Медь

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
   • плотность;
   • температура плавления;
   • тепловые и упругие характеристики;
   • коэффициент термического расширения;
2. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
3. https://www.youtube.com/watch?v=qgzo40bfL1o
4. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
   • блеск;
   • пластичность;
   • теплопроводность;
   • электропроводность.
5. Кроме того, свойства подразделяют на:
   • Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
   • Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.
6. Основными характеристиками сплавных материалов, влияющими на их пригодность для применения в той или иной инженерной конструкции, являются:
   • Прочность-характеристика силы противостояния механическим нагрузкам и разрушению.
   • Твердость-способность к сопротивлению внедрению в материал твердых тел.
   • Упругость-возможность восстановить исходную форму тела после деформации, вызванной внешней нагрузкой.
   • Пластичность — свойство, обратное упругости. Определяет способность материала к изменению формы тела без его разрушения под приложенной нагрузкой и сохранения этой новой формы.
   • Вязкость — способность сопротивляться быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

Описание элемента и распространение его в природе

Медь на Кипре добывали и плавили еще в середине третьего тысячелетия до нашей эры. Поэтому свое название элемент носит в честь упомянутого острова. Добыча и производство элемента подействовали на историю развития острова и его экономическое положение.

В периодической системе Менделеева медь получила 29 атомный номер. Элемент расположен в одиннадцатой группе четвертого периода. Элемент имеет золотисто-розовый цвет и принадлежит к пластичным переходным металлам. В природе встречается продукт в виде сульфидных руд, по распространению в литосфере металл занимает 23-е место. Медный блеск и колчедан являются самыми распространенными видами элемента.Фрезерная обработка металла на заказ

В природных условиях элемент медь находят в руде и в виде самородков. Самые лучшие месторождения находятся на территории государства Чили. Медные месторождения встречаются там в осадочных породах. Медные песчаники и сланцы находятся в Казахстане и Читинской области России.

Медные сланцы в Казахстане

Медь наделена высокой электро и теплопроводностью. Ее удельная теплоемкость при температуре +20ºС равна 390 Дж/кг. Температура кипения металла – 2595ºС.

В момент плавления металл меняет свое агрегатное состояние, т. е. из кристаллической твердой фазы он переходит в жидкую форму. Меди присуще своя температура плавления, она имеет определенную зависимость от находящихся в металле примесей. Плавка меди чаще всего проходит при температуре +1083ºС. Если в медном сплаве присутствует олово, то процесс плавления способен произойти при +950–1140ºС. В составе с цинком теплота плавления меди равна от +900 до +1050ºС.

Процесс плавки проходит следующим образом: в начале нагрева рушится кристаллическая решетка металла, постепенно температура увеличивается, но в определенный период она удерживается в некотором значении. Именно в этот промежуток медь начинает плавиться. После окончания выплавки температура вновь повышается. Далее, металл постепенно охлаждается и принимает твердую форму.

Кипение металла очень похоже на бурление жидкости при активном нагреве. В это время выделяется газ. На поверхности расплавленного продукта появляются пузырьки. При максимальном нагреве из жидкого металла выделяется углерод, он формируется в результате окисления элемента.

Названия и состав сплавов меди

Сплавы меди — это соединение цветного металла с некоторыми элементами таблицы Менделеева. В процессе их формирования атомы кристаллической решетки меди замещаются атомами другого вещества. В результате образовывается новое твердое соединение. Каждое из них обладает своими физическими и химическими показателями.

Чаще всего, на основе меди получают бронзу и латунь, путем добавления цинка и олова. Новые соединения снижают цену основного металла, улучшая некоторые параметры. Идет повышение пластичности и коррозионной стойкости. Это дает возможность использовать их в некоторых отраслях промышленности.

Сплав меди

Температура плавления меди

При нормальных условиях температура плавления меди составляет 1083 градусов по шкале Цельсия. А во время нагрева происходит ряд превращений на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств вещества. Чтобы разобраться во всех этих изменениях, нужно рассмотреть основные этапы нагрева и расплавления медного слитка. Примерный график плавления меди выглядит так:

1. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов внутри меди образуется прочная кристаллическая решетка, которая обеспечивает материалу большую устойчивость, упругость, химическую инертность. Решетка является достаточно прочной, однако в случае сильной деформации может происходить пространственное изменение положения атомов в решетке. Этим объясняется ковкость и пластичность медных изделий, которые могут сгибаться и деформироваться (скажем, при кузнечной обработке или в случае пресса).
2. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов на поверхности медного изделия также образуется тонкая оксидная пленка. Наличие такой пленки является большим плюсом для изделия, поскольку она выполняет множество важных функций — минимизирует контакт с внешними веществами, защищает материал от коррозии, немного увеличивает прочность. В случае охлаждения материала ниже температуры 0 градусов сама медь сохраняет все свои физические свойства. Однако оксидная пленка при охлаждении становится менее упругой и плотной, изделие становится менее твердым (хотя с практической точки зрения это снижение прочности практически незаметно).
3. При нагреве материала выше температуры 100 градусов происходит постепенная деструкция оксидной пленки на поверхности металла. Это повышает химическую активность материала, что делает его восприимчивым к воздействию веществ во внешней среде. Одновременно с этим при нагреве происходит насыщение энергией атомов меди, что делает материал более пластичным. По этой причине ковку медных изделий выполняют именно после нагрева, поскольку без нагрева для изменения формы изделия понадобится большое количество физических усилий (это может быть мускульная сила кузнеца, расходы электроэнергии для запуска электрического пресса и так далее).
4. При достижении температуры 1083 градусов кристаллическая медная решетка начинается постепенно разрушаться, что превращает твердую медь в жидкую. На физическом уровне происходит следующее — из-за избытка энергии атомы начинают двигаться в кристаллической решетке более интенсивно и хаотично, что приводит к частому столкновению атомов между собой. В конечном счете это разрушает решетку, хотя за счет взаимного столкновения и притяжения атомы не разлетаются в разные стороны. На физическом уровне такая структура материала соответствует жидкости (то есть такому состоянию вещества, при котором атомы находятся в относительно свободном движении, но не разлетаются в разные стороны подобно газу).
5. При остывании медной жидкости ниже температуры 1083 градусов происходит постепенная кристаллизация вещества. Медь вновь обретает твердую форму (чем ниже температура, тем интенсивней происходит затвердение вещества). Однако при необходимости жидкую медь можно и дальше нагревать (на химическом уровне будет происходить дальнейшее насыщение атомов энергией). При достижении температуры 2595 градусов по Цельсию жидкость начнет закипать, а медь начнет принимать газообразную форму. На практике длительное удержание вещества в газообразной форме проблематично — при контакте с атмосферным воздухом вещество будет быстро остывать, обратно превращаясь в жидкость. Чтобы обойти это ограничение, используются разные технологии. Оптимальная — нагрев вещества в тугоплавкой камере с поддержанием стабильной температуры выше критической точки (то есть выше температуры 2595 градусов). В таком случае температура среды будет высокой, а остывание вещества происходить не будет.

Чтобы расплавить/испарить медное изделие с помощью высокоточного нагревательного прибора, нагревать рекомендуется до чуть более высокой температуры. Скажем, в случае расплавления нагревать изделие следует до температуры 1100-1200 градусов (а не 1083 градусов). С практической точки зрения объясняется это просто — нагрев вещества происходит неравномерно, поэтому некоторые фрагменты медного изделия будут долго держать свою форму, тогда как другие — быстро расплавятся. К тому же вещество будет постоянно остывать, что может привести к кристаллизации отдельных фрагментов расплава.

Области применения

Медные сплавы играют ключевую роль в удовлетворении современных социальных потребностей – при производстве возобновляемых источников энергии, в здравоохранении, изготовлении высокоэффективных энергетических устройств, а также в сфере коммуникаций. Вот некоторые примеры:

При изготовлении систем вентиляции, отопления и кондиционирования медные сплавы способствуют снижению трудоёмкости изготовления и сборки кондиционеров, снижению их веса, уменьшению размеров, повышению КПД работы приборов, снижению расхода хладагента.

В строительстве и архитектуре медные сплавы улучшают внешний вид и выразительность зданий, повышают их устойчивость от наводнений и подтоплений. Использование медных сплавов отвечает важным требованиям современного дизайна зданий, которые требуют применения перерабатываемых и экологически чистых материалов, что обеспечивает эффективную защиту окружающей среды.

В электроэнергетике медные сплавы применяются, начиная от технологии производства высоковольтных проводов и микросхем до мощных генераторов и компьютеров. Возрастает их роль в вопросах оптимального распределения и генерации энергии, в том числе, и из возобновляемых источников.

Понятие о шкале температур

Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:

1. Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
2. Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.

Внимание! Кроме шкалы Цельсия на практике измеряют температуру в градусах Фаренгейта и по абсолютной шкале Кельвина. Но при исследовании свойств металлических предметов другие шкалы используют довольно редко.

Использование меди в медицине

Применение меди в медицинской отрасли можно встретить довольно часто. Согласно нормам традиционной медицины — медь это крайне важный элемент жизнедеятельности человека. В нашем организме медь присутствует в объеме 2*10-4 % от общего веса человека. Каждый день вместе с пищей мы употребляем примерно 60 мг меди, однако усваивается лишь 2 мг, но именно это количество и является суточной нормой для взрослого человека. Медь крайне важна в процессе биосинтеза гемоглобина, а также в поддержании уровня сахара, холестерина и мочевой кислоты. Чтобы сердечно-сосудистая система, головной мозг, пищеварительный тракт работали как положено, необходима медь. При хроническом недостатке меди в организме человека развиваются следующие болезни:

• анемия;
• остеопороз;
• глаукома;
• псориаз;
• атрофируется сердечная мышца;
• человек быстро устает, теряет вес;
• в организме накапливается холестерин.

Самыми богатыми продуктами, содержащими медь, являются:

• шампиньоны;
• картофель;
• печень трески;
• цельное зерно;
• устрицы и каракатицы.

Температура плавления меди

ооо

В процессе нагрева любого металла происходит разрушение кристаллической решетки. По мере нагревания температура плавления становится выше, но затем она остается постоянной, после того как достигла определенного температурного предела. В такой момент и происходит процесс плавления металла, он полностью расплавляется и после этого температура снова начинает повышаться.

Когда начинает происходить охлаждение металла, то температура начинает снижаться и в какой-то момент она остается на прежнем уровне до момента полного затвердения металла. Затем металл затвердевает полностью и температура снова снижается. Это можно увидеть на фазовой диаграмме, где отображен весь температурный процесс с начала момента плавления и до затвердения металла.

Разогретая медь при нагревании начинает переходить в состояние кипения при температуре 2560оС. Процесс кипения металла очень напоминает процесс кипения жидких веществ, когда начинает выделяться газ и на поверхности появляются пузырьки. В моменты кипения металла при максимально высоких температурах начинает выделяться углерод, который образуется в результате окисления.

Способы получения меди

В природе медь существует в соединениях и в виде самородков. Соединения представлены оксидами, гидрокарбонатами, сернистыми и углекислыми комплексами, а также сульфидными рудами. Самые распространённые руды — это медный колчедан и медный блеск. Содержание меди в них составляет 1-2%. 90% первичной меди добывают пирометаллургическим способом и 10% гидрометаллургическим.

1. Пирометаллургический способ включает в себя такие процессы: обогащение и обжиг, плавка на штейн, продувка в конвертере, электролитическое рафинирование. Обогащают медные руды методом флотации и окислительного обжига. Сущность метода флотации заключается в следующем: частицы меди, взвешенные в водной среде, прилипают к поверхности пузырьков воздуха и поднимаются на поверхность. Метод позволяет получить медный порошкообразный концентрат, который содержит 10-35% меди.

Окислительному обжигу подлежат медные руды и концентраты со значительным содержанием серы. При нагреве в присутствии кислорода происходит окисление сульфидов, и количество серы снижается почти в два раза. Обжигу подвергаются бедные концентраты, в которых содержится 8-25% меди. Богатые концентраты, содержащие 25-35% меди, плавят, не прибегая к обжигу.

Следующий этап пирометаллургического способа получения меди – это плавка на штейн. Если в качестве сырья используется кусковая медная руда с большим количеством серы, то плавку проводят в шахтных печах. А для порошкообразного флотационного концентрата применяют отражательные печи. Плавка происходит при температуре 1450 °С.

В горизонтальных конвертерах с боковым дутьём медный штейн продувается сжатым воздухом для того, чтобы произошли процессы окисления сульфидов и феррума. Далее образовавшиеся окислы переводят в шлак, а серу в оксид. В конвертере образуется черновая медь, которая содержит 98,4-99,4% меди, железо, серу, а также незначительное количество никеля, олова, серебра и золота.

Это интересно: Мартенсит и мартенситные стали: виды, структура, превращение

Черновая медь подлежит огневому, а далее электролитическому рафинированию. Примеси удаляют с газами и переводят в шлак. В результате огневого рафинирования образуется медь с чистотой до 99,5%. А после электролитического рафинирования чистота составляет 99,95%.

2. Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании меди слабым раствором серной кислоты, а затем выделении металлической меди непосредственно из раствора. Такой способ применяется для переработки бедных руд и не допускает попутного извлечения драгоценных металлов вместе с медью.

Температура плавления меди

При нормальных условиях температура плавления меди составляет 1083 градусов по шкале Цельсия. А во время нагрева происходит ряд превращений на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств вещества. Чтобы разобраться во всех этих изменениях, нужно рассмотреть основные этапы нагрева и расплавления медного слитка. Примерный график плавления меди выглядит так:

1. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов внутри меди образуется прочная кристаллическая решетка, которая обеспечивает материалу большую устойчивость, упругость, химическую инертность. Решетка является достаточно прочной, однако в случае сильной деформации может происходить пространственное изменение положения атомов в решетке. Этим объясняется ковкость и пластичность медных изделий, которые могут сгибаться и деформироваться (скажем, при кузнечной обработке или в случае пресса).
2. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов на поверхности медного изделия также образуется тонкая оксидная пленка. Наличие такой пленки является большим плюсом для изделия, поскольку она выполняет множество важных функций — минимизирует контакт с внешними веществами, защищает материал от коррозии, немного увеличивает прочность. В случае охлаждения материала ниже температуры 0 градусов сама медь сохраняет все свои физические свойства. Однако оксидная пленка при охлаждении становится менее упругой и плотной, изделие становится менее твердым (хотя с практической точки зрения это снижение прочности практически незаметно).
3. При нагреве материала выше температуры 100 градусов происходит постепенная деструкция оксидной пленки на поверхности металла. Это повышает химическую активность материала, что делает его восприимчивым к воздействию веществ во внешней среде. Одновременно с этим при нагреве происходит насыщение энергией атомов меди, что делает материал более пластичным. По этой причине ковку медных изделий выполняют именно после нагрева, поскольку без нагрева для изменения формы изделия понадобится большое количество физических усилий (это может быть мускульная сила кузнеца, расходы электроэнергии для запуска электрического пресса и так далее).
4. При достижении температуры 1083 градусов кристаллическая медная решетка начинается постепенно разрушаться, что превращает твердую медь в жидкую. На физическом уровне происходит следующее — из-за избытка энергии атомы начинают двигаться в кристаллической решетке более интенсивно и хаотично, что приводит к частому столкновению атомов между собой. В конечном счете это разрушает решетку, хотя за счет взаимного столкновения и притяжения атомы не разлетаются в разные стороны. На физическом уровне такая структура материала соответствует жидкости (то есть такому состоянию вещества, при котором атомы находятся в относительно свободном движении, но не разлетаются в разные стороны подобно газу).
5. При остывании медной жидкости ниже температуры 1083 градусов происходит постепенная кристаллизация вещества. Медь вновь обретает твердую форму (чем ниже температура, тем интенсивней происходит затвердение вещества). Однако при необходимости жидкую медь можно и дальше нагревать (на химическом уровне будет происходить дальнейшее насыщение атомов энергией). При достижении температуры 2595 градусов по Цельсию жидкость начнет закипать, а медь начнет принимать газообразную форму. На практике длительное удержание вещества в газообразной форме проблематично — при контакте с атмосферным воздухом вещество будет быстро остывать, обратно превращаясь в жидкость. Чтобы обойти это ограничение, используются разные технологии. Оптимальная — нагрев вещества в тугоплавкой камере с поддержанием стабильной температуры выше критической точки (то есть выше температуры 2595 градусов). В таком случае температура среды будет высокой, а остывание вещества происходить не будет.

Чтобы расплавить/испарить медное изделие с помощью высокоточного нагревательного прибора, нагревать рекомендуется до чуть более высокой температуры. Скажем, в случае расплавления нагревать изделие следует до температуры 1100-1200 градусов (а не 1083 градусов). С практической точки зрения объясняется это просто — нагрев вещества происходит неравномерно, поэтому некоторые фрагменты медного изделия будут долго держать свою форму, тогда как другие — быстро расплавятся. К тому же вещество будет постоянно остывать, что может привести к кристаллизации отдельных фрагментов расплава.

Медь и ее сплавы, как источник цветного вторичного металла

Взвешивая «чистый» металл и его сплавы на весах прибыльности при сдаче металлолома, можно сказать, что стоимость первого в полтора – два раза выше. Однако весовое содержание меди в металлических конструкциях часто уступает на выходе ее сплавам.

Так, медные сплавы можно обнаружить среди пришедших в негодность изделий сантехники: водопроводные краны, вентили, душевые шланги и трубки. Многие старые светильники, дверная фурнитура также изготовлены из медных сплавов, однако верх пьедестала, по весовому содержанию, занимают радиаторы отопления.

Непосредственно медь стоит искать среди бытовых приборов, желательно уже выработавших свой эксплуатационный ресурс:

ламповый телевизор – 1,5 кг;

Ламповый телевизор с медью

полупроводниковый ТВ приемник – 0,5 кг;

компрессионный холодильник – около килограмма в двигателе, еще столько же могут содержать трубки радиатора;

электродвигатели – в среднем килограмм на киловатт мощности;

Незаслуженно обходят вниманием магнитные пускатели, хотя оборудование помимо обмотки содержит медь в шинах. Небольшое содержание металла, менее килограмма принесут автомобильные стартеры и генераторы, дроссели люминесцентных ламп, трансформаторы, реле, компрессоры холодильников. Смотрите статью – Где искать металлолом меди?

Смотрите статью – Где искать металлолом меди?

Медь радиоактивная

Природная М. состоит из смеси двух стабильных изотопов — 63Cu (69,1%) и 65Cu (30,9%). Кроме того, имеется 11 искусственных радиоактивных изотопов М. с массовыми числами от 57 до 68 (из них два изомера с одинаковыми массовыми числами 58Cu и 58mCu). В биол, и мед. исследованиях (роль М. в кроветворении, диагностика гепатоцеребральной дистрофии, нейтронно-активационный анализ биопсийного материала для диагностики ряда заболеваний печени, ревматизма и др. ) используются изотопы 64Cu, 66Cu и 67Cu с периодом полураспада 12,8 часа, 5,1 мин. и 58,5 часа соответственно. 64Cu с периодом полураспада 12,8 часа получают гл. обр. в ядерном реакторе (см. Реакторы ядерные). Этот радионуклид (см. Изотопы) обладает сложным спектром излучения: бета-минус (38%) с энергией 0,573 Мэв, бета-плюс (18%) с энергией 0,656 Мэв, e- 1,33 Мэв, гамма-излучение с энергиями 1,34 Мэв (0,5%) и 0,511 Мэв (38%) и характеристическое рентгеновское излучение никеля, образующегося в результате электронного захвата (43%). Для лиц, работающих с 64Cu, в качестве среднегодовой допустимой концентрации в воздухе рабочих помещений принята величина 10-9 кюри/л; для отдельных лиц из населения: в атмосферном воздухе — 3,6*10-11 кюри/л, в воде 2.1•10-7 кюри/л. Минимально значимая активность на рабочем месте — 100 мк кюри.

Применение меди

Благодаря ценным качествам медь и медные сплавы используются в электротехнической и электромашиностроительной отрасли, в радиоэлектронике и приборостроении. Существуют сплавы меди с такими металлами, как цинк, олово, алюминий, никель, титан, серебро, золото. Реже применяются сплавы с неметаллами: фосфором, серой, кислородом. Выделяют две группы медных сплавов: латуни (сплавы с цинком) и бронзы (сплавы с другими элементами).

Медь обладает высокой экологичностью, что допускает её использование в строительстве жилых домов. К примеру, медная кровля за счёт антикоррозионных свойств, может прослужить больше ста лет без специального ухода и покраски.

Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле. Такой сплав увеличивает прочность изделия, повышает стойкость к деформированию и истиранию.

Для соединений меди характерна высокая биологическая активность. В растениях медь принимает участие в синтезе хлорофилла. Поэтому её можно увидеть в составе минеральных удобрений. Недостаток меди в организме человека может вызвать ухудшение состава крови. Она есть в составе многих продуктов питания. К примеру, этот металл содержится в молоке

Однако важно помнить, что избыток соединений меди может вызвать отравление. Именно поэтому нельзя готовить пищу в медной посуде

Во время кипячения в пищу может попасть большое количество меди. Если же посуда внутри покрыта слоем олова, то опасности отравления нет.

В медицине медь используют, как антисептическое и вяжущее средство. Она является компонентом глазных капель от конъюнктивита и растворов от ожогов.