(В.Г. Шипша)

Медь — металл красного (в изломе розового) цвета, относится к тяжелым цветным металлам (r  = 8890 кг/м³). Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке (ГЦК) типа Al с параметром а = 0,36074 нм и полиморфных превращений не имеет.

Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди оцениваются 100 %, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17 % от свойств меди. Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)₂CO₃. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Характеристики основных свойств меди приведены ниже.

Благодаря своим свойствам медь широко используется в электротехнике, радиотехнике, приборостроении и различных отраслях машиностроения. Среди цветных металлов по объему потребления медь занимает второе место (после алюминия), причем около половины производимой меди используют в электро- и радиотехнике, а вторую половину — для получения медных сплавов.

Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают (при термообработке или эксплуатации) в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают оксид меди
Cu₂O + H₂ = 2Cu + H₂O. Пары воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди. Склонность к «водородной болезни» (ГОСТ 24048–80) определяют путем отжига медных пластин в водороде при 825–875 ° С
(30 мин), последующего визуального осмотра и испытания на перегиб. Содержание вредных примесей в меди строго ограничено, например, не более 0,005 % Bi, 0,05 % Pb и т. д. (табл. 19.1). Для предупреждения окисления медь плавят или под слоем древесного угля, или с использованием защитных газов, или в вакууме. В ряде случаев производят дополнительное раскисление жидкой меди фосфором, который вводят в виде лигатуры марки МФ9 (ГОСТ 4515–93).

Высокая тепло- и электропроводность меди затрудняют ее электросварку (точечную и роликовую), особенно массивных изделий. Тонкие детали можно сварить вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2 мм можно сваривать нейтральным ацетилено-кислородным пламенем, предохраняя их от окисления и загрязнения. Наиболее надежный способ соединения медных изделий — пайка твердыми и мягкими припоями.

Медь отлично штампуется, но необходимо помнить, что в отожженном состоянии она отличается значительной анизотропией механических свойств, вызывающей образование фестонов при глубокой вытяжке. Для уменьшения фестонов листовую (ленточную) медь следует готовить по особому технологическому процессу.

В производстве меди из руды конечной стадией является электролитическое рафинирование. Выпускают четыре марки катодной меди (ГОСТ 859–78), используемых в качестве шихты при получении медных полуфабрикатов и сплавов. Слитки и полуфабрикаты из меди выпускают двенадцати марок (табл. 19.1). В российских марках меди ставится буква «М», остальные обозначения показывают степень чистоты и метод очистки. Сопоставление отечественных и зарубежных марок меди представлено в табл. 19.2.

* Сумма нормированных примесей, исключая O, не должна превышать 0,0065 %. Содержание отдельных примесей может корректироваться по соглашению изготовителя с потребителем.

Латуни — это двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни — наиболее дешевые медные сплавы.

Двойные (простые) латуни относятся к системе Cu—Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образует кроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b , g и т. д.

Фаза b — это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм—Розери) с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b -фаза переходит в упорядоченное состояние (b ® b ¢ ), причем b ¢ -фаза в отличие от
b -фазы является более твердой и хрупкой.

Фаза g — твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu₅Zn₈ отличается очень высокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключается.

Механические свойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочности достигается в двухфазной области (a  + b ) при содержании цинка около 45 %. При большем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ¢ -фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a - и (a  + b )-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни.

Все латуни, содержащие более 20 % Zn, склонны к коррозионному растрескиванию. Это растрескивание проявляется при хранении и эксплуатации изделий, в которых имеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной атмосфере с небольшим количеством аммиака или сернистого газа. Установлена определенная связь между данным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезонным растрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни является обесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка (Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаются обесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшое количество мышьяка (0,02–0,06 %).

Рис. 19.3. Диаграмма состояния системы Cu—Zn	Рис. 19.4. Влияние цинка на механические свойства латуни

В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначают основные компоненты сплава, числа — их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы «Л». В двойных (простых) латунях число после буквы «Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латуней после буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующие обозначения: О — олово; А — алюминий; Н — никель; К — кремний; Ж — железо и т. д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди, последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu, 2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначается буквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu — основа.

Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы.

По химическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и в каждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся на обрабатываемые давлением и литейные.

В марке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017–74) и безоловянных бронз (18175–78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов (например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613–79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493–79) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например, БрА9Ж3Л).

Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов. Для бронз, в которых легирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характерно твердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путем пластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе, упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которой упрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением.

Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Основные физико-механические свойства никеля приведены ниже.

Никель — остродефицитный металл. Его в больших количествах (около 80 %) используют для легирования сталей и медных сплавов, производства жаропрочных сплавов, материалов электровакуумной техники, никелирования, производства катализаторов. Металлургическая промышленность поставляет в виде катодов, слитков и гранул никель шести марок (ГОСТ 849–97), химический состав и назначение которых приведены в табл. 19.28.

Технически чистый никель производят в виде листов, полос, проволоки, труб, ленты и прутков для использования в приборо- и машиностроении. Такой никель называют полуфабрикатным и выпускают семи марок (ГОСТ 492–73) (табл. 19.29).

Анодный никель (используется для электроли-тических покрытий) изготавливают двух типов: непассивирующийся — марки НПАН и обыч-ный — марок НПА–1 и НПА–2. Аноды из НПАН растворяются при электролизе равномерно, без об-разования шлама и являются предпочтительными.

Механические и технологические свойства никеля зависят от содержания примесей, наиболее вредными из которых являются сера (особенно), висмут, сурьма, цинк и свинец. Сера практически не растворима в твердом никеле и образует сульфидную эвтектику, которая плавится при 645 ° С и вызывает горячеломкость. В никеле, подвергаемом горячей прокатке, допускается не более 0,015 % серы, 0,002 % свинца и 0,002 % висмута.

Никель хорошо поддается любым видам сварки, легко паяется мягкими и твердыми припоями.

Коррозионные свойства никеля высокие благодаря образованию на его поверхности тонкой и плотной защитной пленки. Никель весьма стоек в атмосфере, пресной и морской воде, растворах многих солей, щелочах. Сухие газы — галогены, оксиды азота, сернистый газ и аммиак — при комнатной температуре не вызывают коррозию никеля.

Стандартные никелевые сплавы можно условно разделить на четыре группы: низколегированные для электротехнических целей, термоэлектродные (хромель, копель), коррозионностойкие (монель–металл) и жаростойкие (нихром и ферронихром). Легирующими элементами в этих сплавах являются алюминий, кремний, марганец, хром, медь и железо. В данном случае будут рассмотрены только первые две группы (монель-металл будет рассмотрен ниже). Жаропрочные никелевые сплавы рассматривались в гл. 12.

Марки, химический состав и назначение никелевых сплавов приведены в табл. 19.30.

Никелевые сплавы при высоких температурах не стойки в серосодержащей атмосфере. При нагреве во время горячей и термической обработок нельзя пользоваться мазутом и другим топливом, содержащем более 0,5 % серы.

Никелевые сплавы хорошо свариваются и паяются. Горячую обработку давлением проводят при температурах 1100–850 ° С (НК0,2), 1200–900 ° С (НМц2,5, НМц5), 1250–1000 ° С (НМцАК2-2-1, НХ9,5). Применяется термическая обработка — отжиг, который проводят при температурах 800–900 ° С.

В машиностроении применяют стандартные полуфабрикаты в виде плоского и круглого проката.

* Сплавы, применяемые в договорно-правовых отношениях по сотрудничеству.

Примечание.

1. Сплавы марок НХ9,5 и НХ9 в новых разработках применять не рекомендуется.

2. В таблице содержание примесей не указано.

Сплавы меди с никелем отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, технологичностью и особыми электрическими свойствами, что обусловливает широкое применение их в технике.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы (рис. 19.10). Никель существенно упроч-няет медь, причем максимальную прочность и твердость имеют сплавы примерно эквиатомного состава (рис. 19.11). Важно отметить, что при этом характеристики пластичности и ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристики жаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивления меди.

По назначению медноникелевые сплавы делятся на две группы: конструкционные и электротехнические. К первой группе относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль, ко второй — константан, манганин и копель, обладающие высоким электрическим сопротивлением и определенными термоэлектрическими свойствами (табл. 19.31).

Рис. 19.10. Диаграмма состояния Cu—Ni	Рис. 19.11. Влияние никеля на механические свойства медноникелевых сплавов

Примечание. В таблице не указаны примеси и их сумма.