18

Лекция Медь. Медные сплавы. Латунь. Бронза. Маркировка. Состав. Физические свойства. Применение в горной промышленности

Медь находится в рудах главным образом в виде химических соединений с серой и железом, называемых медным колчеданом CuFeS₂ (халькопирит) и медным блеском Cu₂S (халькозин). Встречается самородная медь (99,9 %), но она составляет лишь 5 % мировых запасов. До 80 % мировых запасов приходится на сульфидные и окисленные руды (малахит CuCO₃Cu(OH)₂, азурит 2CuCO₃Cu(OH)₂ и др.). Среднее содержание меди в промышленных рудах составляет 1-2 %, минимальное – 0,5 %; руды, содержащие 3 % меди и более, считаются богатыми. В медных рудах часто встречаются в небольших количествах и другие ценные металлы: никель, олово, цинк, золото, серебро и т.д. Пустая порода медных руд состоит из кварца, силикатов магния и кальция и др. соединений. Основные месторождения медных руд в СНГ находятся на Кавказе, Сибири, на Урале и Алтае.

Медная руда предварительно обогащается. Процесс обогащения состоит в дроблении руд и последующем отделении рудного минерала от пустой породы на флотационных машинах, в которые загружают пульпу – суспензию руды в воде с добавками различных реагентов, продувом воздуха и перемешивают. Минералы под действием реагентов теряют способность смачиваться, прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность ванны, снятую пену с частицами минералов обезвоживают и получают концентраты руд. После обогащения получается концентрат, в котором содержание меди повышается до 15-20 % и более. Затем концентрат обжигается в специальных печах для частичного удаления серы, мышьяка и других вредных примесей. Далее концентрат плавится в отражательных или электрических печах. В последнее время получила применение плавка концентратов во взвешенном состоянии на подогретом воздушно-кислородном дутье. Здесь получается полупродукт – штейн, состоящий из меди, железа и серы (содержание меди в штейне 20-45 %). Штейн служит исходным продуктом для получения черновой меди. Штейн сливается в конвертер, в котором после продувки горячим воздухом получается черновая медь, содержащая 98-99 % меди.

Около 20 % меди получают из руд гидрометаллургическим способом, при котором руда обрабатывается растворителем, переводящим медь в раствор (электролиз). Медь, почти свободная от примесей, получается в процессе её очистки электролизом, реже в процессе плавки в отражательных печах. Электролиз производится в ваннах, обитых внутри листовым свинцом. К двум медным штангам подвешивают плиты из черновой меди и тонкие листы (0,6-0,7 мм) из чистой меди. Плиты присоединяют к положительному полюсу источника тока, листы - к отрицательному. Ванну наполняют электролитом – раствором медного купороса CuSO₄ в воде, подкисленной серной кислотой. При подключении постоянного тока медь анодов (плит черновой меди) растворяется в электролите и затем осаждается на катодах (листах черновой меди).

Медь — Сu, химический элемент I группы периодической сис­темы элементов, атомный номер 29, атомная масса 63,546. Медь обладает гранецентрированной кубической решеткой. Это металл своеобразного красноватого (в изломе розового) цвета (причём, чем чище медь, тем она розовее), ковкий и мягкий; плотность 8960 кг/м³, t_пл = 1083 °С. Химически она малоактивна; в атмосфере, содержащей СО₂, пары Н₂О и др., покрывается патиной.

Патина - пленка основного карбоната различных оттенков, в основ­ном зеленоватых, образующаяся на поверхности изделий из меди, бронзы, латуни при окислении металла под воздействием естественной среды или специальной обработки (патинирования). Патина предохраняет изделия от коррозии, имеет и декоративное значение. Ядовита.

Чистая медь отличается от прочих технических металлов большой электропроводностью. Среди свойств меди наиболее существенное значение для со­временной промышленности приобрело ее высокое электрическое сопротивление — 0,0175 мкОм- м (этим отличается от прочих технических металлов). Эта величина принята в электро­технике за эталонное значение — 100%.

Большое значение в технике имеет также высокая удельная те­плопроводность меди — 394 Вт/ (м-К). Температурный коэффициент линейного расширения меди 1,67-10⁵ К ^-1.

Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают электропроводность, а также теплопроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность примеси Р, As, A1 и Sn. Поэтому в качестве электротехнической меди применяют металл высших сортов – с содержанием меди не менее 99,9 %. Однако, для подвесных проводов (телеграфные, телефонные), где кроме хорошей электропроводности требуется и достаточная механическая прочность, применяют не чистую медь, а сплав меди с 0,9-1 % кадмия, кадмиевую бронзу. При прочности от 60 до 70 кГ/мм² электропроводность этой меди составляет не менее 80 % электропроводности чистой меди.

Механические свойства меди сравнительно невелики и сущест­венно зависят от условий изготовления медных изделий. Так, величи­на механических свойств:

• в литом состоянии - σ_в = 160 МПа, σ_0,2 = 35 МПа,  = 25%; НВ = 400 МПа;

• после горячекатаной обработки - σ_в = 240 МПа, σ_0,2 = 95 МПа,  = 45 %.

Путем холодного пластического деформирования предел прочности может быть повышен до 450 МПа при снижении относи­тельного удлинения до 3 %. Модуль упругости меди - 115000 МПа.

Твердость меди почти в 2 раза меньше, чем у железа.

Среди технологических свойств у меди следует отметить хо­рошие обрабатываемость давлением и возможность пайки. К недос­таткам меди относятся усадка при литье, невысокая обрабатывае­мость резанием и очень плохая свариваемость.

В технической меди могут присутствовать вредные примеси, образующие с медью:

• твердые растворы — Ni, Zn, Sb и др.;

• легкоплавкие эвтектики — Pb, Bi и др.;

• хрупкие химические соединения — кислород, сера.

Наиболее опасными из них по влиянию на технологические свойства являются свинец, вызывающий красноломкость, и висмут, вызывающий и красноломкость, и хладноломкость.

Медь изготавливают по чистоте следующих марок (ГОСТ 859—2001): М00к (не менее 99,99 % Си), М0к (99,97 % Си), М1к (99,95 % Си). М2к (99,93 % Си). В обозначении марки после буквы М (медь) указывается условный номер чистоты, а затем буквой — способ и ус­ловия получения меди: к — катодная медь; б — бескислородная медь; р — раскисленная медь; ф — медь, раскисленная фосфором. В обо­значении меди марок M1 и Mlp, предназначенной для электротехни­ческой промышленности и подлежащей испытаниям на электропро­водность, дополнительно включают букву Е.

Главное применение меди — производство электрических про­водов. Примеси понижают электропроводность меди, поэтому в электротехнике используют сорта с суммарным содержанием приме­сей менее 0,1 %, такие, как М00, М0, Ml. Медь является основным материалом для производства телеграфных и телефонных проводов. Медь применяется для изготовления конструкционных изделий в теп­лотехнике (нагреватели, радиаторы, теплообменники, холодильники и др.) и вакуумной технике. Медь применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

Более 30 % меди идет на производство сплавов. Сплавы меди (с цинком, оловом, алюминием и др. металлами) обладают более высокими механическими свойствами, чем чистая медь, поэтому они получили широкое распространение в промышленности.

Преимуществами медных сплавов являются: хорошая электро­проводность; низкий коэффициент трения; высокая пластичность; большая прочность (300... 1200 МПа); коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред; возможность термомеханической обработки.

Наиболее распространенные легирующие элементы в меди - цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, ни­кель. Они повышают прочностные свойства меди; наиболее сильное упрочняющее действие оказывают кремний и алюминий (при содер­жании более 3 % по массе). Цинк и марганец мало влияют на пла­стичность меди. Пластичность меди повышается при легировании до определенных концентраций алюминием, кремнием, железом. Олово занимает промежуточное положение между этими двумя группами легирующих элементов.

По способу изготовления деталей медные сплавы подразделя­ются на деформируемые и литейные сплавы.

Из деформируемых мед­ных сплавов изготавливают:

листы, ленты, трубы, полуфабрикаты различного профиля.

Из литейных сплавов методом литья в формы получают фасонные детали и художественные изделия.

Упрочнение медных сплавов путем термической обработки возможно только в том случае, если легирующие элементы растворя­ются в меди ограниченно, при этом растворимость их уменьшается с понижением температуры; кроме того, если эти легирующие элемен­ты образуют с медью или между собой упрочняющие фазы (СuВе, СuАl₂, NiBe, Ni₃Al и др.).

Твердость и прочность медных сплавов могут быть повышены в 1,5...3 раза за счет наклепа, который при необходимости может быть снят частично или полностью отжигом (600...700 °С).

Медные сплавы подразделяются на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латуни

Латунями (ГОСТ 15527—70 и ГОСТ 17711—93) называют двойные и многокомпонентные (добавки Al, Sn, Fe, Mn, Ni, Si, Pb и др. элементы в сумме до 10 %) сплавы на основе меди, в которых главной добавкой является цинк, причем содержание цинка может меняться от 0 до 49 %.

По химическому составу латуни подразделяются на двойные (простые) и многокомпонентные (специальные), а по структуре - на одно- и многофазные. Простые латуни легируются только одним ком­понентом - цинком.

Медь с цинком образует твердый раствор с предельной кон­центрацией цинка 39 %.

Содержание в латунях цинка во многом определяет величину их механических свойств. Пока латунь имеет структуру α-твердого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повыше­ние ее прочности и пластичности. Появление (≈30 % Zn) β'-фазы со­провождается резким снижением пластичности, но прочность про­должает повышаться до увеличения содержания Zn до 45 %, пока ла­тунь находится в двухфазном состоянии (α+ β'). Переход латуни в однофазное состояние (более 45 % Zn) со структурой β'-фазы вызы­вает резкое снижение прочности.

Простые латуни маркируются буквой «Л», следующая за ней цифра означает содержание меди. Легирующие элементы обознача­ются буквами. В марке многокомпонентной латуни после букв следуют цифры через дефис. Первая цифра указывает среднее содержание меди, остальные — содержание соответствующих леги­рующих элементов в том же порядке, как и буквы, их обозначающие. Содержание цинка в наименовании марки латуни не указывается и определяется по разности. Например, в латуни ЛА85-1,5 — 85 % Сu и 1,5% А1, остальное — цинк.

Многокомпонентные латуни (ЛАЖ60-1-1, ЛЖМц59-1-1, ЛО62—1, Л070-1, ЛС59-1, ЛЦ40С, ЛЦ40МцЗЖ, ЛЦЗОАЗ и др.) могут легиро­ваться различными элементами и их комплексами:

- так, алюминий, кремний, никель и марганец повышают механические свойства латуней и увеличивают их коррозионную стойкость.

- олово повышает коррозионную стойкость латуни в морской воде.

- свинец (1...3 %) улучша­ет обрабатываемость латуней резанием (латуни со свинцом являются автомат­ными сплавами, их используют для из­готовления деталей в часовой и авто­тракторной промышленностях).

К однофазным (α -латуни) отно­сятся латуни, содержащие менее 32 % Zn. Эти латуни весьма пластичны, хо­рошо паяются, свариваются и обраба­тываются давлением в горячем и хо­лодном состояниях. Латуни, содержа­щие до 10 % Zn, называют томпаком (Л96, Л 90), 10... 20 % Zn — полутомпа­ком, 20...30 % Zn — патронными (Л80, Л85, Л70). С увеличением содержания цинка цвет латуней изменяется от красноватого до светло-желтого, по­вышаются предел прочности от 270 до 320 МПа и твердость от 470 до 500 НВ.

Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией.

Томпак имеет очень хорошую пластичность и высокую коррозионную стойкость. Он применяется для изготовления радиаторных трубок, деталей конденсационно-холодильного оборудования, уплотнительных прокладок, биметалла сталь-латунь, в ювелирном деле и др. Патронные латуни ис­пользуют для производства деталей электрооборудования, проволоки, гильз и др.

В двухфазных (α+β') латунях увеличение содержания цинка свыше 40 % приводит к росту предела прочности до 360 МПа и к по­вышению доли хрупкой фазы в их структуре (в α-фазе при 450 °С происходит упорядочение и образуется β'-фаза) и, как следствие, это ведет к ограничению применения таких латуней в машиностроении. Двухфазные латуни марок Л68...Л59 хорошо обрабатываются давле­нием в горячем состоянии, ковкой. Изделия из таких латуней (прово­лока, трубы, прутки, листы, ленты) изготавливаются холодной штамповкой и глубокой вытяжкой.

Все латуни по способу производства делят на две группы: де­формируемые (например, ЛС59-1, ЛАЖ60-1-1), из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты (методом глубокой вытяжки), и ли­тейные (например, ЛЦ40С, ЛЦ40МцЗЖ) для фасонного литья. Лату­ни, предназначенные для фасонного литья, содержат больше присадок, улучшающих их литейные свойства. Литейные латуни обладают высокой жидкотекучестью, мало склонны к ликвации. Применяются для втулок, вкладышей и др. деталей.

Основным видом термической обработки латуней является смягчающий отжиг перед пластическим деформированием при 600...700 °С с медленным охлаждением. Если требуется повышение прочности и твердости для многофазных латуней, охлаждение от ука­занных температур проводят ускоренно.

Латуни, за исключением содержащих свинец, легко поддаются обработке давлением в холодном и горячем состояниях. Все латуни хорошо паяются твердыми и мягкими припоями. Хорошие техноло­гические и широкий диапазон потребительских свойств, красивый цвет и сравнительная дешевизна латуни делают их наиболее распро­страненными медными сплавами.

При вылеживании или эксплуатации в латунных изделиях ино­гда возникают трещины — «сезонное растрескивание». Это явление наблюдается, главным образом, в латунях с содержанием более 20 % Zn и отчетливо обнаруживается в изделиях, полученных холодной деформацией (прутках, полых изделиях и др.). Сезонное растрескива­ние усиливается в химически активных средах (напр., в присутствии влаги). Образование трещин является в этом случае результатом совместного действия остаточных напряжений, вызванных холодной деформацией, и химически актив­ными средами.

Основное применение латуней – изготовление лент, патронов, гильз, радиаторных труб, проволоки.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, среди которых олово, алюминий, кремний, бериллий, свинец и др. Конкретное наименование бронзы получают по основному легирую­щему элементу системы, образующей сплав, так, например, оловян­ные бронзы. Цинк и никель могут вводиться в бронзы как дополни­тельные легирующие элементы (и в небольшом количестве).

Бронзы отличаются своими более высокими механическими и физическими свойствами. Фазовый состав бронз описывается диаграммами состояния двух основных элементов, например, для оловянных бронз — диа­граммой Сu — Sn.

Структура и свойства бронз изменяются в зависи­мости от скорости охлаждения кристаллизующихся сплавов, вида термической обработки и характера обработки давлением.

Примеси сурьмы, мышьяка, висмута, серы, цинка и фосфора отрицательно влияют на все виды бронз, понижая их механические и технологические свойства.

Бронзы немагнитны, коррозионно-стойки, имеют высокие ко­эффициенты тепло- и электропроводности, обладают антифрикцион­ными свойствами. Для улучшения свойств их подвергают термиче­ской обработке: отжигу, закалке и отпуску или пластическому де­формированию с целью наклепа. Отжиг проводится для снятия напряжений, устранения наклепа, получения однородной структуры; закалка от 700...750 °С без отпуска - для повышения пластичности, а с отпуском - для повышения твердости и прочности бронзы.

Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями.

Бронзы маркируются буквами Бр, далее следует буквенное и цифровое обозначение содержащихся элементов (обозначение меди не указывается, а содержание определяется по разности). В марке об­рабатываемых давлением бронз после Бр стоит буквенное обозначе­ние легирующих элементов в порядке убывания их концентраций, а в конце в той же последовательности через дефис указываются концен­трации соответствующих элементов. Например, БрОФ10-1 —бронза оловянно-фосфорная, содержащая 10 % Sn и 1 % Р. В литейных брон­зах после каждого буквенного обозначения легирующего элемента указывается его содержание.