Некоторые сведения о свойствах меди. Кристаллизуется медь в гранецентрированной кубической решетке; полиморфизмом не обладает и фазовые превращения в ней связаны только с изме­нением агрегатного состояния. Медь имеет высокую теплопровод­ность и электропроводность, химическую стойкость по отношению к различным средам. При этом механические свойства ее достаточно хороши и сохраняются даже в условиях глубокого холода (—253 С), когда, например, почти все стали становятся хрупкими. Некоторые данные о теплофизических и механических свойствах меди приве­дены ниже:

Плотность, г/см3................................................................. 8,93

Температура плавления, °С................................................. 1083

» кипения, °С............................................................ 2596

» плавления Си20, °С............................................... 1235

Коэффициент линейного расширения на 1°С. . . 16,8-10~®

Объемная усадка, %............................................... „ . 4,2

Коэффициент теплопроводности, кал/(см-сек-сС) 0,95 Объемная теплоемкость, кал/(см3 • °С) 0,90

Механические свойства

ов (для отожженной меди), кГ/мм2.................................... >-20

В, %............................................................................... до 50

НВ, кГ/мм2............................................................................ 35

Механические свойства меди можно значительно изменить, при­менив наклеп. Тогда предел прочности о„ увеличится до 40 - — ЬОкПмм2, а твердость — до 100—220/сЛОилг, что будет сопровож­даться снижением пластичности меди. Механические свойства ее сильно изменяются и с повышением температуры. В интервале 250— 550 °С существенно снижаются прочность и пластичность меди, в связи с чем при деформации ее могут появиться трещины.

Следует отметить, что 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, S и Р, явля­ются для меди вредными примесями, снижающими ее прочность и технологические свойства. Особенно опасно присутствие висмута и свинца, которые в меди нерастворимы и образуют хрупкие и легко­плавкие оболочки вокруг зерен (с температурой плавления соответ­ственно 270 и 327 °С). Поэтому содержание висмута и свинца в меди ограничивают: висмута должно быть не более 0,002%, а свинца — до 0,005%.

Весьма вреден для меди и кислород, в связи с чем в сварных кон­струкциях из нее 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. Если включения Си20 имеют глобулярную, или округ­лую, форму, то они почти не влияют на механические свойства ме­талла. Однако закись меди может образовывать с медью легкоплав­кую хрупкую эвтектику Си20 + Си (Г1ТЛ = 1064 °С), которая рас­полагается по границам зерен и резко снижает пластичность металла. При прокатке литой меди эти хрупкие прослойки разрушаются и соседние зерна сращиваются, поэтому у прокатанной меди пластич­ность достаточно высока. Но если такой металл вновь расплавить, то после затвердевания по границам зерен собирается кислородная эвтектика, снижающая прочность и пластичность металла.

Опасен нагрев меди в восстановительной атмосфере, созданной водородом, так как в этих условиях может развиться «водородная болезнь». Водород активно растворяется не только в жидкой, но

и в твердой меди, и при Наличии в ней закиси меди Восстанавливает ее по реакции

Си20 + Н2 = 2Си +- Н20. (VIII.1)

Образовавшийся водяной пар уже не в состоянии диффундиро­вать сквозь металл и, скапливаясь в местах несплошностей, создает значительные давления, которые и становятся причиной образо-

в меди кислорода и водорода может наблюдаться ее пористость, вызванная большой разницей между растворимостью этих газов в жидкой меди (окклюзией) и в твердой меди (рис. 217).

Медь хорошо используется как конструкционный материал при создании разнообразной специальной аппаратуры (различные сосуды, теплообменная аппаратура, электрораспределительные устройства и др.). Сварные конструкции изготовляются преимущественно из про­катной меди в виде листов и труб.

Свариваемость меди. Трудности, возникающие при сварке меди, заключаются в следующем:

1. Высокая теплопроводность меди, почти в десять раз большая, чем у стали, требует более концентрированного нагрева. При этом значительная величина теплового коэффициента расширения меди (примерно в 1,5 раза большего, чем у стали) приводит к существен­ным тепловым деформациям и напряжениям. Поэтому при сварке меди часто возникает необходимость в предварительном и сопут­ствующем подогреве основного металла, а также в снижении его деформации.

2. Пониженная стойкость металла к образованию кристалли­зационных трещин и пор.

Появление кристаллизационных трещин в металле шва и около­шовной зоны связано с двумя главными причинами: 1) окислением меди при сварке, а также наличием кислорода в самом свариваемом металле; 2) наличием в металле некоторых примесей (например, висмута и свинца), благоприятствующих развитию кристаллиза­ционных трещин. Весьма облегчает возникновение этих трещин в шве и его крупностолбчатое, транскристаллитное строение.

Высокая растворимость кислорода в жидкой меди требует созда­ния эффективной защиты зоны сварки от возможного насыщения им металла и наиболее полного освобождения от него металла ванны. Для этого осуществляется:

1) защита металла шлаками и нейтральными по отношению к меди защитными газами;

2) раскисление жидкого металла с помощью раскислителей — Р, Zn, Mn, Si и связывание поверхностных окисных пленок с по­мощью флюсов на боридной основе:

СиО +■ Na2B40, = Си (В02)2 +
4- 2NaB02;

3) применение некоторых тех­нологических приемов, умень­шающих вредное воздействие окисных пленок: проковки свар­ного соединения (при Т < 200 или > 600 °С), разрушающей сплошность залегания окисных пленок; назначения режимов сварки с меньшим значением по­гонной энергии и др.

Вредное влияние висмута и свинца устраняется внесением в сварочную ванну присадок церия и циркония. Последние связывают примеси в тугоплавкие химические соединения, которые располагаются в металле в форме изолированных включений, оказы­вающих модифицирующее действие. Легирование меди хромом и ни­келем повышает стойкость металла к кристаллизационным трещинам. Хром оказывает на металл модифицирующее действие и вместе с тем проявляет себя как раскислитель. Цинк же действует главным об­разом как сильный раскислитель. Благотворное влияние на стой­кость наплавленного металла к образованию горячих трещин ока­зывают такие примеси, как Ni, Fe, Si и Со, способствующие некото­рому измельчению структуры металла шва, дезориентации дендри - тов и уменьшению роста зерна в околошовной зоне. Однако эти эле­менты заметно снижают теплопроводность и электропроводность меди. Микроструктура металла шва и околошовной зоны без моди­фицирующих примесей показана на рис. 218, а структура сплава при наличии 3,5% Сг — на рис. 219.

Появление пористости в швах связано с высокой растворимостью в меди не только кислорода, но и водорода, обусловливающих про­текание реакции (VIII.1) в процессе кристаллизации металла. Чтобы предотвратить это, целесообразно вместе с защитными сред­ствами и металлургической обработкой металла создавать необхо­димые условия для лучшей дегазации сварочной ванны.

Свариваемость сплавов меди. Сплавы меди отличаются большим разнообразием. Широко известны латуни (сплавы меди с цинком), оловянные бронзы (сплавы меди с оловом) и безоловянные бронзы (кремнистые, марганцовистые, алюминиевые, алюминиево-желе­зистые и др.), а также медно-никелевые сплавы.

Латуни изготовляют и используют преимущественно в виде проката. Наиболее распространены латуни, содержащие до 39% Zn и представляющие собой однофазный твердый раствор цинка в меди fa-латуни). Эти сплавы обладают повышенной пластичностью. В среднем у латуней пв = 30 - г - 40 кГ/мм2, а 6 = 15 - г - 40%. С уве­личением содержания цинка (> 39%) сплав становится двухфазным (а - и [2-фазы) и возрастают его прочностные характеристики. Сва­риваемость таких латуней хуже, чем однофазных, в связи с мень­шей их пластичностью.

Высокие механические, технологические и коррозионные свой­ства латуней обусловливают их широкое использование в машино­строении, арматуростроении и других отраслях техники, а способ­ность сохранять высокие значения пластичности и ударной вязкости при низких температурах позволяет применять их для изготовле­ния изделий, работающих в условиях глубокого холода, например в кислородном машиностроении.

Основной трудностью, возникающей при сварке латуней, явля­ется значительная потеря цинка вследствие его испарения, усили­вающегося при растворении в жидком металле водорода. Испарение цинка связано с низкой температурой его кипения: для чистого цинка температура кипения составляет 906 СС, а температура плав­ления — 420 °С. Испаряясь, цинк активно окисляется и образует в атмосфере тугоплавкую пылевидную окись цинка ZnO. Потери цинка из сварочной ванны при газовой сварке достигают 25%, а при дуговой — 40%. Уменьшение содержания цинка в наплавленном металле может привести к пористости металла и снижению его прочности. Испарение цинка благоприятствует также развитию газовых пузырей и пористости. При этом нужно иметь в виду, что выделяющиеся пары цинка и окись цинка весьма ядовиты. Умень­шению потерь цинка при газовой сварке способствует применение окислительного пламени и введение в сварочную ванну небольших добавок Si или А1. Чтобы уменьшить теплоотвод из сварочной ванны и создать условия для более полного удаления из нее рас­творившихся газов, целесообразно перед сваркой нагревать основ­ной металл до 250—300 °С.

Бронзы относятся к малопластичным сплавам меди, обла­дающим в жидком состоянии повышенной жидкотекучестыо. В за­висимости от содержания легирующих элементов их можно разде­лить на деформируемые и литейные. К деформируемым бронзам от­носят сплавы меди с 5—8% легирующего элемента (например, оло­вянные бронзы с 7—8% Sn, безоловянные алюминиевые бронзы, содержащие до 5—7% А1, и др.). Литейными бронзами считаются сплавы меди с более высоким содержанием легирующего элемента.

Свариваемость бронз в значительной степени зависит от их со­става. Особые трудности вызывает сварка литейных оловянных бронз, которые предварительно нагревают, но не перегревают, так как избыточное олово, оставшееся на границах зерен, при перегреве легко расплавляется и снижает прочность наплавленного металла настолько, что он может разрушиться даже под действием собствен­ного веса. Поэтому литейные оловянные бронзы сваривают чаще всего газовой сваркой с мягким нормальным ацетилено-кислород­ным пламенем и замедленным охлаждением металла.

Особую группу сплавов на основе меди составляют м е д н о - никелевые сплавы, которые широко используются в про­мышленности как конструкционные коррозионно-устойчивые ма­териалы (например, мельхиоры — МН 19; МНЖМ 30-0,8-1 и др.), а также как электротехнические (например, сплавы нейзильбер — МНЦ 15-20 и манганин — МНМ 3-12 и др.). Получению качествен­ного сварного соединения из этих сплавов препятствует: 1) повы­шенная склонность швов к образованию кристаллизационных тре­щин; 2) чувствительность швов к образованию пор.

По диаграмме состояния Си — № (см. рис. 216) двойные сплавы этой системы относятся к типу твердых растворов. К последним от­носятся и многие тройные сплавы. Но присутствующие в техниче­ских сплавах этой группы примеси, нерастворимые в меди и никеле (например, Pb, Bi) или образующие с ними хрупкие соединения (S, 02, Р), создают межкристаллитные легкоплавкие прослойки, которые приводят к кристаллизационным трещинам. Причиной же пористости является чаще всего насыщение ванны водородом и кис­лородом. Поэтому при сварке медно никелевых сплавов нужно не только строго контролировать содержание в них вредных примесей, но и обеспечивать, наряду с эффективной защитой зоны сварки от кислорода и водорода, раскисление и модифицирование металла (титаном, церием или алюминием).