2017-10-25
5937
Из всех цветных металлов медь нашла наиболее широкое применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны человечеству с доисторических времен, когда они были единственным металлом, из которого изготовлялось оружием и орудия труда (бронзовый век).
По внешнему виду медь легко отличить от всех остальных металлов, так как она имеет специфический красновато-розовый цвет.
Температура плавления меди 10830С.
Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая. Аллотропических превращений она не имеет.
Плотность меди 8,96 г/см3.
Медь химически мало активна. В разбавленных соляной и серной кислотах растворяется только в присутствии окислителя (например, кислорода). Легко растворяется в азотной кислоте.
Она обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в пресной и морской воде в органических кислотах (уксусной, молочной, лимонной, щавелевой и др.), спиртах, едких щелочах, сухих газах и др. средах. Благодаря высокой коррозионной стойкости медь находит применение в химической промышленности (насосы, трубопроводы, резервуары и т.д.). Медь также применяется для защитных коррозионно-стойких покрытий.
Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электро и теплопроводностью. Значительное влияние на механические свойства меди оказывает ее состояние – литое, отожженное, нагортованное (нагортовка – это повышение прочности путем холодной деформации).
Медь применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.
Благодаря высокой электропроводности медь применяется для изготовления проводников электрического тока анодов, кабелей в электро, электровакуумной и электронной технике, приборостроении.
Благодаря высокой теплопроводности медь применяют для различных теплообменников, нагревателей, радиаторов и т.д.
Медь очень пластичный металл с невысокой прочностью. Она легко обрабатывается давлением, но плохо резанием; имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко поддается пайке.
Медь встречается в земной коре в виде комплексах соединений, содержащих кроме меди, свинец, цинк, сурьму, мышьяк, золото и серебро. В рудах медь находится в виде сульфидных и окисленных соединений; встречается и самородная медь. Наибольшее распространение и значение имеют сульфидные руды, содержащие от 1 до 5 % меди. К сульфидным рудам относятся медный колчедан, медный блеск и пестрая медная руда.
Медный колчедан или халькопирит – минерал латунно-желтого цвета. Представляет собой химическое соединение меди с железом и серой СuFeS2, содержащее 34,5% Сu. Это главная медная руда, из которой извлекают большую часть добывающейся меди.
Медный блеск или халькозин, - минерал свинцово-серого или черного цвета. По химическому составу это соединение меди с серой Сu2S, в котором содержится 79,8% Сu, а иногда присутствует примесь серебра. Медный блеск относится к богатым медным рудам.
Пестрая медная руда или борнит, является продуктом распада медного колчедана. Химический состав минерала Сu5FeS4, т.е. сульфид меди и железа с содержанием 52-65% Сu.
Из оксидных медных руд наибольшее значение имеет красная медная руда.
Красная медная руда, или куприт – минерал красного цвета, имеющий химический состав Сu2О с содержанием 88,8% Сu.
Медь можно получить пирометаллургическим и гидрометаллургическим способами.
Наиболее распространение в современной практике имеет пирометаллургический способ.
Блок-схема пирометаллургического способа производства меди приведена на рисунке 3.
Рис.3 Блок-схема производства меди
 |
Обжиг концентрата
Переплавка штейна
 |
Разлив черновой меди
 |
Рафинирование черновой меди
При пирометаллургическом способе богатые окисленные руды с содержанием меди 3-5% и более подвергают непосредственной плавке. Руды со средним содержанием меди (1-2%) и все комплексные руды, в состав которых входят цинк, свинец, никель и другие металлы, включая благородные, перед плавкой обогащают. Наиболее широко используется флотационный метод, позволяющий получить концентрат с 15-20% Сu.
Богатую руду и концентрат вначале обжигают при 600-7000С для удаления избытка серы и образования оксидов железа, а затем переплавляют в отражательных печах при температуре 1250-13000С. При переплавке получается еще не медь, а медный штейн, состоящий из сернистых соединений меди и железа. В нем содержится приблизительно 20-50% Сu; 20-40% Fe и 22-25% S. Затем расплавленный жидкий штейн заливают в конверторы и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов железа в шлак, а серы в SО2 и получения черновой меди.
Черновая медь содержит 98,4-99,4% Сu и небольшое количество примесей. Ее разливают в металлические формы (изложницы) и получают слитки. Эта медь еще непригодна для технических целей, ее необходимо подвергнуть огневому или электролитическому рафинированию.
При огневом рафинировании через черновую медь в пламенных отражательных печах под давлением продувают воздух, кислород которого окисляет примеси. Этот метод применяют для получения меди не особенно высокой чистоты и в тех случаях, когда медные руды, из которых получена черновая медь, содержат ничтожно малое количество благородных металлов или не содержат совсем. При этом способе они не извлекаются, а полностью остаются в получающейся огневой меди. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы или латуни) или плиток для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примеси меди (99,95% Сu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды – из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор СuSO4 (10-16%) и H2SO4 (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди.
Сu2+ + 2е– ® Сu
Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах. Электролитическая катодная медь содержит 99,999% Сu.
Торговые сорта меди
Химический состав технической меди установлен ГОСТ 859-2001, согласно которому промышленность производит 14 марок меди отличающихся друг от друга количеством примесей.
ГОСТ 859-2001 распространяется на медь, изготавливаемую в виде катодов, слитков и полуфабрикатов.
Медь марок М1р, М2р, М3р при суммарном содержании примесей одинаковом с медью марок М1, М2, М3, отличается от них тем, что они более полно раскислены – содержание кислорода в них снижено до 0,01%, вместо 0,05-0,08%. Кроме того, в них дополнительно содержится до 0,04% Р. Марка М0б кислорода не содержит, тогда как в марке М0 он может быть в количестве до 0,02%.
В зависимости от чистоты применение меди различно. Поскольку любая примесь в той или иной мере снижает электропроводность, то для изготовления проводников электрического тока применяют преимущественно наиболее чистую медь марок М00 и М0. Менее чистую медь применяют для разных целей, используя ее основные положительные свойства: высокую теплопроводность и коррозионную стойкость.
Наиболее широко применяемыми являются медные сплавы:
- латуни (сплавы меди с цинком);
- бронзы (сплавы с другими металлами, кроме цинка и никеля);
- мельхиоры (сплавы меди с никелем).
В каждой из этих групп содержатся сплавы разного химического состава, обладающие различными свойствами.
Латуни – сплавы меди с цинком, это самый распространенный сплав на основе меди.
Латуням присущи все положительные свойства меди (высокие электро и теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность) при более высокой прочности и лучших технологических свойствах. В отличие от меди, латуни имеют хорошие литейные свойства и неплохо обрабатываются резанием. Латуни являются хорошим конструкционным материалов для установок, работающих при отрицательных температурах. Немаловажен и тот факт, что латуни дешевле меди, т.к. цинк более дешевый материал по сравнению с медью.
В зависимости от числа компонентов, входящих в состав сплава, различают
- двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и неизбежных примесей,
- многокомпонентные (специальные) латуни, в которые дополнительно введены еще один или несколько легирующих элементов для придания тех или иных свойств.
Принцип маркировки простых латуней следующий: марка латуни составляется из буквы Л, указывающий тип сплава – латунь и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Количество цинка не отражают в марке, т.к. его легко определить по разности от 100%.
Например, марка Л96 – латунь, содержащая 96% Сu и 4% Zn.
Этот сплав (томпак) широко используется для изготовления ювелирных изделий
Строение и свойства простых латуней зависит от содержания в них цинка. Латуни, содержащие менее 39% цинка имеют однофазную структуру твердого раствора цинка в меди; их называют a-латунями. Такие латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Латуни, содержащие 40-45% цинка, имеют двухфазную структуру (a+b); b-фаза представляет собой твердый раствор на основе химического соединения СuZn. Латуни, имеющие двухфазную структуру, обладают повышенной твердостью, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, но в холодном состоянии их пластичность невелика.
В практически применяемых латунях содержание цинка не превышает 45%. В пределах этого содержания цинк сильно изменяет свойства сплавов. Цинк повышает прочность и пластичность меди.
Максимальная пластичность в латуни, содержащей 30% цинка. Максимальная прочность в сплавах с 45% цинка.
Многокомпонентные (специальные) латуни, легированные одним или несколькими элементами, которые определяют название латуней: алюминиевые, никелевые, марганцевые, оловянные и др.
Основными легирующими элементами в многокомпонентных латунях являются алюминий, железо, марганец, свинец, кремний, никель. Они по-разному влияют на свойства латуней.
Специальные латуни имеют лучшие механические и технологические свойства, более высокую коррозионную стойкость, чем простые медно-цинковые сплавы.
Примерный химический состав латуней можно определить из названия марки.
Марку этих латуней составляют следующим образом: первой, как и в простых латунях, ставится буква Л, вслед за ней – ряд букв, принятых для условного обозначения легирующих элементов, кроме цинка, входящих в эту латунь; затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие – каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала тот, которого больше, а далее по нисходящей закономерности. Содержание цинка определяется по разности от 100%.
Например, марка ЛАЖМц 66-6-3-2 расшифровывается так: латунь, в которой содержится 66% Сu, 6% Аl, 3% Fe и 2% Mu. Цинка в ней 100- (66+6+3+2) = 23%.
Многокомпонентные латуни делят на две группы, по способу изготовления изделий из них: обрабатываемые давлением и литейные.
