Глава 5 медь и медные сплавы

Основная литература к главе 5.

1. Воздвиженский В.М., Грачёв В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение , 1984. 432 с.

2. Галдин Н.М. Справочник. Цветное литьё. М.: Машиностроение. 1989.

3. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. и др. «Производство отливок из сплавов цветных металлов». Учебник для вузов. 2-е издание, дополненное и переработанное. М.: МИСиС, 1996.

4. Лабораторные работы по технологии литейного производства: учебное пособие для студентов вузов по специальности: «Литейное производство чёрных и цветных металлов» / А.В.Курдюмов, А.М.Михайлов и др. М.: Машиностроение, 1990г.

5. Милицин К.Н., Ловчиков В.С., Суворов А.М. «Плавка и литьё цветных металлов и сплавов». М.: «Металлургиздат». 1956 г.

6. Могилёв , Лев .

7. МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия. Т. 111-2.М.: Машиностроение. 1996г.

8. МЕТАЛЛЫ и СПЛАВЫ. Справочник Санкт-Петербург. 2003г.

9. Орлов Н.Д., Чурсин В.М. Справочник литейщика. Фасонное литьё из сплавов тяжёлых цветных металлов. М.: «Машиностроение». 1971 г.

10. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: «Металлургия». 1974 г.

11. Журнал. «Библиотечка литейщика» №1. 2004 г. Справочные данные. Металлы. МЕДЬ.

12. Колачёв Б.А., Елагин В.И, Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: «МИСиС», 2005. – 432 с.

13. Чернышов Е.А. Литейные сплавы и их зарубежные аналоги: Справочник

/ Е.А.Чернышов – М.: Машиностроение, 2006. – 336 стр.

14. Трухов А.П. Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ. высш. учеб. заведений /А.П.Трухов, А.И.Маляров. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 336 с.

5.1. Медь. Общие сведения.

Медь и её сплавы были известны человечеству с древнейших времён и в настоящее время имеют широкое применение в промышленности.

Общее содержание меди в земной коре составляет 0,01%. Медь получают из руд т.н. пирометаллургическим способом. Сначала получают в печах медные штейны, содержащие 20-45% меди (Cu2S). Затем штейны в расплавленном виде продувают воздухом и разливают на аноды (черновая медь), содержащие 1,5% примесей. Для восстановления растворённого в расплаве черновой меди оксида (Cu2О) расплав «дразнят» сырой древесиной и разливают на плоские слитки «аноды». Далее аноды подвергают электролизу и получают катодную медь, которая является основным шихтовым материалом для получения бронз и латуней.

Медь – металл красного (в изломе розового цвета), относится к металлам тяжёлым (плотность – 8,89 г/см³). Температура плавления- 1083ºС, температура кипения- 2595 ºС, медь имеет гранецентрированную кубическую решётку. Медь диамагнитна, не имеет полиморфных превращений. Температура литья- 1150-1250 ºС. Медь имеет высокую электропроводность (2-е место после серебра). По электропроводности медь принята за эталон. Медь обладает также высокой теплопроводностью, хорошо обрабатывается давлением, как в холодном, так и в горячем состоянии. Теплота плавления меди составляет 205 Дж/г, что почти в 2 раза меньше, чем алюминия. Механические свойства меди зависят от чистоты. Прочность меди при растяжении – литое состояние 18-22кг/мм², отожжённое - 20-28 кг/мм², деформированное - 40-60 кг/мм², относительное удлинение –35 - 60% (мягкая). Твёрдость – 45 НВ (мягкая, отожжённая), 110НВ (твёрдая, в литом состоянии). Удельная прочность – 4-6 км. По объёму производства среди цветных металлов медь занимает 2-е место после алюминия. Более 50% производимой меди используется в электротехнике и электронике; 30-40% идёт на изготовление медных сплавов. Высокую теплопроводность меди используют при изготовлении кристаллизаторов при непрерывном и полунепрерывном литье металлов (печи ЭШП, электронно-лучевые, плазменные установки, «холодные» тигли и др.). Медь применяют при изготовлении литых фурм для доменных и кислородно-конверторных печей. Медь обладает хорошей коррозионной стойкостью. На воздухе при наличии влаги и СО2 медь медленно окисляется, покрываясь плёнкой «патины» зелёного цвета (CuCO3). Эта плёнка в некоторой степени защищает медь от дальнейшего окисления. Она устойчива в пресной и морской воде, на воздухе и ряде агрессивных сред. Медь растворяется в минеральных кислотах, в частности, в азотной и горячей концентрированной серной кислоте. Разбавленные серная и соляная кислоты на медь не действуют. Медь сохраняет высокие механические свойства при пониженной температуре, поэтому применяется в криогенной технике. Медь хорошо полируется, сваривается, паяется. К недостаткам меди относятся её высокая дефицитность, большая стоимость, большая плотность, невысокая удельная прочность, особенно при повышенных температурах, невысокие литейные свойства (пониженная жидкотекучесть, большая линейная и объёмная усадка, горячеломкость). Медь плохо обрабатывается резанием, но особых затруднений при механической обработке не возникает.

Медь является дефицитным металлом, поэтому при разработке технологии изготовления отливок следует обратить особое внимание на создание экономичных технологических процессов.

Отечественная промышленность выпускает 11 марок меди (ГОСТ 859-2001), отличающихся количеством примесей: М00к, М0к, М1к, М00б, М00, М0, М1ф, М1, М1р, М2, М2р, М3, М3р (к - катодная медь, б - бескислородная медь, р – раскисленная медь). Все примеси снижают электропроводность, поэтому медь повышенной чистоты (М00к, М0к, М1к) применяют для изготовления проводников тока, для пластической деформации и в качестве шихты при получении наиболее ответственных деталей.

Медь марок М2 и М3 применяется для получения литейных сплавов на медной основе обычного качества.

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТА МЕДИ

По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы.

К первой группе относятся металлы, хорошо растворимые в твёрдой меди (Al, Fe, Ni, Mn, Zn, Аg, Au, Pt, Cd, Sb), не ухудшают механических свойств меди, но все примеси снижают электропроводность.

Вторая группа это элементы, практически не растворимые в твёрдой меди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Рb). Эти примеси обычно отрицательно влияют на механические свойства меди. Свинец и висмут даже в незначительном количестве (до 0,005%) затрудняют горячую и холодную прокатку меди. Эти металлы не растворяются в меди и располагаются по границам зёрен, образуя легкоплавкие прожилки, что приводит к красноломкости. Содержание висмута должно быть не более 0,001 %.

Свинец больше, чем висмут снижает электропроводность, но меньше ухудшает механические свойства. Свинец улучшает обрабатываемость резанием, т.к. делает стружку более ломкой. Помимо этого, свинец улучшает антифрикционные свойства меди и её сплавов.

Третью группу составляют неметаллические элементы, образующие с ней химические соединения (О, S, Р, Se, Тe, Аs и др.).

К четвёртой группе относятся элементы, сильно отличающиеся по строению и свойствам от меди (Hg, Na, O, Ti, S, U, V, Pb, Se, Te), полностью не смешиваются с ней даже в жидком состоянии.

Кислород практически не растворяется в твёрдой меди. При 100ºС в меди растворимость кислорода составляет 0,005%. При затвердевании кислород выделяется из раствора в виде эвтектики Cu- Cu2О, располагающейся по границам зёрен, снижает пластичность и коррозионную стойкость меди, вызывает пористость отливок. Кислород затрудняет также пайку, сварку и лужение меди. Медь не должна содержать кислорода более 0,05% (до 0,45% CuO2). При содержании >0,1% кислорода образуются хрупкие включения закиси меди, которые существенно понижают её пластические свойства и делают медь склонной к «водородной болезни» – образованию трещин в изделиях при работе в атмосфере водяного пара. Медь легко разрушается при горячей обработке давлением.

Примеси с малой растворимостью либо выделяются в виде самостоятельных фаз, либо образуют хрупкие эвтектические включения по границам зёрен, что ухудшает механические свойства и снижает электропроводность меди.

Особенно сильно снижают электропроводность меди P, As, Al, Sn.

Сурьма, хотя и входит в твёрдый раствор, также затрудняет обработку меди давлением (снижает пластичность) и снижает электро- и теплопроводность.

Цинк, никель, мышьяк до 0,1% почти не ухудшают пластичность меди, но снижают её электропроводность.

Олово снижает электропроводность и пластичность меди.

Алюминий, марганец, железо в небольших количествах почти не оказывают вредного влияния на свойства меди.

Алюминий повышает коррозионную стойкость меди, резко уменьшает её окисляемость при нормальной и повышенной температурах. Однако алюминий оказывает отрицательное влияние на способность к пайке и лужению меди, он также снижает электро- и теплопроводность меди.

Железо незначительно растворяется в меди (при 635º С – до 0,15%), измельчает структуру, повышает прочность, снижает пластичность, теплопроводность и электропроводность меди, снижает также коррозионную стойкость.

Фосфор даёт с медью прочное химическое соединение Cu3Р с температурой плавления 1030º С, снижает электропроводность, но повышает жидкотекучесть и улучшает свариваемость меди, повышает механические свойства. Фосфор применяют для раскисления меди.

Сера, селен и теллур образуют с медью эвтектическую смесь, выделяющуюся по границам зёрен, и снижают её пластические свойства при обработке давлением. Сера улучшает обрабатываемость резанием. Содержание серы ограничивают 0,01%.

Кремний улучшает механические свойства меди. Кремний резко снижает температуру плавления меди, повышает жидкотекучесть.

Водород является особенно вредной примесью. Водород растворим в жидкой меди (8,1 см³ в 100 г. при 1200ºС) и в твёрдой меди (0,06 см ³ в 100г при 400ºС). Если медь нагревают в атмосфере, содержащей водород, особенно, если медь содержит кислород, атомы водорода диффундируют в глубь металла, восстанавливают оксид меди (Cu2O + H2 = 2Cu + H2O). Пары воды создают высокое давление и образуют разрывы и вздутия, приводящие к трещинам. Это явление называют «водородной болезнью» меди. Водород вызывает пористость в отливках.

Бериллий в ряде случав применяется как раскислитель. Примесь бериллия незначительно сказывается на электропроводности меди и повышает коррозионную стойкость меди при высоких температурах.