23.01.2015

Медные материалы находят широкое применение не только в электротехнике, но также из-за их свойств и в машиностроении. Правда, существует сильная тенденция к замене медными материалами, по крайней мере, в крупносерийном производстве (автомобилестроение) материалов на основе железа, так как эта группа материалов при эксплуатации дает повышенный уровень загрязнений, который нельзя более устранить с помощью обычных способов производства стали.
Высокая коррозионная устойчивость, а также хорошая теплопроводность являются признаками, которые прежде всего обеспечивают важную область применения меди и ее сплавам в строительстве установок и электростанций. Так, медные сплавы используются в области теплообменников, а также при строительстве цистерн, трубопроводов и арматуры.
Электротехническая медь

Преобладающая часть меди используется из-за хорошей проводимости, примерно 58 м/Л*мм2, в электротехнике. Так как вообще в решетке растворенные посторонние атомы уменьшают проводимость, в электротехнической меди допускается содержание кислорода примерно 0,02 %. Этот кислород может в меди окислять остаточные примеси и, таким образом, обладает рафинирующим действием.
Излишний кислород может, однако, образовать Cu—Сu2O-эвтектику как сетчатую структуру вокруг зерен. Если в этом случае принимается атомарный водород, как это возможно при сварке или пайке твердым припоем, то Cu2O редуцируется в Cu, причем образуется H2O — пар. Он взрывает структуру зерна и делает материал ломким. Эту так называемую болезнь материала можно избежать при помощи значительной свободы кислорода, поскольку она Достигается благодаря раскислению фосфором, однако при определенном ущербе Для проводимости. Последние исследования показали, что с помощью CaB6 возможно раскисление без какого-либо ущерба для проводимости, причем можно наблюдать даже определенное увеличение прочности. Бор, остающийся в материале, действует как укрепляющий выделение микролегирующий элемент.
Медно-цинковые сплавы

Медно-цинковые сплавы с содержанием меди ≥50 % называются латунью. Диаграмма состояния Cu-Zn показывает, что латунь с содержанием цинка примерно 35 % является однофазной α-латунью (рис. 9.4.34). Твердый раствор α (г.ц.к.), как видно из диаграммы, обнаруживает растворимость для Zn, увеличивающуюся прежде всего при снижении температуры. При 902 °C и 37 % Zn образуется в перитектической реакции β-фаза по S+α⇔β; β-фаза есть интерметаллический вид кристалла типа фазы Юм-Розери, причем атомы Zn статистически распределены. В эвтектоидной реакции образуется в виде так называемого эвтектоида при 454 °C упорядоченная β-фаза. Кубическая сложно построенная и появляющаяся с 50 % Zn γ-фаза является очень хрупкой и не дает возможности для технического применения таких сплавов.
Медные материалы

Деформируемость α-латуни возрастает с увеличением содержания Zn, а при содержании от 30 до 35% Zn достигается максимум. Появление β-фазы значительно снижает вязкость и возможность холодной штамповки. Растворимость вредных примесей в β-фазе и ее незначительное сопротивление горячей деформации способствуют, однако, пригодности (α+β)-латуни к обработке горячей штамповкой. Неоднородность (α+β)-латуни делает ее хорошо пригодной для обработки со снятием стружки.
Гомогенные a-твердые растворы имеют подобно Cu очень хорошую коррозионную устойчивость, в то время как коррозионная устойчивость гетерогенной α+β-структуры сильно ограничена. Более богатый цинком β-твердый раствор при этом неблагоприятнее, чем α-твердый раствор, и образует микроэлементы. Латунь, кроме того, при наличии специфических условий является также чувствительной к коррозионному растрескиванию под напряжением. Особый вид коррозии у латуни удаление цинка. При этом сначала растворяются ионы меди и цинка совместно в электролите, соприкасающемся с металлом, причем более благородная медь снова осаждается на поверхности латуни в пористой форме. Материал теряет, таким образом, всякую прочность.
Путем присадки к латуни других элементов, например Al, Ni, Mn и Fe, получаются особые виды латуни, которые отвечают по своим свойствам специальным требованиям, таким как устойчивость против коррозии, прочность, антифрикционные свойства и обрабатываемость. В специальную латунь добавляют до 3 % Ni.
Медно-никелевые сплавы

Система Cu-Ni образует сплошной ряд твердых растворов, твердый раствор имеет г.ц.к.-структуру. Эти сплавы применяются при повышенных требованиях жаропрочности и антикоррозионной устойчивости. Так, Cu—Ni-сплавы встречаются в строительстве электростанций, в судостроении, а также в установках по определению морской воды. Содержание Ni от 5 до 30 % обусловливает образование защитного пассивного слоя для повышения прочности и устойчивости против эрозии часто имеются добавления Fe и Mn.
Распространенными сплавами являются CuNi10Fe и CuNi30Fe с приблизительно 1 % Fe и Mn. Подобно другим медным материалам Cu—Ni-сплавы подвергаются действию кислот, причем износ зависит от вентиляции и температуры среды. Хорошую устойчивость против химических воздействий обнаруживают также Cu—Ni—Zn-сплавы, известные как нейзильбер. Сплавы нейзильбера содержат от 55 до 65 % Cu, до 30 % Ni и Zn в качестве остатка.
Из-за своей хорошей устойчивости (образования оксидной пленки) эти сплавы применяются в точной механике и оптике, а также для столовых приборов.
Медно-оловянные сплавы

Система медь—олово составляется из большого многообразия основных систем. Рис. 9.4.35 изображает 13 недисперсных реакций, из них 3 перитектических, 1 метатектическая, 1 эвтектическая, 5 эвтектоидных и 3 перитектоидных. Наконец, содержится семь интерметаллических фаз, из которых только две являются устойчивыми при снижении температуры до комнатной.
Медные материалы

Медно-оловянные сплавы называются также бронзой. Как деформируемые сплавы они имеют содержание олова до 9 %, как литейные сплавы до 14 %. По сравнению с латунью отличается более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью и лучшими антифрикционными свойствами. Так, значительными областями применения являются коррозионностойкие детали и детали для фрикционных нагрузок, например упорные подшипники, винты, червячные колеса, арматура, корпуса, направляющие и рабочие колеса для насосов. У бронзового литья часть олова заменена цинком и дополнительно добавлен свинец, например RG5 с 5 % Sn, 7 % Zn и 3 % Pb.
Бронзовое литье отличается хорошими литейными качествами и особенно пригодно в качестве подшипникового материала. Твердость бронзового литья, однако, несколько меньше, и скорости скольжения, выдерживаемые им, не так высоки, как у более насыщенной оловом бронзы.
Сторона олова (см. рис. 9.4.35) для Cu-Sn имеет значение для совершенно иной сферы применения. При пайке мягким припоем с наивысшими требованиями качества, как это требуется, например, в электронике, в зоне сплава между Sn-припоем и субстратом меди образуются интерметаллические фазы, которые по своей морфологии и составу существенно определяют процесс смачивания при процессе пайки, а тем самым и качество этих соединений. Между припоем и субстратом образуются фазы состава Cu3Sn и Cu6Sn5, соответственно сферам ε и η' по диаграмме состояния (рис. 9.4.36).
Медные материалы

Чтобы не создавать значительных термических напряжений при пайке конструкционных деталей и компонентов в электронике, применяются часто эвтектические припои Sn-Pb с эвтектической точкой при 183 °C (рис. 9.4.37). Целевые разработки ведутся в направлении создания еще значительнее уменьшающихся температурных напряжений во время пайки, т.е. ведут к так называемой низкоплавкой пайке, которая основывается на трехкомпонентном сплаве Sn—Pb—Bi. Эта трехкомпонентная система имеет тройную эвтектику при 95 °С (рис. 9.4.38).
Медные материалы

Медно-алюминиевые сплавы

Сплавы меди и алюминия называются алюминиевыми бронзами. Благодаря содержанию Al, образующего поверхностный слой, эти сплавы отличаются в области гомогенного a-твердого раствора высокой коррозионной стойкостью, которая делает их самыми коррозионностойкими медными материалами. При содержании Al свыше 7,8 % в качестве второй фазы появляется β-фаза (рис. 9.4.39), причем коррозионная стойкость отчетливо уменьшается. Алюминиевая бронза находит применение в химической, калийной, промышленности, в солеварнях и в гидравлике для деталей управления.
Сплавы с 10—12 % Al являются изменяемыми по твердости в результате фазового превращения, они образуют мартенситную структуру с высокой прочностью (700 до 900 Н/мм2) и незначительной вязкостью. Благодаря обработке отпуском при приблизительно 650 °C вязкость при немного уменьшенной прочности повышается.
Медные материалы