Основы > Электротехнические материалы > Проводниковые материалы
МЕДЬ
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси С
u
О, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ S0
2
, сероводород H
2
S, аммиак NH
3
, окись азота NО, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди (рис. 8-1), делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и M1) по ГОСТ 859-66, химический состав которых приведен в табл. 8-1.
В табл. 8-1 не указана бескислородная медь марки М00 (99,99% Си), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и M1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. По проводимости медь М00 не отличается от меди М0 и M1. Медь повышенной чистоты широко используется в электровакуумной технике.
Примеси Bi и Р
b
в больших количествах, чем указано в табл. 8-1, делают невозможным горячую прокатку меди. Сера не вызывает горячеломкость меди, но повышает ее хрупкость на холоде. Примеси в небольших количествах Ni, Ag, Zn и Sn не ухудшают технологических свойств, повышая механическую прочность и термическую стойкость меди.
Кислород как примесь в малых дозах, не затрудняя заметно прокатку, несколько повышает проводимость меди, так как находящиеся в меди другие примеси в результате окисления выводятся из твердого раствора, где они наиболее сильно влияют на снижение проводимости металла.
Повышенное содержание кислорода снижает проводимость и делает медь хрупкой в холодном состоянии, поэтому в электротехнических марках меди присутствие кислорода ограничивается (табл. 8-1). Медь, содержащая кислород, подвержена также водородной болезни. В восстановительной атмосфере закись меди восстанавливается до металла. Во время реакций, идущих с образованием водяных паров, в.меди появляются микротрещины.
Рис. 8-1. Влияние примесей на электрическую проводимость меди.
Таблица 8-1 Химический состав проводниковой меди (ГОСТ 859-66)
Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, пресования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При холодной обработке давлением прочность меди в результате обжатия (наклепа) растет, а удлинение падает, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160-200 °С, после чего из-за процесса рекристаллизации происходят разупрочнение и резкое падение твердости наклепанной меди. Чем выше степень обжатия при холодной обработке, тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.
При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются. Физические и технологические свойства меди приведены в табл. 8-2.
Влияние температуры отжига на механические свойства и электрическую проводимость меди представлено на рис. 8-2.
Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.
Согласно ГОСТ 434-71 число твердости Бринелля твердых лент
при испытании шариком диаметром 5 мм, нагрузке 2500 Н и выдержке 30 с.
В зависимости от рабочей температуры механические свойства меди представлены в табл.8-3.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07-0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и другими элементами.
В настоящее время медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.
Таблица 8-2 Физические и технологические свойства меди
Свойства |
Состояние |
Показатель |
Температура плавления, °С |
1083±0,1 |
|
Плотность, кг/м3 |
При 20 °С |
8930 |
Температурный коэффициент линейного расширения, |
В интервале 20-100 °С |
|
Теплопроводность, Вт/(м °С) |
375-380 |
|
Удельное электрическое сопротивление при +20 °С (мягкая проволока), мкОм м |
Обусловленное ГОСТ 2112-71 |
0,01724 |
То же (твердая проволока) |
То же |
0,0180-0,0177 |
Температурный коэффициент сопротивления, |
При 0-150 °С |
0,00411 |
Температура горячей обработки, °С |
Твердое |
900-1050 |
Температура начала рекристаллизации, °С |
Наклепанное |
160-200 |
Травитель для полуфабрикатов, % |
H 2 SO 4 |
|
Атмосфера при плавлении |
Восстановительная |
|
Температура литья, °С |
1150-1200 |
|
Температура отжига, °С |
500-700 |
|
Температура кипения, °С |
2300-2590 |
|
Теплота плавления, Дж/кг |
||
Теплота испарения, Дж/кг |
5400 |
|
Объемная усадка, % |
При кристаллизации |
|
Отношение электрического сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой меди |
При плавлении и кристаллизации |
2,07 |
Потенциал выхода электронов, В |
4,07-2,61 |
|
Термо-э.д.с. относительно платины, мВ |
0,15 |
|
Рис. 8-2. Влияние температуры отжига на свойства меди.
Таблица 8-3 Характер изменения механических свойств проводниковой меди в зависимости от температуры
Свойства |
Температура, °С |
||||||||
Твердотянутая |
Отожженная (650 °С, 1 / 2 ч) |
||||||||
Предел прочности при растяжении, МПа
|
400
|
365
| |||||||
Кристаллическая решетка меди - гранецентрированный куб. Полиморфных превращений она не имеет. Температура плавления 1083 °С. Прочность и пластичность меди сильно зависит от наклепа. После прокатки и отжига медь имеет предел прочности 200...250 МПа, а относительное удлинение 30...35 %.
Вследствие высокой пластичности медь плохо обрабатывается резанием, но легко деформируется в горячем и холодном состояниях. Прочность меди в результате холодной деформации возрастает до 700 МПа, а пластичность ее снижается до 1...3 %.
В зависимости от химического состава существуют следующие марки меди: М00 (99,99 % Си), МО (99,95 % Си), Ml (99,90 % Си), М2 (99,70 % Си), М3 (99,50 % Си), М4 (99,0 % Си). Чем больше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей.
Все примеси, кроме бериллия, ухудшают электропроводность меди. Особенно сильно снижают ее элементы, образующие твердые растворы с ограниченной растворимостью и вызывающие сильное искажение кристаллической решетки - фосфор, кремний, железо и мышьяк. Элементы, обладающие полной растворимостью в меди и слабо искажающие ее решетку, в значительно меньшей степени снижают ее электропроводность. Например, серебро почти не влияет на электропроводность меди. Сплав, содержащий приблизительно 0,25 % серебра, применяют для изготовления обмоток сверхмощных турбогенераторов.
Примеси, не растворяющиеся в меди или образующие нерастворимые включения, почти не влияют на электропроводность меди (силикаты, сернистые и кислородные включения, свинец, висмут).
В установках глубокого охлаждения для присоединения манометров и других приборов применяют медные трубки. Малая механическая прочность меди не позволяет использовать медные трубы большого диаметра. Следует иметь в виду, что медь подвержена ползучести при комнатной температуре.
Из-за высокой теплопроводности и хорошей коррозионной стойкости во многих средах медь находит применение как материал для поверхностей нагрева трубчатых теплообменников.
Латуни - медные сплавы, в которых преобладающим легирующим компонентом является цинк. Кроме меди и цинка, латуни могут содержать небольшие примеси других элементов.
Латуни маркируют буквой Л, после буквы следует цифра, указывающая на содержание в ней меди (Л96, Л68 и др.). Если кроме меди и цинка латунь содержит примеси других элементов, то за буквой Л следует буква, принятая для условного обозначения примеси: О - олово, С - свинец, А - алюминий, Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, К - кремний, Ф - фосфор. Например: ЛАЖ60-1 -1 -латунь содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа, остальное цинк.
Латуни с большим содержанием меди называют томпаками - Л96 и Л80, а Л85 и Л80 - полутомпаками.
В теплотехнике латуни применяют для изготовления трубок конденсаторов паровых турбин и теплофикационных бойлеров. Для конденсаторов, работающих на пресной воде, применяют трубки из латуни Л68, а для теплофикационных бойлеров из Л68 и Л63. Латунные трубки предпочтительнее по сравнению с трубками из углеродистой стали вследствие более высокой коррозионной стойкости в воде.
В процессе эксплуатации наблюдается особый вид разрушения латунных трубок - обесцинкование. Отдельные участки трубы или вся ее поверхность превращаются в рыхлые кристаллы меди. Иногда этот процесс развивается в виде язвенных образований: «пробки» меди легко выпадают, и сплошность трубы нарушается. Нормальный срок службы латунных труб в бойлерах и конденсаторах 20 лет, однако при сплошном слоевом растворении цинка массовый выход из строя труб начинается через 4...6 лет. При образовании «пробок» выход труб из строя начинается через 1...2 года, а иногда даже через несколько месяцев. Латунь Л070-1 несколько лучше сопротивляется растворению цинка, чем латунь Л63, Поэтому трубки из латуни ЛО70-1 ставят на конденсаторы, охлаждаемые морской водой. Сильно ускоряют процесс обесцинкования угольная кислота и аммиак, растворенный в охлаждаемой воде.
Экономичнее устанавливать на охладителях, работающих на морской воде, более дорогие мельхиоровые трубки (МН70-30), срок службы которых составляет не менее 10 лет против 3 лет дешевых латунных трубок.
В табл. 8.1 приведены некоторые латуни и их механические свойства.
Латунные трубки в процессе изготовления получают наклеп, поэтому в материале трубок имеются остаточные напряжения. Хранение их на воздухе приводит к образованию трещин. Для предупреждения образования трещин трубки подвергают отжигу при 200...400 °С в течение нескольких часов.
Для деталей, изготавливаемых обработкой резанием, применяют латунь Л59 и латунь со свинцом ЛС59-1.
Таблица 8.1
Механические свойства некоторых латуней (после отжига)
Ряд латуней применяют преимущественно для изготовления литых деталей. Коррозионно-стойкие детали льют из алюминиевой латуни ЛА67-2,5, на арматурное литье идут латуни ЛК80-ЗЛ и ЛМцОС5 8-2-2-2.
Латунь деформируемая - латунь, содержащая 57...97 % Си, обладающая высокой пластичностью, легко обрабатывается давлением (табл. 8.2).
Таблица 8.2
Химический состав и применение деформируемых латуней*
(по ГОСТ 15527-70)
Окончание табл. 8.2
* В латуни марки Л70 должно быть не более 0,005 % А$; 0,005 % Бп и 0,002 % Б; в антимагнитных латунях содержание железа должно быть не более 0,03 %.
Латунь литейная предназначена для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья. Латунь литейная содержит 50...81 % Си. В качестве легирующих элементов применяются алюминий, марганец, железо, кремний, олово и свинец. Латуни литейные отличаются высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью. Большинство из них имеют хорошие антифрикционные свойства и в ряде случаев являются полноценными заменителями оловянистых бронз. По ГОСТ 17711-80 изготовляется 10 марок латуни литейной (табл. 8.3).
Из литейной латуни изготовляют коррозионно-стойкие литые детали морских судов (гребные винты, лопасти, арматуру и др.), самолетов, различных машин и аппаратов, всевозможных нажимных и червячных винтов, шестерен, подшипников и других антифрикционных деталей, работающих в тяжелых условиях.
Структура литейной латуни за исключением латуни Л62, однофазовая. Латунь Л62 в отожженном состоянии имеет двухфазную структуру - (а + Р)-кристаллы. При температуре выше 750 °С эта латунь состоит только из кристаллов р-фазы. ПрочТаблица 8.3
Химический состав и механические свойства литейных латуней (по ГОСТ 17711-80)
|
Механические свойства |
|||||
|
другие элементы |
ст в, МПа (не менее) |
||||
|
ЛАЖМц66-6-3-2 | |||||
|
ЛМцОС58-2-2-2 | |||||
* Литье в кокиль. ** Литье в землю. *** Центробежное литье.
ность и твердость латуней возрастает с увеличением содержания цинка. Максимальной пластичностью обладает латунь Л68, применяемая главным образом для деталей, изготовляемых штамповкой или другими видами обработки с высокими степенями вытяжки. Наибольшее применение из стандартных деформируемых латуней имеет латунь Л62, содержащая минимальное количество меди и обладающая достаточно высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Деформируемые латуни, предназначаемые для изготовления деталей штамповкой, наряду с высокой пластичностью должны иметь определенный размер зерна. Крупнозернистая структура приводит к образованию на штампованных изделиях шероховатой поверхности. На деформируемых латунях с очень мелким зерном могут возникать трещины при глубокой вытяжке.
Из деформируемых латуней изготавливают листы, прутки, трубки и проволоку.
Латунь деформируемая марки Л96 стойкая против коррозионного растрескивания имеет высокую теплопроводность, применяется для изготовления трубок авиационных радиаторов и конденсаторных трубок.
Латунь Л90 обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо сваривается со сталью. Из нее изготовляют биметаллы типа сталь-латунь.
Латунь деформируемая коррозионно-стойкая - латунь, содержащая 60...91 % Си и один или несколько легирующих элементов.
Латунь деформируемая коррозионно-стойкая обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем простые (двойные) латуни, и хорошо обрабатывается давлением. Добавки, улучшающие коррозионную стойкость латуней: алюминий, марганец, кремний, никель, олово и мышьяк.
Алюминий повышает коррозионную стойкость латуней в условиях морской и пресной воды. Добавки никеля и железа к алюминийсодержащим латуням повышают их коррозионную стойкость и прочность. Изготовляются следующие марки, содержащие алюминий: ЛА85-0,5, ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2. Предел прочности этих латуней в отожженном состоянии составляет 380-500 МПа и в наклепанном (на 50 %) - 580...700 МПа, относительное удлинение 40...55 и 8... 12 % соответственно. Латунь деформируемую коррозионно-стойкую с высоким содержанием меди марки ЛА85-0,5 применяют для изготовления знаков отличия, фурнитуры и художественных изделий; ЛА77-2 - для конденсаторных труб. Из латуни деформируемой коррозионно-стойкой ЛАЖ60-1-1 изготовляют трубы и прутки для высокопрочных деталей, работающих в морской воде. Латунь деформируемая коррозионно-стойкая ЛАН59-3-2 отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью и предназначается для коррозионно-стойких, высокопрочных деталей, применяемых в морском судостроении, электромашиностроении и химической апаратуре.
Марганец повышает стойкость латуней против действия морской воды, хлоридов и перегретого пара. В сочетании с алюминием и железом марганец также повышает прочность латуней. Механические свойства выпускаемых латуней деформируемых коррозионно-стойких с марганцем марок ЛЖМц59-1-1, ЛМц58-2 и ЛМцА57-3-1: предел прочности 45...600 МПа, относительное удлинение 40...60 %. Из латуней ЛЖМц59-1-1, ЛМц58-2 и ЛМцА57-3-1 изготовляют трубы, листы, полосы и прутки. Выпускают также нестандартную латунь ЛНМцЖА60-1-2-1-1 (58...62 % Си, 0,1...0,5 % №, 1,5...2,5 % Мп, 0,5...1,1 % Ре и 0,5... 1 % А1), характеризующуюся высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Эта латунь заменяет бронзы и латуни с высоким содержанием меди и может изготовляться из вторичных медных сплавов; применяется для изготовления деталей в морском судостроении.
Кремний (кремнистая латунь) повышает коррозионную стойкость латуней в морской воде и атмосферных условиях, а также увеличивает стойкость против коррозионного растрескивания. Выпускается латунь с кремнием стандартная ЛК80-3 и нестандартная ЛКС65-1,3-3 (63,5...66,5 % Си, 1...2 % Бц 2,5...3,5 РЬ). Последняя хорошо обрабатывается резанием и обладает высокими антифрикционными свойствами. Из латуни ЛК80-3 изготовляют кованные и штампованные детали. Механические свойства латуни ЛК80-3: предел прочности 300...500 МПа, относительное удлинение 15...40 %.
Никель (никелевая латунь) повышает коррозионную стойкость латуней в атмосферных условиях и морской воде и несколько увеличивает стойкость против обесцинкования. Выпускается стандартная латунь ЛН65-5, отличающаяся высокой коррозионной стойкостью и повышенными механическими свойствами (предел прочности 380...700 МПа, относительное удлинение 4...60 %). Из латуни ЛН65-5 изготовляют листы, полосы, ленты, трубы, прутки и профили. Ее применяют для конденсаторных труб, манометрических трубок и сеток бумагоделательных машин.
Олово повышает коррозионную стойкость латуней в морской и пресной воде, вследствие чего они получили название морских латуней. По ГОСТ 17711-80 выпускают четыре марки латуни с оловом: ЛО90-1, ЛО70-1, Л062-1 и ЛО60-1. Механические свойства оловянистых латуней в зависимости от содержания олова: предел прочности в отожженном состоянии от 280 до 350 МПа, в нагартованном состоянии от 450 до 650 МПа, а относительное удлинение 40...60 % и 8... 12 % соответственно. Из латуни ЛО90-1 изготовляют полосы и ленты, применяемые для антифрикционных деталей, от которых требуется хорошая коррозионная стойкость. Латунь Л070-1 в основном предназначается для изготовления конденсаторных труб, теплотехнической аппаратуры и т.п. Латунь Л062-1 поставляется в виде листов, полос и прутков и предназначается для всевозможных деталей в морском судостроении. Латунь ЛО60-1 применяется в виде проволоки и тонких прутков для сварки различных конструкций в судостроении.
Мышьяк в количестве до 0,05 % в несколько раз повышает стойкость против обесцинкования латуней с высоким содержанием цинка (более 20 %).
Латунь заклепочная. К ней относится латунь Л 62, из которой изготавливают проволоку диаметром от 1 до 10 мм. Проволока выпускается в отожженном состоянии с а в не менее 380 МПа и относительным удлинением не менее 18 %. Во избежание коррозионного растрескивания клепанные детали необходимо подвергать низкотемпературному отжигу при 250...300 °С.
Бронзы. Бронзы - сплавы меди, в которых основным легирующим компонентом является любой металл, кроме цинка. Цинк также может входить в состав бронз, но в них он не является основным легирующим элементом. Большинство бронз обладают хорошими литейными свойствами и хорошо обрабатываются резанием.
Обозначение марок бронз начинаются буквами Бр. Далее следуют буквы, соответствующие легирующим элементам бронзы. Цифры указывают на содержание этих элементов в процентах. Например: БрСЗО содержит около 30 % свинца, а БрФ6,5-0,25 содержит 6,5 % олова и 0,25 % фосфора.
Из бронз изготавливают втулки подшипников скольжения и другие трущиеся детали (шестерни, направляющие и др.). Бронзы обеспечивают малый коэффициент трения в паре со сталью, хорошо прирабатываются (хорошо воспринимают очертания вала), выдерживают большие удельные давления и мало изнашиваются.
Материал вкладыша подшипника или другой трущейся детали, обладающий хорошими антифрикционными свойствами, должен состоять, по крайней мере, из двух структурных составляющих: твердой и мягкой. В процессе приработки вала к подшипнику мягкая составляющая вырабатывается, образуются микроканалы, по которым циркулирует смазка. Вал опирается на твердые включения вкладыша подшипника. Но твердые включения материала вкладыша должны быть мягче самой мягкой структурной составляющей вала. Иначе твердые включения материала вкладыша подшипника будут вызывать быстрый износ вала. Мягкая металлическая основа вкладыша хорошо поглощает случайно попавшие в подшипник твердые частицы.
Оловянистые бронзы склонны к ликвации: при ускоренном охлаждении они получают резко выраженное дендритное строение. Хорошие литейные свойства оловянистых бронз позволяют применять их для фасонного литья.
Обработке давлением можно подвергать только однофазные бронзы, содержащие не более 5...6 % 8п. Эти бронзы проходят рекристаллизационный отжиг (при 600...650 °С) - как промежуточную операцию при холодной обработке давлением или заключительную операцию для придания готовым полуфабрикатам требуемых свойств. Оловянистые бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами.
Бронзы с большим содержанием дорогостоящего олова заменяют более дешевыми бронзами, в которые добавляют цинк и свинец. Кроме того, свинец улучшает обрабатываемость резанием.
В оловянистые бронзы добавляют также фосфор (до 1 %), который является раскислителем и улучшает их литейные свойства. Фосфор повышает механические и антифрикционные свойства.
Алюминиевые бронзы , содержащие до 6...8 % А1, обрабатывают давлением в холодном или горячем состоянии. Холодная деформация значительно повышает прочность.
Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и в то же время являются более дешевыми. Они обладают высокой устойчивостью против коррозии в ряде агрессивных сред, особенно в щелочах. Однофазные кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью.
Бериллиевые бронзы содержат 2...2,5 % Ве, обладают наилучшим комплексом свойств из всех известных бронз. Бериллиевая бронза значительно повышает механические свойства в результате термической обработки. Наиболее высокие механические свойства бериллиевые бронзы приобретают после закалки с
760...780 °С в воде и старении при 300...350 °С в течение 2 ч.
В закаленном состоянии бериллиевые бронзы имеют а в = = 500 МПа; 5 = 45 % и твердость НВ 120. При старении временное сопротивление разрыву возрастает до 1300... 1350 МПа, твердость до НВ 400, относительное удлинение снижается до 1,5 %, Из бериллиевых бронз изготавливают пружины в электроаппаратуре, мембраны, а также детали электронной техники.
Свинцовистые бронзы содержат до 30 % РЬ. Свинец и медь нерастворимы в твердом состоянии, поэтому микроструктура свинцовистых бронз состоит из кристаллов более твердой меди и мягкого свинца. Это обеспечивает хорошие антифрикционные свойства сплава, но механические свойства при заливке в кокиль невысокие. Свинцовистые бронзы применяют для изготовления вкладышей подшипников, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.
В табл. 8.4 приведены механические свойства и назначение некоторых бронз.
Таблица 8.4
Механические свойства и назначение бронз
Окончание табл. 8.4
|
Состояние материала |
Назначение |
|||
|
БрОФ6,5-0,15 |
холодной деформации |
Листы и ленты, проволока для пружин |
||
|
Токоведущие пружины, контакты (пружинящие) в электромашинах и аппаратах химической промышленности |
||||
|
холодной деформации |
||||
|
Литье в землю |
Фасонное литье |
|||
|
Прессованные прутки |
Прутки, поковки |
|||
|
БрАЖ10-4-4Л |
Литье в кокиль |
Фасонное литье |
||
|
БрАЖН 10-4-4 |
деформации и отжига |
Прутки, трубы, поковки |
||
|
холодной деформации |
||||
|
После прокатки и отжига |
Лента, проволока, прутки. Сварные резервуары в пищевой промышленности |
|||
|
холодной деформации |
||||
|
Ответственные детали узлов трения, работающих при высоких скоростях, повышенных удельных давлениях и температурах. Пружинящие контакты, пружины, мембраны, сильфоны |
||||
|
После закалки и старения |
|
- Обозначение - Cu (Copper);
- Период - IV;
- Группа - 11 (Ib);
- Атомная масса - 63,546;
- Атомный номер - 29;
- Радиус атома = 128 пм;
- Ковалентный радиус = 117 пм;
- Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 ;
- t плавления = 1083,4°C;
- t кипения = 2567°C;
- Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,90/1,75;
- Степень окисления: +3, +2, +1, 0;
- Плотность (н. у.) = 8,92 г/см 3 ;
- Молярный объем = 7,1 см 3 /моль.
Медь (купрум, свое название получила в честь острова Кипр, где было открытое крупное медное месторождение) является одним из первых металлов, который освоил человек - Медный век (эпоха, когда в обиходе человека преобладали медные орудия) охватывает период IV-III тысячелетия до н. э.
Сплав меди с оловом (бронза) был получен на Ближнем Востоке за 3000 лет до н. э. Бронза была предпочтительней меди, поскольку была более прочна и лучше поддавалась ковке.
Рис. Строение атома меди
.
Электронная конфигурация атома меди - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 (см. Электронная структура атомов). У меди один спаренный электрон с внешнего s-уровня "перескакивает" на d-подуровень предвнешней орбитали, что связано с высокой устойчивостью полностью заполненного d-уровня. Завершенный устойчивый d-подуровень меди обусловливает ее относительную химическую инертность (медь не реагирует с водородом, азотом, углеродом, кремнием). Медь в соединениях может проявлять степени окисления +3, +2, +1 (наиболее устойчивые +1 и +2).
Рис. Электронная конфигурация меди.
Физические свойства меди:
- металл, красно-розового цвета;
- обладает высокой ковкостью и пластичностью;
- хорошей электропроводностью;
- малым электрическим сопротивлением.
Химические свойства меди
- при нагревании реагирует с кислородом:
O 2 + 2Cu = 2CuO; - при длительном пребывании на воздухе реагирует с кислородом даже при комнатной температуре:
O 2 + 2Cu + CO 2 + H 2 O = Cu(OH) 2 ·CuCO 3 ; - вступает в реакции с азотной и концентрированной серной кислотой:
Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O; - с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой медь не реагирует.
Соединения меди
Оксид меди CuO (II) :
- твердое вещество красно-коричневого цвета, не растворимое в воде, проявляет основные свойства;
- при нагревании в присутствии восстановителей дает свободную медь:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O; - оксид меди получают взаимодействием меди с кислородом или разложением гидроксида меди (II):
O 2 + 2Cu = 2CuO; Cu(OH) 2 = CuO + H 2 O.
Гидроксид меди Cu(OH 2)(II ):
- кристаллическое или аморфное вещество голубого цвета, нерастворимое в воде;
- разлагается на воду и оксид меди при нагревании;
- реагирует с кислотами, образуя соответствующие соли:
Cu(OH 2) + H 2 SO 4 = CuSO 4 + 2H 2 O; - реагирует с растворами щелочей, образуя купраты - комплексные сооединения ярко-синего цвета:
Cu(OH 2) + 2KOH = K 2 .
Более подробно о соединениях меди см. Оксиды меди .
Получение и применение меди
- пирометаллургическим методом медь получают из сульфидных руд при высоких температурах:
CuFeS 2 + O 2 + SiO 2 → Cu + FeSiO 3 + SO 2 ; - оксид меди восстанавливается до металлической меди водородом, угарным газом, активными металлами:
Cu 2 O + H 2 = 2Cu + H 2 O;
Cu 2 O + CO = 2Cu + CO 2 ;
Cu 2 O + Mg = 2Cu + MgO.
Применение меди обусловливается ее высокой электро- и теплопроводностью, а также пластичностью:
- изготовление электрических проводов и кабелей;
- в теплообменной аппаратуре;
- в металлургии для получения сплавов: бронзы, латуни, мельхиора;
- в радиоэлектронике.
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!
Технически чистая медь в практике получила название красной меди из-за ее характерного красного цвета.
Характеристики меди:
Удельный вес..........................................8,93
Температура плавления..................................1083° С
кипения....................................2310° С
Коэффициент линейного расширения на 1°С......16,8х10 -6
Объемная усадка..............................4,2%
Чистая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Электропроводность меди выше в 5,7 раза по сравнению с электропроводностью железа. Высокая электропроводность меди обусловила ее широкое применение в электропромышленности. Теплопроводность меди в сравнении с другими промышленными металлами значительно выше (например, в 6,3 раза больше чем у железа). Благодаря высокой пластичности, медь без каких-либо технологических трудностей хорошо прокатывается в холодном состоянии в тончайшие листы.
Механические свойства отожженной меди:
Предел прочности σ B ..............не ниже 20 кг/мм 2
Относительное удлинение δ ......................до 50%
Твердость по Бринеллю Н B ...........порядка 35 кг /мм 2
Пределы прочности и твердость меди путем наклепа могут быть увеличены соответственно σ B до 40-50 кг/мм 2 и Н B до 100-220 кг/мм 2 , пластические свойства при этом будут значительно снижены.
С понижением температуры вплоть до -253° С механические свойства меди не снижаются, предел прочности и удлинение, наоборот, повышаются. Это обстоятельство позволяет широко использовать медь при изготовлении конструкций, работающих при низкой температуре. При повышении температуры предел прочности меди значительно снижается. Пластические свойства нагреваемой меди до температуры 500-600° С падают, с повышением температуры возрастают, достигая наибольшей величины при температуре около 800° С. Поэтому горячая обработка меди обычно производится при температуре не ниже 600-700° С.
Свойства меди во многом зависят от условий механической и термической обработки, а также от содержания в ней примесей. В меди могут находиться такие примеси, как кислород (O 2), висмут (Bi), свинец (Рb), сера (S), фосфор (Р), сурьма (Sb), мышьяк (As). Вредными примесями, снижающими прочность и технологические свойства, являются висмут, свинец, сера и кислород, поэтому содержание их в меди должно быть минимальным.
Наиболее опасными и вредными примесями являются висмут и свинец. Они не растворимы в меди и образуют хрупкие и легкоплавкие оболочки вокруг зерен. Поэтому содержание их в хороших сортах меди ограничивается: висмута допускается не более 0,002%, а свинца до 0,005%. Содержание других примесей, как менее вредно влияющих на механические свойства, допускается до десятых долей процента.
Техническая и электролитическая медь, обычно применяемая в производстве, имеет в своем составе кислород, содержание которого допускается до 0,1%. Кислород в меди находится в виде включений закиси меди (Cu 2 O). При малом содержании кислорода - до 0,07% - образовавшаяся закись меди способствует измельчению зерна, не вызывает снижения прочности и пластичности и не ухудшает холодную обработку. В прокатной отожженной меди закись меди имеет форму обособленных округлых включений. Подобное расположение закиси меди является наиболее благоприятным, так как в таком виде она почти не оказывает влияния на механические свойства. При нагреве меди с содержанием кислорода более 0,01 % до температуры выше 750° С появляются трещины. Следует отметить, что это явление наблюдается только в том случае, когда нагрев ведется в восстановительной атмосфере, созданной водородом (Н 2), окисью углерода (СО), метаном (СН 4) и другими восстановительными газами.
Водород и окись углерода при высокой температуре легко проникают внутрь твердой меди и при наличии в ней закиси меди (Cu 2 O) восстанавливают ее, образуя одновременно пары воды (Н 2 O) или углекислый газ (СO 2).
Реакция восстановления меди идет по формулам:
Cu 2 O + H 2 = 2Cu + H 2 O
Cu 2 O + СО = 2Cu + СO 2 .
Образовавшийся водяной пар или углекислый газ нерастворимы в меди и не могут свободно выделяться.
Находясь под большим давлением вследствие высокой температуры, пары воды или углекислый газ разрывают металл по границам зерен, образуя крупные и мелкие межкристаллические трещины. Это явление носит название «водородной болезни».
Медь в жидком состоянии легко поглощает газы и окисляется, что ограничивает ее применение для литых изделий, так как растворенные газы при застывании неполностью выделяются и создают пористость. Промышленность поставляет главным образом прокатанную или волоченую медь в виде проволоки, полос, ленты, листов и труб, а также электролитическую и чушковую медь, идущую для приготовления сплавов. Обычно для изготовления различных медных деталей и конструкций применяется медь марок М0, M1, М2, МЗ и МЗС; содержание кислорода в м.арках М2 и МЗ допускается до 0,1%.
Производство меди с небольшим содержанием кислорода, так называемой «бескислородной меди», вызывает ряд технологических трудностей.
Состав и назначение различных марок технической меди, применяемых в промышленности, регламентируется ГОСТ 859-41, который предусматривает шесть марок.
→Один из самых первых металлов, который стали применять в ковке. Еще в бронзовый век человек освоил искусство изготовления оружия и орудий труда из мягкой и пластичной меди, и до сих пор этот металл продолжает широко использоваться в художественной ковке.
Этому есть объяснение: медь проявляет низкую химическую активность при взаимодействии с другими химическими элементами. Это значит, что медь отлично подходит для создания металлических композиций, как экстерьерного, так и интерьерного назначения, ведь она демонстрирует высочайшую коррозионную устойчивость в условиях воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды.
Конечно, не каждому понравится внешний вид защитного внешнего слоя медной поверхности, но зеленая патина отлично защищает медь от коррозии. Правда, патина, представляющая собой карбонат меди, наносит существенный вред здоровью человека, поэтому медные композиции нужно покрывать защитной краской, предупреждающей образование зеленой пленки.
Первоначально медное изделие имеет блестящий красно-золотистый цвет, потом приобретает коричневый и черный оттенки, а через 20 лет становится насыщенно зеленым. Патина может покрыть металлическую поверхность и раньше, особенно есть металл постоянно подвергается воздействию влаги.
 |
 |
Свойства меди
Ковкость и пластичность меди очень высоки - их нее можно выковать практически любую форму, даже геометрическую со сложными изгибами.
У меди хорошая теплопроводность, а ее физико-механические характеристики напрямую зависят от качества ее обработки. Из руды получают так называемую черновую медь, которая не годится для кузнечных целей. Сперва металл должен пройти стадию огневого рафинирования, в результате которого выжигается большее количество примесей (например, висмута и свинца). Чтобы полностью освободить медный сплав от включений, применяют электролитическое рафинирование. Вот из этой меди потом вытягивают проволоку, медные листы, слитки и т.д.
В художественной ковке редко применяется чистая медь - в нее добавляют лигатуру, которая в определенных концентрациях способна придавать сплаву те или иные физические свойства. Некоторые медные сплавы даже получили свое собственное название, например, латунь и бронза.
В большинстве случаев лигатура добавляется для того, чтобы придать мягкой и легко деформирующейся меди хоть немного твердости. Чистая медь плохо подходит для литья и ковки - появляются нелицеприятные пузыри.
После литья медное изделие часто гравируют, а также эмалируют выемочным и перегородочным способами.
Загрузка...
