Контрольные вопросы:

1. Какие свойства цветных металлов, используемых в технике, дают им предпочтение перед черными металлами и сплавами и в каких случаях?

2. Охарактеризуйте основные свойства (физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные) алюминия.

3. Что представляют собой деформируемые алюминиевые сплавы? Назовите основные.

4. Что представляют собой литейные алюминиевые сплавы? Назовите основные.

5. Для каких целей могут быть использованы дюралюмины? Каковы их свойства?

6. Что такое магналии? Каковы их основные свойства? Где применяются?

7. Что такое силумины? Каковы их основные свойства? Где применяются?

8. Охарактеризуйте порошковые алюминиевые сплавы. Каковы их свойства? Где применяются?

6.2. Медь и ее сплавы

Содержание меди в земной коре сравнительно невелико – 0, 004 до 0,007%(по массе), что в 1000 раз меньше чем алюминия.

Главные источники меди – медистые песчаники и руды. Руды в зависимости от характера входящих в них соединений, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды (медный блеск Cu₂S, медный колчедан CuFeS₂, кислородосодержащий малахит (CuOH)₂CO₃ и др. имеют наибольшее значение, так как из них выплавляется около 90% меди.

В Оренбургской области сосредоточено 76% запасов меди. Богатейшим считается Галльское месторождение. На его основе работает ОАО Галльский горно-обогатительный комбинат по добыче занимающий 2 место в России

Медные месторождения встречаются на Камчатке, Курильских островах и Корякском нагорье. Медной провинцией является Урал, здесь имеются многочислен­ные богатые зарождения медно-колчедановых и медно-цинковых руд. Большие запасы меди разрабатываются в районе Норильска.

Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 29, атомная масса 63,55. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая, не имеет полиформизма. Медь имеет два стабильных изотопа ⁶³ Cu и ⁶⁵ Cu.

Металл красного (в изломе розового) цвета, ковкий и мягкий, хороший проводник тепла (теплопроводность 3,9*10² Вт/(м*К) и электричества (удельное сопротивление 1,7 *10^-8 Ом*м); плотность 8,92*10³ кг/м³, температура плавления - 1083°С, температура кипения - 2567⁰ С, коэффициент линейного расширения 16,4*10^-6 1/К. Медь диамагнитна.

Медь химически малоактивна. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях не окисляется. Но с кислородом реагирует легко, образуя два оксида Cu₂O красного цвета и CuO черного цвета. С водородом, азотом, углеродом не взаимодействует даже при высоких температурах. Достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют. В атмосфере, содержащей СО₂ пары Н₂О и др., покрывается патиной - зеленоватой пленкой основного карбоната (ядовита).

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах: органических кислотах, едких щелочах, кислых растворах хромовых солей.

Примеси снижают тепло- электропроводность, пластичность, коррозионную стойкость. Поэтому в электротехнической промышленности применяют в основном металл высших сортов не менее 99,9% меди. Это основной материал для проводов. Холодная пластическая деформация увеличивает прочность, твердость и упругость меди, но снижает пластичность и электропроводность. Обладает хорошими технологическими свойствами: прокатывается в тонкие листы и ленту, из нее производят микропроволоку. Медь хорошо полируется, паяется, сваривается. Медь является художественным материалом. Изделия из меди отличаются красотой золотистых или красноватых тонов. Она имеет свойство обретать блеск при шлифовке, медь золотят, патируют, тонируют, украшают эмалью.

К неудовлетворительным свойствам можно отнести плохую обрабатываемость резанием, низкую жидкотекучесть, высокую плотность.

Чистая медь широко используется в электротехнике, в различного рода теплообменниках.

Кроме нужд тяжелой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество меди (главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве искусственного шелка. Медь необходимый для растений и животных микроэлемент.

Медь как художественный материал используется с медного века (украшения, скульптура, утварь, посуда).

Около 30 – 40% меди используется в виде различных сплавов (латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы и др.).

Медные сплавы – первые металлические сплавы, созданные человеком. Примерно до средины 20 века они занимали первое место среди сплавов цветных металлов, а затем уступили место алюминиевым.

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

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. В зависимости от количества цинка меняется цвет латуни и ее механические свойства. В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозийной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением).

Двойные латуни маркируются буквой «Л» (латунь) и цифрой, показывающей среднее со­держание меди в процентах, например Л63. Латуни с содержанием более 90% меди на­зывают томпаком (Л96), при 80-90 % меди - полутомпаком (Л90, Л80).

Медно-цинковые сплавы легированные несколькими элементами называются специальными или сложными латунями. В марках легированных латуней кроме цифры, показывающей содержа­ние меди, даются буквы и цифры, образующие название и количество в процентах легирующих элементов. Например, ЛАН 59-3-2, содержит: 59% меди, 3% алюминия, 2% никеля.

К наиболее распространенным легирующим элементам относятся алюминий, олово, никель, кремний.

Латуни всех марок стойки в пресной воде и весьма стойки в сухом паре. В среде аммиака латуни не стойки и имеют относительную стойкость в воде, содержащей хлористые соли.

«Автоматная» латунь ЛС59-1» используется для изготовления деталей, в том числе метизов (винтов, болтов, гаек, шайб и др.), на станках-автоматах.

Латуни подразделяют на деформируемые и литейные в зависимости от технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Деформируемые латуни используются при производстве изделий и полуфабрикатов с различными способами обработки металлов давлением. Это латуни типа Л90(томпак), Л80 (полутомпак) и сложные латуни ЛАЖ-1-1 (алюминиежелезные латуни), «Автоматная» латунь ЛС59-1» и т.д. Выпускают их в виде полуфабрикатов – проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Они широко применяются в химическом машиностроении. Деформируемые латуни значительно упрочняются при обработке давлением; разупрочнение достигается отжигом при 600° С.

Литейные латуни используют для фасонного литья. В основном применяют сложнолегированные сплавы. Легирующие элементы по-разному влияют на литейные свойства сплавов. Так, железо и марганец снижают жидкотекучестъ латуни, а олово (до 2,5%) ее повышает. Алюминий и кремний (в отдельности) повышают жидкотекучесть двойных латуней. Для литья арматуры используют кремнистую латунь ЛЦ16К4, а втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников льют из свинцовой латуни ЛЦ40С. Латуни имеют лучшие литейные свойства, чем бронзы, температура плавления их ниже.

Из высокотехнологичных латуней получают изделия глубокой вытяжкой (радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги). Латуни, содержащие свинец, используют при работе в условиях трения (в часо­вом производстве, в типографских машинах).

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называются бронзой. Бронзовые изделия начали изготавливать еще во втором веке до н.э. Бронза обладает высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характеристик и придания особых свойств, бронзы легируют железом, никелем, титаном, цинком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля пластичности, железа - прочности, цинка - улучшению литейных свойств, свинца - улучшению обрабатываемости.

Маркируют бронзы буквами Бр, затем буквами последовательно указывают легирующие элементы и в конце их содержание в сплаве.

Например, БрОФ6,5-0,4 содержит 6,5% олова и 0,4% фосфора, Сu - остальное. Обозначение элементов в бронзах то же, что и при маркировке латуней. Кроме того, фосфор обозначают буквой Ф, цинк - Ц, хром - X, бериллий - Б, цирконий - Цр. Маркировка литейных бронз начинается также с букв Бр, а дальше производится аналогично обозначению литейных латуней. Например, БрОЗЦ12С5 содержит 3% олова, 12% цинка и 5% свинца.

В зависимости от основного легирующего элемента различают более 10 типов бронз – алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, марганцевые и т.д.

Оловянные бронзы содержат в среднем 4-6% олова, имеют высокие механические, антифрикционные и антикоррозийные свойства; хорошо отливаются и обрабатываются резанием. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные, механические и антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы.

Деформируемые бронзы поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т.д. При дополнительном легировании фосфором их используют для изготовления деталей, работающих на трение в коррозионной среде: подпятники, подшипники, уплотняющие втулки, пояски поршневых колец, клапаны.

Литейные оловянные бронзы содержат большое количество олова (до 15%), цинка (4-10%), свинца (3-6%), фосфора (0,4-1,0%). Литейные бронзы применяют для получения различных фасонных отливок. Оловянные бронзы применяют для литья художественных изделий.

Высокая стоимость и дефицитность олова — основной недостаток оловянных бронз.

Безоловянные бронзы содержат алюминий, железо, марганец, бериллий, кремний, свинец или различное сочетание этих элементов.

Алюминиевые бронзы содержат 4-11% алюминия. Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозийную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Они также делятся на деформируемые и литейные. Эти бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии. Бронзы, содержащие 9-11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (закалка и отпуск).

Из них изготавливают детали химических аппаратов, высокотемпературную арматуру, подшипники скольжения.

Алюминиевые бронзы часто используются в качестве заменителей оловянных. Высокопрочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, подшипников, пружин, деталей. Из алюминиевой бронзы делают монеты.

Следует отметить, что хотя алюминиевые бронзы и имеют хорошие литейные свойства, однако при литье часто образуются усадочные раковины.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частности, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворительной электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются. Широко известны бронзы, содержащие 1,6—2,6% Ве, 0,2— 0,5 Ni, 0,1—0,25% Тi (БрБ2; БрБ2,5; БНТ-1,9; БНТ-1,7), где цифры указывают содержание бериллия в масс. %).

Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой со старением. Бронзы БрБ2 и БрБ2,5 после закалки и старения обладают высокой прочностью но малой пластичностью. Эти свойства делают их весьма ценными для изготовления упругих элементов – токоведущих пружин, мембран, пружинных контактов, чувствительных элементов точных приборов, пружин всех типов.

Хромовые бронзы (БрХО,5) обладают высокими механическими свойствами, хорошей электро- и теплопроводностью. Бронзы содержат 0,4—1% Сг; 0,2% Аg. Серебро повышает механические свойства и температуру рекристаллизации бронз. Бронзы упрочняются закалкой в воде и последующим старением. Хромовые бронзы применяют в двигателестроении (внутренний кожух ЖРД, держатели форсунки и др.).

Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии и сохраняют механические свойства при повышенных температурах. Сплавы хорошо подвергаются пайке и сварке.

Они используются для производства паровой арматуры.