Строение и свойства меди. Проводниковая медь. Латуни. Бронзы

Медь – металл в числе первых, освоенных человеком. Ее начали использовать около 5000 лет до н.э. Из медных самородков, возможно, с помощью каменных топоров, были изготовлены первые металлические орудия труда. Этот металл до сих пор широко применяется в различных областях жизни человека. Поэтому, мне захотелось почувствовать себя первооткрывателем, изучить на практике свойства металла, который вместе с Ag и Au принадлежит к царственной семье элементов побочной подгруппы первой группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Экспериментальную часть моей работы составляют исследования по способам получения металлической меди в лабораторных условиях, а также изучение свойств соединений этого металла. Латинское наименование меди – Cuprum – происходит от названия острова Кипр, где уже в III в. до н.э. существовали медные рудники. Русское «медь», вероятно, восходит к слову «смида», обозначавшему металл у древних германцев. Медь встречается в природе, как в соединениях, так и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS 2, также известный как медный колчедан, халькозин Cu 2S и борнит Cu5 FeS 4. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS, куприт Cu2 O, азурит Cu 3(CO 3) 2(OH) 2, малахит Cu 2CO 3(OH)2. Иногда медь встречается в самородном виде. Самый большой самородок был найден в Северной Америке, а его вес составлял 420 т. Медь – весьма мягкий металл, поэтому начиная с III тыс. до н.э. на смену медным изделиям стали приходить бронзовые – более твердые и прочные. Чистая медь очень хорошо проводит электрический ток, уступая в этом лишь серебру, поэтому из нее делают провода. Кроме того, медь используется в виде сплавов – бронзы (сплавы меди с 7-10% олова) и латуни (сплав меди с цинком) и специальных сплавов (монель, константин, нейзильбер и др.) Медь устойчива в чистом сухом воздухе при комнатной температуре, однако при температуре красного каления образует оксиды. Она реагирует также с серой и галогенами. В электрохимическом ряду напряжений медь находиться правее водорода, поэтому она практически не взаимодействует с обычными кислотами. Металл растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, а также в разбавленной и концентрированной азотной кислоте. Оксиды меди не растворимы в воде и не реагируют с ней. Единственный гидроксид меди Cu(OH)2 обычно получают добавлением щелочи к водному раствору соли меди(II). Соли меди(II), в основном, растворимы в воде. Голубой цвет их растворов связан с образованием иона ICu(H2 O)4 I 2+. Наиболее известную простую соль – пентагидрат сульфата меди(II) CuSO45H2O-часто называют медным купоросом. Он широко используется в электролитических процессах, при очистке воды, для защиты растений. Медь имеет важное биологическое значение.

Латунями называются сплавы меди с цинком и другими элементами. Они бывают двухкомпонентными (простые) и многокомпонентными (специальные). Простые латуни маркируются буквой «Л» и цифрой, показывающей среднее содержание меди в процентах. Латуни с содержанием меди более 90% называются томпаками (например, Л96), при 80-90% меди - полутомпаками (например, Л80 и Л90). В марках специальных латуней даются буквы, являющиеся начальными буквами названия легирующих компонентов. Содержание этих компонентов обозначается соответствующими цифрами после цифр, показывающих концентрацию меди в сплаве. Например, сплав ЛАЖ 60-1-1 содержит 60% меди, 1% AL и 1 % Fe, остальную часть (38 %) составляет цинк.

Согласно диаграмме состояния системы медь-цинк цинк в значительных концентрациях растворяется в меди (предельная растворимость 39 %). При 1175 К (902 С) между жидкостью и альфатвёрдым раствором на основе меди (гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК)) проходит перетектическая реакция с образованием более богатой цинком фазы (β-твёрдого раствора) на основе электронного соединения CuZn (объёмноцентрированная кубическая решётка (ОЦК)). При температурах выше 496С образующаяся β-фаза представляет собой неупорядоченный твёрдый раствор с хаотическим расположением атомов меди и цинка в узлах решётки ОЦК. При температурах 727-741 К (штриховая линия на диаграмме состояния) происходит упорядочивание (образование β-фазы, при котором атомы меди располагаются в узлах решётки ОЦК, а цинка в центре решётки ОЦК) и которое сопровождается значительным повышением твёрдости и хрупкости. В соответствии с изменением кристаллической структуры материала изменяются и механические свойства латуней. Когда латунь имеет структуру α -твёрдого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повышение её прочности и пластичности. Появление β-фазы сопровождается резким снижением пластичности, но прочность продолжает возрастать при увеличении концентрации цинка, когда латунь находится в двухфазном состоянии. Переход латуни в однофазное состояние со структурой β-фазы (содержание цинка более 45%) вызывает резкое снижение прочности, поэтому на практике нашли применение латуни с содержанием цинка до 43 %.

Таким образом, по структуре можно выделить две группы латуней - однофазные (с структурой α-твёрдого раствора) и двухфазные (с α+β структурой). Вследствие хорошей пластичности однофазные латуни (α-латуни) используются для изготовления деталей пластической деформации при температуре выше 500 С. Для улучшения обработки материала резанием в состав латуни вводят небольшие количества свинца (так получаются марки латуней ЛС59-1, ЛС63-3). Латуни имеют хорошую коррозийную стойкость, которая дополнительно повышается при добавлении небольшого количества олова (ЛО 70-1, так называемая «морская латунь»).

Небольшие добавки кремния в этом случае позволяют получить отливки (арматура и детали приборов в машиностроении) сложной конфигурации. Свойствами латуней определяются также и способом их обработки, поскольку микроструктура литой латуни имеет дендритное (древовидное) строение твердого раствора, а после пластической деформации и отжига - состоит из сравнительно одинаковых по форме зёрен (полиэдров). Различие в микроструктуре приводит к более высокой пластичности латуней после деформации и отжига. Поскольку латуни обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности по сравнению с чистой медью, это обеспечивает им технологические преимущества при обработке давлением (штамповкой, вытяжкой и т.п.). Поэтому латунь применяют для изготовления различных токопроводящих деталей, изготовленных путём обработки давлением. Из двухфазных α + β латуней можно изготавливать детали также методом литья. Наилучшей жидко текучестью (способностью расплава заполнять объем) обладает литейная латунь марки ЛК80-ЗЛ.

Бронзы – сплавы меди с другими металлами (кроме цинка). Сплавы меди с оловом – оловянные бронзы. Ввиду дороговизны и дефицитности олова ведутся исследования по замене и снижению его содержания в медных сплавах. Однако благодаря удачному сочетанию свойства оловянные бронзы по-прежнему используются в технике. Из-за большого интервала кристаллизации и значительного изменения состава образующих кристаллов α-твёрдого раствора последние приобретают вид дендритов с сильно выраженной ликвидацией. Область α-твёрдого раствора на основе меди, распространяющаяся до 15-16% олова при 773-1073° К (500-800° С), резко сокращается при понижении температуры. Практически же из-за незавершённости диффузионных процессов кристаллизация сплавов проходит неравновесно, так что включения промежуточных фаз появляются в структуре после кристаллизации при 6-7% олова. Эта граничная концентрация сохраняется неизменной и при дальнейшем понижении температуры до комнатной.

В сплавах, содержащих более 12-14% олова, при 1071° К (798° С) проходит перитектическая реакция с образованием β-фазы (твердого раствора на основе электронного соединения состава Сu3Sn), которое затем при 588°С испытывает электродный распад (β —>L + γ). В свою очередь γ -фаза также распадается при 793° К (520°С) по эфтектоидной реакции γ -L+ δ. Фаза δ также должна при 623° К (350°С) распадаться по эфтектоидной реакции (δ —> α + ε), однако при обычно реализуемых условиях осаждения (20-500 град/мин) эта реакция не проходит. Поэтому в литом состоянии сплавы меди с 8-22% олова оказываются двухфазными, состоящими из ()-твёрдого раствора и δ-фазы (электронное соединение состава Cu31Sn8). Появление δ-фазы вызывает резкое снижение пластичности, поэтому, несмотря на увеличение прочности при возрастании концентрации олова до 25%, практическое значение имеют бронзы, содержащие до 14% олова. По технологическим свойствам оловянные бронзы подразделяют на обрабатываемые давлением (до 6% олова) и литейные (свыше 6% олова). В целях снижения стоимости литейных оловянных бронз в ряде случаев в них вводят добавки цинка (2 - 15%), а для лучшей обрабатываемости добавляют свинец (3-5%). Деформируемые оловянные бронзы наряду с хорошей электропроводностью и коррозионной стойкостью обладают высокими упругими свойствами, в связи с чем их используют для изготовления токопроводящих пружинящих деталей. Ещё более широкое применение для изготовления таких деталей находят сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием (так называемые безоловянистые или специальные бронзы). Эти бронзы обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с оловянными, а кроме того, некоторые из них и специальными свойствами: химической стойкостью, жидко текучестью и т.п. Аллюминевые бронзы отличаются хорошим механическим свойствами и высокой коррозионной стойкостью.

Общим недостатком таких сплавов является плохая паяемость из-за трудности смачивания припоями поверхности сплава, содержащего в пленке окись алюминия.

Среди кремневых бронз находят применение как простые (с содержанием кремния 2-3%), так и сложные, например, Бр.КЦ 4-4 (легированные цинком) или Бр.КМП 3-1 (легированные марганцем). Кремневые бронзы используют вместо дорогих оловянных и бериллевых бронз при изготовлении пружин, мембран и других подобных деталей, от которых требуется упругость. Бериллиевые бронзы отличаются чрезвычайно высокими пределами упругости и прочности, твёрдостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением механическим нагрузкам и износу. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2% бериллия (Бр.Б2). По диаграмме состояния системы медь-бериллий они имеют структуру, состоящую из ()-твёрдого раствора бериллия в меди и γ -фазы (электронного соединения СиВе). Предельная концентрация бериллия в α -твёрдом растворе значительно уменьшается с понижением температуры (от 2,75% при 870° С до 0,2% при 300° С). Это даёт возможность подвергать бериллиевые бронзы упрочняющей термической обработке: закалке и искусственному старению. Бериллиевые бронзы используют для изготовления пружинящих деталей особо ответственного назначения. Отличительной особенностью бериллиевой бронзы является отсутствие искрения при ударах. Однако бериллий очень токсичен, поэтому изготовление материалов и деталей с его участием требует специальных мер безопасности.