Медь и ее сплавы: бронзы, латуни, сплавы меди с никелем
Медь – цветной металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.
Чистая медь согласно ГОСТ 854-66 859-66 имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, М1, М2, М3 и т.д.) в зависимости от содержания вредных примесей в меди. Суммарное количество примесей (висмут, сурьма, мышьяк, железо, никель, свинец, олово, сера, кислород, фосфор) в лучшей марке М00б – 0,01% (то есть меди в ней 99,99%), а в марке М3 примесей 0,5%.
Одним из главным природным источником для получения меди служат сульфидные руды, содержащиехалькопирит CuFeS2, называемый медным колчеданом, или другие сернистые минералы руды, например борнит 5Cu2S·Fe2S3, халькозин CuS и др.
Вторым по значению источником получения меди являются окисленные медные руды, содержащие медь в виде куприта Cu2O или азурита 2CuCO3·Cu(OH)2. Также известен теперь уже очень редкий, окисленный минерал меди – малахит CuCo3·Cu(OH)2.
Чистая медь розовато-красного цвета, плотность составляет 8,93 г/см3, температура плавления - 1083 ?С. Предел прочности чистой меди не очень высок и составляет 220 МПа. Чистую медь благодаря высокой электропроводности применяют для электротехнических целей (основная сфера применения меди). Также медь обладает высокой теплопроводностью и пластичностью.
Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов:
- латуни
- бронзы
- сплавы меди с никелем
Латуни
Латунями называют двойные (томпак, где 90% и более - меди и 10% цинка и полутомпак, где меди 79-86%Ю остальное цинк) или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например, железофосфорномарганцевая латунь и т.п.
По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью. Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они лучше обрабатываются (резанием, литьем, давлением). Большим их преимуществом является более низкая стоимость, так как входящий в состав латуней цинк значительно дешевле меди.
Латуни нашли широкое применение в приборостроении, в общем и химическом машиностроении.
Латуни могут содержать до 40-45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%.
Медноцинковые латуни в соответствии с ГОСТ 15527-70 выпускают восьми марок.
Латуни обозначают начальной буквой Л, затем ставят цифру указывающую средний процент меди в этом сплаве.
Л96 – томпак, меди 96%, цинка 4%.
Латуни более сложного состава в обозначении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, указывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни.
Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами:
| Ц – цинк |
| А - алюминий |
| О – олово |
| Н – никель |
| К – кремний |
| С - свинец |
| Мц – марганец |
| Ж – железо |
| Ф – фосфор |
| Б – бериллий |
Цифры, помещенные за буквами, указывают среднее процентное содержание элементов.
ЛАЖМц66-6-3-2 – алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа и 2% марганца, остальное составляет цинк.
По технологическому признаку латуни, как другие сплавы цветных металлов (алюминиевые, титановые,магниевые сплавы), подразделяют на:
- литейные (ГОСТ 17711-72)
- деформируемые (ГОСТ15527-70)
Бронзы
Бронзы (медь, олово) – сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. В зависимости от введенного элемента бронзы бывают:
- оловянными,
- алюминиевыми,
- кремнистые
- марганцовистые
- свинцовистые
- бериллиевые
Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием.
Благодаря хорошим литейным качествам из бронз отливают пушки, колокола и статуи. Также бронзы используются при изготовлении арматуры газовых и водопроводных линий и в химическом машиностроении, где важна также высокая коррозионная стойкость бронз. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает бронзы незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.
Бронзы легируют для повышения механических характеристик и придания особых свойств. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля – пластичности, железа – прочности, цинка – улучшению литейных свойств, свинца – улучшению обрабатываемостью.
Бронзы маркируют русскими буквами Бр. Справа ставят обозначение элементов, входящих в состав бронзы:
| О – олово |
| Ц – цинк |
| С – свинец |
| А – алюминий |
| Ж – железо |
| Мц – марганец |
Далее идут цифры, обозначающие среднее содержание дополнительных элементов в бронзе в процентах (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзе, не ставят).
БрОЦС5-5-5 – бронза содержит по 5% олова, свинца, цинка, остальное – медь (85%).
Медно-никелевые сплавы
Медно-никелевые сплавы – это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель.
Нейзильберы (медь, никель, цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное составляет медь.
Мельхиоры (меди около 80%, никеля около 20%, небольшие добавки железа и марганца ) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности, в морской воде. Широко применяется для изготовления украшений, столовых и чайных приборов.
Копель (медь, 43% никеля, 0,5% марганца) – специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар.
Манганин (медь, 3% никель, 12% марганца) – специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов.
4. Пластмассы
Пластма́ссы (пласти́ческие ма́ссы) или пла́стики — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.
Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное (твёрдое) состояние.
В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:
- Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние;
- Реактопласты (термореактивные пластмассы) — в начальном состоянии имеют линейную структуру макромолекул, а при некоторой температуре отверждения приобретают сетчатую. После отверждения не могут переходить в вязкотекучее состояние. Рабочие температуры выше, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.
Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.
Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.
Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.
Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.
Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.
Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.
Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.
Для придания особых свойств пластмассе в неё добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т. п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).
5) Композиционный материал
Композиционными называют материалы, в состав которых входят конструктивные элементы, разделённые выраженной границей и резко отличающиеся по свойствам, например, пластичная матрица и прочный (но часто хрупкий) упрочнитель. Свойства композиционных материалов определяются свойствами и объёмными долями входящих в них составляющих, а также прочностью связей между ними. Но в общем случае такие свойства, как высокотемпературная прочность, сопротивление усталости, удельная прочность, в композиционных материалах выше, чем в обычных конструкционных сплавах.
Различают композиты:
- искусственные, уровень свойств которых реализуется подбором компонентов;
- естественныеполучаемые при естественном структурообразовании. Искусственные композиты могут иметь разную матрицу: металлическую (сплав или монометалл) и неметаллическую (полимерную, углеродную, керамическую). Разработаны также и полиматричные материалы, в которых чередующиеся слои матрицы могут иметь различный состав.
Компоненты, равномерно распределённые в матрице, называют армирующими наполнителями или упрочнителями. В зависимости от формы наполнителя композиты делят на:
- дисперсно-упрочненные — равноосные частицы наполнителя ориентированы беспорядочно;
- волокнистые — оси волокон могут быть ориентированы вдоль одного из направлений (однонаправленные композиты) в нескольких направлениях (двух и более) или без ориентации в определенном направлении (неориентированные композиты);
- слоистые — слои могут быть заполнены расположенными упорядочение в плоскости частицами либо волокнами, уложенными в параллельных плоскостях.
Иногда в одном композиционном материале используют несколько различных наполнителей. Такие композиционные материалы называют полиармированными.
В зависимости от расположения упрочнителя проявляется и анизотропия свойств композиционного материала. Наибольшего упрочнения достигают при одноосном расположении волокон, ориентированных в направлении приложения нагрузки. К упрочнителям предъявляют определённые требования. Они должны обладать высоким модулем упругости, высокой прочностью, термостойкостью, химической инертностью по отношению к матрице.