал широко используется в нефтехимической промышленности, судостроении, медицине, аппаратостроении для изготовления специального оборудования и приборов.
• Мельхиор. Твердый металл белого цвета, состоящий из меди (70–90 %), никеля, марганца (1 %) и железа (0,8 %). Устойчив к коррозии в морской воде и газовых средах. Внешне похож на серебро, но превосходит его по твердости и доступности, поэтому ранее его называли «серебром для пролетариата».

Сплав меди с цинком

Латунь – это металл на основе меди и цинка. Цвет и свойства материала напрямую зависят от процентного содержания Zn. Для улучшения качества соединения в состав вводят легирующие добавки.

Главное преимущество латуни – высокая коррозионная стойкость. Кроме того, она устойчива к агрессивным средам, отличается прочностью и пластичностью.

Латунь – это металл, хорошо поддающийся сварке, пайке и обработке под давлением – как холодной, так и горячей. Обладает высокой теплопроводностью, которая возрастает с увеличением процентного содержания меди. Материал немагнитен.

Данный сплав находит широкое применение в приборостроении, в производстве запорной арматуры, вкладышей подшипников и значительной части патронных гильз.

Не менее востребованные медные сплавы

Сплав меди с кремнием

Соединение с добавлением кремния обладает рядом преимуществ перед оловянной бронзой. Несмотря на меньшую усадку последней, кремниевая отличается повышенной коррозионной стойкостью, улучшенными механическими свойствами и более высокой плотностью отливок. Si придает меди дополнительную плотность и пластичность, делая металл податливым к обработке под давлением.

Благодаря своим антифрикционным свойствам, бронза с кремнием широко применяется для производства деталей, испытывающих трение, а также пружин и мембран для различного оборудования.

Сплав меди с хромом

Эти соединения выделяются превосходными механическими свойствами, высокой электро- и теплопроводностью, а также повышенной температурой рекристаллизации.

Фото: Guille B / unsplash.com

Данные качества делают их идеальным материалом для изготовления электродов для сварочного оборудования и коллекторов для электродвигателей. Важно отметить, что по своим характеристикам подобные сплавы превосходят традиционно используемые кадмиевую бронзу и коллекторную медь.

Сплав меди с алюминием

Al наделяет медь уникальными свойствами: металл легко поддается обработке давлением и демонстрирует высокую устойчивость к коррозии.

Такой материал нашел применение в производстве элементов конструкций, работающих в условиях высокой температуры. В истории СССР был период, когда этот сплав использовался для чеканки монет.

Сплав меди с вольфрамом

Соединение меди и вольфрама (CuW или WCu) обладает уникальными свойствами, которые не позволяют назвать его сплавом в привычном понимании. Фактически, это материал, где частицы одного металла внедрены в кристаллическую решетку другого. Подобное сочетание наделяет CuW удивительными характеристиками обоих компонентов: термостойкостью и устойчивостью к абляции вольфрама, а также высокой тепло- и электропроводностью меди.

Благодаря этому сплав меди и вольфрама нашел широкое применение в таких отраслях, как космонавтика, энергетика, металлургия, машиностроение, электроника. Например, из него изготавливают электроды для сварочных аппаратов, способные выдерживать высокие нагрузки при различных видах сварки.

Сплав меди с молибденом

Подобное сочетание превосходит по легкости медно-вольфрамовый аналог, что особенно важно, когда стоит задача снизить вес изделия без потери прочности. Структура заготовок из такого материала напоминает слоеный пирог: сердцевина из чистого Mo заключена между двумя слоями чистой меди или меди с дисперсионным упрочнением. В этом случае сплав обладает уникальными характеристиками – легкостью, высокой электропроводностью, хорошей обрабатываемостью, жаропрочностью и др. Благодаря этому находит широкое применение в различных областях промышленности.

Сплав меди с бериллием

Бериллиево-медный сплав, известный также как бериллиевая бронза, обладает высокой механической прочностью.

Металл хорошо поддается обработке, например, резке и сварке.

Медные легированные металлы обладают рядом преимуществ, которые делают их незаменимыми в различных отраслях промышленности. Перечисленные качества дают возможность изготавливать из этих сплавов детали для эксплуатации при жестких нагрузках с высокими скоростями перемещения.

Маркировка медных сплавов

Медные сплавы классифицируются по ГОСТу и различаются по техническим характеристикам. Выделяют две основные группы: деформируемые медные сплавы (ГОСТ 18175-78) и литейные медные сплавы (ГОСТ 613-83).

Классификация также учитывает возможность закаливания. В зависимости от этого медные сплавы бывают термоупрочняемыми и нетермоупрочняемыми.

По химическому составу медные соединения можно разделить на две основные группы: бронза (сплав меди с различными элементами, исключая цинк) и латунь (комбинация меди с цинком, куда также могут добавляться другие элементы). Обе категории относятся к литейным медным сплавам.

Для обозначения состава бронзы и латуни используется буквенная маркировка легирующих элементов: олово – О, алюминий – А, свинец – С, марганец – Мц, магний – Мн, железо – Ж, фосфор – Ф, кремний – К, бериллий – Б, никель – Н.

Маркировка бронзы обозначается сочетанием букв «Бр» и буквенно-цифрового кода, который указывает на состав соединения и процентное содержание элементов. Например, марка бронзы БрО5Ц5С5 расшифровывается следующим образом: олово (5 %), цинк (5 %), свинец (5 %), и медь (оставшиеся 85 %).

Для обозначения латуни используется буква «Л». Цифра после буквенного символа указывает процентное содержание основного легирующего элемента – цинка. Состав легированных латунных сплавов, помимо цинка, отражается дополнительными буквами и цифрами, которые соответствуют процентному содержанию других легирующих добавок. Например, маркировка ЛЦ35А3Ж2Мц1 означает, что эта латунь содержит цинк (35 %), алюминий (3 %), железо (2 %), марганец (1 %) и медь (оставшиеся 59 %).

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: angelatriks / freepik.com