Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его при этом будет в 2 раза меньше. Малая масса алюминиевых проводов позволяет устанавливать дорогостоящие опорные мачты на большом расстоянии друг от друга.
Благодаря высокой теплопроводности алюминий и медь широко используют в теплообменниках и холодильниках, автомобильных и тракторных радиаторах. Высокая коррозионная стойкость во многих органических кислотах позволяет широко применять алюминий для изготовления посуды и разнообразных емкостей.
Медная и алюминиевая электропроводка в квартире. Разоблачим мифы
Сочетание коррозионной стойкости с высокой пластичностью дает возможность изготовлять и использовать упаковочную фольгу из алюминия. К достоинствам титана относится высокая прочность и удельная прочность не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода, а также высокая коррозионная стойкость.
Недостатком титана является низкая теплопроводность (в 4 раза меньше, чем у железа, в 11 и 20 раз меньше, чем у алюминия и меди соответственно). Из-за этого титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается.
Для титановых сплавов низкая теплопроводность приводит к невозможности осуществить закалку деталей больших размеров (слишком низкая прокаливаемость). Титан – серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см 3 . Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660–1680 o С. При температуре 882 o С титан претерпевает полиморфное превращение, α-титан с гексагональной решеткой переходит в β-титан с объемно-центрированной кубической решеткой.
Наличие полиморфизма у титана создает возможности для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки. При нормальной температуре титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов.
При нагреве выше 500 o С становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения. Указанные достоинства титана объясняют сложившиеся на практике области преимущественного применения титановых сплавов: – авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа); – химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей); – оборудование для обработки ядерного топлива; – морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок); – криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253 o С). Примеси в цветных металлах. Каждый металл обладает набором химических элементов-спутников, всякий раз появляющихся в химическом составе технически чистых металлов из-за присутствия в исходной руде или привнесения в состав при выплавке или другом методе получения (таблица 4).
тугоплавким компонентом – медью). 2. При высоких температурах растворимость олова в α-фазе понижена по сравнению с равновесным значением; линия неравновесного солидуса, характеризующая химический состав α-фазы в процессе кристаллизации, идет левее равновесного солидуса, изображенного на диаграмме фазового равновесия (рисунок 1). 3. Отсутствует температурная зависимость олова в α-фазе, т.к. диффузия олова практически не идет и состав α-фазы «заморожен», т.е. остается примерно таким же, каким он сформировался в процессе неравновесной кристаллизации. В условиях равновесия уменьшение температуры должно было бы сопровождаться сначала (до 520 о С) увеличением содержания олова, а затем его снижением. 4. Не происходит низкотемпературное (при 350 о С) эвтектоидное превращение δ → α + ε. 5. При низких температурах вместо равновесной фазы ε присутствует неравновесная фаза δ.
| А | В С |
| α | α |
| а | |
| α | Эвтектоид (α+δ) |
% Sn б А В С
| Рисунок 1 — Диаграмма состояния Cu-Sn. | Рисунок 2 — Схема микроструктуры ( а ) и пространственного |
распределения концентрации олова в α-фазе ( б ) для сплава БрО10 Описанные черты иллюстрирует рисунок 2, на котором представлена схема микроструктуры бронзы марки БрО10 ( а ) и пространственное распределение содержания олова в α-фазе вдоль отрезка АС ( б ). Отметим, что в микроструктуре этого сплава с 10 % (масс.) Sn присутствует неравновесный эвтектоид (α+δ), хотя по диаграмме фазового равновесия эвтектоидной реакции γ → α + δ в сплаве такого состава не должно
| Рисунок 3 — Диаграмма состояния Cu-Al. | Рисунок 4 — Диаграмма состояния Cu-Be. | |||
| Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с | Основные недостатки алюминиевых бронз: | |||
| оловянными: | значительная усадка; | |||
| меньшая склонность к внутрикристаллической (дендритной) ликвации; | склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации | |||
| большая плотность отливок; | и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав; | |||
| более высокая прочность и жаропрочность; | сильное газопоглощение и окисляемость жидкого расплава; | |||
| меньшая склонность к хладноломкости; | самоотпуск при медленном охлаждении; | |||
| меньшая стоимость. | недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре. | |||
Для устранения этих (см. выше) недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом. Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету. 4.3 Бериллиевая бронза.
Классический представитель термически упрочняемых бронз – бериллиевая бронза БрБ2. По составу она близка к точке предельной растворимости бериллия в меди при перитектической температуре (рисунок 4).
Важной особенностью диаграммы является то, что с понижением температуры растворимость бериллия в меди резко падает.
Бронзу БрБ2 закаливают с 780 о С в воде и подвергают старению при 320 о С в течение 2 ч. Закалка фиксирует высокотемпературное однофазное состояние (пересыщенный твердый раствор α). При старении из пересыщенного α-раствора выделяются дисперсные частицы метастабильной фазы γ CuBe, что приводит к сильному упрочнению.
Если до закалки (в отожженном состоянии) предел прочности равен 550 МПа, то после закалки он даже уменьшается до 500 МПа. Зато старение повышает предел прочности до 1200 МПа. Состаренная бериллиевая бронза имеет рекордный для медных сплавов предел упругости (σ 0,002 = 800 МПа), поэтому ее широко используют для изготовления упругих элементов. Недостаток бериллиевой бронзы – высокая токсичность паров бериллия.
| ЛАТУНИ. Медь с цинком образует твердый раствор (α) с ГЦК решеткой и | |||||||
| предельной концентрацией цинка 39 % (рисунок 5). При большем содержании | |||||||
| цинка образуется промежуточная фаза β состава CuZn, имеющая ОЦК | |||||||
| решетку. При | температуре 454–468 о С | происходит | упорядочение | (в | |||
| упорядоченной фазе β | |||||||
| цинка, и наоборот, атомы цинка в качестве ближайших соседей имеют атомы | |||||||
| меди). Упорядочение β-фазы сопровождается значительным повышением ее | |||||||
| твердости и хрупкости, поэтому сплавы, состоящие из одной β | -фазы, | не | |||||
| используют. | |||||||
| Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn. По виду | |||||||
| легирования | латуни | подразделяют | на | двойные | (простые) | и | |
| многокомпонентные (специальные, или легированные). По фазовому составу | |||||||
| латуни делятся на однофазные и двухфазные: различают α-латуни и (α+β)- | |||||||
| латуни. В двухфазных латунях при комнатной температуре нет β-фазы, а есть | |||||||
| упорядоченная | фаза β | -латунь» | это не | принято | |||
| указывать, хотя именно из-за упорядочения β -фаза и содержащая ее латунь | |||||||
| имеет пониженную пластичность. | |||||||
| Прямо противоположная картина наблюдается при высоких | |||||||
| температурах: β-фаза пластичнее и обладает значительно меньшим | |||||||
| сопротивлением деформированию, чем α-фаза. Поэтому двухфазные латуни | |||||||
| нагревают под горячую обработку давлением в β-область или до таких | |||||||
| температур (α+β)-области, где доля β-фазы превышает 50 %. | |||||||
| По способу изготовления | изделий различают | латуни деформируемые и | |||||
| Рисунок 5 — Диаграмма состояния Cu–Zn. | |||||||
| литейны е. | |||||||
Однофазные α-латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Из них изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку. Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 o С используют (α+β)-латуни.
Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Наиболее широко применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63. Однофазная латунь Л90, называемая томпаком , обладает хорошей коррозионной стойкостью и имеет красивый золотистый цвет. Ее используют для изготовления радиаторных трубок, знаков отличия и фурнитуры.
| Т | Н | Т 1 | < Т 2 | < Т 3 | ||
| Т 1 | ||||||
| L | Т 2 | |||||
| α | α + L | Т 3 | ||||
| ДС | ЛС | |||||
| НС | УС | |||||
| α + θ | τ | |||||
| Al | Легирующий элемент | |||||
| Рисунок 6 — Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент | Рисунок 7 — Схема влияния на твердость продолжительности старения при | |||||
| (схема): | трех температурах | |||||
| ДС – деформируемые сплавы; ЛС – литейные сплавы; НС и УС – | ||||||
| сплавы, неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой | ||||||
| соответственно. | ||||||
| 5.2 Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой | ||||||
| К термически упрочняемым деформируемым сплавам относят: | ||||||
дуралюмины (сплавы системы Al – Cu – Mg, обычно с добавкой марганца для повышения коррозионной стойкости); высокопрочные стареющие сплавы (Al – Zn – Mg – Cu); авиали (Al – Mg – Si); ковочные сплавы (Al – Mg – Si – Сu и Al – Cu – Mg – Fe – Ni). Дуралюмины получили наибольшую известность среди всех алюминиевых сплавов, так как именно при исследовании первого дуралюмина (Al – 4 % Cu – 0,5 % Mg – 0,5 % Mn) в 1906 г. было открыто явление старения, которое стало одним из основных способов упрочнения сплавов на разной основе.
Этот дуралюмин используют до сих пор под маркой Д1. С появлением дуралюмина связано начало металлического самолетостроения. В настоящее время среди дуралюминов наибольшее применение имеет сплав Д16 (Al – 4,3 % Cu – 0,6 % Mg – 0,6 % Mn).
В дуралюминах разного состава в состоянии равновесия наблюдаются следующие фазы: твердый раствор меди и магния в алюминии (α-фаза), фаза Al 2 Cu (θ), Al 2 CuMg (S-фаза) и Al 6 CuMg 4 (Т-фаза). С понижением температуры растворимость меди и магния в α-фазе понижается. По этой причине может быть получен пересыщенный твердый раствор при закалке, а затем проведено старение.
Источник: studfile.net
Медь как металл и сырье в строительстве: ее особенности и нюансы обработки
В большей части промышленных отраслей используется такой металл, как медь. Благодаря высокой электропроводности без этого материала не обходится ни одна область электротехники. Из нее образуются проводники, обладающими отличными эксплуатационными особенностями. Помимо этих особенностей медь обладает пластичностью и тугоплавкостью, устойчивостью к коррозии и агрессивным средам. И сегодня мы рассмотрим металл со всех сторон: укажем цену за 1 кг лома меди, поведаем о ее использовании и производстве.
Что такое медь
Понятие и особенности
Медь представляет собой химический элемент, носящийся к первой группы периодической системы имени Менделеева. Этот пластичный металл имеет золотисто – розовый цвет и является одним из трех металлов с ярко выраженным окрашиванием. С давних времен активно используется человеком во многих областях промышленности.
Главной особенностью металла является его высокая электро- и теплопроводность. Если сравнивать с другими металлами, то проведение электрического тока через медь выше в 1,7 раз, чем у алюминия, и почти в 6 раз выше, чем у железа.
Медь имеет ряд отличительных особенностей перед остальными металлами:
- Пластичность. Медь представляет собой мягкий и пластичный металл. Если брать во внимание медную проволоку, она легко гнется, принимает любые положения и при этом не деформируется. Сам же металл достаточно немного надавить, чтобы проверить эту особенность.
- Устойчивость к коррозии. Этот фоточувствительный материал отличается высокой устойчивостью к возникновению коррозии. Если медь на длительный срок оставить во влажной среде, на ее поверхности начнет появляться зеленая пленка, которая и защищает металл от негативного влияния влаги.
- Реакция на повышение температуры. Отличить медь от других металлов можно путем ее нагревания. В процессе медь начнет терять свой цвет, а затем становиться темнее. В результате при нагреве металла он достигнет черного цвета.
Благодаря таким особенностям можно отличить данный материал от латуни, олова, бронзы и других металлов.
Видео ниже расскажет вам про полезные свойства меди:
Плюсы и минусы
Преимуществами данного металла являются:
- Высокий показатель теплопроводности;
- Устойчивость к влиянию коррозии;
- Достаточно высокая прочность;
- Высокая пластичность, которая сохраняется до температуры -269 градусов;
- Хорошая электропроводность;
- Возможность легирования с различными добавочными компонентами.
Про характеристики, физические и химические свойства вещества-металла меди и ее сплавов читайте ниже.
Свойства и характеристики
Медь, как малоактивный металл, не вступает во взаимодействие с водой, солями, щелочами, а также со слабой серной кислотой, но при этом подвержена растворению в концентрированной серной и азотной кислоте.
Физические свойства метала:
- Температура плавления меди составляет 1084°C;
- Температура кипения меди составляет 2560°C;
- Плотность 8890 кг/м³;
- Электрическая проводимость 58 МОм/м;
- Теплопроводность 390 м*К.
- Предел прочности на разрыв при деформированном состоянии составляет 350-450 МПа, при отожженном – 220-250 МПа;
- Относительное сужение в деформированном состоянии 40-60%, в отожженном – 70-80%;
- Относительное удлинение в деформированном состоянии составляет 5-6 δ ψ%, в отожженном – 45-50 δ ψ%;
- Твердость составляет в деформированном состоянии 90-110 НВ, в отожженном – 35-55 НВ.
При температуре ниже 0°С этот материал обладает более высокой прочностью и пластичностью, чем при +20°С.
Структура и состав
Структурный тип меди может включать в себя также кристаллы серебра, никеля, кальция, алюминий, золота и других компонентов. Все они отличаются сравнительной мягкостью и пластичностью. Частичка самой меди имеет кубическую форму, атому которой расположены на вершинах F –ячейки. Каждая ячейка состоит из 4 атомов.
О том, где брать медь, смотрите в этом видеоролике:
Производство материалов
В природных условиях данный металл содержится в самородной меди и сульфидных рудах. Широкое распространение при производстве меди получили руды под названием «медный блеск» и «медный колчедан», которые содержат до 2% необходимого компонента.
Большую часть (до 90%) первичного металла меди получают благодаря пирометаллургическому способу, который включает в себя массу этапов: процесс обогащения, обжиг, плавка, обработка в конвертере и рафинирование. Оставшаяся часть получается гидрометаллургическим способом, который заключается в ее выщелачивании разведенной серной кислоты.
Области применения
Медь активно используется в следующих областях:
- Электротехническая промышленность, которая заключается, в первую очередь, в производстве электропроводов. Для этих целей медь должна быть максимально чистой, без посторонних примесей.
- Изготовление филигранных изделий. Медная проволока в отожженном состоянии отличается высокой пластичностью и прочностью. Именно поэтому, она активно используется при производстве различных шнуров, орнаментов и прочих конструкций.
- Переплавка катодной меди в проволоку. Самые разнообразные медные изделия переплавляются в слитки, которые идеально подходят для дальнейшей прокатки.
Медь активно используется в самых различных сферах промышленности. Она может входить в состав не только проволоки, но и оружия и даже бижутерии. Ее свойства и широкая сфера применения благоприятно повлияли на ее популярность.
Видео ниже расскажет о том, как медь может изменить свои свойства:
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями в социальных сетях:
Источник: stroyres.net
О теплопроводности меди и ее сплавов
Высокая теплопроводность меди и другие ее полезные характеристики послужили одной из причин раннего освоения этого металла человеком. И по сей день медь и медные сплавы находят применение почти во всех областях нашей жизни.
Немного о теплопроводности
Под теплопроводностью в физике понимают перемещение энергии в объекте от более нагретых мельчайших частиц к менее нагретым. Благодаря этому процессу выравнивается температура рассматриваемого предмета в целом. Величина способности проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Данный параметр равен количеству тепла, которое пропускает через себя материал толщиной 1 метр через площадь поверхности 1 м2 в течение одной секунды при единичной разнице температур.
Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу). Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов). Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:
- железо;
- мышьяк;
- кислород;
- селен;
- алюминий;
- сурьма;
- фосфор;
- сера.
Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.
Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.
Медный радиатор отопления
Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.
Алюминий и медь – что лучше?
У алюминия есть один минус по сравнению с медью: его теплопроводность в 1,5 раза меньше, а именно 201–235 Вт/(м*К). Однако по сравнению с другими металлами это достаточно высокие значения. Алюминий так же, как и медь, обладает высокими антикоррозийными свойствами. Кроме того, он имеет такие преимущества, как:
- малая плотность (удельный вес в 3 раза меньше, чем у меди);
- низкая стоимость (в 3,5 раза меньше, чем у меди).
Алюминиевый радиатор отопления
Благодаря простым расчетам получается, что алюминиевая деталь может оказаться дешевле медной практически в 10 раз, ведь она весит намного меньше и изготовлена из более дешевого материала. Этот факт наряду с высокой теплопроводностью позволяет использовать алюминий в качестве материала для посуды и пищевой фольги для духовых шкафов. Главный недостаток алюминия состоит в том, что он является более мягким, поэтому его можно использовать только в составе сплавов (например, дюралюминия).
Для эффективного теплообмена важную роль играет скорость отдачи тепла в окружающую среду, и этому активно способствует обдув радиаторов. В результате меньшая теплопроводность алюминия (относительно меди) нивелируется, а вес и стоимость оборудования снижаются. Эти важные плюсы позволяют алюминию постепенно вытеснять медь из использования в системах кондиционирования.
Использование меди в электронике
В некоторых отраслях, к примеру, в радиопромышленности и электронике, медь является незаменимой. Дело в том, что этот металл по природе своей очень пластичен: его можно вытянуть крайне тонкую проволоку (0,005 мм), а также создать другие специфические токопроводящие элементы для электронных приборов. А высокая теплопроводность позволяет меди крайне эффективно отводить неизбежно возникающее при работе электроприборов тепло, что очень важно для современной высокоточной, но в то же время компактной техники.
Актуально использование меди в тех случаях, когда требуется сделать наплавку определенной формы на стальную деталь. При этом применяется шаблон из меди, который не соединяется с привариваемым элементом. Использование алюминия для этих целей невозможно, так как он будет расплавлен или прожжен. Стоит также упомянуть, что медь способна выполнить роль катода при сварке угольной дугой.
1 — шестерня, 2 — крепления шаблонов, 3 — наплавляемый зуб шестерни, 4 — медные шаблоны
Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов
Медь обладает куда более высокой стоимостью, чем латунь или алюминий. При этом у данного металла есть свои недостатки, напрямую связанные с его достоинствами. Высокая теплопроводность приводит к необходимости создавать специальные условия во время резки, сварки и пайки медных элементов. Так как нагревать медные элементы нужно намного более концентрировано по сравнению со сталью. Также часто требуется предварительный и сопутствующий подогрев детали.
Не стоит забывать и о том, что медные трубы требуют тщательной изоляции в том случае, если из них состоит магистраль или разводка системы отопления. Что приводит к увеличению стоимости монтажа сети в сравнении с вариантами, когда применяются другие материалы.
Пример теплоизоляции медных труб
Сложности возникают и с газовой сваркой меди: для этого процесса потребуются более мощные горелки. При сварке металла толщиной 8–10 мм потребуются две-три горелки. Пока одна горелка используется для сварки, другими ведется подогрев детали. В целом сварочные работы с медью требуют повышенных расходов на расходные материалы.
Следует сказать и о необходимости использования специальных инструментов. Так, для резки латуни и бронзы толщиной до 15 см понадобится резак, способный работать с высокохромистой сталью толщиной в 30 см. Причем этого же инструмента хватит для работы с чистой медью толщиной всего лишь в 5 см.
Плазменная резка меди
Можно ли повысить теплопроводность меди?
Медь широко используется при создании микросхем электронных устройств и призвана отводить тепло от нагреваемых электрическим током деталей. При попытке увеличить быстродействие современных компьютеров разработчики столкнулись с проблемой охлаждения процессоров и других деталей. В качестве одного из решений применялся вариант разбиения процессора на несколько ядер. Однако данный способ борьбы с перегревом себя исчерпал, и сейчас требуется искать новые проводники с более высокой теплопроводностью и электропроводимостью.
Одним из решений этой проблемы является недавно открытый элемент графен. Благодаря напылению из графена теплопроводность медного элемента увеличивается на 25%. Однако пока изобретение находится на уровне разработки.
Источник: met-all.org