Сплав железа и меди: область применения
Соединение железа и меди не является возможным в таком виде. Это обусловлено различными температурами плавления и свойствами растворимости. По сути, получается что-то вроде многослойного пирога. Тем не менее, такой результат соединения двух металлов успешно используется в различных областях.
Большую популярность получили сплавы меди с другими металлами: алюминием, оловом, свинцом, с добавлением никеля и других. О свойствах медных сплавов, а также интересные факты о соединении железа и меди вы можете узнать из нашего материала.
Сплав железа и меди в чистом виде – редкость
Возможно существование сплава железа и меди. Вот как выглядит фазовая диаграмма для этих двух элементов:
На ней можно заметить, что фазовые области «αFe» и «Cu» сужаются к краям диаграммы. Это указывает на то, что большое количество одного элемента нельзя растворить в другом элементе.
Растворимость железа в медных фазах и меди в железных фазах ограничена. Например, в фазе аустенита (гамма-Fe) можно растворить не более 18% меди. Для этого требуется высокая температура (приблизительно +1400 °С), которую следует резко снизить до комнатной температуры, чтобы предотвратить последующее разделение. В противном случае будет получена двухфазная смесь, которая не может быть названа сплавом железа и меди.
Также на диаграмме видно, что возникновение интерметаллических соединений невозможно. Если именно такие соединения вы подразумевали под сплавом, то вы ошибаетесь.
Таким образом, сплав железа и меди обладает эвтектической микроструктурой, в которой чередуются слои материала, насыщенного железом и медью. Структура и химическая формула сплава зависят от состава его компонентов.
Медь-железная лигатура имеет формулу CuFe и применяется в производстве алюминиевой бронзы и определенных латунных сплавов в качестве рафинатора. Более того, лигатура используется для улучшения свойств других сплавов, в том числе улучшения коррозионной стойкости сплавов меди и никеля и механических свойств низколегированных сплавов из меди.
Существует несколько разновидностей сплавов железа и меди, где содержание железа варьируется от 1% до 2,5%. Медные сплавы отличаются высокой прочностью и хорошей электропроводностью (примерно 65% IAC), что делает их подходящими для использования в трубках конденсаторов и электрических контактах.
Названия различных сплавов из серии C19xxxx, например, C19200, C19500 и C19600.
Классификация медных сплавов
Медь — это важный материал, который сопровождает человечество на протяжении всей его истории. С самого начала человеческой цивилизации люди использовали медные изделия в качестве инструментов труда. В разные времена методы обработки меди различались.
В древности медь обрабатывали холодным способом, что подтверждают археологические находки на территории современной Северной Америки. Традиции использования меди сохранялись еще до прибытия Христофора Колумба. Добычу медной руды начали около 7 тысяч лет назад, и благодаря своим уникальным свойствам медь всегда была востребованной. Даже сейчас через столько лет медь все еще остается актуальным материалом.
Кислород придает металлу красноватый оттенок, поэтому медь имеет такой цвет. Убрав кислород, оттенок станет желтым. Насыщенность цвета зависит от валентности металла. Например, карбонаты меди имеют синий или зеленый оттенок. Металл, который полируют, будет блестеть ярко.
Медь занимает второе место после серебра по электропроводимости. Именно поэтому она широко используется в электронике. Однако следует помнить о недостатках этого металла. Один из них заключается в том, что медь плохо взаимодействует с кислородом. Когда медь находится на свежем воздухе, на ее поверхности образуется пленка, связанная с окислением.
Оксид меди можно получить, прокаливая гидрокарбонат меди или нитрат на воздухе. Это соединение способно окислять и воздействовать на органические соединения.
Медь может быть растворена в серной кислоте с помощью медного купороса. Полученное вещество находит свое применение в химической промышленности. Кроме того, медный купорос также применяется для борьбы с вредителями на огороде.
Примеси влияют на свойства медного сплава по-разному. Существуют три группы примесей, которые выделяются по этому критерию:
- Первая группа включает в себя соединения, образующие твердые вещества, например сурьма, цинк, железо, олово, фосфор, никель и другие.
- Во второй группе находятся соединения, которые плохо растворяются в меди. Присутствие этих соединений делает обработку сплава сложнее в условиях давления. Однако электропроводность остается практически неизменной. Примерами таких соединений являются свинец и висмут.
- В третьей группе находятся вещества, которые образуют хрупкие соединения с медью. К таким веществам относятся кислород и сера.
Характеристики сплавов меди
Различные характеристики сплава меди могут варьироваться в зависимости от вида добавок и их количества. Например, могут быть достигнуты такие свойства, как повышенная прочность, устойчивость к коррозии и низкое трение. В процессе производства часто используются составы, содержащие магний, цинк, марганец и алюминий. Кроме того, в промышленности можно обнаружить и другие варианты сплавов.
Для определения состава по Межгосударственному стандарту нужно воспользоваться классификацией из специальной таблицы. В этой таблице указаны маркировки меди и перечислены их основные характеристики:
- Например, марки М1 и М1р, М2 и М2р, М3 и М3р имеют одинаковое содержание меди, а буква «р» означает наличие фосфора (до 0,04% от общего количества вещества) и меньшее количество кислорода (до 0,01%). В обычных марках содержание кислорода составляет от 0,05 до 0,08%.
- Марка М00 и М1 содержат не менее 99,9% меди.
- Марка М0 состоит из меди на 99,95%.
- Для марки М0б содержание металла составляет около 99,97%.
- Вещество с маркировкой М2 содержит 99,7% меди.
- Марка М3 характеризуется содержанием металла, составляющим 99,5%.
- В марке М4 основное вещество составляет 99% от общего количества сплава.
- Буква «б» в содержимом марки указывает на полное отсутствие кислорода. Например, в М0б кислород отсутствует, тогда как в М0 его содержание составляет около 0,02%.
Основные особенности сплавов с содержанием меди:
- Устойчивость к коррозии, особенно выраженная у материалов с полированной поверхностью. Они способны сохранять свои качества при взаимодействии с пресной водой, но подвержены порче при воздействии кислотной среды. Например, медно-никелевый сплав (мельхиор), когда контактирует с водой в кислотной среде, приобретает зеленоватый оттенок.
- Прочность — это свойство, позволяющее использовать материал в промышленных целях. Из сплава меди с железом и марганцем часто изготавливают детали, выдерживающие высокие механические нагрузки и перепады нагрузок.
- Устойчивость к трению — главное свойство сплава, обеспечивающее его антифрикционность. Например, бронза используется в производстве подшипников без смазки благодаря своей идеально гладкой поверхности. Также сплав железа с медью и серебром обладает хорошими антифрикционными свойствами.
- Теплопроводность и электропроводность — важные свойства медных сплавов, позволяющие использовать их в производстве электропроводных кабелей.
Медные сплавы находят применение в разных областях, включая самолето — и судостроение, ювелирное дело, производство часовых механизмов и других устройств, где важно предотвратить трение между двумя компонентами.
В случае сплавов с железом на практике чаще всего используют сплавы из меди, железа и олова, меди, алюминия и железа, а также меди, цинка и железа.
Основные сферы применения сплавов меди
В производстве применяется исключительный разнообразный спектр материалов на основе меди: не только катодная медь в чистом виде, но и различные полуфабрикаты. К основным представителям таких полуфабрикатов относятся катанка и прокат. Необходимо отметить, что свойства и область применения этих изделий напрямую зависят от того, насколько они чисты. Содержание примесей в таких изделиях может варьироваться в широком диапазоне — от 10 до 50.
Для получения качественного металла с высокой точностью необходимо использовать медь определенного сорта, которая не содержит кислорода. В криогенной промышленности отсутствие кислорода является важным критерием. В противном случае изделие не будет соответствовать требованиям для использования. Однако в других областях применения подойдут виды меди, которые содержат кислород.
Рассмотрим более подробно эти виды меди:
- М00 и М0 подходят для создания деталей высокой частоты и электропроводящих деталей. Обычно эти изделия изготавливаются по заказу и считаются дорогими.
- М001ф и М001бб подойдут для производства электрических шин и медной проволоки с малым диаметром сечения.
- Медь с маркировкой М1 и аналогичные марки (М1р, М1ф, М1ре) отлично подходят в качестве проводников электрического тока. Благодаря небольшому содержанию олова, они также могут быть использованы для производства высококачественной бронзы. Кроме того, они часто добавляют в состав прутков для сварки чугуна и электродов.
- Марки М2, М2р и М2к являются идеальным выбором для деталей, которые производятся в криогенной промышленности. Так как литой прокат подвергается обработке под давлением, указанные марки также подходят для него.
- М3, М3р и М3к применяются для создания плоского и прессованного проката, а также проволоки для электромеханической сварки деталей из чугуна и меди.
Самые распространенные сплавы меди
Медь и железо являются главными компонентами сплавов, при этом железо выступает в качестве легирующего компонента. Однако также в качестве легирующих компонентов могут быть использованы золото, марганец или цинк. Доля этих компонентов в общем составе сплава обычно не превышает 10%. Единственным исключением является латунь, где концентрация может быть больше заявленной, и конкретное значение зависит от условий применения.
Среди основных типов медных сплавов следует отметить следующее:
- Сплав меди и железа. Оба металла имеют сходные химические свойства, основное отличие заключается в температуре плавления, поэтому сплав железа и меди обычно имеет пористую структуру.
- Медно-оловянный сплав. Смесь меди и олова использовалась с древних времен. Например, в Древней Греции из этого сплава создавались настоящие произведения искусства, которые сегодня очень ценятся. Естественно, современный сплав значительно отличается от того, что существовал тысячи лет назад. Это связано с использованием новых технологий производства. Сейчас для создания сплава применяются дуговые электропечи, а вакуум обеспечивает защиту от окисления. Закаливание сплава приводит к высокой пластичности и прочности.
Рекомендуемые статьи
- Медно-свинцовые сплавы: разновидности и свойства
- Медно-оловянные сплавы: особенности и применение
- Свойства и преимущества медно-никелевых сплавов
- Материал из алюминиевой бронзы. Это сочетание алюминия и меди, которое отличается стойкостью к коррозии и способностью к деформации. Его применяют в производстве деталей, которые планируется эксплуатировать при высоких температурах.
- Соединение меди с свинцом. Этот материал обладает антифрикционностью и высокой прочностью, в основном обусловленными свинцом.
- Латунь. Сплав, состоящий из двух или трех основных компонентов.
- Нейзильбер. Это сплав, включающий медь, цинк и никель, причем доля никеля составляет от 6% до 34%. Несмотря на то, что материал дешевле мельхиора, он обладает такими же качествами и внешними характеристиками.
Медные сплавы активно применяются в автомобилестроении и производстве оборудования для сельского хозяйства и химической отрасли. Способность к сопротивлению коррозии позволяет использовать эти соединения для создания сверхпроводниковой техники.
