Медные сплавы

Для начала следует отметить, что все медные сплавы, как и сама медь, отличаются высокой стойкостью к действию всевозможных агрессивных сред, сохраняют высокие механические свойства даже при сильном морозе, а также обладают высокой тепло- и электропроводностью.

В состав технической меди могут входить всевозможные примеси, в том числе:

• висмут,
• сурьма,
• мышьяк,
• железо,
• никель,
• свинец,
• олово,
• сера,
• цинк,
• фосфор,
• кислород.

Самой чистой маркой меди считается марка М100. Она может содержать не более сотой части процента примесей, марка же М4 – до одного процента. Медные сплавы делятся на бронзовые, латунные и медно-никелевые, в зависимости от легирующих компонентов.

Латунные сплавы.

К таким сплавам относится медно-цинковые смеси, в которых процент цинка не превышает сорока двух. Кроме основных элементов, в них может быть добавлен также:

• алюминий,
• железо,
• никель,
• кремний.

В таком случае он будет считаться сложной латунью.

Отличительная черта латуни – высокая прочность (выше, чем у простой меди). Выносливость таких материалов достигает четырехсот семидесяти мегапаскалей. Но, если в состав добавить более двадцати процентов цинка – он будет подвержен коррозии, в результате которой может растрескаться при местном нагреве.

Латунь – прекрасный конструкционный материал, у него отмечается высокая прочность и сопротивление коррозии. 

Бронзовые сплавы.

Для таких сплавов могут применяться различные легирующие элементы, поэтому бронзы бывают:

1. оловянными,
2. алюминиевыми,
3. кремнистыми,
4. марганцевыми,
5. бериллиевыми,
6. хромистыми.

Отличие бронзы оловянной – высокая сопротивляемость коррозии, трению. Такой материал нашел себе применение в производстве антикоррозионных армированных трубопроводов, подшипниковых вкладышей. Бронза алюминиевая и кремнистая отличается отличными механическими свойствами, стойкостью к коррозии и невысокой стоимостью. Такую бронзу охотно применяют вместо оловянной, если позволяют условия. Бронзу марганцевую отличает, помимо стойкости к коррозии, еще и высокая жаропрочность. Бронза бериллиевая после термообработки теряет магнитные свойства и приобретает повышенную прочность, сравнимую с прочностью стали. Из всех вышеперечисленных сплавов изготавливают прочные и гибкие, стойкие к коррозии конструкции для всевозможных устройств и приборов.

В сплавы на основе меди и никеля допускается содержание легирующего вещества до тридцати процентов. Также эти сплавы могут иметь в своем составе марганец или железо. Например, МНЖ 5-1 используют в качестве конструкционного материала при выпуске труб или емкостей, которые предназначены для работы в условиях контакта с агрессивными веществами – морской водой, соляных растворах, органических кислотах. Однако сложный состав и невозможность полностью очистить медь от всех примесных компонентов вносят множество сложностей в сварку этих металлов.

На технологических процесс сварки имеют влияние следующие особенности медных сплавов и меди.

1.  Высокая температура и теплопроводность требует более концентрированных источников локального нагрева. Сварку лучше производить на повышенных режимах. Но кроме того – при сварке зерна меди увеличивают свой размер. Поэтому при создании многослойных швов рекомендуется металл каждого прохода дополнительно проковывать при температуре в пятьсот пятьдесят – восемьсот градусов, чтобы зерна измельчились.
2. При значительных температурах медь довольно легко оксидируется, в результате чего швы могут засоряться окислами, плохо поддающимися сварке. Медная закись растворяется в разжиженном металле и в результате образуется легкоплавкая эвтектика Си-Си2О, которая расплавляется при температуре в тысячу шестьдесят четыре градуса. Эвтектика распределяется по краю зерна, в результате чего может снизиться пластичность материала, что ведет к возникновению трещин. Диаграмма состояния медь-кислород показывает нам, что кислород, даже в незначительной концентрации, сильно снижает температурный уровень, при которой происходит расплавление меди. 0.38 процента кислорода приводит к образованию тугоплавкой эвтектики. Это, а также временные ограничения нахождения материала в сварочной ванне, которые связаны с высокой теплопроводностью металла, приводит к необходимости использования специальных раскислительных веществ. В качестве таковых может применяться фосфор, марганец или кремний. При особых требованиях к конструкции рекомендуется снизить содержание кислорода до сотой доли процента. Для того чтобы нейтрализовать пленку из тугоплавких окислов, образующуюся по краю сварочной ванны, рекомендуется применять флюс, в состав которого входит бура. Такой флюс поспособствует химической очистке и переведет окислы в состояние легкоплавких комплексных соединений. Однако при использовании фосфора в качестве раскислителя также могут образоваться вышеуказанные эвтектики. Фосфор может стать одновременно и раскислителем, и легирующим веществом, в результате чего снижается электропроводность металла и его стойкость к коррозии. Поэтому применение фосфора следует ограничивать.
3. Некоторые примеси могут повысить склонность к растрескиванию швов. Одним из таких веществ является висмут. При его применении образуются окислы Bi2O5, Bi2O3, Bi2O4, BiO. Они также способны образовывать легкоплавкие эвтектики, которые плавятся при температуре в двести семьдесят градусов. Также следует ограничить использование для этих целей свинца, из-за окислов РЬ2О3, РЬО, РЬО2. В этом случае температура плавления эвтектики составляет триста двадцать шесть градусов. Рекомендуется снизить количество этих вредных свинца и висмута в составе меди минимум до двух и пяти тысячных процента соответственно. В противном случае их можно связать в тугоплавкие соединения при помощи добавления к сварочной ванне церия, циркония, которые одновременно снизят образование трещин и выступят в роли модификатора.  Когда происходит сварка алюминиевой бронзы, может образовываться окисел Аl2О3 – он засоряет ванну и ухудшает процесс сплавки металла, характеристики шва. Его также можно разрушить при помощи флюсов на основе фторида или хлорида, щелочного металла.
4. Сварка латуни осложняется возможными цинковыми испарениями. Цинк кипит при температуре в девятьсот семь градусов, что ниже, чем температура плавления меди. Окисел, который образуется при кипении цинка – сильнейший яд. Технологический процесс сварки латуней требует хорошей вентиляции. Также эти испарения приводят к образованию пор в местах сварки. Преодолевается эта проблема при помощи предварительного нагревания металла до двухсот-трехсот градусов, а также высокой скоростью сваривания, при которой уменьшается испарение. Латунь обладает высоким коэффициентом линейного расширения, который выше аналогичного параметра стали в полтора раза. Из-за этого при сваривании появляются высокие температурные напряжения и деформации остаточного характера. Во время возникновения высокого температурного напряжения снижаются механические свойства металла и образуются трещины в швах. Чтобы избежать этих явлений, сварка должна проводиться в жестком захвате, с применением прихваток. Если металл достаточно толстый – необходимо регулировать зазор.
5. Расплавленная медь – поглотитель больших количеств водорода. Когда металл сварочной ванны кристаллизуется с большой скоростью, водород, содержащийся в атомах, может не успеть выйти из структуры металла из-за десорбции. Этому способствует также высокая теплопроводность меди и резкое снижение растворимости водорода. Восстанавливается медная закись за счет атмосферного кислорода, в результате сего образуется водяной пар, которым может привести к образованию пористостей и трещин в местах сварки. Зона вокруг шва имеет на границах зерен Сu2О, который вступает в реакцию с диффузионно-подвижным водородом. В результате этого происходит образование водяного пара, который не может покинуть металл или раствориться в нем. Это приводит к образованию напряжений высокого уровня, из-за чего образовываются микротрещины. Этот процесс называется «водородной болезнью» меди. Для того чтобы избежать этого негативного фактора, нужно регулировать количество водородных соединений в сварочной зоне. Это можно сделать при помощи прокалки флюса и электродов, или использования специальных осушающих газов. Окисленный углерод – также распространенная причина растрескивания сварочных швов, если он применяется в качестве раскислителя. Медь и азот обладают малым сродством, в результате чего азотные газообразные соединения можно применять как защитные газы. 
6. Медь и ее сплавы обладают повышенной жидкотекучестью в расплавленном состоянии, из-за чего осложняется вертикальная и потолочная сварка. Следует выбирать горизонтальное положение. Чтобы корень шва сформировался без дефектов, используются специальные подкладки. Для сваривания меди и сплавов на ее основе используется большинство известных методов сварки плавлением.