Більшість людей думають про «мідний сплав» і відразу ж уявляють латунь або бронзу. Які, чесно - це великі. Але в Асоціації розвитку міді зареєстровано 400+ різних композицій мідних сплавів. Усіми ніхто не користується. Більшість промисловості працює на 30-40 звичайних сплавах. Решта — це спеціальні речі або застарілі сплави, які більше ніхто не виробляє, але все ще технічно «зареєстровані».
Чому в першу чергу легована мідь?
Чиста мідь -, яку ми називаємо «комерційно чистою міддю», яка насправді містить більше 99,9% міді -, є м’якою. Дійсно м'який. Ви можете пом'яти його нігтем, якщо натиснути досить сильно. Чудова електропровідність (поступається лише сріблу), висока теплопровідність, чудова стійкість до корозії. Але механічні властивості слабкі. Міцність на розрив становить лише 200-250 МПа для відпаленої міді.
Для порівняння, конструкційна сталь становить 400-550 МПа. Алюмінієві сплави можуть досягати 500-600 МПа. Таким чином, чиста мідь недостатньо міцна для конструкцій або будь-чого, що має витримувати навантаження.
Крім того, чиста мідь-твердіє як божевільна, коли ви намагаєтеся її сформувати. Холодна обробка збільшує міцність, але робить її крихкою. Потім його потрібно відпалити (термічно обробити, щоб пом’якшити), перш ніж ви зможете працювати далі. Це біль.
Тому ми додаємо легуючі елементи до:
Збільште міцність, не жертвуючи занадто великою провідністю
Підвищення зносостійкості
Поліпшити оброблюваність
Змінити колір (іноді мають значення естетичні міркування)
Зниження вартості (цинк набагато дешевший за мідь)
Компромісом-завжди є провідність. Додайте більше легуючих елементів, провідність падає. Немає безкоштовного обіду.
Основні родини (це швидко ускладнюється)
Латуні - мідь + цинк:
Це, мабуть, те, що більшість людей вважає «мідним сплавом». Колір такий жовтувато-золотий тон. Вміст цинку коливається від 5% до 40%+.
Латуні з низьким- вмістом цинку (менше 20 % цинку) називають «червоною латунню» або «металом для позолоти». Все ще досить мідний на вигляд. Використовується для гільз, архітектурного оздоблення тощо.
Середньо{0}}цинкові латуні (20-36% цинку) є поширеними. Патронна латунь на 70% складається з міді, на 30% з цинку - це, мабуть, найпоширеніший сплав латуні. Хороша формувальність, пристойна міцність, машини в порядку.
Латуні з високим -цинком (понад 36 % цинку) є міцнішими, але менш пластичними. Метал Мюнца — це 60/40 мідь-цинк. Колись використовувався для обшивки човнів, оскільки він дешевший за чисту мідь, але все ще досить добре протистоїть корозії морської води.
Є також свинцеві латуні, куди додають 1-3% свинцю для покращення оброблюваності. Свинець утворює дрібні частинки, які діють як стружколом під час обробки. Змушує стружки акуратно відламуватися замість утворення довгих волокнистих завитків, які обертаються навколо ріжучого інструменту.
Але свинцеві латуні поступово припиняються через екологічні норми. Свинець у приладах для питної води зараз заборонений у більшості місць. Тож усі переходять на безсвинцеві-альтернативи з вісмутом або кремнієм. Оброблюваність не така добра, але як би там не було, правила є правила.
Бронзи - мідь + олово:
Історично бронза була мідним сплавом. Бронзовий вік і все таке. Олово робить мідь твердішою та міцнішою. Стародавні ковалі придумали це ще 5000 років тому.
Сучасні олов’яні бронзи зазвичай містять 4-12% олова. Крім того, він стає занадто крихким. Фосфорна бронза додає трохи фосфору (0,1-0,5%), який розкислює розплав і покращує властивості.
Фосфорна бронза має чудові пружинні властивості. Використовується для електричних контактів, перемикачів, підшипників, втулок. Я досить багато працював із фосфорною бронзою C510 - це 5% олова, 0,2% фосфору, решта мідь. Хороший матеріал для весняного застосування.
Але термін «бронза» став певною мірою заплутаним, оскільки зараз ми називаємо «бронзою» багато не-мідно-олов’яних сплавів. Алюмінієва бронза не містить олова - це мідь + алюміній. Кремнієва бронза - це мідь + кремній. Марганцева бронза – це насправді високо-мідна латунь (переважно мідь-цинк із деякою кількістю заліза та марганцю). Термінологія - безлад.
Алюмінієві бронзи:
Це цікаво. Мідь + алюміній, зазвичай 5-11% алюмінію. Вони мають відмінну корозійну стійкість - кращу, ніж нержавіюча сталь у морській воді. Також хороша міцність, гідна зносостійкість.
Проблема в тому, що їх важко відлити та обробляти. Алюміній легко окислюється, тому в мікроструктурі ви отримуєте тверді частинки оксиду алюмінію. Ці частинки швидко зношують ріжучі інструменти. Я пропалив твердосплавні вставки, обробляючи алюмінієву бронзу. Не весело.
Алюмінієва бронза широко використовується в морських - гвинтах, робочих колесах насосів, корпусах клапанів. Скрізь, де потрібна стійкість до корозії морської води. Використовує його також нафтогазова промисловість.
Мідно{0}}нікелевий (остролистий):
Це сплави міді-нікелю, зазвичай 10% або 30% нікелю. Відмінна стійкість до корозії морської води. 90-10 мельхіор (90% міді, 10% нікелю) використовується для трубопроводів морської води на кораблях і морських платформах.
Мельхіор 70-30 використовувався для карбування монет США з 1965 року по теперішній час (чверті, дайми, півдолара). Срібло стало занадто дорогим, тому вони перейшли на мельхіор, покритий мідним сердечником. Монети виглядають сріблястими, але насправді вони складаються переважно з міді та нікелю.
Цікавий факт: мельхіор у монетах-твердіє від усіх дотиків і ударів. Старі монети важчі за нові. Його можна виміряти за допомогою твердомера.
Берилієва мідь:
Це той дивний. Мідь + 1.5-2% берилій. Звучить так, ніби нічого не так? неправильно.
Берилієву мідь можна-зміцнювати (гартування осаджуванням) для досягнення міцності 1200-1400 МПа. Це міцніше багатьох сталей. Крім того, він зберігає хорошу електропровідність — не таку хорошу, як чиста мідь, але набагато кращу, ніж сталь.
Тож його використовують для електричних контактів, пружин, інструментів для вибухонебезпечних середовищ (берилієва мідь не-іскрить), аерокосмічних з’єднувачів, усіх видів високо-продуктивних речей.
Мінус: берилій токсичний. Справді токсичний. Вдихання пилу або парів берилію може спричинити бериліоз, хронічне захворювання легенів. Тому ви повинні бути надзвичайно обережними, обробляючи або зварюючи берилієву мідь. Потрібна хороша вентиляція, захист органів дихання, все це.
Також берилій дорогий. Ніби й справді дорого. Берилієва мідь коштує в 10-20 разів дорожче, ніж звичайна латунь або бронза. Ви використовуєте його лише тоді, коли вам конче потрібні властивості.
Я кілька разів працював з берилієвою міддю. Він чудово обробляється - на кшталт латуні. Але ти весь час параноїк про створення пилу. Кожен чіп збирається та утилізується належним чином. Біль у дупі, але необхідний.
Як насправді працює легування (час металургії)
Коли ви додаєте елементи до міді, вони:
Розчинити до твердого розчину- атоми просто змішуються в кристалічну решітку міді. Це те, що відбувається з цинком у латуні приблизно до 35-36% цинку. Атоми цинку замінюють атоми міді в кристалічній структурі. Це збільшує міцність (зміцнення твердого розчину), але зменшує провідність, оскільки атоми цинку розсіюють електрони.
Формують другі фази- вище певних концентрацій утворюються нові кристалічні структури. У латуні з вмістом цинку понад 36% ви отримуєте бета-фазу, яка твердіша та крихкіша, ніж альфа-фаза. Мікроструктура стає дво-фазною (альфа + бета), і властивості значно змінюються.
Випадають у вигляді частинок- у старі-гартованих сплавах, таких як берилій-мідь, берилій утворює крихітні частинки осаду під час термічної обробки. Ці частинки блокують рух дислокації, що різко підвищує міцність. Це дисперсійне зміцнення, і саме так ви отримуєте шалено високу міцність.
Точна мікроструктура залежить від складу та обробки. Холодна обробка, температура відпалу, швидкість охолодження – усе це має значення.
Я відвідував курс металургії ще в… 2007 році? 2008? Один із тих років. Професор змусив нас підготувати та витравити металографічні зразки різних мідних сплавів і розглянути їх під мікроскопом. Латунь була легкою - приємною зернистою структурою. Алюмінієва бронза була безладом - усі ці дивні фази та тверді частинки. Фактично провалив це питання іспиту. Досі дратується через це.
Властивості та компроміси-
Електропровідність:Чиста мідь на 100% складається з IACS (Міжнародний стандарт відпаленої міді). Це точка відліку.
Латунь знижується до 25-40% IACS залежно від вмісту цинку. Алюмінієві бронзи мають 7-15% IACS. Берилієва мідь після старіння становить близько 20-25% IACS.
Отже, якщо вам потрібна висока провідність, ви обираєте чисту мідь або, можливо, сплав міді-срібла. Якщо ви можете терпіти нижчу провідність, ви можете вибрати сплав із кращими механічними властивостями.
Теплопровідність:Подібний компроміс-. Чиста мідь становить близько 390-400 Вт/м·К. Латунь становить більше 100-150 Вт/м·К. Алюмінієва бронза становить 60-80 Вт/м·К.
Для радіаторів і каструль використовується чиста мідь або сплави-міді з високим вмістом. Конструкційні речі можуть використовувати сплави з меншою провідністю.
Стійкість до корозії:Мідні сплави, як правило, добре протистоять атмосферній корозії. Вони утворюють захисну патину (те зелене окислення, яке ви бачите на старих мідних дахах), яке сповільнює подальшу корозію.
Морська вода складніша. Чиста мідь піддається корозії повільно, але неухильно. Алюмінієва бронза та мідно-нікель набагато кращі в морській воді. За певних умов латунь може постраждати від знецинкування - цинк вимивається, залишаючи за собою пористу мідь. Вам потрібні інгібовані латунні сплави або просто уникайте латуні в морській воді.
Оброблюваність:Прекрасно обробляють свинцеві латуні. Латунь вільного різання (C36000 - 61.5% міді, 35,5% цинку, 3% свинцю) є золотим стандартом. Він оцінюється на 100% за шкалою оброблюваності, і все інше порівнюється з ним.
Чисто мідні машини жахливо. Надто м’який, занадто липкий. Ви отримуєте погану обробку поверхні та-нарощену кромку ріжучого інструменту.
Алюмінієва бронза погано працює через тверді частинки оксиду алюмінію.
Берилієва мідь працює добре, але вам доведеться мати справу з проблемою токсичності.
Вартість:Основою є чиста мідь. Цинк дешевий, тому латуні насправді дешевші, ніж чиста мідь за фунт, навіть якщо ви «розбавляєте» мідь.
Олово дороге, тому бронза коштує дорожче. Нікель дорогий, тому мідно{1}}нікель коштує дорожче. Берилій шалено дорогий, тому берилій мідь коштує набагато дорожче.
Ціна на мідь у 2024-2025 рр. коливалася в районі 8 000-10 000 доларів за метричну тонну. Ціна цинку 2500-3000 $ за тонну. Тож додавання цинку економить гроші. Олово коштує 25-30 тис. доларів за тонну. Додавання олова збільшує вартість.
Вартість матеріалу визначає багато рішень щодо вибору сплаву в комерційних продуктах.
Загальні програми (де ви насправді бачите це)
Електротехніка та електроніка:
Дріт і кабель - здебільшого чиста мідь, іноді мідні сплави для міцності
Шини - чиста мідь
Друковані плати - мідна фольга на скловолокні
Роз’єми та контакти - фосфориста бронза, бериліїва мідь
Вивідні каркаси для напівпровідникових мікросхем - мідних сплавів
Сантехніка та ОВК:
Труби й трубки - чиста мідь (C12200 - "DHP мідь" - розкислена з високим вмістом фосфору)
Фітинги - латунь (C36000 або еквіваленти без вмісту свинцю)
Теплообмінники - латунь або мідь-нікель
Клапани - латунь, бронза, іноді алюмінієва бронза
морський:
Пропелери - марганцева бронза або алюмінієва бронза
Труби для морської води - мідь-нікель (90-10 або 70-30)
Обшивка корпусу (історична) - метал Мюнца або мідь
Кріплення - кремнієва бронза
Механічні:
Підшипники та втулки - фосфориста бронза, алюмінієва бронза
Шестерні - фосфориста бронза, алюмінієва бронза
Пружини - фосфориста бронза, берилієва мідь
Поради щодо зварювання - хромова мідь (мідь + 0.5-1% хрому для високо{2}}температурної міцності)
Архітектурний:
Покрівля та обшивка - чиста мідь, вивітрюється до зеленої патини
Дверна фурнітура - латунь, бронза
Декоративні елементи - різні мідні сплави залежно від бажаного кольору та обробки
Автомобільний:
Радіатори - латунні труби (раніше, тепер переважно алюмінієві)
Електропроводка - чиста мідь
Підшипники - бронза, біметал (сталь з бронзою)
Гальмівні магістралі - мідь-нікель
Проблеми та обмеження
Проблема 1: мідь дорога і нестабільна
Ціни на мідь різко коливаються через глобальний попит. Під час фінансової кризи 2008 року мідь за кілька місяців впала з 8000 доларів США за тонну до 3000 доларів США за тонну. Потім воно повернулося. Під час пандемії COVID-19 у 2021–2022 роках ціна на мідь підскочила до 10 000+ доларів США за тонну.
Якщо ви виробляєте продукти з мідних сплавів, ці коливання цін вбивають вашу маржу. Ви повинні або хеджувати товарні ринки (складно та ризиковано), або перекладати витрати на клієнтів (які не люблять зміни цін).
Через це деякі галузі промисловості відмовилися від міді. Алюміній замінив латунь в радіаторах. Пластик замінив мідь у деяких сантехнічних системах (труби PEX). Не завжди на краще - Я не довіряю довгостроковій перспективі PEX- -, але рішення визначають вартість.
Проблема 2: Вага
Мідь важка. Щільність 8,96 г/см³. Порівняйте з алюмінієм (2,70 г/см³) або титаном (4,5 г/см³).
Для аерокосмічної та автомобільної промисловості, де вага має значення, мідні сплави знаходяться в невигідному становищі. Якщо вам не потрібна електрична або теплопровідність, ви виберете легший матеріал.
Електромобілі потребують тонн міді для двигунів і проводки. Це додає вагу. Інженери намагаються мінімізувати використання міді, зберігаючи продуктивність. Компроміс-усюди.
Проблема 3: Екологічні норми постійно змінюються
Свинець у латуні раніше був стандартним. Тепер він заборонений або обмежений у більшості сантехнічних програм. Сантехнічній галузі довелося все змінити.
Також тривають дискусії щодо інших елементів. Берилій суворо регулюється через токсичність. Деякі люди хочуть обмежити нікель у споживчих товарах через алергію на нікель.
Щоразу, коли правила змінюються, виробникам доводиться перекваліфіковувати матеріали та, можливо, перепроектувати продукти. Дорогий і трудомісткий-час.
Проблема 4: Гальванічна корозія
Коли ви з’єднуєте мідні сплави з іншими металами в присутності електроліту (наприклад, морської води або навіть вологості), ви можете отримати гальванічну корозію. Менш благородний метал швидше кородує.
Мідь досить благородна (висока в гальванічній серії), тому зазвичай викликає корозію інших металів. Якщо ви прикріпите мідний сплав до алюмінію або цинку в морському середовищі, алюміній або цинк швидко піддадуться корозії.
Щоб цього уникнути, вам потрібні ізоляційні шайби, покриття або ретельний вибір матеріалу. Це поширена помилка в дизайні. Я бачив, як алюмінієві кронштейни ржавіють за кілька місяців, тому що якийсь інженер прикрутив їх до бронзового компонента без ізоляції.
Проблема 5: Корозійне розтріскування під напругою (SCC)
Деякі мідні сплави чутливі до корозійного розтріскування під напругою в певних середовищах. Латунь може тріснути в середовищі аміаку. Це називається «сезонним розтріскуванням», тому що вперше було помічено в латунних гільзах, які зберігалися в тропічних умовах (аміак, що розкладається органічними речовинами).
Ви повинні бути в курсі середовища обслуговування та правильно підбирати сплави. Або-зняти напругу з деталей після формування, щоб зменшити залишкові напруги. Або використовуйте інгібовані сплави з добавками, такими як миш’як або олово, які зменшують сприйнятливість до SCC.
Проблема 6: Приєднання до викликів
Зварювання мідних сплавів може бути складним. Висока теплопровідність означає, що тепло швидко розсіюється - для зварювання потрібна висока потужність. Алюмінієву бронзу особливо важко зварювати через утворення оксиду алюмінію.
Пайка мідних сплавів часто легша, ніж зварювання. Але пайка вимагає спеціальних присадних металів і флюсів. І вам потрібно все ретельно очистити заздалегідь, інакше пайка буде слабкою.
У мене виходили з ладу паяні з’єднання, тому що хтось не чистив деталі належним чином. Забруднення жиром або маслом запобігає намокання припою. З’єднання виглядає добре, але не має міцності. Біль для усунення несправностей.
Чому ми все ще використовуємо мідні сплави, незважаючи на проблеми
Тому що вони працюють. Мідні сплави мають перевірену історію за тисячі років. Ми розуміємо їхню поведінку, ми налагодили виробничі процеси, існує інфраструктура переробки.
Електропровідність важко перевершити - лише срібло краще, а срібло набагато дорожче. Для електричних застосувань мідь зараз практично незамінна.
Стійкість до корозії в морському середовищі чудова, особливо для мідно-нікелевої та алюмінієвої бронзи. Краще за сталь, краще за алюміній. Якщо вам потрібна стійкість до морської води, відповіддю зазвичай є мідні сплави.
Їх також легко переробити. Мідь і мідні сплави можна переплавляти і повторно використовувати необмежений час без деградації. Цінність брухту достатньо висока, щоб економіка збору та переробки спрацювала. На відміну від пластику, де переробка часто є економічно невигідною.
Близько 50% міді, що використовується в усьому світі, походить із перероблених джерел. Це набагато вище, ніж у більшості інших матеріалів.
Альтернативи та напрямки
Алюміній замінює мідь у деяких сферах застосування.Лінії електропередач використовують алюміній замість міді для великих відстаней, тому що вага має більше значення, ніж провідність. Радіатори перейшли на алюмінієві. Менша теплопровідність, але легша і дешевша.
Але алюміній ніколи не зможе повністю замінити мідь в електроніці чи виробництві електроенергії, оскільки різниця провідності надто велика.
Вуглецеві матеріали (графен, вуглецеві нанотрубки) можуть з часом конкуруватиу спеціальних програмах. Вони можуть мати надзвичайно високу електро- та теплопровідність. Але ми ще не в комерційних масштабах і, ймовірно, не будемо ще через десять років або більше.
Розробляються перспективні сплави.Мідь-хром-цирконій має високу міцність і хорошу електропровідність. Деякі сплави міді-заліза-фосфору пропонують цікаві комбінації властивостей. Багато досліджень оптимізації хімічного складу сплавів для конкретних застосувань.
Але чесно? Основні мідні сплави, які ми використовуємо сьогодні - латунь, бронза, мідь-нікель - існують уже 50-100+ років. Вони працюють. Промисловість консервативна. Якщо немає вагомих причин для переходу, ми дотримуємося того, що перевірено.
Нові сплави здебільшого заповнюють ніші, де стандартні сплави не дуже працюють. Подібно до берилію, мідь заповнила нішу для не-іскрячих високо-інструментів. Але у великих обсягах застосування використовуються традиційні сплави.
Що насправді важливо
Якщо ви створюєте щось із мідних сплавів, ось що важливо:
Які властивості вам насправді потрібні?Не пере-конкретизуйте. Якщо вам потрібна стійкість до корозії, але не висока міцність, не обирайте дорогий високо-сплав. Виберіть найдешевший сплав, який відповідає вимогам.
Чи можете ви терпіти низьку електропровідність?Якщо так, у вас є набагато більше варіантів сплавів і ви можете оптимізувати вартість або механічні властивості.
Яке середовище обслуговування?Корозійний? Висока температура? Носити? Це найбільше впливає на вибір сплаву.
Спосіб виготовлення?Деякі сплави добре лиються, але погано обробляються. Деякі чудово підходять для штампування, але їх неможливо підробити. Підберіть сплав до свого процесу.
Який об'єм?Для великих обсягів оптимізація витрат на матеріали має значення. Для невеликого обсягу використовуйте будь-який доступний варіант, навіть якщо це не найдешевший варіант.
Спосіб приєднання?Якщо вам потрібно зварювати, це виключає деякі сплави або вимагає спеціальних процедур.
Більшість інженерів пов’язані з-компромісами та компромісами. Мідні сплави нічим не відрізняються. Рідко існує «найкращий» сплав - лише той, який найкраще відповідає вашим конкретним вимогам і обмеженням.
Це закінчилося довше, ніж я планував. Знову.
Коротка версія: мідні сплави — це мідь плюс інші речі, щоб зробити її міцнішою/твердішою/дешевшою/кращою для конкретних цілей. Існують сотні сплавів, але більшість застосувань використовують кілька десятків поширених. Компроміс-між провідністю та механічними властивостями. Добре працює для електричних, морських, сантехнічних, механічних застосувань. Дорогий, але підлягає переробці. Не зникне найближчим часом, незважаючи на альтернативи.
Написана, попиваючи каву з мідної московської кружки. Ймовірно, латунь з мідним покриттям. Або, можливо, просто обміднена-сталь. Я дійсно повинен перевірити.
О, і якщо ви обробляєте ті міцні мідні сплави, про які я згадував -, особливо берилієву мідь або алюмінієву бронзу - перевіртегрузило EDM. Набагато чистіше, ніж звичайна обробка, коли ви маєте справу з твердими матеріалами. Ні пилу, ні-зношених твердосплавних вставок. Просто кажу.