Медь

Твердый металл медь люди научились плавить еще до нашей эры. Название элемента по таблице Менделеева – Cuprum, в честь первого массового расположения производства меди. Именно на острове Кипр в третьем тысячелетии до н.э. начали добывать руду. Металл зарекомендовал себя как хорошее оружие и красивый, блестящий материал для изготовления посуды и других приборов.

Процесс плавления меди

Изготовление предметов требовало множество усилий при отсутствии технологий. В первых шагах развития цивилизации и поиску новых металлов, люди научились добывать и плавить медную руду. Получение руды происходило в малахитовом, а не в сульфидном состоянии. Получение на выходе свободной меди, из которой можно изготавливать детали, требовало обжига. Для исключения окислов, металл с древесным углем размещалась в сосуд из глины. Поджигался металл в специально подготовленной яме, образующийся в процессе угарный газ способствовал процессу появления свободной меди.

Для точных расчетов использовался график плавления меди. В то время производился точный расчет времени и примерная температура, при которой происходит плавка меди.

Содержание

• Медь и ее сплавы
• Физические свойства
• Химический состав меди
  • Латунь
  • Бронза
• Температура плавления меди
• Плавление меди в домашних условиях
• Значение плотности меди
• Расчет удельного веса
• Единицы измерения удельного веса
• Расчет веса с использованием значений удельного веса
• Как определяется плотность
• Области использования меди
  • Вам также могут быть интересны статьи:

Медь и ее сплавы

Металл имеет красновато-желтый оттенок благодаря оксидной пленке, которая образуется при первом взаимодействии металла с кислородом. Пленка придает благородный вид и обладает антикоррозийными свойствами.

Сейчас доступно несколько способов добычи металла. Распространёнными являются медный колчедан и блеск, которые встречаются в виде сульфидных руд. Каждая из технологий получения меди требует особого подхода и следования процессу.

Добыча в природных условиях происходит в виде поиска медных сланцев и самородков. Объемные месторождения в виде осадочных пород находятся в Чили, а медные песчаники и сланцы расположились на территории Казахстана. Использование металла обусловлено невысокой температурой плавления. Практически все металлы плавятся путем разрушения кристаллической решетки.

Основной порядок плавления и свойства:

• на температурных порогах от 20 до 100°  материал полностью сохраняет свои свойства и внешний вид, верхний оксидный слой остается на месте;
• кристаллическая решетка распадается на отметке 1082°, физическое состояние становится жидким, а цвет белым. Уровень температуры задерживается на некоторое время, а затем продолжает рост;
• температура кипения меди начинается на отметке 2595°, выделяется углерод, происходит характерное бурление;
• при отключении источника тепла происходит снижение температуры, происходит переход в твердую стадию.

Плавка меди возможна в домашних условиях, при соблюдении определенных условий. Этапы и сложность задачи зависят от выбора оборудования.

Физические свойства

Основные характеристики металла:

• в чистом виде плотность металла составляет 8.93 г/см3;
• хорошая электропроводность с показателем 55,5S, при температуре около 20⁰;
• теплопередача 390 Дж/кг;
• кипение происходит на отметке 2600°, после чего начинает выделение углерода;
• удельное электрическое сопротивление в среднем температурном диапазоне – 1.78×10 Ом/м.

Основными направлениями эксплуатации меди является электротехнические цели. Высокая теплоотдача и пластичность дают возможность применения к различным задачам. Сплавы меди с никелем, латунью, бронзой, делаю более приемлемой себестоимость и улучшают характеристики.

Химический состав меди

В природе она не однородна по своему составу, так как содержит ряд кристаллических элементов, образующих с ней устойчивую структуру, так называемые растворы, которые можно подразделить на три группы:

1. Твердые растворы. Образуются, если в составе содержаться примеси железа, цинка, сурьмы, олова, никеля и многих других веществ. Такие вхождения существенно снижают ее электрическую и тепловую проводимость. Они усложняют горячий вид обработки под давлением.
2. Примеси, растворяющиеся в медной решетке. К ним относятся висмут, свинец и другие компоненты. Не ухудшают качества электропроводимости, но затрудняют обработку под давлением.
3. Примеси, формирующие хрупкие химические соединения. Сюда входят кислород и сера, а также другие элементы. Они ухудшают прочностные качества, в том числе снижают электропроводность.

Масса меди с примесями гораздо больше, чем в чистом виде. Ко всему прочему, элементы примесей существенно влияют на конечные характеристики уже готового продукта. Поэтому их суммарный состав, в том числе количественный, по отдельности должен регулироваться еще на этапе производства. Рассмотрим более подробно влияние каждого элемента на характеристики конечных медных изделий.

1. Кислород. Один из самых нежелательных элементов для любого материала, не только медного. С его ростом ухудшается такое качество, как пластичность и устойчивость к коррозионным процессам. Его содержание не должно превышать 0,008%. В ходе термической обработки в результате процессов окисления количественное содержание этого элемента уменьшается.
2. Никель. Образует устойчивый раствор и существенно снижает показатели проводимости.
3. Сера или селен. Оба компонента одинаково влияют на качество готовой продукции. Высокая концентрация таких вхождений снижает пластичные свойства медных изделий. Содержание таких компонентов не должно превышать 0,001% от общей массы.
4. Висмут. Негативно влияет на механические и технологические характеристики готовой продукции. Максимальное содержание не должно превышать 0,001%.
5. Мышьяк. Он не меняет свойств, но образует устойчивый раствор, является своего рода защитником от пагубного влияния других элементов, как кислород, сурьма или висмут.

Химический состав меди

1. Марганец. Он способен полностью раствориться в меди практически при комнатной температуре. Влияет на проводимость тока.
2. Сурьма. Компонент лучше всех растворятся в меди, наносит ей минимальный вред. Содержание его не должно превышать 0,05% от массы меди.
3. Олово. Образует устойчивый раствор с медью и повышает ее свойства по проведению тепла.
4. Цинк. Его содержание всегда минимально, поэтому такого пагубного влияния он не оказывает.

Фосфор. Основной раскислитель меди, максимальное содержание которого при температуре 714°С составляет 1,7%.

Латунь

Латунь

Сплав на основе меди с добавлением цинка называется латунь. В некоторых ситуациях добавляется олово в меньших пропорциях. Джеймс Эмерсон в 1781 году решил запатентовать комбинацию. Содержание цинка в сплаве может варьироваться от 5 до 45%. Латуни различают в зависимости от предназначения и спецификации:

• простые, состоящие из двух компонентов – меди и цинка. Маркировка таких сплавов обозначается буквой «Л», напрямую значащая содержание меди в сплаве в процентах;
• многокомпонентные латуни – содержат множество других металлов в зависимости от назначения к использованию. Такие сплавы повышают эксплуатационные свойства изделий, обозначаются также буквой «Л», но с прибавлением цифр.

Физические свойства латуни относительно высокие, коррозийная стойкость на среднем уровне. Большинство сплавов не критично к пониженным температурам, возможно эксплуатировать металл в различных условиях.
Технологии получения латуни взаимодействует с процессами медной и цинковой промышленности, обработке вторичного сырья. Эффективным способом плавки является использование электропечи индукционного типа с магнитным отводом и регулировкой температуры. После получения однородной массы, она разливается в формы и подвергается процессам деформации.

Плавка латуни

Применение материала в различных отраслях, повышает на него спрос с каждым годом. Сплав применяется в суд строительстве и производстве боеприпасов, различных втулок, переходников, болтов, гаек и сантехнических материалов.

Бронза

Бронза

Цветной металл для изготовки изделий разных типов начали использовать с древних времен. Данный факт подтверждается найденными материалами при археологических раскопках. Состав бронзы изначально был богат оловом.

Промышленностью выпускается различное количество разновидностей бронзы. Опытный мастер способен по цвету металла определить его предназначение. Однако не каждому под силу определить точную марку бронзы, для этого используется маркировка. Способы производства бронзы подразделяются на литейные, когда происходит плавление и отлив и деформируемые.

Состав металла зависит от предназначения к использованию. Основным показателем является наличие бериллия. Повышенная концентрация элемента в сплаве, подвергнутая процедуре закаливания, может соперничать с высокопрочными сталями. Наличие в составе олова отнимает у металла гибкость и пластичность.

Производство бронзовых сплавов изменилось с древних времен фактически внедрением современного оборудования. Технология с использованием в качестве флюса в виде древесного угля используется до сих пор. Последовательность получения бронзы:

• печь разогревается для требуемой температуры, после этого в нее устанавливается тигель;
• после плавки металл может окислится, во избежание этого добавляют флюс в качестве древесного угля;
• кислотным катализатором служит фосфорная медь, добавление происходит после полного прогрева сплава.

Плавка бронзы

Старинные изделия из бронзы подвержены естественным процессам – патинирование. Зеленоватый цвет с белым оттенком проявляется из-за образования пленки, обволакивающей изделие. Искусственные методы патинирования включают в себя методы с использованием серы и параллельным нагреванием до определенной температуры.

Температура плавления меди

Плавится материал при определенной температуре, которая зависит от наличия и количества сплавов в составе.

В большинстве случаев, процесс происходит при температуре от 1085°. Наличие олова в сплаве дает разбег, плавление меди может начаться при 950°. Цинк в составе также понижает нижнюю границу до 900°.

Для точных расчетов времени понадобится график плавления меди. На обычном листке бумаги используется график, где по горизонтали отмечается время, а по вертикали градусы. График должен указывать, на каких моментах поддерживается температура при нагреве для полного процесса кристаллизации.

Печь для плавки меди

Плавление меди в домашних условиях

В домашних условиях медные сплавы возможно плавить несколькими способами. При использовании любого из методов, понадобятся сопутствующие материалы:

• тигель – посуда, изготовленная из закаленной меди или другого огнеупорного металла;
• древесный уголь, понадобится в роли флюса;
• крюк металлический;
• форма будущего изделия.

Наиболее легким вариантом для плавления является муфельная печь. В емкость опускаются куски материала. После установки температуры плавления процесс можно наблюдать через специальное окошко. Установленная дверца позволяет удалять образованную в процессе оксидную пленку, для этого понадобиться заранее подготовленный металлический крюк.

Вторым способом плавления в домашних условиях является использование горелки или резака. Пропан – кислородное пламя отлично подойдет для работ с цинком или оловом. Куски материалов для будущего сплава помещаются в тигель, и нагреваются мастером произвольными движениями. Максимальная температура плавления меди может быть достигнута при взаимодействии с пламенем синего цвета.

Плавка меди в домашних условиях подразумевает работу с повышенными температурами. Приоритетом служит соблюдение техники безопасности. Перед любой процедурой следует одеть защитные огнеупорный перчатки и плотную, полностью закрывающую тело одежду.

Значение плотности меди

Плотность — это отношение массы к объему. Выражается она в килограммах на кубический метр всего объема. В виду неоднородности состава, значение плотности может меняться в зависимости процентного содержания примесей. Поскольку существуют разные марки медных прокатов с разным содержанием компонентов, то и значение плотности у них будет разное. Плотность меди можно найти в специализированных технических таблицах, которая равна 8,93х103 кг/м3. Это справочная величина. В этих же таблицах показан удельный вес меди, который равен 8,93 г/см3. Таким совпадением значений плотности и его весовых показателей характеризуются не все металлы.

Основные показатели меди

Не секрет, что от плотности напрямую зависит конечная масса изготовленного изделия. Однако для расчетов гораздо правильнее использовать удельный вес. Этот показатель очень важен для производства изделий из меди или любых других металлов, но применим больше к сплавам. Он выражается отношением массы меди к объему всего сплава.

Расчет удельного веса

В настоящее время учеными разработано огромное количество способов, помогающих найти характеристики удельного веса меди, которые позволяют даже без обращения к специализированным таблицам вычислять этот немаловажный показатель. Зная его, можно с легкостью подобрать необходимые материалы, благодаря которым в конечном итоге можно получить нужную деталь с требуемыми параметрам. Это делается еще на стадии подготовки, когда планируется создать необходимую деталь из меди или ее содержащих сплавов.

Как уже говорилось выше, удельный вес меди можно подсмотреть в специализированном справочнике, но если под рукой такого нет, то его можно рассчитать по следующей формуле: вес делим на объем и получаем необходимую нам величину. Общими словами такое соотношение можно выразить как общее весовое значение к общему значению объема всего изделия.

Не стоит путать его с понятием плотности, так как он характеризует металл по-другому, хоть и имеет одинаковые значения показателей.

Рассмотрим, как можно вычислить удельный вес, если известна масса и объем медного изделия.

Например, имеем чистый медный лист толщиной 5 мм, шириной 2 м и длиной 1 м. Для начала посчитаем его объем: 5 мм * 1000 мм (1 м = 1000 мм) * 2000 мм, что составляет 10 000 000 мм3 или 10 000 см3. Для удобства расчетов будем считать, что масса листа составляет 89 кг 300 грамм или 89300 грамм. Делим рассчитанный результат на объем и получаем 8,93 г/см3. Зная этот показатель, мы всегда с легкостью можем вычислить весовое содержание в меди того или иного сплава. Это удобно, например, для обработки металла.

Единицы измерения удельного веса

В разных системах измерения используются разные единицы для обозначения удельного веса меди:

1. В системе измерения СГС или сантиметр-грамм-секунда используется дин/см3.
2. В Международной СИ используются единицы н/м3.
3. В системе МКСС или метр-килограмм-секунда-свеча применяется кг/м3.

Первые два показателя равны между собой, а третий при конвертации равен 0,102 кг/м3.

Расчет веса с использованием значений удельного веса

Не будем уходить далеко и воспользуемся примером, описанным выше. Вычислим общее содержание меди в 25 листах. Поменяем условие и будем считать, что листы изготовлены из медного сплава. Таким образом, берем удельный вес меди из таблицы и он равен 8.93 г/см3. Толщина листа 5 мм, площадь (1000 мм * 2000 мм) составляет 2 000 000 мм, соответственно объем будет равняться 10 000 000 мм3 или 10 000 см3. Теперь умножаем удельный вес на объем и получаем 89 кг и 300 гр. Мы вычислили общий объем меди, который содержится в этих листах без учета веса самих примесей, то есть общее весовое значение может быть больше.

Теперь умножаем рассчитанный результат на 25 листов и получаем 2 235 кг. Такие расчеты уместно использовать при обработке медных деталей, так как позволяют узнать, сколько меди всего содержится в изначальных объектах. Аналогичным образом можно рассчитать медные прутки. Площадь сечения провода умножается на его длину, где получим объем прутка, а далее по аналогии с вышеописанным примером.

Как определяется плотность

Плотность меди, как и плотность любого другого вещества, является справочной величиной. Она выражается соотношением массы к объему. Самостоятельно вычислить этот показатель весьма сложно, так как без специальных приборов состав проверить невозможно.

Пример расчета плотности меди

Выражается показатель в килограммах на кубический метр или в граммах на кубический сантиметр. Показатель плотности более полезен для производителей, которые на основе имеющихся данных могут скомпоновать ту или иную деталь с требуемыми свойствами и характеристиками.

Области использования меди

Благодаря физико-механическим свойствам, она широко используется для различных отраслей промышленности. Наиболее часто ее можно встретить в электротехнической области в качестве составляющей части электрического провода. Не меньшей популярностью она пользуется также в производстве систем отопления и охлаждения, электроники и системах теплового обмена.

В строительной отрасли она используется, прежде всего, для создания разного рода конструкций, которые получаются гораздо меньше по массе, чем из любых других аналогичным материалов. Часто ее используют для кровли, так как такие изделия обладают легкостью и пластичностью. Такой материал легко обрабатывается и позволяет менять геометрии профиля, что очень удобно.

Как уже говорилось выше, основное свое применение она находит в изготовлении электрических и иных токопроводящих кабелей, где она используется для изготовления жил проводов и кабелей. Обладая хорошей электропроводностью, она дает достаточное сопротивление электронам тока.

Широко используются также сплавы меди, например, сплав меди и золота повышает прочность последнего в разы.

На стенках медных прокатов никогда не образуются соляные отложения. Такое качество полезно для транспортировки жидкостей и паров.

На основе оксидов меди получают сверхпроводники, а в чистом виде она идет на изготовление гальванических источников питания.

Схема гальванического источника питания

Она входит в состав бронзы, которая обладает стойкостью к агрессивным средам, как морская вода. Поэтому часто ее используют в навигации. Также бронзовые продукты можно увидеть на фасадах домов, как элемент декора, так как такой сплав обрабатывается легко, так как очень пластичен.

Источник: stankiexpert.ru