Медные сплавы обладают выдающимися материаловедческими свойствами, которые ценятся во многих отраслях промышленности. Однако чистая медь за последние 6000 лет была одним из важнейших металлов. По сравнению с другими металлами, её главные преимущества заключаются в следующем:
Эти свойства, включая диамагнетизм, характерны не только для меди, но и для её сплавов. Широкий спектр легирующих добавок придаёт материалу дополнительные желательные качества. Несмотря на то, что многие медные сплавы обладают подходящими характеристиками для различных применений, их во многом вытеснили алюминиевые сплавы и пластмассы.
Причина этому — сравнительно высокая стоимость меди. Среди различных видов металлов цена на медь традиционно остаётся одной из самых высоких. Поэтому и в качестве лома медь ценится весьма дорого. Важно разбираться в классификации лома меди, поскольку не вся медь одинакова, а стоимость зависит в первую очередь именно от её сорта.
Несмотря на прочность и надёжность медных сплавов, они не застрахованы от коррозии. Окисление меди в составе сплавов может приводить к изменению цвета и разрушению поверхности со временем, особенно в агрессивных средах.
Тем не менее, такие медные сплавы, как латунь, бронза и медно-никелевые сплавы, надёжно заняли свои ниши в различных отраслях, в том числе в машиностроении.
Добавление цинка к меди повышает прочность сплава благодаря растворимости цинка в меди. При этом пластичность сплава также увеличивается, что является довольно необычным свойством.
Сплавы с содержанием цинка 10…20% называются томпак и используются в ювелирной промышленности, а также для производства теплообменников. Сплавы с 30% цинка известны как патронная латунь — название говорит само за себя. Верхний предел содержания цинка в пластичных латунных сплавах составляет около 35%.
Добавление других легирующих элементов способно ещё больше улучшить свойства латуни. Например, олово и алюминий повышают коррозионную стойкость в морской воде.
Применение: ювелирные изделия, предметы искусства, детали глубокой вытяжки (столовые приборы, музыкальные инструменты и др.), патроны.
Однофазные латуни содержат до 37% цинка и называются альфа-латунью. Для таких латуней характерна однородная кристаллическая структура.
Эти сплавы отличаются мягкостью и высокой пластичностью, что делает их идеальными для холодной обработки, вытяжки, гибки и других подобных процессов.
Упомянутая выше патронная латунь (70/30 Cu/Zn) относится к этой категории. Благодаря пригодности к холодной вытяжке, она широко используется для массового производства гильз без значительных энергетических затрат.
Устойчивость к коррозии у однофазных латуней выше, чем у сплавов с большим содержанием цинка, что делает их востребованными при производстве различных видов крепежа.
Применение: теплообменники, конденсаторы, детали для автоматических станков и др.
Двухфазные латуни, также известные как дуплекс-латуни, содержат обе фазы: α и β. То есть в их структуре присутствуют как альфа-, так и бета-зерна.
Двухфазная латунь обходится дешевле однофазной благодаря большему количеству цинка. Однако она более подвержена коррозии. Тем не менее, химический состав обеспечивает большую прочность и твёрдость, что делает дуплекс-латуни подходящими для горячей обработки и литья. Для них применимы такие методы, как экструзия металла, штамповка и литьё под давлением.
Наиболее распространённые альфа-бета-латуни имеют соотношение Cu/Zn 60/40. Эти сплавы известны как металл Мюнца. Для улучшения свойств в двухфазную латунь добавляют дополнительные элементы. Небольшое количество свинца повышает обрабатываемость резанием. Марганец, олово, алюминий, железо и никель значительно влияют на прочность.
Альфа-бета-латуни с содержанием марганца называют высокопрочными латунями. Они хорошо подходят для литья, а также для горячей обработки.
Содержание цинка в альфа-бета-латунях может достигать 45%. Более высокое содержание характерно для бета-латуни, но такие сплавы используются значительно реже.
Хотя бронза воспринимается как однородный материал, существует несколько её разновидностей. Качества бронзовых сплавов существенно зависят от введённых легирующих элементов.
Чаша из оловянной бронзы
Применение: пружины, шайбы, монеты, декоративные листы, детали насосов, литые изделия, работающие под давлением, подшипники и др.
Сфера применения зависит от процентного содержания олова в сплаве. Максимальное количество олова для бронз, пригодных к холодной обработке, составляет около 7%. Такие сплавы обладают хорошей пластичностью, но легко упрочняются при обработке.
Максимальное содержание олова может достигать 20%. При содержании олова более 5% структура сплава меняется, и для получения нужных свойств требуется термическая обработка, которая приводит к образованию пористой структуры. Поэтому такие сплавы подходят только для литья.
Перед литьём необходимо добавлять фосфор, который способствует раскислению. После процесса в сплаве остаётся около 1% фосфора, что увеличивает прочность. Такие сплавы называют фосфористыми бронзами.
Основное применение двухфазных оловянных бронз — производство различных видов подшипников. В их структуре фаза α обеспечивает стойкость к ударам, а твёрдые и хрупкие химические соединения несут основную нагрузку и повышают износостойкость.
В оловянных бронзах иногда присутствуют также цинк и свинец. Цинк улучшает качество литья и снижает стоимость сплава. Такие бронзы известны как пушечные металлы, так как раньше из них изготавливали тяжёлые орудия.
Небольшое количество свинца улучшает обрабатываемость бронзы резанием. Большие количества (до 25%) характерны для свинцовых бронз, которые применяются в производстве подшипников.
Применение: монеты, судовые детали, морская арматура, втулки, насосы, клапаны и др.
Алюминиевые бронзы по своим свойствам близки к оловянным бронзам. Чаще всего это однофазные сплавы, пригодные для холодной обработки. Благодаря этому алюминиевая бронза популярна в производстве монет. Содержание алюминия обычно составляет 6…12%.
Двухфазная алюминиевая бронза применяется как литейный сплав или для горячей обработки. Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия около 10% используются для изготовления гребных винтов, клапанов, насосов и др. Эти сплавы хорошо работают в солёной воде и морских условиях.
Клапан из медно-никелевого сплава
Применение: монеты, морское оборудование, электроаппаратура, теплообменники, системы охлаждения, судостроение и др.
Медно-никелевые сплавы сочетают в себе прочность и пластичность. Добавление никеля (обычно 2…30%) к меди придаёт сплаву высокую коррозионную стойкость и отличные электрические свойства.
При содержании никеля 40…50% коэффициент теплового расширения у сплава практически отсутствует, а электрическое сопротивление достигает максимума. Такой малый коэффициент сохраняется до температуры 500 °C.
Поэтому константан (сплав меди с 45% никеля) широко используется в электрооборудовании, где возможны значительные колебания температуры, например, в составе термопар.
Коррозионно-стойкие медно-никелевые сплавы содержат около 30% никеля, а также небольшое количество железа и марганца, что особенно важно для эксплуатации в морской воде.
