Медь – ее свойства и области использования в художественных целях.
Лекция 4. Медь и ее сплавы.
Общие сведения.
Введение.
Способы добычи и переработки.
Медь, ее свойства и области использования в художественных целях.
Бронза, ее свойства и области использования.
Латунь, ее свойства и области использования.
Сплавы меди с никелем – мельхиоры и нейзильберы.
Общие сведения.
Введение.
Медь - элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодиче-ской системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Название произошло от назва-ния острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Медь - пластичный металл – он один из первых, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступ-ности его получения из руды и малой температуры плавления, в основном применяется в виде сплавов с оловом (бронза) и цинком (латунь) (см. далее).
Медь встречается в природе, как в самородном виде (даже чаще, чем золото, серебро, железо) (рис. 1), так и в соединениях (минералах).
Рис. 1. Самородная медь.
Наиболее известные месторождения меди - Удокан в Забайкальском крае, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Ма-нсфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси). Большая часть медной ру-ды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет всего (!) от 0,3 до 1,0 %.
|
|
|
1.2. Способы добычи и переработки меди.
Сейчас известно более 170 минералов, содержащих медь, но из них то-лько 14 - 15 имеют промышленное значение, например, халькопирит CuFeS2, также известный как медный колчедан, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4 , ко-веллин CuS, куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2.
В медных рудах часто в качестве примесей встречаются молибден, ни-кель, свинец, кобальт, реже - золото, серебро. Так как содержание меди в ру-де очень мало, то обычно медные руды обогащаются на фабриках, прежде чем поступают на медеплавильные комбинаты.
В настоящее время 90 % первичной меди получают пирометаллурги-ческим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ - это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором сер-ной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.
Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди. Медные руды и концентраты с большим содержанием серы по-двергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или ру-ды до 700 - 800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое, от первоначального. Обжигают то-лько бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига. После обжига руда и медный концен-трат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содер-жащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20 -40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, ци-нка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4—99,4 % меди, 0,01- 0,04 % железа, 0,02 - 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разли-вают в стальные изложницы или на разливочной машине. Далее, для удале-ния вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирова-ния черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического ра-финирования. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод - из меди ог-невого рафинирования, а катод - из тонких листов чистой меди. Электроли-том служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод раство-ряется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на пе-реработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.
|
|
|
|
|
|
Медь – ее свойства и области использования в художественных целях.
Химические свойства меди.
Медь - малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, ра-створами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь
|
|
|
растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрирован-ной серной кислотах). Медь обладает достаточно высокой стойкостью к кор-розии. На воздухе медь постепенно тускнеет, быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок окиси красного цвета (Cu2O), который затем под действием сернис-тых, хлористых и углекислых соединений темнеет и может, наконец, превра-титься в патину зеленого цвета (рис. 2). Патину можно увидеть на шпилях церквей, на памятниках: из-за обилия частиц различной грязи патина обычно бывает темно-коричневого цвета.
Замечание.
Патина - плёнка или налёт , например, на меди и её сплавах. Различают два ее вида: искусственную и естественную.
Естественная патина - это оксидно -карбонатная плёнка, образующаяся на поверхности декоративных (от памятников до монет) или технических изделий (разъёмы, контакты) под воздействием окружающей среды (рис. 2).
Искусственная патина - налёт, образующийся на поверхности памятников или декоративных изделий вследствие нанесения специальных веществ (специальных составов, обычно содержащих некоторые кислоты и окислители).
Рис. 2. Бронзовая монета с патиной (I век до н.э.).
Основные физические и свойства.
Медь - золотисто-розовый пластичный металл. Наряду с осмием, цези-ем и золотом, медь - один из четырёх металлов, имеющих явную цветовую окраску, отличную от серой или серебристой у прочих металлов. Кристаллы меди образуют кубическую гранецентрированную решётку (рис. 3).
Рис. 3. Кристаллическая решетка меди.
Ниже приведены некоторые физические свойства меди:
Атомная масса - 63;
Плотность при 20°С, г/см3 - 8, 96;
Температура, плавления °С: - 1083;
Температура кипения, °С: - 2600;
Удельная теплоёмкость, ккал/г - 0,092;
Теплопроводность кал/ (см . сек . град) - 0,941;
Удельное электросопротивление, Ом . мм2 /м - 0,0178
Отметим, что медь обладает высокой теплопроводностью и электро-проводностью - второе место по электропроводности после серебра.
Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода.
Основные механические свойства.
Медь относится к пластичным металлам со сравнительно невысоким уровнем механических свойств. Ниже приведены некоторые механические свойства меди.
Предел прочности деформированной меди, МПа : - 400 - 500 Предел прочности отожжённой меди, МПа: - 200 - 240
Предел текучести меди, МПа , при температуре, °С: 20°С - 70
200°С - 50
400°С - 14
Относительное удлинение деформированной меди, % : - 4 - 6 Относительное удлинение отожжённой меди, %: - 40 - 50
Предел упругости деформированной меди, МПа: - 300
Предел упругости отожжённой меди, МПа: - 70
Модуль упругости, МПа: - 132000 Модуль сдвига, МПа: - 42400
Предел усталости меди при переменно-изгибающих напряжениях на базе 108 циклов, МПа :
деформированной - 110
отожжённой - 67
Твёрдость меди НВ:
деформированной - 90 - 120
отожжённой - 35 - 40
При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочност-ные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением тем-пературы увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротив-ление пластической деформации.
Технологические свойства.
Медь мягкий и вязкий металл, он легко обрабатывается давлением и в частности, волочением. Из меди легко можно штамповать, дифовать (допус-кает выколотку высокого рельефа) и чеканить. Медь хорошо прокатывается – из нее изготавливают тончайшие листы и ленты (фольгу), толщина которой может быть не более 0,05 мм. Также получают различные трубки, прутки и проволоку с минимальным диаметром 0,02 мм. Медь хорошо шлифуется и полируется, но быстро теряет блеск; ее затруднительно точить, сверлить, фрезеровать, так как у нее большая вязкость, поэтому обработка чистой меди на режущих станках затруднительна. Медь хорошо сваривается, паяется оло-вом и твердым припоем.
Температура литья меди 1150 - 1230 °С. Линейная усадка при литье в кокиль 2,1 %, жидкотекучесть (при литье в песок) 35 см. Медь высокопластична в отожженном состоянии, при обработке давлением выдерживает без промежуточных отжигов обжатие до 85 - 95%. Вакуумная плавка улучшает пластичность меди. Температура прессования 800 - 950 °С, температура горячей прокатки 820 - 860 °С. Температура полного отжига 500 - 700 °С, а отжига для уменьшения остаточных напряжений 180 - 230 °С.
Маркировка меди.
Марки меди в общем случае обозначают буквой "М", далее идут циф-ры, характеризующие степень чистоты и буква, показывающая степень очи-стки:
- к - катодная;
- р - рафинированная и раскисленная;
- ф - раскисленная фосфором;
- б - безкислородная медь.
В зависимости от чистоты (ГОСТ 859-41) предусмотрено пять марок меди: М0, M1, М2, М3, М4. В наиболее чистой меди (марки М0) общее ко-личество примеси не должно превышать 0,05%, в меди марки М1 – 0,1%, в меди марки М2 – 0,3%. Наибольшее количество примесей (до 1%) допуска-ется в меди марки М4.
Меди марки М0 предназначаются для изготовления проводников тока, М3 - для литья, а медь марки М4 - для изготовления неответственных дета-лей и паяния.
Использование меди в художественных целях.
При отжиге меди образуется темный слой окиси меди CuO, который вместе с Cu2O создает хрупкую отслаивающуюся окалину. В художественной промышленности чистая, или красная, медь применяется довольно часто, од-нако все же не так широко, как ее сплавы – бронза и латунь. Применение чи-стой меди в ряде случаев обусловливается ее исключительно высокой плас-тичностью и вязкостью, позволяющей из листов сравнительно небольшой толщины (0,8-1,2 мм) получать путем выколотки сложные объемные формы. Свойства чистой меди сделали ее основным материалом для дифовочных ра-бот при изготовлении крупных скульптурных и орнаментальных компози-ций. Примером таких медночеканных скульптур могут служить многочис-ленные статуи и декоративные фигуры начала XIX в., украшающие различ-ные здания Санкт-Петербурга (квадрига Аполлона на Александрийском театре).
Кроме дифовочного производства чистая медь применяется для шта-мповки очень высоких и сложных рельефов и орнаментов, для которых лату-нь оказывается недостаточно пластичной. Красная медь остается пока неза-менимым материалом в области филигранных работ массового производства.
Листовая медь является основным материалом для чеканных, гравер-ных работ и декоративных работ из проволоки. Проволока из красной меди, применяемая для филигранных работ, в отожженном состоянии она станови-тся настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевоз-можные шнуры и выгибать самые сложные, причудливые элементы орнаме-нта. Она может быть изготовлена практически любой толщины. Кроме того, проволока из красной меди (благодаря своей теплопроводности) очень легко и хорошо спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится.
Из меди часто делают кровлю, реже медь встречается в интерьерах. Медные детали превосходно сочетаются с мебелью из натурального дерева. Из нее делают вытяжки над камином или плитой.
Коэффициент линейного и объемного расширения при нагреве у кра-сной меди очень близок к такому же коэффициенту горячих эмалей. Поэтому при остывании эмаль хорошо держится на красномедном изделии, не треска-ется и не отскакивает.
Используют медь также для приготовления припоев, так она является основным компонентом твердых припоев (медных, серебряных и золотых), применяемых для пайки самых разнообразных изделий художественной про-мышленности, начиная от ювелирных изделий и кончая крупными декорати-вными предметами.
Кроме того, медь наряду с золотом и селеном применяется для изготовления цветного красного стекла (медного рубина), эмали и смальты.
Отметим также, что, не являясь драгоценным, этот металл имеет огромное применение в ювелирной промышленности, используется почти во всех сплавах как легирующий элемент для получения определенного цвета или механических свойств. Медь делает более прочным золотые сплавы, для использования наиболее подходит электролитическая медь 999, выпускаемая в виде катодов.
Как указывалось выше, сплавы меди с другими металлами применяют-ся в художественных целях шире, чем собственно чистая медь.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 18; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!