87

1 Літературний огляд

1. Сплави на основі міді

Мідь використовується в хімічному й енергетичному машинобудуванні через високу електро- і теплопровідність, високу корозійну стійкість в деяких агресивних середовищах. Всі ці властивості тим вище, чим вище чистота металу, що висуває особливі вимоги до зварювання виробів з чистої міді. В земній корі міді небагато (0,01%), по властивостям досить близька до золота та срібла, зустрічається в вигляді самородків. Мідь кристалізується в гранецентровану кубічну гратку з параметром 0,36147нм. Алотропних форм мідь не має, температура плавлення 1083°С; температура кипіння 2596°С. Питома густина 8,94г/см³. Мідь має невелику летючість, але при температурах зварювання її летючість буде вже значною, що необхідно враховувати при розробці вентиляції зварювальних місць.

При 20°С питомий електричний опір міді становить 1,7 мкОм х см, що в півтора рази менше ніж алюмінію та майже в шість раз менше ніж у заліза. Всі домішки, а також наклеп суттєво підвищують питомий електричний опір. М'яка відпалена мідь являє собою пластичний метал, в той час як мідь нагартована, після холодної пластичної обробки (волочіння), значно знижує свої пластичні властивості.

Мідь добувають з сульфідних та окислених руд, найбільш поширеною рудою є мідний колчедан (CuS FeS). Процес добування міді включає три основні операції:

1.   збагачення мідної руди;

2.   виплавка чорнової міді;

3.   рафінування міді.

Враховуючи дуже малий вміст міді в рудах (1-2%) руду спочатку збагачують флотаційним способом. Розмелену руду змішують з флотаційними реагентами піноутворювачами та водою і продувають пульпу повітрям. Пухирці повітря прилипають до зерен рудних мінералів, спливають і утворюють піну, а пуста погода, яка добре змочується водою опускається на дно. Після фільтрації піни та просушки отримують концентрат з 10-35% міді. Збагачену руду піддають окислювальному випалу при температурі 600-900^оС, що значно знижує кількість сірки. Після цього руда поступає в полум’яні печі, де відбувається дисоціація вищих сульфідів і карбонатів. Продукти дисоціації сплавляють між собою, утворюючи легкоплавкий сплав (штейн) з температурою плавлення 900-1150^оС і вмістом 10-60%Cu, 10-58%Fe, 22-25%S. Виплавка чорнової міді відбувається в конверторах продувкою штейна повітрям. На перших порах окисляється залізо:

2FeS + 3O₂=2FeO + 2SO₂

Окисел заліза в вигляді шлаку спливає на поверхню і зливається. Наступає другий період продувки:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂

Закис міді розчиняється в розплаві та взаємодіє з напівсірнистою міддю з утворенням чорнової міді:

2Cu₂O + Cu₂S = 6Cu + SO₂

Чорнова мідь має 98,5-99,5% Cu, 0,3-0,5%S, 0,3-0,5%Ni. Рафінування чорнової міді проводять вогневим (продувка розплаву повітрям та окислення домішок), або електролітичним способом за рахунок електролізу в водному розчині сірчаної кислоти та мідного купоросу. При проходженні струму анодні плити чорнової міді розчиняються і на катодах осаджується чиста електролітична мідь, а домішки випадають на дно ванни.

Технічна мідь звичайної чистоти має 0,1-0,5% домішок (М1 – домішок -0,1%; М2, домішок – 0,3%; М3, домішок – 0,5%). Найбільш шкідливими домішками міді є вісмут і свинець. Вони майже нерозчинні в міді і утворюють легкоплавкі евтектики, які кристалізуються відповідно при 270^оС та 327^оС і тим самим викликають при нагріві червоноламкість міді (ефект спостерігається при вмісті Ві>0,001% і Рв>0,01%). Негативну роль відіграє також кисень, який знаходиться по границям зерен в вигляді евтектики Си+Си₂О, що має температуру плавлення 1067^оС і не впливає на червоноламкість, але при підвищеній температурі в атмосфері водню можлива реакція відновлення міді з утворенням води.

Сu₂О+Н₂=2Сu+Н₂О

Пари води, викликаючи високий тиск всередині мікропустот і нещільностей, можуть викликати розриви та тріщини (воднева хвороба міді).

В вигляді конструкційних матеріалів, в основному, використовуються сплави міді, які підрозділяються на деформовані та литті. До першої групи відносяться сплави міді з цинком – латуні. Діаграма стану сплаву Си-Zn дає в твердому стані утворення декількох фаз (діаграма складається з п’яти простих перитектичних діаграм) Практичне використання отримали сплави на основі a–твердого розчину Zn в Си, так звані a - латуні та a+b - латуні (b - твердий розчин на основі з’єднання СиZn). Практично використовуються сплави з вмістом цинку до 48-50%, при цьому a - латуні існують при концентрації цинку до 39% і є значно пластичніше за a+b - латуні. Максимальну пластичність мають сплави з 30% цинку (рис. 9.1). Перехід через межу однофазної області (39%) різко знижує пластичність. Максимальна міцність b-латуні 420МПа при відносно низькій пластичності (7%), тому на практиці використовують a - латуні або a+b-латуні. Висока пластичність дозволяє легко їх деформувати

і отримувати прокат в вигляді листів складних профілів тощо. a-латуні містять не менше 61% міді. Маркують латуні буквою „Л”, потім цифра, що показує вміст міді в відсотках (Л62, Л68). Латунь з високим вмістом міді Л80 називається томпак, має колір золота і використовується для ювелірних та декоративних виробів. a+b-латуні містять 55-61% міді і широко використовуються для виготовлення різних деталей обробкою на токарних станках. Механічні властивості латуней не високі: для a-латуні s_в=300МПа, d=40%, для a+b-латуні s_в=350МПа, d=20%. Використовують також спеціальні латуні, в які крім цинку вводять інші легуючі елементи. Легуючі елементи позначаються буквами, з якої починається назва елементу, а після букв стоїть цифра, що показує вміст елементу в відсотках. Позначення елементів: О - олово, Ц - цинк, Мц - марганець, Ж - залізо, Ф - фосфор, Б - берилій, Х - хром, А - алюміній, К - кремній. Наприклад: ЛО 77-1 – латунь олов’яна, 1%Sn, 77%Cu, залишок – Zn.

Литті мідні сплави – це, в основному, сплави міді з оловом з вмістом олова до 10-12%, які називаються бронзи. В результаті наявності крихкої евтектики, що утворюється при 520^оС, бронзи погано деформуються і використовуються в вигляді литва, зварюються обмежено, визначаються дуже малою усадкою, гарною текучістю і використовуються для художнього литва. Міцність ливарних бронз 200-300МПа, відносне видовження – 5-10%. Ливарні олов’яні бронзи позначаються Бр потім ідуть букви і цифри, які показують вміст легуючих елементів. (БрО6Ц6С3 містить 6%олова, 6%цинку та 3%свинцю). Висока корозійна стійкість в атмосфері, прісній та морській воді сприяє широкому поширенню використання бронз для пароводяної арматури, що працює під тиском.

Бронзи, що містять цинк і свинець, мають високі антифрикційні властивості і використовуються для підшипників ковзання. Бронзи, що містять алюміній, мають високі механічні властивості при високій корозійній стійкості; ті, що містять марганець, відрізняються гарною корозійною стійкістю і жароміцністю; ті, що містять берилій, мають механічні властивості сталі (пружини і гнучкі елементи), високу корозійну стійкість, немагнітні.