Ковкость меди. Характеристика меди

Ковкостью называют восприимчивость металлов и сплавов к ковке и иным видам обработки давлением. Это может быть волочение, штамповка, прокатка либо прессование. Ковкость меди характеризуется не только сопротивлением деформации, но и пластичностью. Что же такое пластичность? Это умение металла изменять свои контуры под давлением без разрушения. Ковкими металлами являются латунь, сталь, дюралюминий и некоторые иные медные, магниевые, никелевые, алюминиевые сплавы. Именно у них высокий уровень пластичности совмещается с низким сопротивлением деформации.

Медь

Интересно, как выглядит характеристика меди? Известно, что это элемент 11 группы 4 периода системы химических элементов Д. И. Менделеева. Его атом имеет 29 номер и обозначается символом Cu. Фактически это переходный пластичный металл розовато-золотистого цвета. Кстати, он имеет розовый цвет, если оксидная плёнка отсутствует. С давних пор данный элемент используется людьми.

История

Одним из первых металлов, которые люди начали активно использовать в своём хозяйстве, является медь. Действительно, она слишком доступна для получения из руды и имеет малую температуру плавления. С давних пор человеческому роду известна семёрка металлов, в которую также входит и медь. В природе данный элемент встречается намного чаще, чем серебро, золото или железо. Древние предметы из меди, шлак, являются свидетельством её выплавки из руд. Они обнаружены при раскопках посёлка Чатал-Хююк. Известно, что в медный век получили большое распространение медные вещи. Во всемирной истории он следует за каменным.

С. А. Семёнов с сотрудниками проводил экспериментальные исследования, в которых выяснил, что медные орудия труда по сравнению с каменными выигрывают по многим параметрам. У них выше скорость строгания, сверления, рубки и распилки древесины. А обработка кости медным ножом длится столько же, сколько и каменным. А ведь медь считается мягким металлом.

Очень часто в древности вместо меди использовали её сплав с оловом – бронзу. Она необходима была для изготовления оружия и иных вещей. Итак, на смену медному веку пришёл бронзовый. Бронзу впервые получили на Ближнем Востоке за 3000 лет до н. э.: людям нравилась прочность и отличная ковкость меди. Из получаемой бронзы выходили великолепные орудия труда и охоты, посуда, украшения. Все эти предметы находят в археологических раскопках. Далее бронзовый век сменился железным.

Как получить медь можно было в древности? Первоначально её добывали не из сульфидной, а из малахитовой руды. Ведь в этом случае заниматься предварительным обжигом не было необходимости. Для этого смесь угля и руды помещали в глиняную посудину. Сосуд устанавливали в неглубокую яму и смесь поджигали. Далее начинал выделяться угарный газ, который способствовал восстановлению малахита до свободной меди.

Известно, что на Кипре уже в третьем тысячелетии до нашей эры были построены медные рудники, на которых и осуществлялась её выплавка.

На землях России и соседних государств медные рудники возникли за два тысячелетия до н. э. Их развалины находят и на Урале, и на Украине, и в Закавказье, и на Алтае, и в далёкой Сибири.

Промышленное плавление меди было освоено в тринадцатом веке. А в пятнадцатом в Москве был создан Пушечный двор. Именно там из бронзы отливали орудия различных калибров. Неимоверное количество меди уходило на изготовление колоколов. В 1586 году из бронзы была отлита Царь-пушка, в 1735 году – Царь-колокол, в 1782 году был создан Медный всадник. В 752 году мастера изготовили великолепную статую Большого Будды в храме Тодай-дзи. Вообще, список произведений литейного искусства можно продолжать бесконечно.

В восемнадцатом веке человек открыл электричество. Именно тогда огромные объёмы меди начали уходить на изготовление проводов и подобных им изделий. В двадцатом веке провода научились делать из алюминия, но медь в электротехнике всё ещё имела большое значение.

Происхождение названия

А вы знаете, что Cuprum – это латинское наименование меди, произошедшее от названия острова Кипр? Кстати, у Страбона медь величают халкосом – город Халкида на Эвбее виновен в происхождении такого имени. Большинство древнегреческих названий медных и бронзовых предметов произошли именно от этого слова. Они нашли широкое применение и в кузнечном ремесле, и среди кузнечных изделий и литья. Иногда медь называют Aes, что означает руду или рудник.

Славянское слово «медь» не имеет ярко выраженной этимологии. Возможно, оно старинное. Но оно весьма часто встречается в древнейших литературных памятниках России. В. И. Абаев предполагал, что это слово произошло от названия страны Мидия. Алхимики прозвали медь «Венера». В более древние времена её называли «Марс».

Где находят медь в природе?

Земная кора вмещает (4,7-5,5) х 10^-3% меди (по массе). В речной и морской воде её намного меньше: 10^-7% и 3 х 10^-7% (по массе) соответственно.

В природе очень часто находят соединения меди. В промышленности используется халькопирит CuFeS₂, именуемый медным колчеданом, борнит Cu₅FeS₄, халькозин Cu₂S. Одновременно люди находят и иные минералы меди: куприт Cu₂O, азурит Cu₃(CO₃)₂(OH)₂, малахит Cu₂CO₃(OH)₂ и ковеллин CuS. Очень часто масса отдельных скоплений меди достигает 400 тонн. Медные сульфиды образуются в основном в гидротермальных среднетемпературных жилах. Нередко и в осадочных породах можно отыскать медные месторождения – сланцы и медистые песчаники. Наиболее известными месторождениями являются в Забайкальском крае Удокан, Жезказган в Казахстане, Мансфельд в Германии и медоносный пояс Центральной Африки. Другие богатейшие месторождения меди расположены в Чили (Кольяуси и Эскондида) и США (Моренси).

Большую часть медной руды добывают открытым способом. В ней содержится от 0,3 до 1,0% меди.

Физические свойства

Многих читателей интересует описание меди. Это пластичный розовато-золотистый металл. На воздухе его поверхность моментально покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ему своеобразный интенсивный красно-жёлтый оттенок. Интересно, что тонкие плёнки меди имеют голубовато-зелёный цвет.

Осмий, цезий, медь и золото имеют одинаковую цветовую окраску, отличающуюся от серой или серебристой иных металлов. Данный цветовой оттенок свидетельствует о наличии электронных переходов между четвёртой полупустой и заполненной третьей атомными орбиталями. Между ними существует некая энергетическая разница, соответствующая длине волны оранжевого цвета. Та же система отвечает за специфический цвет золота.

Чем же ещё удивительна характеристика меди? Данный металл образует гранецентрированную кубическую решётку, пространственная группа Fm3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

А ещё знаменита медь высокой электро- и теплопроводностью. По проведению тока она находится среди металлов на втором месте. Кстати, медь имеет гигантский температурный коэффициент сопротивления и в широком диапазоне температур почти независима от ее показателей. Медь называют диамагнетиком.

Сплавы меди отличаются разнообразием. Люди научились соединять и латунь с цинком, и никель с мельхиором, и свинец с баббитами, и бронзу с оловом и иными металлами.

Изотопы меди

Медь состоит из двух устойчивых изотопов – ⁶³Cu и ⁶⁵Cu, которые имеют распространённость 69,1 и 30,9 процентов атомных соответственно. Вообще существует более двух десятков изотопов, не имеющих стабильности. Самым долгоживущим изотопом является ⁶⁷Cu с периодом полураспада 62 часа.

Как получают медь?

Изготовление меди является весьма интересным процессом. Этот металл получают из минералов и медных руд. Базовыми методами получения меди являются гидрометаллургия, пирометаллургия и электролиз.

Рассмотрим пирометаллургический метод. Данным способом получают медь из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS₂. В халькопиритном сырье находится 0,5-2,0% Cu. Сначала исходная руда подвергается флотационному обогащению. Затем выполняется её окислительный обжиг при температуре 1400 градусов. Далее обожжённый концентрат идёт в плавку на штейн. Для связывания оксида железа в расплав добавляют кремнезём.

Образующийся силикат всплывает в виде шлака, и его отделяют. На дне остаётся штейн – сплав сульфидов CU₂S и FeS. Далее его плавят по методу Генри Бессемера. Для этого в конвертер переливают расплавленный штейн. Затем ёмкость продувают кислородом. А сульфид железа, который остался, окисляется до оксида и с помощью кремнезёма выводится из процесса в виде силиката. Окисляется сульфид меди до оксида меди неполностью, но потом восстанавливается до меди металлической.

В получаемой черновой меди содержится 90,95% металла. Далее она подвергается электролитической очистке. Интересно, что в качестве электролита используется подкисленный раствор медного купороса.

На катоде образуется электролитическая медь, которая обладает высокой частотой около 99,99%. Предметы из меди полученной изготавливают самые разные: провода, электротехническое оборудование, сплавы.

Гидрометаллургический метод выглядит несколько по-иному. Здесь минералы меди растворяются в разведённой серной кислоте либо в аммиачном растворе. Из приготовленных жидкостей медь вытесняют железом металлическим.

Химические свойства меди

В соединениях медь показывает две степени окисления: +1 и +2. Первая из них тяготеет к диспропорционированию и устойчива лишь в нерастворимых соединениях либо комплексах. Кстати, соединения меди бесцветны.

Степень окисления +2 более устойчива. Именно она придаёт соли синий и сине-зелёный цвет. В непривычных условиях можно приготовить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последнюю обычно находят в солях купраборанового аниона, полученных в 1994 году.

Чистая медь на воздухе не изменяется. Это слабый восстановитель, не вступающий в реакцию с разбавленной соляной кислотой и водой. Окисляется концентрированными азотной и серной кислотами, галогенами, кислородом, «царской водкой», оксидами неметаллов, халькогенами. При нагревании вступает в реакцию с галогеноводородами.

Если воздух влажный, медь окисляется, образуя основной карбонат меди (II). Она великолепно реагирует с холодной и горячей насыщенной серной кислотой, горячей безводной серной кислотой.

С разбавленной хлороводородной кислотой медь реагирует в присутствии кислорода.

Аналитическая химия меди

Все знают, что такое химия. Медь в растворе обнаружить несложно. Для этого необходимо платиновую проволочку смочить исследуемым раствором, а затем внести её в пламя бунзеновской горелки. Если в растворе присутствует медь, пламя будет окрашено в зелёно-голубой цвет. Необходимо знать, что:

• Обычно количество меди в слабокислых растворах измеряется с помощью сероводорода: его смешивают с субстанцией. Как правило, при этом сульфид меди выпадает в осадок.
• В тех растворах, где отсутствуют мешающие ионы, медь определяют комплексонометрически, ионометрически либо потенциометрически.
• Малые количества меди в растворах измеряют спектральными и кинетическими методами.

Применение меди

Согласитесь, изучение меди является весьма занимательной вещью. Итак, данный металл обладает низким удельным сопротивлением. Благодаря данному качеству медь используют в электротехнике для производства силовых и иных кабелей, проводов и иных проводников. Медные провода используются в обмотках силовых трансформаторов и электроприводов. Для создания вышеуказанных изделий металл подбирают очень чистый, так как примеси моментально снижают электрическую проводимость. И если в меди присутствует 0,02% алюминия, её электрическая проводимость снизится на 10%.

Вторым полезным качеством меди является великолепная теплопроводность. Благодаря данному свойству она применяется в различных теплообменниках, тепловых трубках, теплоотводных устройствах и компьютерных кулерах.

А где же используется твёрдость меди? Известно, что бесшовные медные трубы круглого сечения обладают замечательной механической прочностью. Они прекрасно выдерживают механическую обработку и применяются для перемещения газов и жидкостей. Обычно их можно встретить во внутренних системах газоснабжения, водоснабжения, отопления. Их широко используют в холодильных агрегатах и кондиционных системах.

Отличная твёрдость меди известна многим странам. Так, во Франции, Великобритании и Австралии медные трубы применяют для газоснабжения зданий, в Швеции - для отопления, в США, Великобритании и Гонконге – это основной материал для водоснабжения.

В России производство водопроводных и газовых медных труб нормируется стандартом ГОСТ Р 52318-2005, а федеральный Свод правил СП 40-108-2004 регулирует их применение. Трубы, выполненные из меди и её сплавов, активно используются в энергетике и судостроении для перемещения пара и жидкостей.

А вы знаете, что сплавы меди используются в разнообразных областях техники? Из них самыми известными считаются бронза и латунь. Оба сплава включают в себя колоссальное семейство материалов, в которое, помимо цинка и олова, могут входить висмут, никель и иные металлы. Например, пушечная бронза, использовавшаяся до девятнадцатого века для изготовления артиллерийских орудий, состояла из меди, олова и цинка. Её рецептура менялась в зависимости от места и времени изготовления орудия.

Всем известна отменная технологичность и высокая пластичность меди. Благодаря данным свойствам, неимоверное количество латуни уходит на производство гильз для оружия и артиллерийских боеприпасов. Примечательно, что автозапчасти изготавливают из сплавов меди с кремнием, цинком, оловом, алюминием и иными материалами. Медные сплавы отличаются высокой прочностью и при термической обработке сохраняют свои механические свойства. Их устойчивость к износу определяется лишь химическим составом и его влиянием на структуру. Необходимо отметить, что данное правило не относится к бериллиевой бронзе и некоторым алюминиевым бронзам.

Медные сплавы имеют модуль упругости ниже, чем у стали. Основным их преимуществом можно назвать небольшой коэффициент трения, сочетающийся для большинства сплавов с высокой пластичностью, отличной электропроводностью и замечательным противодействием коррозии в агрессивной среде. Как правило, это бронзы алюминиевые и сплавы медно-никелевые. Они, кстати, нашли своё применение в парах скольжения.

Практически все медные сплавы имеют одинаковую величину коэффициента трения. Вместе с тем износостойкость и механические свойства, поведение в агрессивной среде напрямую зависят от состава сплавов. Пластичность меди используется в однофазных сплавах, а прочность - в двухфазных. Мельхиор (медноникелевый сплав) применяют для чеканки разменных монет. Медноникелевые сплавы, в том числе и «адмиралтейский», используются в судостроении. Из них изготавливают трубки для конденсаторов, очищающих турбинный отработанный пар. Примечательно, что турбины охлаждаются забортной водой. Медноникелевые сплавы обладают изумительной коррозионной устойчивостью, поэтому их стараются использовать в областях, связанных с агрессивным влиянием морской воды.

Фактически медь является важнейшей составляющей твёрдых припоев – сплавов, имеющих температуру плавления от 590 до 880 градусов Цельсия. Именно им присуща замечательная адгезия к большинству металлов, благодаря чему они применяются для прочного соединения различных металлических деталей. Это могут быть трубопроводная арматура или жидкостные реактивные двигатели, изготовленные из разнородных металлов.

А теперь перечислим сплавы, в которых ковкость меди имеет большое значение. Дюраль или дюралюминий является сплавом алюминия и меди. Здесь меди находится 4,4%. Сплавы меди с золотом часто используются в ювелирном деле. Они необходимы для повышения прочности изделий. Ведь чистое золото – весьма мягкий металл, который не может проявлять стойкость к механическим воздействиям. Изделия из чистого золота быстро деформируются и истираются.

Интересно, что для создания оксида иттрия-бария-меди используют оксиды меди. Он служит основой для изготовления высокотемпературных сверхпроводников. Медь также используют для производства батарей и медно-окисных гальванических элементов.

Иные сферы применения

А вы знаете, что медь очень часто употребляют как катализатор полимеризации ацетилена? Благодаря этому свойству медные трубопроводы, используемые для перемещения ацетилена, разрешено применять лишь тогда, когда содержание меди в них не превышает 64%.

Люди научились использовать ковкость меди и в архитектуре. Фасады и кровли, изготовленные из тончайшей листовой меди, служат безаварийно по 150 лет. Данный феномен объясняется просто: в медных листах происходит автозатухание процесса коррозии. В России используют медный лист для фасадов и кровель в соответствии с нормами Федерального Свода правил СП 31-116-2006.

В недалёком будущем люди планируют использовать медь в качестве бактерицидных поверхностей в клиниках для препятствования перемещению бактерий в помещениях. Все поверхности, к которым притрагивается рука человека, – двери, ручки, перила, водозапорная арматура, столешницы, кровати – специалисты будут изготавливать лишь из этого удивительного металла.

Маркировка меди

Какие марки меди использует человек для производства необходимых ему изделий? Их множество: М00, М0, М1, М2, М3. Вообще, марки меди идентифицируются чистотой её содержания.

Например, медь марок М1р, М2р и М3р содержит 0,04% фосфора и 0,01% кислорода, а марок М1, М2 и М3 - 0,05-0,08% кислорода. В марке М0б кислород отсутствует, а в МО его процентное содержание составляет 0,02%.

Итак, рассмотрим более подробно медь. Таблица, приведённая далее, предоставит более точную информацию:

27 марок меди

Всего существует двадцать семь марок меди. Где же такое количество медных материалов использует человек? Рассмотрим данный нюанс подробнее:

• Материал Cu-DPH используется для изготовления фитингов, необходимых для соединения труб.
• АМФ нужен для создания горячекатаных и холоднокатаных анодов.
• АМФу используют для производства холоднокатаных и горячекатаных анодов.
• М0 нужен для создания проводников тока и высокочастотных сплавов.
• Материал М00 используют для изготовления высокочастотных сплавов и проводников тока.
• М001 применяют для изготовления проволоки, шин и иных электротехнических изделий.
• М001б необходим для изготовления электротехнических изделий.
• М00б используют для создания проводников тока, высокочастотных сплавов и аппаратов электровакуумной индустрии.
• М00к - исходное сырьё для создания деформированных и литых заготовок.
• М0б применяют для создания сплавов с высокой частотой.
• М0к используют для производства литых и деформированных заготовок.
• М1 нужен для изготовления проволоки и изделий криогенной техники.
• М16 применяют для производства приборов электровакуумной индустрии.
• М1Е необходим для создания холоднокатаных фольги и ленты.
• М1к нужен для создания полуфабрикатов.
• М1ор применяют для изготовления проволоки и иных электротехнических изделий.
• М1р используют для изготовления электродов, применяемых для сварки чугуна и меди.
• М1рЕ нужен для производства холоднокатаных ленты и фольги.
• М1у используют для создания холоднокатаных и горячекатаных анодов.
• М1ф нужен для создания ленты, фольги, горячекатаных и холоднокатаных листов.
• М2 используют для изготовления добротных сплавов и полуфабрикатов на медной основе.
• М2к используют для производства полуфабрикатов.
• М2р необходим для изготовления прутков.
• М3 нужен для изготовления проката, сплавов.
• М3р используют для создания проката и сплавов.
• МБ-1 необходим для создания бериллийсодержащих бронз.
• МСр1 используют для изготовления электротехнических конструкций.