Медь и медные сплавы
Содержание
- Понятие о медных сплавах
- Группы медных сплавов. Свойства
- Чистая (нелегированная) медь
- Медно-никелевые сплавы
- Высокопрочные медно-никелевые сплавы
- Бронза
- Латунь
- Медно-берилиевые сплавы
Понятие о медных сплавах
Медь – это металл, который извлекают из земли. Медь является основой для развития многих форм жизни, а также неотъемлемой составляющей для существования и процветания цивилизации. Наряду с золотом, медь относится к древнейшим металлам, используемым людьми. Ее история начинается более 10,000 лет назад. Уже в античности знали о высоких антикоррозионных свойствах литых и кованых медных изделий.Медь является универсальным металлом, который нашел применение во многих отраслях промышленности. Такие ее свойства, как коррозионная стойкость и механическая прочность, могут быть улучшены посредством легирования. В зависимости от легирующих компонентов выделяют основные группы медных сплавов:
- Чистая медь
- Медно-никелевые (купроникель)
- Бронза
- Латунь
- Бериллиевая медь
Группы медных сплавов. Свойства
Медь и медные сплавы производятся в соответствии с требованиями национальных и международных спецификаций, которые применяются в различных промышленных отраслях.
Сплавы являются пластичными и могут подвергаться обработке различными технологиями: прессованием, ковкой, прокаткой, волочением, горячей и холодной штамповкой. Также изготовление металлоизделий из меди может происходить путем литья в песчаной или металлической форме, технологиями центробежного и непрерывного литья.
Таблица 1. Европейские стандарты на типы изделий из меди и медных сплавов
| Форма металлопродукции | EN No |
| Плиты, листы, рулоны для общего применения | 1652 |
| Пластины для пружин и соединяющих деталей | 1654 |
| Бесшовные трубки для общего применения | 12449 |
| Бесшовные конденсаторные трубки | 12451 / 12452 |
| Прутки для общего применения | 12163 |
| Проволока | 12166 |
| Профили и прутки с прямоугольным сечением (бруски) | 12167 |
| Поковки | 12440 |
| Слитки и отливки | 1982 |
Механические свойства зависят от типа изделия, регламентирующей его спецификации, а также от размеров и состояния материала. Механические свойства медных сплавов варьируются от умеренных (как в случае с чистой медью) до высоких (как у бериллиевой, никелево-алюминиевой меди и др.). Свойства меди, бронзы, фосфорной бронзы, медно-никелевых сплавов после отжига улучшаются методами холодной обработки. Более высокие свойства достигаются упрочнением при старении. Сплавы не подвергаются хрупко-вязкому переходу (как мягкая сталь) и остаются пластичными даже при криогенных температурах. Наибольшую прочность демонстрирует бериллиевая медь, свойства которой после упрочнения комбинированными методами (холодной обработкой и старением) могут сравниться со свойствами высокопрочной стали.
Таблица 2. Примеры обозначения состояний после механической или термической обработки медных сплавов в США (по стандарту ASTM B601)
| Состояние после отжига | |
| 010 | Литой и отожженный |
| 020 | Горячекованый и отожженный |
| 060 | Мягкий отжиг |
| 061 | После отжига |
| 081 | Отожженный и закаленный |
| OS015 | Средний размер зерна (0,015 мм) |
| Холодная обработка | |
| H01 | Полутвердый (1/4) |
| H02 | Полутвердый (1/2) |
| H04 | Твердый |
| H08 | Пружинный |
| Холодная обработка с отпуском под напряжением | |
| HR01 | H01 с последующей термообработкой для снятия напряжения |
| HR04 | H04 с последующей термообработкой для снятия напряжения |
| Дисперсионно-твердеющий | |
| TB00 | Обработанный на твердый раствор |
| TF00 | TB00 и упрочненный старением |
| TH02 | TB00 с холодной обработкой и старением |
| TM00 / TM02 / TM08 | Холодная обработка в сочетании с термическим дисперсионным твердением |
| Обработанный на производстве | |
| M01 | Отлитый в песчаной форме |
| M04 | Отлитый под давлением |
| M04 | Высокоточная отливка |
Обозначения, используемые в данной таблице, встречаются в Европе, но европейские спецификации применяют другую терминологию для описания состояний металла после обработки. Обозначения состояния поставки европейских медных сплавов определяются стандартом EN 1173.
Основное обязательное свойство обозначается буквой (табл.4). Например, буква «R» обозначает минимальный предел прочности, в то время как «H» указывает на твердость (по Виккерсу для деформируемых металлов и по Бринеллю – для литых). Медные сплавы могут иметь в обозначении букву R или H, но не обе одновременно.
Таблица 3. Символы для обозначения свойств сплавов (по EN 1173)
| A | Относительное удлинение |
| B | Предел прочности на изгиб |
| G | Размер зерна |
| H | Твердость (по Бринеллю для литья, по Виккерсу – для пластически деформированных изделий) |
| M | Без определенных механических свойств |
| R | Предел прочности |
| Y | Предел текучести 0,2% |
Медные сплавы также применяются из-за своих физических свойств: высокий уровень тепловой и электрической проводимости. Высокий уровень теплопроводности, ассоциируемый с медными сплавами, определяется как быстрая отдача тепла с медных элементов, что широко применяется в теплообменном оборудовании. Высокая температура плавления выступает в качестве меры безопасности в случае пожара: сплавы не растекаются, как некоторые материалы (например, алюминий, пластик).
Таблица 4. Физические и механические свойства
| Сплав | Медь | Алюминиевая латунь | Никель-алюминиевая бронза | Медно-никелевый 90-10 |
| EN# (UNS) | CW024A (C12200) | CW702R (C68700) | CW307G (C63000) | CW352H (C70600) |
| Точка плавления (°C) | 1083 | 971 | 1075 | 1150 |
| Плотность (г/см3) | 8,94 | 8,3 | 7,95 | 8,91 |
| Коэффициент линейного расширения х10-6/°C | 18 | 20 | 18 | 16 |
| Электропроводность (% IACS) | 97 | 23 | 15 | 10 |
| Теплопроводность (Вт/ (м*К) | 394 | 101 | 38 | 40 |
| Предел прочности, МПа | 200-400 | 340-540 | 430-770 | 290-520 |
| Относительное удлинение (%) | 5-50 | 20-60 | 5-15 | 8-35 |
| Твердость HV | 40-120 | 80-160 | 170-220 | 80-160 |
Чистая (нелегированная) медь
Существует 2 основных марки нелегированной меди:
| CW004A | Cu-ETP | состоит из 99.99% меди | «электрическая» | Чаще всего применяется в электрической механике, инженерии |
| CW024A | Cu-DHP | состоит на 99.90% из меди | «инженерная» | Применяется для создания труб, работающих в морских условиях, в теплообменниках, в топливопроводах, для изготовления гвоздей |
Медь имеет однофазную структуру, что делает ее формуемой и пластичной.
Марка CW024A обладает высокой теплопроводностью (394 Вт/(м*К), в 2 раза больше, чем у алюминия и в 30 раз выше нержавеющей стали. Поэтому данная марка используется для производства элементов, где важна быстрая теплоотдача (например, в теплообменниках).
Механические свойства марок CW024A и CW004A одинаковы. Предел прочности может быть увеличен в отожженном состоянии посредством холодной обработки.
| Сплав | EN | UNS | Предел текучести, МПа | Предел прочности, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, HV |
| Технически чистая медь | CW024A | C12200 | 50-340 | 200-400 | 5-50 | 40-120 |
В дополнение к тепло- и электропроводности, марки обладают хорошими антикоррозионными свойствами в морском климате и в контакте с морской водой, демонстрируют низкую склонность к питтинговой и контактной коррозии.
Медно-никелевые сплавы
Медно-никелевые сплавы (также называемые купроникель) широко применяются в морских условиях благодаря превосходному уровню стойкости к морской коррозии и загрязнению наносами, а также хорошей податливости обработке. Легирование меди никелем улучшает механическую прочность и антикоррозионные свойства, несильно снижая пластичность. Другие химические элементы добавляются с целью улучшить прочность, твердость, свариваемость, жидкотекучесть и другие свойства.
Медно-никелевые сплавы 90/10 и 70/30 являются самыми распространенными. В них содержатся небольшие добавки железа и марганца, которые оптимизируют антикоррозионные качества металла. Данные марки могут быть упрочнены методами холодной обработки. Сплавы хорошо свариваются и поддаются обработке.
Cu-Ni 90-10 (C70600 / CW352H) востребован в судостроении (военном, коммерческом), в морской добыче нефти и газа, в энергетике, в опреснении вод. Отличается хорошей теплопроводностью.
Марка 70/30 Cu-Ni (CW354H / C71500, CW353H / C71640), а также сплавы, легированные алюминием, хромом, оловом, применяются при сильном течении морской воды, при трении с песком и другими абразивными веществами, а также в условиях, требующих большей механической прочности.
Марка C72200 содержит 16% никеля и 0.5% хрома, была разработана для эксплуатации при высоких скоростях потока в трубках конденсаторов.
Медно-никелевые сплавы отличаются высокой устойчивостью к точечной коррозии в контакте с хлоридами, к щелевой коррозии, а также к коррозионному растрескиванию под напряжением. Главным отличием от нержавеющих сталей является отсутствие температурных границ, при которых металл снижает коррозийную стойкость.
Таблица 5. Основные применения медно-никелевых сплавов
| Сплав | Применение |
| Марки общего назначения | |
| 90-10 Cu-Ni, 70-30 Cu-Ni | Системы охлаждения и водяного пожаротушения, теплообменники, конденсаторы, трубопроводы, опоры и другие детали морских платформ, части оборудования для опреснения морской воды, корпусы судов |
| Cu-Ni-Cr | Конденсаторные трубки, полученные методами пластического деформирования. Литые детали для подводных насосов и запорно-регулирующей арматуры |
| Высокопрочные медно-никелевые | |
| Cu-Ni-Al | Валы, подшипниковые втулки, крепеж, тримы трубопроводной арматуры и насосов, зубчатые передачи |
| Cu-Ni-Sn | Подшипники, сверла, подводные соединения, штоки и шпиндели, рым-гайки, подводные магистральные трубопроводы, части насосов, эксплуатируемых в морской воде и др. |
Таблица 6. Химический состав основных медно-никелевых сплавов (в %)
| Сплав | EN | UNS | Ni | Fe | Mn | Al | Sn | Cu |
| Cu-Ni | CW352H | C70600 | 10 | 1,5 | 1 | ост. | ||
| CW353H | C71640 | 30 | 2 | 2 | ||||
| CW354H | C71500 | 30 | 0,7 | 0,7 | ||||
| Cu-Ni-Cr | DefStan 02-824 Part 1 | - | 30 | 0,8 | 0,8 | |||
| - | C72200 | 16 | 0,7 | 0,7 | ||||
| Cu-Ni-Al | Nibron Special | - | 14,5 | 1,5 | 0,3 | 3 | ||
| DefStan 02-835 | C72420 | 15 | 1 | 5 | 1,5 | |||
| Cu-Ni-Sn | - | C72900 | 15 | 8 |
Таблица 7. Механические свойства
| UNS | Предел текучести, МПа | Предел прочности, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, HV |
| C70600 | 100-350 | 290-420 | 12-40 | 80-160 |
| C71640 (только трубки) | 150 | 420 | 30 | 110 |
| C71500 | 130-450 | 350-520 | 12-35 | 90-190 |
| DefStan 02-824 Part 1 | 300 | 480 | 18 | |
| C72200 | 110 | 310 | ||
| Nibron Special | 555-630 | 770-850 | 12 | 229-240 |
| C72420 | 400 | 710 | 18 | 170 |
| C72900 | 620-1030 | 825-1100 | 2-15 | 272-354 |
Высокопрочные медно-никелевые сплавы
Для повышения механической прочности медно-никелевых сплавов использовались два основных способа легирования: спинодальный распад структуры металла (как в марке Cu-Ni-Sn) и дисперсионное твердение (Cu-Ni-Al). Обе марки способны достигать высокой прочности, сопоставимой с прочностью углеродистой стали. Они используются в морской воде, применяются в штоках приводов, втулках, подшипниках и соединительных деталях.
Сплавы Cu-Ni-Sn обладают высокой прочностью (620-1300 МПа). Они поддаются сварке, при этом для сварных соединений требуется термическая обработка после сварки, если прочность является критическим требованием. В морских условиях их часто выбирают там, где требуется хорошая устойчивость к коррозии и биообрастанию.
Марка C72900 является одним из самых прочных немагнитных материалов на основе меди, обладающих низким коэффициентом трения и не подверженных истиранию. Может работать в самых суровых условиях эксплуатации. Обладает повышенными антикоррозионными свойствами, отличной устойчивостью к эрозионной коррозии даже в насыщенной песком морской воде. Марка не подвержена водородному охрупчиванию в морской воде и обычно имеет приемлемую стойкость к охрупчиванию в разбавленных растворах аминов.
У марок Cu-Ni-Al алюминий в составе увеличивает прочность за счет обычного механизма дисперсионного твердения. Сплав является прочным, обладает хорошими антикоррозионными свойствами при сохранении низкой скорости коррозии и устойчивости к водородному охрупчиванию.
Бронза
Традиционно со словом «бронза» ассоциировались медно-оловянные сплавы. Сегодня к бронзе относят также сплавы меди с оловом и другими легирующими элементами (например, с цинком, фосфором, бериллием). Основные бронзовые сплавы – это пушечная (Cu-Sn-Zn) и фосфорная бронза (Cu-Sn-P). Также в группу бронзовых сплавов входят металлы, которые не содержат олово (кремниевая бронза Cu-Si, алюминиевая бронза Cu-Al).
Чем выше содержание олова, тем выше стойкость к морской коррозии. Также бронза обладает превосходным уровнем стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением в контакте с аммиаком.
Фосфорная (фосфористая) бронза представляет собой сплав красноватого цвета, легированный оловом и фосфором. Олово улучшает механическую прочность и антикоррозионные свойства, фосфор увеличивает жесткость и износоустойчивость металла.
Пушечная бронза – это литой сплав, состоящий из меди, олова (2-11%) и цинка (1-10%), который широко применяется в судостроении, морском машиностроении. Свое название данная группа металлов получила из-за того, что ранее из бронзы данного типа отливали стволы пушек. Пушечная бронза не поддается коррозии цинковых сплавов, а также питтинговой и контактной, устойчива к коррозионному растрескиванию в контакте с аммиаком и его производными.
Алюминиевая бронза – это медно-алюминиевый сплав с содержанием алюминия 4-12%. Отличительной особенностью сплава является комбинация высокой прочности и антикоррозионной стойкости. Металл также устойчив к эрозии, износу. Широко используется в литой и кованой (деформированной) форме. Разновидностью данной группы сплавов выступает никель-алюминиевая бронза, которая широко применяется в морской среде (часто в качестве материала для гребных винтов).
Кремниевая бронза используется для производства крепежей различного вида (гайки, шайбы, болты, шпильки, скобы и др.). Сплав отличается хорошей стойкостью к коррозии в морском климате, а также не поддается механической коррозии.
Основные сферы применения, а также хим.состав и механические свойства см. в таблицах 8-10.
Таблица 8. Основные сферы применения бронзы
| Группа сплавов | Эксплуатация |
| Фосфористая (литая и пластически деформированная) | Пружины, подшипники, шестерни, прутки, метизы, затворы |
| Кремнистая | Крепежи: болты, гайки, болты, шайбы, шпильки, шурупы, скобы |
| Алюминиевая | Краны забортной воды, насосы, трубопроводная арматура, втулки |
| Никель-алюминиевая (литые и кованые) | Пропеллеры, валы, подшипники, насосы, метизы, трубные пластины для титановых конденсаторных трубок |
| Пушечная (литье) | Насосы и затворы, задвижки, дейдвудные трубы, фитинги, валы, швартовые тумбы, выпускные патрубки |
Таблица 9. Химический состав бронзовых сплавов (в %)
| Тип бронзы | EN | UNS | Ni | Fe | Mn | Zn | Al | Sn | Др. | Cu |
| Фосфористая | C52100 | 8 | 0,3P | ост. | ||||||
| CW451K | C51000 | 5 | 0,2P | |||||||
| Кремнистая | CW116C | C65500 | 1 | 3Si | ||||||
| Алюминиево-кремнистая | CW302G | C64200 | 7,5 | 2Si | ||||||
| Никелево-алюминиевая | CC333G | C95800 | 4 | 4,5 | 9 | |||||
| Def Stan 02-833 | - | 5 | 5 | 10 | Ni>Fe | |||||
| Пушечная | CC491K | C83600 | 5 | 5 | 5Pb |
Таблица 10. Механические свойства бронзы
| UNS | Предел текучести, МПа | Предел прочности, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, HV |
| C52100 | 170-1000 | 390-1100 | 1-60 | 85-270 |
| C65500 | 200-890 | 380-900 | 3-50 | 90-220 |
| C64200 | 250-350 | 500-650 | 10-25 | 125-160 |
| C95800 | 280 | 650 | 12 | 150 HB |
| Def Stan 02-833 | 245 | 620 | 15 | |
| C83600 | 110 | 230 | 10 | 65 HB |
Латунь
Латунь представляет собой сплав на основе меди с цинком в качестве основного компонента. Пропорции цинка и меди варьируются, что влияет на конечные свойства металла. Латуни являются ковким материалом, подходят для литья. Сплав имеет невысокую точку плавления, хорошо проводит тепло, противостоит коррозии. Часто используется в музыкальных инструментах благодаря хорошим акустическим свойствам.
Металл может быть двухкомпонентным (из меди и цинка), а также многокомпонентным, т.е. содержать дополнительные легирующие элементы (например, олово, свинец, марганец, никель и др.).
Латунь является более пластичной, чем медь, и стоит между медью и цинком по антикоррозионным свойствам в атмосферных условиях. Сплавы подвержены экрозионной коррозии, а также дезинкификации. Медно-цинковый металл подвергается коррозионному растрескиванию под действием аммиака, особенно в морской среде.
Алюминиевая латунь (альфа-латунь) используется для изготовления труб и в составе содержит мышьяк, который предотвращает процесс обесцинкования. Альфа-бета-латунь (дуплексная или горячая) является более твердой и прочной, чем альфа, но больше подходит для эксплуатации при высоких температурах. Латунь DZR (CW602N) или латунь, стойкая к вымыванию цинка, за счет легирования свинцом и мышьяком приобретает особую стойкость к обесцинкованию.
Медно-бериллиевые сплавы
Бериллиевая медь обладает высокими антикоррозионными свойствами, а также превосходной стойкостью против биообрастания. В упрочненном состоянии металл занимает первое место по прочности и твердости среди всех медных сплавов. Демонстрирует высокий уровень стойкости к истиранию, не подвергается водородному охрупчиванию, стресс-коррозии в хлоридных средах.
Марки бериллиевой меди содержат от 0.4 до 2% бериллия. Небольшое содержание бериллия в составе медного сплава позволяет создать целую группу металлов, по прочности сопоставимой с легированными сталями.
Марки C17200 и C17300 обладают высокой прочностью и средней проводимостью, в то время как марки C17500 и C17510 – отличными свойствами проводимости, но средними показателями механической прочности. Главные свойства бериллиевой меди – это податливость дисперсионному упрочнению, отличная теплопроводность, релаксационная стойкость.
Применяется бериллиевая медь для изготовления пружин, сверл, металлоизделий разного характера, которые предназначены для эксплуатации в водной среде.
