Технология сварки меди и ее сплавов

Характеристика меди и ее сплавов

Медь — металл красного, в изломе розового цвета. В земной коре меди сравнительно немного (около 0,01%), но из-за присущих ей уникальных свойств она во многих случаях оказывается незаменимой.

Чистая медь обладает небольшой прочностью (<�т" = 216…235 МПа) и высокой пластичностью (<5 = 60%, у/ = 75%). Температура плавления меди равна 1083 °C, кипения — 2360…2596 °С. Плотность меди составляет 8,94 г/см³. Полиморфизмом медь не обладает, и фазовые превращения в ней связаны только с изменением агрегатного состояния. Во всем интервале температур ниже точки плавления она обладает гранецентрированной кубической решеткой.

Медь имеет высокую теплопроводность и электропроводность, химическую стойкость по отношению к различным средам: обычным атмосферным условиям, пресной и морской воде, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке. В обычных условиях, как указано выше, механические свойства меди достаточно высоки и сохраняются даже в условиях глубокого холода (-253 °С).

Благодаря высоким электротехническим свойствам медь заняла ведущее место в электротехнической промышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие ее сплавы применяют также для изделий криогенной техники.

Промышленность по ГОСТ 859–2001 выпускает медь марок М006 (99,99% Си), М06 (99,97% Си), М1б (99,95% Си), Ml (99,9% Си), М2 (99,7% Си), М3 (99,5% Си) и др. Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состояниях, но плохо — резанием. Медь малочувствительна к изменениям низких температур, однако с повышением температуры прочностные свойства ее сильно изменяются. Так, в интервале 250…550 °С существенно снижается прочность и особенно пластичность, в связи с чем при ее деформации могут появиться трещины. При нагреве выше 600 °C пластические свойства вновь начинают возрастать.

Наклеп существенно увеличивает предел прочности меди. Используя его, можно увеличить предел прочности до 400…500 МПа, однако данный процесс сопровождается снижением пластических свойств.

Свойства меди зависят не только от условий механической и термической обработки, но и от содержания в ней примесей. Такие элементы, как Bi, Pb, Sb, 0₂ и Р, являются для меди вредными примесями, снижающими ее прочность и технологические свойства. Особенно опасно присутствие висмута и свинца, которые в меди не растворимы и образуют с ней хрупкие и легкоплавкие эвтектики вокруг зерен, снижающие механические и технологические свойства. Поэтому их содержание ограничивают: Bi < 0,002%, а РЬ до 0,005%.

Весьма вреден для меди и кислород, в связи с чем в сварных конструкциях допускается содержание кислорода не более 0,01…0,03%. Кислород образует с медью два оксида: закись меди Си₂0 и окись СиО. Обычно кислород находится в меди в составе закиси меди, которая может образовывать с медью хрупкую эвтектику Си₂0 + Си (Г_пл = 1064 °С), располагающуюся по границам зерен и резко снижающую пластичность металла.

Опасен нагрев меди в восстановительной атмосфере, созданной водородом, так как в этих условиях может развиваться «водородная болезнь». Водород активно растворяется не только в жидкой, но и в твердой меди. При нагреве меди с повышенным содержанием кислорода в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия вглубь меди, и водород реагирует с включениями оксида Си₂0, образуя нары воды по реакции

протекающей с увеличением объема. Образовавшийся водяной пар уже не в состоянии диффундировать сквозь металл и, скапливаясь в местах несплошностей, создает значительные давления, достаточные для зарождения трещин и образования пор. Медь становится хрупкой, ломкой. «Водородная болезнь» в меди начинает развиваться при температурах выше 400 °C и протекает наиболее интенсивно при 700…800 °С.

На основе меди разработаны три основные группы медных сплавов: латуни — сплавы меди с цинком, бронзы — сплавы меди с другими легирующими элементами (в их числе может быть и цинк, но не как основной легирующий элемент) и медно-никелевые сплавы.

Латуни получили наиболее широкое распространение среди медных сплавов благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. Они подразделяются на две группы: простые (однофазные) и многокомпонентные (или специальные). Однофазные латуни (не более 39% Zn) — ct-латуни, весьма пластичны, хорошо свариваются и легко обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях. В среднем у них а_в = 300…400 МПа, при <5 = 15…40%. Латуни, содержащие более 39% Zn и имеющие в своем составе другие легирующие элементы (Al, Fe, Ni, Si), приобретают двухфазную о. + /?- или однофазную /(-структуру. Они обладают большей твердостью и прочностью (до 500 МПа). Свариваемость таких латуней хуже, чем однофазных, в связи с меньшей их пластичностью. Латуни выпускаются по ГОСТ 15 527–70 и ГОСТ 17 711–93 и маркируются буквой Л и последующими цифрами в соответствии с содержанием легирующих элементов. Например, марка Л63 содержит 63% Си и 37% Zn, а латунь ЛАЖ60−1-1 соответственно 60% Си, легированную алюминием (А) в количестве 1% и железом (Ж) в количестве 1%. Содержание Zn = 38%, определяется по разности от 100%.

Бронзы в зависимости от легирующих элементов бывают: оловянные, алюминиевые, свинцовые, марганцовистые, кремнистые, бсриллисвые. Они относятся к малопластичным сплавам меди, обладающим в жидком состоянии повышенной жидкогекучестью. Их разделяют на деформируемые и литейные. К первым относят сплавы меди с 5…8 % легирующего элемента, к литейным — сплавы меди с более высоким содержанием легирующего компонента. Маркировка бронз предусматривает буквенное и цифровое обозначение содержания легирующих элементов. Например, кремнемарганцовистая бронза марки БрКМцЗ-1 содержит 3% Si и 1% Мп, а бронза БрОМцА8−0,7−0,7 содержит 8 % Sn, 0,7% Мп и 0,7% А1, остальное — медь. Широкое применение имеют бронзы оловянные (2… 10% Sn), алюминиевые (4… 11,5% А1), кремнистые (0,5…3,5% Si) и др" выпускаемые по ГОСТ 483–79, ГОСТ 18 175–78, ГОСТ 5017–71 и ГОСТ 613–79. Бронзы выгодно отличаются от меди повышенными механическими, коррозионными, антифрикционными свойствами.

Оловянные бронзы, содержащие цинк и свинец, имеют высокие антифрикционные свойства и коррозионную стойкость. Их широко используют для изготовления подшипников скольжения. Алюминиевые и кремнистые бронзы обладают высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, они дешевле оловянных бронз. Марганцовистые бронзы имеют хорошую коррозионную стойкость и повышенную жаропрочность. Бериллиевыс бронзы после термообработки приобретают прочность, сопоставимую с прочностью стали.

Медно-никелевые сплавы содержат до 30% Ni, а также марганец, железо, цинк и др. Они представляют собой в большинстве случаев неограниченные твердые растворы и применяются как конструкционные теплостойкие, коррозионно-устойчивые и электротехнические материалы. Их выпускают по ГОСТ 492–78. Из медно-никелевых сплавов наиболее широкое применение для сварных конструкций получили сплавы марок МНЖ5−1, МНЖМц30−1-1 (мельхиор), МНЦ15−20.

(нейзильбер), МНМцЗ-12 (манганин).