Основные свойства меди

Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 10 мкм), легко прокатывается в листы, ленту и фольгу (до 5 мкм), сваривается всеми видами сварки, хорошо паяется и полируется. Недостатками меди являются ее высокая стоимость, большая литейная усадка, горячеломкость, плохая обрабатываемость резанием.

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц–1). Нагрев выше 185°С вызывает окисление поверхности меди с образованием пленки окисла черного, а затем – красного цвета. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат – гидроксид меди).

Из медной руды получают сырую (черновую) медь, содержащую до 3 % примесей, которые значительно снижают ее электропроводность, поэтому медь, предназначенную для электротехнических целей, рафинируют (очищают), а затем переплавляют в слитки, которые подвергают горячей прокатке и получают катанку. Катанку протягивают через фильеры волочильных досок и получают проволоку заданных профиля и размеров.

Волочением получают твердую нагартованную (твердотянутую) медь (МТ). Наклеп повышает твердость и прочность меди, возрастает удельное электросопротивление, снижается пластичность (см. табл. 2).

Медь марки МТ применяют там, где требуется обеспечить высокую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных пластин электрических машин, шин для распределительных устройств и т. п.

Рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 550 – 650°С. В результате отжига механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем удельное сопротивление меди. Отжигом получают мягкую (отожженную) медь (ММ), которая пластична и имеет электропроводность на 3 – 5 % выше, чем медь марки МТ. Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают удельную проводимость металлов и сплавов (в процентах).

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожильных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т. д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди МТ и ММ изготавливают диаметром от 0, 02 до 10 мм.

Висмут, свинец и сера – самые вредные примеси меди, вызывающие ее красно- и хладноломкость.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее природы. Например, 0, 5 % кадмия (Cd), цинка (Zn) или серебра (Ag) снижают электропроводность меди на 5 %, а бериллий (Be), железо (Fe), кремний (Si) или фосфор (P) – на 55 % и более.

По степени чистоты медь выпускается несколькими марками, основные из них приведены в табл. 3.

Буква «б» означает «бескислородная», с повышенной прочностью; «р» – медь раскислена фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» – медь катодная переплавленная.

В бескислородной меди допускается содержание кислорода не более 0, 001 %, большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни». При нагревании меди в атмосфере водорода он взаимодействует с кислородом и образуются пары воды, которые скапливаются в микропорах меди, создают высокое давление, что вызывает разрушение (растрескивание).

Таблица 3

Основные марки меди

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как у серебра.

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди в качестве проводникового материала используют ее сплавы – латуни и бронзы.

3.4.1.2. Латуни – это сплавы системы «медь – цинк» с максимальным содержанием цинка 45 %. При концентрации цинка до 39 % латуни однофазны, их структура – кристаллы α -твердого раствора цинка в меди. Большее содержание цинка приводит к образованию второй фазы β ¹-твердого и хрупкого соединения СuZn. Максимальную пластичность имеют однофазные латуни при содержании 30 % цинка, с увеличением содержания цинка пластичность понижается. Прочность латуней растет с увеличением содержания цинка до 45 %, а затем под влиянием твердой и хрупкой β ¹-фазы резко падает и такие латуни не используются. Латуни, содержащие до 10 % цинка, называются «томпак».

Однофазные латуни со структурой α -твердого раствора обрабатываются давлением только в холодном состоянии. Двухфазные латуни (более 39 % цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии (выше 454 – 468°С), когда твердая и хрупкая β ¹-фаза переходит в пластичную β -фазу. Латуни могут упрочняться наклепом. Рекристаллизационный отжиг проводят при температуре 450 – 550°С.

Простые латуни (медь – цинк) маркируются буквой «Л», цифра после которой показывает среднее процентное содержание меди, например, латуни Л96, Л70 однофазны, а Л60 двухфазна.

Легированные латуни называются сложными или специальными, в их марке после буквы «Л» записывается начальная буква названия элемента и цифра – его среднее процентное содержание. Некоторые составы латуней приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные марки латуней

Примечание: Н – после наклепа (степень деформации 50 %); М – после отжига 550°С.

Оловянистые латуни обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Листами из этих латуней обшивали днища судов парусного флота, поэтому их называют «морская», «корабельная», «адмиралтейская», например ЛО70-1 и ЛО62-1.

Никелевая латунь ЛН65-5 обладает высокими антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и вязкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.

Алюминиевые латуни содержат до 4, 5 % алюминия, однофазны (например, ЛА77-2), хорошо обрабатываются давлением, их легируют железом, никелем, марганцем ЛАН 59-3-2, ЛАЖ 60-1-1, ЛЖМц 59-1-1.

Свинцовистые латуни получили название «автоматные» (ЛС74-3, ЛС59-1, ЛЖС58-1-1), их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой с последующей обработкой на станках-автоматах.

Из латуней получают проволоку, прутки, листы, ленту, полосы, они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, болтов, шпилек, шайб, упругих элементов штепсельных разъемов и т. п.

3.4.1.3. Бронзы – это сплавы меди с оловом, кадмием, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами. Маркируют бронзы буквами «Бр», затем ставятся буквы, указывающие химические элементы, и цифры, показывающие содержание этих элементов. Например, БрБ2 – бериллиевая бронза, содержит 2 % бериллия; БрОЦС4-4-2, 5 – оловянно-цинково-свинцовая бронза, содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2, 5 % свинца.

Атомы химических элементов, внедряясь в кристаллическую решетку меди, деформируют ее, увеличивая количество несовершенств, затрудняют подвижность дислокаций, повышая прочность и твердость, поэтому удельное сопротивление бронз, как и латуней, больше, чем у чистой меди. Бронзы лучше обрабатываются на металлорежущих станках и обладают более высокими литейными свойствами, чем медь и латунь. При определенном содержании вводимых компонентов отожженные бронзы пластичны (табл. 5) и хорошо поддаются пластической деформации (волочению, прокатке).

Таблица 5

Основные марки бронз

Примечание: Н – после наклепа; М – после рекристаллизационного отжига. Для бронзы БрБ2 – М – после закалки в воде; Н – после процесса старения.

Кадмиевая бронза (БрКд 0, 9, см. табл. 4) при небольшом снижении удельной электропроводности обладает высокими механическими свойствами: прочностью, твердостью, износостойкостью. Эту бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и коллекторных пластин в электрических машинах.

Бериллиевая бронза БрБ2 (см. табл. 5) упрочняется термообработкой. После закалки с температуры 780°С в воде имеет высокую пластичность δ (до 45 %). Старение (отпуск) при температуре 300 – 350°С в течение 2 – 3 ч увеличивает прочность до 1100 МПа и твердость – до НВ350 – 400. Эта бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и износу, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой, поставляется в виде деформированных полуфабрикатов (полос, прутков, проволоки), используется для изготовления упругих элементов электроприборов (плоских пружин, пружинящих электроконтактов, мембран, деталей, работающих на износ, и т. п.). Недостаток бериллиевой бронзы – высокая стоимость.

Оловянные бронзы – сплавы меди с оловом с добавлением фосфора, цинка, свинца. Фосфор повышает твердость и прочность, цинк удешевляет бронзу (как заменитель олова), растворяясь в меди, на структуру не влияет, свинец улучшает обрабатываемость резания. При содержании олова до 5 – 6 % бронзы однофазны, их структура – кристаллы α -тердого раствора олова в меди. Эти бронзы пластичны, используются как деформируемые (см. табл. 5).

Указанные в табл. 5 марки оловянных бронз обладают пластичностью, обрабатываются давлением, из них получают ленты, полосы, прутки, проволоку для изготовления токопроводящих изделий.

Все другие составы бронз используются как конструкционный литейный материал для получения отливок и в электротехнике имеют весьма ограниченное применение.

Среди бронз отдельную группу составляют сплавы меди с никелем. Сплавы электротехнические – это сплавы высокого электросопротивления: манганин МНМц3-12, константан МНМц40-1, 5 и копель МНМц45-0, 5.

К сплавам конструкционным относятся сплавы мельхиор МН19 (19 – 20 % никеля) и нейзильбер МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка), они обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, применяются в приборостроении, для изготовления бытовых изделий, посуды и украшений.

Для изделий высокой прочности и коррозионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель, содержащий кроме меди и никеля железо и марганец – МНЖМц68-2, 5-1, 5 (68 % никеля, 2, 5 % железа и 1, 5 % марганца).

3.4.2. Алюминий и его сплавы

3.4.2.1. Алюминий – серебристо-белый металл. Содержание в земной коре – 8, 8 %, легкий (2, 7 Мг/м³) и легкоплавкий, температура плавления – 660°С, полиморфизмом не обладает, кристаллическая решетка ГЦК. По электропроводности занимает третье место после серебра и меди. Преимущество алюминия как проводникового материала в том, что он дешевле меди, его удельное сопротивление в 1, 63 раза больше, а плотность – в 3, 5 раза меньше меди, что важно для подвесных проводов и электротехнических конструкций. Удельное электросопротивление алюминия: 0, 0280 – 0, 0290 мкОм·м.

Примеси существенно снижают удельную электропроводность алюминия. Присутствие в алюминии никеля, кремния, цинка или железа в количестве до 0, 5 % снижает электропроводность на 2 – 3 %, меди, серебра, магния, в том же количестве, – уже на 5 – 10 %, а титан, ванадий и марганец снижают электропроводность еще больше.

Алюминий стоек к азотной, органическим и пищевым кислотам. Соляная, серная кислоты и щелочи разрушают алюминий, на воздухе он быстро покрывается тонкой плотной пленкой оксида алюминия A₂О₃, которая защищает его от коррозии. Пленка, имея высокое сопротивление в месте контакта проводников, создает высокое переходное сопротивление. Это ее отрицательное качество. Кроме того, она затрудняет пайку алюминия обычными припоями. Алюминий хорошо поддается прокатке и волочению. Из него получают проволоку (круглую диаметром 0, 08 – 10 мм, прямоугольную, сегментную), пластины, ленту и фольгу (толщиной 5 – 7 мкм). Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП – твердая повышенной прочности, АТ – твердая, АПТ – полутвердая, АМ – мягкая.

Алюминий имеет высокую отражательную способность и широко используется в рефлекторах, прожекторах, фарах и т. п., хорошо сваривается, плохо обрабатывается на станках и имеет низкие литейные свойства (большая усадка – 6 %).

Механические свойства отожженного алюминия высокой частоты: σ _в = = 50 МПа, d = 50 %, технического алюминия: σ _в = 90 МПа, δ = 35 %, НВ20 – 25. Холодная прокатка и волочение (наклеп, нагартовка) значительно изменяют механические свойства алюминия: σ _в =160 – 170 МПа, δ = 5 – 6 %, НВ30 – 35. Рекристаллизационный отжиг алюминия проводят при температуре 350 – 400°С.

Маркировка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, указывающая содержание алюминия в сотых долях процента. Например, А97 содержит алюминия 99, 97 %, остальное – контролируемая примесь. Различают три класса алюминия: 1. Особой чистоты – марка А999 (99, 999 % чистого алюминия). 2. Химической чистоты – А995, А99, А97, А95 (содержание алюминия – не менее 99, 95 %). 3. Технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, АО, АЕ.

Чем выше чистота алюминия, тем сложнее и дороже его получение. В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не превышать 0, 5 %.

Алюминий по отношению к большинству металлов обладает отрицательным электродным (электрохимическим) потенциалом, который равен 1, 67 В (у меди +0, 34 В). Поэтому алюминий, находясь в контакте со многими металлами, образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом. Гальваническая пара в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с медью, железом и рядом других металлов необходимо защищать от влаги – покрывать лаком и т. п.

3.4.2.2. Деформируемые сплавы алюминия, не упроч­няемые термической обработкой, – это сплавы алю­миния с марганцем (АМц) или с магнием (АМг), харак­теризуются коррозионной стойкостью, хорошо свариваются, а структура твердого раствора обеспечивает их высокую пластичность (легко обрабатываются давлением в холодном состоянии).

Сплав АМц (1, 0 – 1, 6 % Mn) превосходит чистый алюми­ний по прочности и коррозионной стойкости. Магний (1, 8 – 6, 8 %) значительно повышает прочность, не снижая пластичности сплавов АМг (табл. 6), и делает их более легкими.

Таблица 6