Вопросы для самопроверки

1. С какого времени человек знаком с медью? С какими металлами совместно она была известна людям? Почему медь называют полудрагоценным металлом?

2. В составе каких минеральных руд она содержится? Какие из них являются драгоценными камнями? Из каких руд получают чистый металл?

3. Какие способы получения меди вы знаете? Опишите кратко каждый из них?

4. Охарактеризуйте физико-механические свойства чистой меди? Какие элементы периодической системы Д. И. Менделеева присутствуют в ней в виде примесей и как они влияют на ее свойства?

5. На основании какого свойства медь относится к проводниковым материалам?

6. Перечислите марки чистой и технической меди? Где они применяются?

7. В каких условиях медь окисляется, а в каких является стойким металлом? Почему она растворяется только лишь в концентрированных кислотах?

8. Назовите наиболее древние и важнейшие сплавы меди? Чем они отличаются друг от друга? Как их маркируют?

9. Что такое бронза? Какие структурные составляющие образуются при кристаллизации в твердом состоянии в системе медь-олово:

10. Как влияет олово на структуру, физико-механические свойства и коррозионную стойкость сплава? Как воздействуют на эти же характеристики примеси и легирующие добавки? В каких концентрациях они могут присутствовать в бронзах?

11. Что такое безоловянные бронзы? Какой химический состав они имеют? Какова их структура и свойства? Где они применяются?

12. Какие сплавы называют латунями? Опишите структуру латуней согласно диаграмме состояния медь-цинк? Как технологические свойства и коррозионная стойкость сплавов зависят от концентрации в них цинка?

13. Перечислите какие элементы периодической системы и в каком количестве могут присутствовать в латунях? Каково влияние каждого из них на свойства сплавов?

14. Какие медно-никелевые сплавы вы знаете? Назовите их? Укажите их состав, свойства и применение?

15. Медь каких марок употребляется в виде твердых припоев. Отметьте положительные и отрицательные стороны данных материалов?

16. Какие из производимых марок латуней применяются в качестве припоев? Приведите их химический состав? Охарактеризуйте свойства данных материалов и области их использования?

17. Укажите отличие медно-никелевых припоев от других по составу, свойствам и применению?

18. Медно-фосфорные припои (состав)? Покажите их преимущества и недостатки? Где они употребляются?

1.11.2. Серебро и золото. Их сплавы

Серебро и золото являются драгоценными металлами. Это химические элементы подгруппы меди, а именноIгруппы побочной подгруппы,d-элементы. Химические знаки -AgиAu, порядковые номера 47 и 79. Латинские названия: серебра «аргентум» происходит от санскритского «арганта» - светлый, белый; золота «аурум» связано с сиянием восходящего Солнца, по латыни «аурора» означает - утренняя заря.

Массовые доли серебра и золота в земной коре составляют соответственно 1·10^-5и 5·10^-7% масс. Оба металла встречаются в природе, как в свободном, так и в связанном виде. Металлы состоят из следующих стабильных изотопов: серебро -¹⁰⁷Ag(51,35 %),¹⁰⁹Ag(48,65 %); золото -¹⁹⁷Аu(100,0 %).

Серебро и золото представляют собой металлы (соответственно белого и жёлтого цвета) с гранецентрированной кубической решеткой. Они являются тяжелыми и высокоплавкими веществами. Золото и серебро легко поддаются механической обработке, прокатываются в тончайшую фольгу и нити, легко сплавляются с другими металлами. Серебро настолько пластично, что из него можно изготовить прозрачный листик толщиной всего 0,00003 сантиметра, а серебряная крупица, которая весит 1 грамм, может быть превращена в проволоку длиной около 2 километров. Ни один металл не может сравниться с серебром по «умению» проводить тепло и электрический ток. Чистое золото - очень мягкий и пластичный металл. Кусочек его величиной со спичечную головку можно вытянуть в проволоку длиной более трех километров или расплющить в прозрачный голубовато-зеленый лист площадью 50 квадратных метров (табл. 1.7).

Таблица 1.7 - Физические и физико-химические характеристики серебра и золота

Параметры	Ag	Аu
1	2	3
Атомная масса	107,87	197,00
Плотность, г/см3	10,5	19,3
Твердость (алмаз = 10)	2,7	2,5
Электропроводность (Hg = l)	59	40
Теплопроводность (Н2О = 1)	49	35
Температура плавления, °C	961	1063
Температура кипения, °С	2210	2970
Нормальный электродный потенциал, эВ
Э = Э+ + 1ē	0,80	1,68
Э = Э2+ + 2ē	-	-
Э = Э3+ + 3ē	-	1,42
Скрытая теплота плавления, кал/г	25	14,96
Удельная теплоемкость, кал/г·град	0,056	0,0312
Теплопроводность, кал/см·сек·град	0,974	0,70
Удельное электросопротивление, мкОм·см	1,62	2,42
1	2	3
Сродство к электрону, эВ	2,5	2,1
Предел упругости, кГ/мм2	200	150
Относительное удлинение, %:	50	40
Коэффициент линейного расширения, ·106	14,2	9,7
Модуль нормальной упругости, кГ/мм2	7500	8000

Если царапнуть ногтем по чистому золоту, то на нем останется след. В тех случаях, когда обрабатывают золото в чистом виде, довольно большие количества его превращаются в пыль.

Химическая активность металлов невелика и убывает с возрастанием порядкового номера элемента. С галогенами и серой непосредственно взаимодействует только серебро, и то при повышенной температуре. С водородом и кислородом они не реагируют как при нормальной, так и при высокой температуре.

В ряду напряжений серебро и золото располагаются после водорода. Поэтому практически ни одна из имеющихся в химии кислот в разбавленном состоянии на них не действует. Отсутствие растворения серебра в соляной кислоте связано с образованием на нем пленки труднорастворимого хлорида. Серебро взаимодействует только с азотной (НNО₃) кислотой любой концентрации и концентрированной серной (H₂SO₄) кислотой. Золото реагирует лишь с горячей концентрированной селеновой (Н₂SеO₄) кислотой, концентрированным раствором хлористого водорода, насыщенного хлором, а также «царской водкой» - смесью концентрированных азотной и соляной кислот - НNО₃+ 3HCl. В двух последних случаях реакция происходит за счет окисления золота атомарным хлором. Оба металла растворяются в тиосульфатных и цианидных растворах. Золото реагирует также с тиомочевиной. Под действием серы и сероводорода серебро тускнеет. Вода и щелочи на данные металлы не действуют. Золото обладает коррозионной стойкостью к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и нагревании, однако оно склонно к дугообразованию, и даже при малых токах на золотых контактах в результате эрозии образуются иглы и наросты.

В чистом виде они используются в микроколичествах в электронике и электротехнике. Их применяют в основном в качестве легирующих элементов, для нанесения защитных антикоррозионных покрытий. Так серебро употребляют для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Из серебра также делают проволоку для точнейших физических приборов, изготовляют наиболее ответственные клеммы разнообразных реле, серебряными припоями паяют важные детали радиоаппаратуры. Золото служит материалом для транзисторов и диодов. В технике слабых токов чистое золото употребляется для изготовления контактов, электродов фотоэлементов.Золото применяется для изготовления прецизионных контактов, работающих при малом сдавливающем усилии и низком напряжении. Серебро и золото используются в производстве предохранителей особо ответственных приборов. Наибольшее применение они находят в виде сплавов друг с другом, с редкоземельными элементами, с платиной и медью, или тройных с этими же металлами. Для прецизионных измерительных и автоматических управляемых приборов употребляют потенциометры с обмоткой из таких благородных сплавов, состоящих из платины и серебра (30,0 - 40,0 %). В качестве электрических контактов различных ответственных аппаратов используют сплавы палладия с серебром и серебра с медью.Однако последние имеют недостаток, в малонагруженных контактах они корродируют.Легирование серебра медью повышает твердость и стойкость к электрической эрозии, однако в условиях образования дуги богатые медью сплавы непригодны вследствие окисления. Системы серебро - кадмий отличаются высокой эрозионной стойкостью вследствие высокой скорости гашения дуги между контактами за счет паров кадмия и кислорода, однако контакты из этих сплавов требуют больших контактных нажатий. Такой материал, содержащий от 2 до 12 % массы окиси кадмия, получают при нагревании бинарного сплава серебро - кадмий в окислительной среде. Сплавы серебро - магний - никель с добавками золота и циркония Zr удачно сочетают в себе свойства упругого и контактного материалов. Они обладают переходным электрическим сопротивлением таким же, как у серебра. Все это позволяет успешно использовать их как единые детали «контакт-пружина», что весьма ценно в малогабаритных и миниатюрных устройствах. Слаботочные размыкающие контакты из серебра и его сплавов используют в устройствах электронной техники, работающих в бездуговом режиме, в приборах автоматики, в аппаратуре авиационного и морского оборудования. Оксиды серебра электропроводны, однако в атмосфере сероводорода и влаги на контактах образуются непроводящие пленки сульфида серебра. Композиция серебра с окисью кадмия не образует непроводящих окислов и поэтому не требует высоких контактных давлений. Контакты на ее основе наиболее широко используются в низковольтных аппаратах. Они надежны в работе при постоянных высоких токовых нагрузках (300 А, 500 В), обладают повышенной износостойкостью. В процессе эксплуатации такие контакты нельзя зачищать наждачной бумагой. Системы Ag - Ni хорошо поддаются механической обработке, обладают высокой коррозионной устойчивостью, стойкостью к электрическому износу, низким и стабильным переходным сопротивлением также используются. Они применяются при изготовлении контактов для низковольтных аппаратов переменного и постоянного тока. Контакты из композиций серебро - графит стойки к свариванию и механическому износу, отличаются низким и стабильным переходным сопротивлением, но характеризуются повышенным электрическим износом и ограниченной твердостью. Тройные системы серебро - никель - графит применяются в контактах низковольтных аппаратов со значительными токовыми нагрузками и перегрузками. Надежность изделия повышается, если матрицу композиции выполнять с мелкодисперсной структурой. Следует отметить, что контакты из сплавов серебро - никель - графит и серебро - графит употребляются в паре с подобными изделиями на основе систем серебро - никель, так как они имеют повышенную износостойкость.

Распространены контактные сплавы золота с серебром, никелем, платиной и цирконием, которые имеют повышенную твердость, хорошую коррозионную и эрозионную стойкость. Из сплавов золота с платиной делают детали оборудования для получения синтетического волокна, которые по условиям производства должны обладать исключительной стойкостью к воздействию химических веществ.Изделия из систем серебро - вольфрам отличаются более высокой износостойкостью, стойкостью к свариванию и оплавлению. Чаще всего они применяются в качестве контактов высоковольтных масляных выключателей.

Серебро, золото и их сплавы также служат материалами для изготовления твердых припоев. В данном качестве применяются в основном серебро и сплавы на основе серебра, меди и цинка. Последние используют при пайке, когда электропроводность спая не должна уменьшаться по сравнению с таковой основного металла. Припои, содержащие серебро, обладают повышенной тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью, позволяют проводить нагрев различными способами во всевозможных средах. Они хорошо смачивают большинство металлических поверхностей и качественно заполняют зазор. Данные припои подразделяют на легко- и среднеплавкие. Основой серебряных припоев обычно является система серебро - медь. Для изменения температуры плавления, физико-механических и технологических свойств в них добавляют никель (1,0 - 15,0 %), кадмий (4,0 - 15,0 %), олово (2,0 - 36,0 %), марганец (1,0 - 15,0 %) и другие. Особенно широкое применение получили припои ПСр72 - сплав эвтектического состава (71,5 - 72,5 % серебра; 29,5 - 28,5 % меди; при 779 °С) и ПСр40 (39,0 - 41,0 % серебра; 16,0 - 17,4 % меди; 16,2 - 17,8 % цинка; 28,7 - 23,3 % кадмия; 0,1 - 0,5 % никеля), обладающие высокой техничностью и широко применяющиеся при пайке многих металлов и сплавов. Введение в серебряные припои лития (0,2 - 3,0 %) улучшает смачиваемость паяемой поверхности и придает им свойства самофлюсования. Наиболее широко применяется для пайки в печах с вакуумом и защитной атмосферой тонкостенных конструкций припой ПСр92 (91,0 - 93,0 % серебра; 7,6 - 7,8 % меди и 0,20 - 0,42 % фосфора), который, смачивая сталь, не проникает по границе зерен и не снижает механические свойства термически обработанных высокопрочных коррозионностойких сталей (_в>980·10⁶ Па). Так как в составе данного припоя содержится большое количество серебра, он является очень дорогим, поэтому его заменяют припоем с меньшей концентрацией драгоценного металла (24,0 - 25,0 %) - ПСр25Ф. Серебряные припои с медью, оловом, палладием (4,0 - 33,0 %) и индием (3,0 - 30,0 %) обладают сравнительно низким давлением пара, вследствие чего их применяют для пайки вакуумных приборов, изготовляемых из меди и стали. Введение большого количества олова (до 36,0 %) уменьшает температуру начала плавления припоя, позволяет паять неоднородные материалы, имеющие различные тепловые коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) без образования трещин и больших остаточных напряжений. Кадмий (10,0 - 40,0 %) и цинк (10,0 - 40,0 %) сильно снижают температуру плавления, повышают жидкотекучесть и пластичность припоев. Палладий и золото, вводимые в сплавы серебра в качестве компонентов, значительно увеличивают их коррозионную стойкость, пластичность, электро- и теплопроводность, а также способствуют растеканию их по паяемой поверхности. Припоями этой группы можно паять никелевые, углеродистые стали, вольфрам и молибден. Олово,сурьму (10,0 - 40,0 %) и висмут (0,03 - 0,25 %) добавляют для снижения температуры плавления и увеличения коррозионной стойкости. Сплавы, содержащие сурьму, имеют температуру полного расплавления 425 -660 °С. Их используют при пайке слабонагруженных медных изделий.

Припои, содержащие медь, никель и цинк, обладают повышенной жаростойкостью и механической прочностью паяных соединений. При наличии марганца они становятся кислотостойкими. Незначительная добавка лития и индия в серебряные припои делает их самофлюсующимися и позволяет вести пайку изделий из титановых и коррозионно-стойких сталей в защитной среде без флюса.

При пайке чугуна и спеченного карбида вольфрама серебряные припои с медью, цинком и кадмием плохо смачивают их поверхность, и полученные соединения обладают незначительной прочностью. Добавка в такие припои никеля и марганца значительно увеличивает прочность соединения на срез.

Легирование серебряных припоев на медной основе фосфором (от 5,0 до 8,0 %) делает их более легкоплавкими и повышает вязкость паяного соединения. Эти припои пригодны для пайки закрытых соединений, где удаление остатков флюса невозможно. Припои этой группы применяют для пайки аппаратуры, работающей в условиях колебания температур, но они совершенно непригодны для получения соединений, подвергающихся после пайки деформации.

Чистoeзолото и его сплавы с серебром (от 2,0 до 40,0 %) и медью (от 7,0 до 33,0 %) широко применяют в электронной промышленности, в ювелирном деле, при пайке изделий из молибдена, соединений графита с металлом, пайке вакуумной аппаратуры. Золотые припои обладают пластичностью, коррозионной стойкостью, теплопроводностью и рядом других положительные свойств, однако из-за высокой их стоимости используются только там, где это оправдано (пайка вакуумных приборов, электроконтакты и т. д.). Для снижения температуры плавления и создания определенных технологических и других свойств в меднозолотые и медносеребряные припои добавляют кадмий (2,0 - 10,0 %), цинк (2,0 - 10,0 %), палладий (5,0 - 10,0 %), сурьму (до 1,0 %), никель (0,2 - 22,0 %) и индий (до 20,0 %). Припои с индием отличаются хорошей смачиваемостью стекла и применяются для соединения стекла с металлом. Смеси порошков золота и серебра с галлием служат припоем для диффузионной пайки металлов и сплавов. В процессе паяния при высокой температуре в вакууме, в печах с защитной средой используют золотые припои с палладием. Припои этой группы применяют при изготовлении тяжело нагруженных изделий, работающих в вакууме. Сплавы золота при содержании 12,0 % германия и 6,0 % кремния пластичны и плавятся соответственно при температурах 360 и 370 °С. Для пайки золотых изделий применяют припой следующего состава: 46,0 % золота; 32,0 % сурьмы; 18,0 % цинка; 3,0 % кремния и 1,0 % никеля. Он имеет сравнительно низкую температуру плавления (590 °С), хорошо растекается и не разъедает паяемый металл. Припой с более высокой температурой плавления (740 °С) ЗЛСрМ-583-80 содержит 58,0 % золота; 13,0 - 14,0 % серебра; 10,0 % кадмия; 5,0 - 6,0 % цинка; 13,0 - 14,0 % меди. В отдельных случаях для монтажной пайки высокопрочных, коррозионно-стойких сталей применяют золотые припои с никелем. Минимальная температура плавления этих сплавов (при 17,5 %Ni) составляет 950 °С. Сплавы золота с никелем и хромом получили широкое применение в ракетостроении для пайки изделий, работающих при повышенных температурах там, где от паяных соединений требуются высокие механические и жаропрочные свойства.