Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Медь и медные сплавы

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 744364.01.99
Даны основные характеристики меди и медных сплавов. Рассмотрены их строение, свойства, особенности, методы обработки и области применения. Предназначается студентам, аспирантам и преподавателям высших учебных заведений, а также инженерно-техническим работникам.
Коршунова, Т. Е. Медь и медные сплавы : учебное пособие / Т. Е. Коршунова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 156 с. : ил., табл. - ISBN 978-5-9729-0466-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1167751 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Т.Е. Коршунова











МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ




Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 669.3
ББК 34.23
     К70



















       Коршунова, Т. Е.
К70 Медь и медные сплавы: учебное пособие / Т. Е. Коршунова. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 156 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0466-2


    Даны основные характеристики меди и медных сплавов. Рассмотрены их строение, свойства, особенности, методы обработки и области применения.
    Предназначается студентам, аспирантам и преподавателям высших учебных заведений, а также инженерно-техническим работникам.


                                                                  УДК 669.3
                                                                  ББК 34.23











ISBN 978-5-9729-0466-2

     © Коршунова Т.Е., 2020
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ВВЕДЕНИЕ



    Рациональное применение металлов и сплавов для нужд промышленности требует глубокого знания их природы и свойств, металлографии, понимания законов изменения свойств сплавов в зависимости от их состава, строения, обработки и условий эксплуатации.
    Благодаря высоким значениям комплекса свойств (тепло- и электропроводности, прочности, пластичности, коррозионной стойкости, антифрикционности, технологичности и др.), медь и ее сплавы являются одними из наиболее применяемых конструкционных материалов в машиностроении, судостроении, автомобилестроении, электротехнике и приборостроении, пищевой и перерабатывающей промышленности, холодильной и криогенной технике, авиации и космонавтике, оборонной промышленности и др.
    В книге обобщены современные представления о теории и практике сплавов меди и непосредственно самой технической меди, отвечающих требованиям национальных стандартов Российской Федерации. Вместе с тем уделено внимание и ряду не менее значимых медных сплавов, выпускаемых в соответствии с отраслевыми стандартами, техническими условиями и другими документами предприятий-изготовителей, а также по согласованию с заказчиком или организацией по стандартизации.
    Приведены сведения о химическом составе, физико-механических, технологических, эксплуатационных свойствах и областях применения меди, промышленных деформируемых и литейных латуней и бронз, низколегированных и мик-ролегированных медных сплавов, медно-никелевых сплавов. Описаны их классификация, принципы маркировки, строение, методы и технологические режимы обработки с целью получения необходимой структуры и свойств сплавов. Рассмотрено влияние легирующих элементов и примесей на структуру и свойства меди и медных сплавов.
    Издание иллюстрировано фотографиями микроструктур, диаграммами равновесия с описанием изменений фазового состава, структуры и свойств в зависимости от температуры и скорости охлаждения-нагрева сплавов, что позволяет установить технологические процессы их получения и обработки, а также режимы эксплуатации.
    Библиографический список в конце книги позволяет расширить и дополнить сведения, приведенные в книге.

3

            ГЛАВА 1. МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ


1.1. Медь техническая (ГОСТ 859-2014)

    Медь - это тяжелый металл с плотностью 8,93 г/см³ золотисто-розового или розовато-красного цвета с характерным металлическим блеском, с температурой плавления 1083 °C, имеющий гранецентрированную кубическую решетку.
    Она обладает высокими электропроводностью (по электропроводности уступает только серебру) и теплопроводностью, пластичностью, антикоррозийными свойствами при нормальных атмосферных условиях в таких средах, как пресная вода, морская вода при небольших скоростях движения воды, растворы большинства щелочей, соляная и разбавленная серная кислота. Медь является диамагнетиком, хладостойким и долговечным материалом. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах, растворяется в концентрированной серной и азотной кислоте.
    При нормальных условиях на сухом воздухе медь инертна, но при наличии влаги и углекислого газа она медленно окисляется, покрываясь пленкой зеленого цвета, называемой патина, которая является щелочным (основным) карбонатом меди (СиОН)гСОз. В определенной мере эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии.
    Медь является экологически чистым материалом, так как и она, и ее сплавы легко поддаются вторичной переработке.
    Технологичность меди в целом удовлетворительная: хорошо деформируется в холодном и горячем состояниях, плохо сваривается и легко паяется, имеет удовлетворительные литейные свойства и плохо обрабатывается резанием.
    Значимым свойством меди является ее способность образовывать сплавы с другими металлами (цинком, оловом, алюминием, свинцом и др.), свойства которых значительно превосходят свойства технической меди.
    Недостатками меди являются низкая прочность, большая плотность, большая линейная и объемная усадка, красноломкость¹, плохая свариваемость и обрабатываемость резанием.
    Микроструктура меди в литом состоянии состоит из отдельных кристаллов Си, форма и размеры которых зависят от условий кристаллизации (рис. 1, а).
    В процессе холодной деформации медь наклепывается и теряет пластичность. Снижение пластичности затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможной дальнейшую обработку металла.
    Для снятия наклепа (нагартовки) и восстановления пластических свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры

¹ Красноломкость (горячеломкость) - свойство металлов и сплавов давать трещины при горячей обработке давлением, например, при горячей прокатке.

4

450-700 °C со скоростью 200-220 оС/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5чи охлаждение на спокойном воздухе. Структура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов (рис. 1, б). Прочность отожженной меди снижается до значения предела прочности ае = 250 МПа, а относительное удлинение повышается (3 = 50 %).
    В ряде случаев для упрочнения меди наклеп проводят специально, вследствие чего ее предел прочности а„ можно повысить до 450 МПа, но пластичность сплава при этом понижается (относительное удлинение 3 снижается до 3 %).
    Механические свойства меди приведены в табл. 1.

б)

                                  а⁾

Рис. 1. Микроструктура меди (а -твердый раствор): а — литая; б — после холодной пластической деформации и последующего рекристаллизационного отжига (видно наличие двойников)


Таблица 1
Механические свойства технической меди

                                   Свойство                 
      Состояние          °в,    О0,2,   б,    У?     НВ,   
                         МПа     МПа     %     %     МПа   
Горячедеформированное  220-250 95-100  45-50 65-75 340-350 
    или отожженное                                         
Холоднодеформированное 340-450 250-340  3-5  40-60 900-1100

    Свойства меди в значительной мере зависят от ее химической чистоты (от содержания в ней вредных примесей). Основными вредными примесями, снижающими механические, технологические и эксплуатационные свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, водород, сера и кислород.
    Висмут и свинец почти не растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики (Cu+Bi) и (Cu+Pb).
    При температурах горячей деформации эвтектика висмута расплавляется, связь между зернами нарушается и возникают трещины, т. е. сплав становится красноломким.
    Хрупкая эвтектика (Cu+Bi), располагаясь по границам зерен, делает медь и ее сплавы склонными к хладноломкости, поэтому, содержание висмута как в меди, так ивее сплавах не должно превышать 0,002 %.


5

     Свинцовая эвтектика (Cu+Pb) располагается по границам зерен меди в виде обособленных включений. Расплавляясь при температурах горячей обработки, также, как и эвтектика (Cu+Bi), свинцовая эвтектика вызывает красноломкость сплава. Однако свинец значительно улучшает обрабатываемость резанием, так как делает стружку более ломкой, а также повышает антифрикционные свойства меди и ее сплавов.
     Структура меди с примесями висмута или свинца представляет собой а -твердый раствор меди и включений по границам зерен твердого раствора эвтектик (Cu+Bi) и (Cu+Pb) соответственно (рис. 2; а, б).
     Кислород является особо вредной примесью, образующий даже в небольших количествах хрупкую эвтектику (Cu+Cu2O) по границам зерен меди.
     При нагреве меди с включениями эвтектики выше 400 °C, например, при сварке, пайке, в процессе эксплуатации, в атмосфере, содержащей водород, диффундирующий в глубь меди, проявляется «водородная болезнь»²: пары воды, образующиеся по реакции С'щО + Н2 = 2Cu + Н2О, создают внутри металла высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам, трещинам и пористости, снижая прочность и надежность изделия.
     Кислород также понижает пластичность и коррозионную стойкость меди, затрудняет процессы пайки, сварки, лужения и плакирования³.
     Включения Cu2O под микроскопом на нетравленом шлифе имеют сероватоголубоватый цвет. В поляризованном свете они окрашиваются в красный цвет (рис. 2, в).
     Водород, при содержании в меди в количестве больше его растворимости, приводит к пористости отливок. Особенно сильное отрицательное влияние водород оказывает на медь, содержащую кислород. При повышенных температурах водород диффундирует в медь и реагирует с расположенным по границам зерен оксидом меди, образуя пары воды высокого давления: СщО + Н2 ^ 2Cu + Н2О. Под давлением паров воды внутри металла проявляется «водородная болезнь» -возникают микротрещины, а на поверхности - вздутия и пузыри.
     Сера практически не растворяется в меди и образует тугоплавкую эвтектику (Cu+Cu2S), обладающую повышенной хрупкостью. Сульфид меди Cu2S, выделяющийся по границам зерен, влияет на электропроводность несущественно, но снижает пластичность меди при низких и высоких температурах. Эвтектика (Cu+Cu2S) не вызывает красноломкости, поскольку она плавится при высоких температурах, но приводит к хладноломкости и снижению пластичности при горячей обработке давлением.

² «Водородная болезнь» - образование разрывов и трещин в изделиях из меди при их нагревании в среде, содержащей водород в результате восстановления присутствующей в металле закиси меди при нагревании в водороде. Пары воды, образующиеся в результате реакции восстановления в толще меди, стремясь выйти наружу, разрывают металл.

³ Плакирование - нанесение на поверхность металлических изделий (листов, плит, проволоки, труб) тонкого слоя другого металла или сплава термомеханическим способом для защиты их от коррозии. Плакирование осуществляется в процессе горячей прокатки, например, листов и плит, или прессования, например, при плакировании труб.

6

    Обрабатываемость меди резанием сера улучшает.
    Микроструктура меди с примесью серы представляет собой первичные кристаллы меди и эвтектику (Си+Сиг8) в виде сферических частиц. Сульфид меди на нетравленых шлифах имеет такой же голубоватый цвет, как и оксид меди СигО, но в отличие от закиси меди, в поляризованном свете он не окрашивается в красный цвет (рис. 2, г).

а⁾

б)

                               в⁾

г⁾

Рис. 2. Микроструктура меди с примесями:
а — висмута (по границам светлых зерен Си видна темная эвтектика (Cu+Bi); б — свинца (светлые зерна Си и темные включения Pb);
в — кислорода (по границам светлых зерен Си находится темная эвтектика (Си+Си2О)); г — серы (светлые зерна Си и темные включения эвтектики (Си+Си28)


    Фосфор в количестве до 0,3 % растворяется в меди, образуя а -твердый раствор, при большем же его количестве - образуются включения фосфида меди СизР. При этом искажается кристаллическая решетка и значительно снижается тепло- и электропроводность меди. Вместе с тем фосфор способствует повышению жидкотекучести, механических свойств и улучшает свариваемость.
    Структура литой меди с примесью фосфора в количестве до 8,4 % представляет собой дендриты а-твердого раствора меди с включениями эвтектики (а+СизР). При содержании фосфора более 8,4 % в микроструктуре сплавов помимо эвтектики (а+СизР) появляются кристаллы фосфида СизР.
    Растворимые примеси илюминия, олови, цинки существенного влияния на механические свойства не оказывают, но значительно снижают электро-и теплопроводность меди.
    Химический состав технической меди приведен в табл. 2.

7

Таблица 2
Химический состав меди (ГОСТ 859-2014)

Массовая доля химического элемента, %

Марка     Си       Cu+Ag                                  Примеси                                          
меди  (не менее) (не менее)   Bi    Fe    Ni    Zn    Sn    Sb    As    Pb     S     О   P            Ag  
                                                         не более                                          
М006    99,99        -      0,0005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001   0,0003    0,002
МОб       -      99,97      0,001  0,004 0,002 0,003 0,002 0,002 0,002 0,003 0,003 0,001 0,002         -  
М1б       -      99,95      0,001  0,004 0,002 0,003 0,002 0,002 0,002 0,004 0,004 0,003 0,002         -  
моо     99,99        -      0,0005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001   0,0003    0,002
МО        -      99,97      0,001  0,004 0,002 0,003 0,002 0,002 0,002 0,003 0,003 0,001 0,002         -  
Ml        -      99,95      0,001  0,004 0,002 0,003 0,002 0,002 0,002 0,004 0,004 0,003 0,002         -  
М1р       -      99,90      0,001  0,005 0,002 0,005 0,002 0,002 0,002 0,005 0,005 0,01  0,002-0,012   -  
М1ф       -      99,90      0,001  0,005 0,002 0,005 0,002 0,002 0,002 0,005 0,005   -   0,012-0,04    -  
М2р       -      99,70      0,002  0,05   0,2    -   0,05  0,005 0,01  0,01  0,01  0,01  0,005-0,06    -  
МЗр       -      99,50      0,003  0,05   0,2    -   0,05  0,05  0,05  0,03  0,01  0,01  0,005-0,06    -  
М2        -      99,70      0,002  0,05   0,2    -   0,05  0,005 0,01  0,01  0,01  0,07  -           -    
М3        -      99,50      0,003  0,05   0,2    -   0,05  0,05  0,01  0,05  0,01  0,08  -           -    


    В зависимости от химического состава промышленность выпускает стандартную медь марок МООб, МОб, М1б, MOO, МО, Ml, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3 (ГОСТ 859-2О14).
    Буква «М» в начале марки означает медь, идущие далее цифры показывают степень чистоты меди (ОО - высокочистая; О - чистая; 1, 2, 3 - технически чистая). Например, в наиболее чистой меди марки МОО общее количество примесей равно О,О1 %.
    В марках меди после цифр могут идти буквы, обозначающие способ изготовления меди: б - бескислородная (без использования раскислителей); р -раскисленная с низким остаточным фосфором; ф - раскисленная с высоким остаточным фосфором; к - катодная, например, марок МООк, М1к (ГОСТ 546-2ОО1).
    В обозначение марок меди, предназначенной для электротехнической промышленности и подлежащей испытаниям на электропроводность, в конце марки включают букву Е, например, М1Е.
    Медь выпускается в виде слитков, отливок, прутков, листов, проволоки, лент, полос, труб, фольги, профилей разных размеров, в виде порошка и поставляется в литом и деформированном состояниях.
    Применение меди в различных отраслях машиностроения обусловлено присущими ей характеристиками механических свойств, хорошей коррозионной стойкостью, высокими тепло- и электропроводностью. Медь является традиционным материалом, используемым в технике низких температур.
    Высокие электропроводящие свойства (низкое удельное электрическое сопротивление) меди позволяют использовать ее в качестве основного проводникового материала для электротехнической промышленности (силовые кабели, провода, электроды, токопроводящие фасонные изделия и другие проводники).
    Благодаря высокой теплопроводности из меди и ее сплавов изготавливают различные теплообменники (нагреватели, холодильники, радиаторы двигателей).
    В машиностроении из сплавов меди производят антифрикционные и другие всевозможные детали машин.
    Из меди производят кристаллизаторы при непрерывном и полунепрерывном литье металлов, водоохлаждаемые изложницы и тигли для плавки тугоплавких металлов и сплавов, фурмы для доменных печей и кислородных конвертеров.
    В пищевой и перерабатывающей промышленности медь марок М1, М3 используют в качестве конструкционного материала для изготовления деталей теплообменной аппаратуры (выпарных аппаратов, теплообменников, конденсаторов, испарителей, нагревателей, змеевиков и т. п.), деталей перегонных аппаратов для вина и спирта, чашей варочной аппаратуры, водопроводных труб.
    В автомобильной промышленности медь применяют для изготовления электропроводов, деталей приборов электрооборудования (магнитных пускателей, шин) и в качестве компонента различных сплавов.
    В химической промышленности из меди изготавливают детали химической аппаратуры, трубопроводы, резервуары.
    Искробезопасный (взрывобезопасный) стальной инструмент (гаечные и газовые ключи, молотки, топоры, кусачки, зубила, отвертки, ножницы и т. п.),

9

хозяйственный инвентарь (лопаты, совки, грабли, ведра и др.) для работы с взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами покрывают тонким слоем меди или медных сплавов, так как медь не образует искр при ударах и трении инструмента.
    Медь используют в строительстве в чистом виде или в составе сплавов для кровельных и фасадных материалов, в декоративном искусстве (украшения, скульптуры, декоративные элементы интерьеров).
    Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле.
    В медицине медь применяют в качестве бактерицидного материала для покрытия перил и дверных ручек в больницах и поликлиниках, используют ткани с медной нитью для больничного постельного белья.
    Антибактериальные свойства позволяют использовать медь для изготовления разнообразной посуды.
    Из меди чеканят памятные медали и жетоны.

1.2. Общие сведения о медных сплавах. Классификация медных сплавов

    Для повышения свойств меди ее легируют цинком, оловом, алюминием, железом, кремнием, марганцем, бериллием, никелем и другими элементами, получая сплавы меди.
    На практике чаще всего сплавы меди классифицируют по химическому составу и по технологическим характеристикам.
    По химическому составу сплавы меди подразделяют на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. Наиболее широкое применение в технике нашли латуни и бронзы.
    По технологическим характеристикам различают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные медные сплавы.
    Сплавы меди высоко тепло- и электропроводны, коррозионно-стойки, высоко пластичны при сохранении удовлетворительных прочностных свойств (относительное удлинение некоторых сплавов 3 достигает 60-65 %, предел прочности ае- 300^500 МПа). Многие сплавы меди обладают высокими антифрикционными свойствами.
    Некоторые сплавы меди могут быть подвергнуты упрочняющей термической обработке (закалке с последующим старением) или термической обработке, совмещенной с низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО), после которых предел прочности ае повышается до 1000-1200 МПа.
    Сплавы меди нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

10