Медь, свойства и применение. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны человечеству с доисторических времен, когда они были единственным металлом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век).
Медь имеет красновато-розовый цвет, химически мало активна, обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды. Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие теплои электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место среди других технических металлов. Медь – очень пластичный металл, но имеет невысокую механическую прочность.
Основная часть меди идет на приготовление сплавов и легирование других металлов. Значительная часть меди идет на изготовление электропроводов и используется в электроэнергетике, в радиоэлектронике и приборостроении, однако, большая часть меди в настоящее время поступает на экспорт в виде рафинированной, т.е. чистой меди.
Согласно ГОСТу 859-78 товарная медь выпускается с содержанием меди от 99,0% (М4) до 99,99% (М00).
Сплавы меди. Структура сплавов, свойства, применение. Обладая замечательными свойствами, медь, в то же время, как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т.е. вводят в ее состав такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и др., за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. Наиболее широко используются латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называются сплавы меди с цинком. Различают двухкомпонентные латуни и специальные, в которые дополнительно введены другие легирующие элементы. Цинк повышает прочность и пластичность меди, но в определенных пределах содержания цинка.
Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая 40% цинка. Основная масса латуни идет на изготовление катанного полуфабриката: полос, труб, проволоки и различных профилей. Латунь обрабатывается в холодном состоянии. Она дешевле меди. В обозначении марок латуней принята буквенно-цифровая система: первая буква “Л” – означает «латунь», затем – перечень символов, входящих в сплав компонентов, затем – их процентное содержание. Первая цифра указывает на содержание меди, остальные – на содержание других легирующих элементов. Содержание цинка в обозначении марки не указывается – для того чтобы его определить, необходимо от 100% вычесть процентное содержание меди и других химических элементов, входящих в данную латунь. Например: томпак Л90 – это латунь, содержащая 90% меди, остальное – цинк; латунь алюминиевая ЛА77-2 содержит 77% меди, 2% алюминия, остальное – цинк; латунь ЛАНКМц75-22,5-0,5-0,5 содержит 75% меди, 2% алюминия, 2,5% никеля,
0, 5% кремния, 0,5% марганца, остальное – цинк.
По сравнению с медью латуни обладают большей проч-ностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабаты-ваются литьем, давлением и резанием. По технологическому назначению их подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные.
Бронзы (название произошло от королевства Бурунди в Италии, откуда в древности поставлялась медь в Европу) – сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием, свинцом, хромом и с другими элементами. Как и латуни, бронзы подразделяются на литейные и деформируемые. Марка бронзы состоит из букв “Бр.”, после них – символы компонентов, затем их процентное содержание. Например, Бр. А7бронза с содержанием алюминия 7% (старые монеты), Бр.ОЦС4-4-2 содержит 4, 4 и 2% олова, цинка и свинца. Бронзы подразделяются на оловянистые – на основе олова и безоловянистые – сплавы с другими металлами. Некоторые типы бронз хорошо обрабатываются давлением и резанием. Бронзы применяются при изготовлении антифрикционных деталей (вкладышей подшипников скольжения), арматуры, работающей в пресной воде, жидком топливе и паре при температурах до 250°С; используются в химической и пищевой промышленности. Оловянистые бронзы хорошо льются и применяются в художественном литье.
Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М, затем – по легирующим элементам аналогично бронзам. Например, мельхиор МНЖМц 30-08-1 содержит 30% никеля, 0,8% железа, 1% марганца. Он имеет высокую коррозионную стойкость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих в морской воде, и для украшений.
Константан МНМц40-1,5 – имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах.
Монель-металл НМЖМц29-2,5-1,5 – сплав на основе меди с высоким содержанием никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, широко применяется в судостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.
Общая схема получения меди (рис. 3.10). Медные руды представляют собой различные сернистые соединения. Наряду с медью они содержат никель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы. Медь из руды получают преимущественно пирометаллургическим (с применением высоких температур) способом.
Технологическая система получения меди состоит из процессов:
1. Обогащение руды методом флотации, основанном на различной смачиваемости соединений меди и пустой породы. Размельченная руда помещается в суспензию с флотационным агентом, например, пихтовым маслом, который создает пленку на поверхности рудных частичек. При продувке воздухом образуемые пленкой пузырьки собираются на поверхности руды и увлекают ее наверх в виде пены. Пустая порода, которая не смачивается маслом, опускается на дно. Собранная и высушенная пена – концентрат содержит до 30% меди.
2. Концентрат обжигается, в результате получается сер-нистый газ, который идет на получение серной кислоты, и обожженный медный концентрат. Обожженный концентрат пе-реплавляется в отражательных печах с получением медного штейна – продукта, состоящего из меди и сульфидов железа.
3. Штейн продувается в конвертерах кислородом с полу-чением черновой меди, содержащей 1,5% примесей. При продувке в присутствии кварцевого песка сульфиды железа переходят в окись железа и уходят в шлак, а получающийся сернистый газ также идет на приготовление серной кислоты.
4. Очистка (рафинирование) черновой меди осуществляется огневым или электролитическим методом. При огневом методе в расплав меди кладутся деревянные (осиновые) жерди и пропускается воздух. Кислород воздуха в присутствии жердей окисляет и выводит примеси.
При электролитическом методе черновая медь устанав-ливается в качестве анода, катодом служат медные листы. При пропускании тока анод растворяется, и медь оседает на катоде
на дне. За 10 дней получается лист меди весом 60-90 кг. При этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в шламе содержится до 35% серебра, 6% селена, 1% золота. Поэтому шламы обычно перерабатывают для получения этих элементов.
Как видно из схемы получения меди, ее производство сопряжено с высокими затратами энергии и экологически вред-но.
Это позволяет увеличить механические и физические свойства, прочность, твердость, электрическую и теплопроводность. Медь и никель имеют полную растворимость в жидком и твердом состоянии. По мере увеличения содержания фосфора растворимость фосфидов никеля, образовавшихся в смешанном кристалле меди, сильно уменьшается. Система медно-никелево-фосфорного сплава способствует сочетанию высокой электропроводности и высокой прочности. Формирование мелкого осадка никель-фосфидом и степень чистоты меди являются решающими управляющими переменными для того, чтобы влиять на микроструктуру и, следовательно, на прочность и проводимость положительно.
