7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы

Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Медь обладает хорошими технологическими свойствами, прокатывается в тонкие листы и ленту, паяется, сваривается, из нее получают тонкую проволоку, монтажные и обмоточные провода. Недостатки – большая плотность, низкая жидкотекучесть, относительно низкие прочностные свойства, _в порядка 200…250 МПа для мягкой отожженной меди марок ММ. В состоянии нагартовки твердая медь марок МТ _в достигает 300 МПа, достигая 450 МПа у сильно деформированной, но снижается при этом пластичность.

По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu). Хорошую теплопроводность меди используют в различных теплообменниках.

Из меди марок М00, М0, М1 по ГОСТ 193-79 изготавливают медные слитки. Из медных слитков этих марок и медного сплава с серебром марки МС 0,1 (0,1% серебра, примесей не более 0,1%, остальное медь) для пластин коллекторов электрических машин, электроприборов изготавливают профили трапецеидальной формы со специальными размерами [4,6,8].

Большое практическое применение находят сплавы меди с цинком (латуни), оловом или другими металлами (бронзы), никелем (медно-никелевые сплавы).

Латуни по структуре представляют твердый раствор цинка в меди, и подразделяют на однофазные (до 30% Zn) и двухфазные. С увеличением доли цинка в сплаве прочность его повышается , но снижается пластичность, улучшается обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют от 20…50% от характеристик меди. Примеси повышают твердость и снижают пластичность. При 45% Zn латунь отличается высокой хрупкостью.

Латуни, сохраняя положительные свойства меди (высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость) обладают хорошими механическими, технологическими свойствами. По технологическим свойствам латуни подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные, на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Прочностные параметры деформируемых латуней определяются значениями _в ~ 260…420 МПа; _0,2 ~ 90…200 МПа по ГОСТ 15527-70;  ~ 25…60%; для литейных– _в ~ 200…700 МПа;  ~ 7…20% по ГОСТ 17711-93.

Для получения требуемых свойств латуни легируют растворимыми в меди элементами: Sn (повышает коррозионную стойкость в морских условиях); Pb (улучшает обрабатываемость резанием, повышает антифрикционных свойств); Mn, Fe, Al (повышают прочность); Al (повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях); Si (повышает теплостойкость), и другими.

Латуни, как и бронзы, маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов, и цифры для указания их среднего процентного содержания в сплаве. В медных (а также в алюминиевых и магниевых) сплавах буквенные обозначения отличается от принятых для сталей. Алюминий обозначают буквой А; бериллий – Б; железо – Ж; кремний – К; медь – М; магний – Мг; мышьяк – Мш; никель – Н; олово – О; свинец – С; серебро – Ср; сурьма – Су; фосфор – Ф; цинк – Ц; цирконий – Цр; хром – Х; марганец – Мц, кадмий—Кд.

Латуни маркируют буквой Л. В деформируемых латунях за буквой Л ставят цифры, показывающие среднее содержание меди: Л68, Л90 – соответственно 68% и 90% Cu, остальное цинк. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем цифры, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента, например: ЛЖМц 59-1-1 (Cu 59%, Ж-1%; Мц-1%).

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающий его. Например, ЛЦ40 (Zn 40%), ЛЦ14К3С3 (14% Zn; 3% Si; 3% Pb). Литейные латуни обычно содержат большее количество примесей.

К недостаткам латуни можно отнести высокую плотность, низкую износостойкость в условиях сухого трения, склонность к трещинообразованию при низких температурах (при содержании Zn>10%), коррозионное растрескивание («сезонное» растрескивание) при содержании Zn>20%. Устраняется отжигом.

Термомеханическая обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает в сильно легированных латунях повышение _в до 1000 МПа.

Применяют латуни для изготовления деталей арматуры, мелких деталей приборов, сильфонов, трубопроводов, осей, втулок, крепежа. Прокат выпускают как холодный, так и горячий различного сортамента. Примеры обозначения марки латуни и сортамента в технической документации:

ЛЦ40Мц3А ГОСТ 17711-80 –

латунь литейная, содержащая 40% Zn; 3% Мц; 1% Al;

Лента ДПРНП 0,1815 Л63АМ ГОСТ 2208-75 –

лента холоднокатаная (Д), прямоугольного сечение (ПР), нормальной точности (Н), полутвердая (П), толщина 0,18 мм, ширина 15 мм, из латуни марки Л63, антимагнитная (АМ).

Примечание: если прокат изготовлен без требований к точности и состоянию материала, то после символа, указывающего форму поперечного сечения (ПР) ставится символ «Х» или «ХХ» соответственно.

Бронзой первоначально называли сплав меди с оловом. В настоящее время бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и т.д. С увеличением содержания олова в бронзе повышается твердость и хрупкость, снижается пластичность. Практическое значение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги.

Бронзы обладают высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной устойчивостью, немагнитны, у них высокая тепло- и электропроводность, хорошие антифрикционные, литейные свойства. Для получения тех или иных превалирующих свойств бронзы легируют. Бронзы также подразделяют на деформируемые и литейные. Их обозначают буквами Бр, за которыми ставят буквы и цифры. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем цифры, указывающие их процентное содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% Al, 4% Fe, остальное Cu. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО3Ц12С5 содержит 3% Sn, 12% Zn, 5% Pb, остальное Cu.

Оловянные бронзы легируют Zn (повышение механических свойств, жидкотекучести, плотности структуры, способности к сварке, пайке), Pb (улучшение обрабатываемости резанием, антифрикционные свойства), P (повышение жидкотекучести, износостойкости, предела упругости и выносливости, предела прочности). Оловянные бронзы имеют самую меньшую усадку среди медных сплавов, поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Механические свойства деформируемых оловянных бронз составляют: _в ~ 350…400 МПа; _0,2 ~ 100…250 МПа;  ~ 40…65%; E ~ 75…110 ГПа по ГОСТ 5017-74; для литейных бронз: _в ~ 150…270 МПа; _0,2 ~ 100…200 МПа;  ~ 4…10%; E ~ 80…100 ГПа по ГОСТ 613-79. Используют оловянные бронзы для изготовления плоских и круглых маломоментных спиральных пружин, в электротехнике для токопроводящих деталей, растяжек, деталей часов, и другие.

Алюминиевые бронзы отличаются от оловянных высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами, меньшей стоимостью, некоторыми технологическими свойствами (например, жидкотекучестью, большей герметичностью). Но имеют большую усадку. Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) имеют хорошую пластичность. Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. Предел прочности у них может достигать _в = 600 МПа, и твердость HB > 100. Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиевых бронз. Бронза БрАЖН10-4-4 имеет: _в=650 МПа;  = 35%; 450 HB, из нее изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400…500 єС): седла, направляющие втулки клапанов, шестерни, детали насосов. Часто вместо дорогостоящего никеля используют марганец.

Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими антифрикционными свойствами, высокой электропроводностью (до 95% от электропроводности меди). Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Выпускаются в виде лент, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок применяются редко. Кремнистые бронзы часто используют как более дешевые заменители бериллиевых бронз.

Бериллиевые бронзы характеризуются очень высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Их подвергают упрочняющей термообработке – закалке и искусственному строению. Эти бронзы относятся к дисперсионно-твердеющим сплавам, у них при понижении температуры концентрация перенасыщенного  - твердого раствора значительно уменьшается и образуется метастабильная фаза. В результате закалки при температуре 780^°С бериллиевые бронзы приобретают пластичность, а после старения при температуре 300…350^°С – достигается следующих значений механических свойств для бронзы БрБ2: _в = 1250 МПа; _0,2 = 1000 МПа;  = 2,5%; твердость 700HB; E = 133 ГПа. Бериллиевые бронзы теплостойки до температуры 300^°С обладают высокой тепло- и электропроводностью , при ударах не образуют искр. Выпускаются в виде полос, лент, проволоки, из них можно получать качественные фасонные отливки. Бериллиевые и кадмиевые бронзы применяются для изготовления упругих элементов приборов (различные пружины , пружинные контакты, мембраны), щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, коллекторных пластин; деталей, работающих на износ (кулачки, шестерни, подшипники) и другие.

Основной недостаток бериллиевых бронз – высокая стоимость. Легирование их Mg, Ni, Ti, Co позволяет снизить содержание бериллия без заметного снижения механических свойств (бронза БрБНТ1,7 и другие).

Медно-никелевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, механической прочностью, высоким удельным электрическим сопротивлением. Применяются в приборостроении как конструкционный материал, и как сплавы с высоким удельным сопротивлением – не менее 0,3 мкОмм.

Нейзильбер, сплав МНЦ15-20 (Ni 15%; Ц 20%, остальное Cu), мельхиор МН19(Ni 19%) по коррозионной стойкости превосходит латунь, в мягком состоянии пластичны, предел прочности в зависимости от термообработки колеблется в пределах _в ~ 300…1000 МПа. Применяют для изготовления контактных пластин, колец скользящих токоподводов, сетки, медицинского инструмента, технических резисторов.

Монель-металл, сплав НМЖМц 28-2,5-1 (Cu 28%, Fe 2,5%, Мц 1%) обладает магнитными свойствами, коррозионностойкий (может работать без покрытий), имеет малый коэффициент трения. Применяют для изготовления магнитных шунтов в измерительных приборах, поршней цилиндров, демпферов различных устройств. Но монель не выдерживает контакта с менее благородными металлами, так как возникает электрохимическая коррозия и разрушение менее благородного металла.

Сплавы константан МНМц 40-1,5 (Ni 40%; Мц 1,5%) и манганин МНМц 3-12 (Ni 3%; Мц 12%) имеют низкий температурный коэффициент удельного сопротивления, высокое удельное сопротивление ( порядка 0,46…0,47 мкОмм для константана, и   0,48 мкОмм для манганина) и находят применение при изготовлении прецизионных проволочных резисторов. Они пластичны, из них изготавливают проволоку диаметром 0,02…0,05 мм и более. Манганин обладает малой величиной термоэдс в паре с медными проводами. У константана величина термоэдс в паре с медью достигает 40 мкВ/^°С, он используется также как материал для термопар.

Медно-никелевый сплав копель (Cu 56,5%, Ni 43,5%) имеет наибольший электродный потенциал из всех Cu-Ni сплавов и применяется в качестве отрицательного электрода термопар.

Примеры обозначения марок сплавов и сортамента на основе меди в технической документации:

Пруток ДКВНХ-20НД-БрКМц3-1 ГОСТ 1628-78 –

пруток бронзовый тянутый (Д), квадратный (КВ), нормальной точности (Н), без предъявления требований к состоянию материала (Х), сторона квадрата 20 мм, немерная длина (НД), из кадмиевой бронзы марки БрКМц3-1, без особых требований (не проставляется);