Материаловедение: медь

Чем примечательна медь, и за какие такие заслуги ее считают одним из важнейших металлов в истории человечества? Каковы ее плотность, температура плавления и прочие физико-химические свойства? Чем вызван скачок цен на медь в первые годы 2020 гг., и почему это в общем-то только начало? Отвечаем на эти и другие вопросы в нашей четвертой статье из цикла «материаловедение».

 

Медь (Cu) – мягкий и пластичный металл золотисто-розового цвета, 29-й элемент периодической системы. Это один из главных промышленных металлов. По объемам производства среди цветметов медь вторая вслед за алюминием.

Ковкая и устойчивая к коррозии, медь используется в инженерных коммуникациях, машино- и судостроении, ювелирном деле. Однако до 60% от производимых объемов идет на электротехнику и энергетику. И это вполне логично: по тепло- и электропроводности медь впереди всех промышленных металлов и дышит в спину только серебру. Но сколько стоит медь, а сколько – серебро. Разница в цене стократная.

 

Медь – один из первых металлов на службе у человека. И это неспроста. Начнем с простого факта: чистая медь – химически неактивный металл, она не стремится к взаимодействию с другими элементами и веществами, как тот же алюминий. Вот почему в природе она часто встречается в самородках, даже чаще, чем железо. Кроме того, у нее умеренная температура плавления – 1 085°C, тогда как у железа 1539 °C

Одни из древнейших медных артефактов возрастом 8500 лет обнаружены на раскопках поселения Чатал-Хююк (Турция). При экскавации кургана археологи нет-нет да находили окалины и шлак – казалось бы, явные свидетельства переплавки медной руды. Впрочем, некоторые ученые воздерживаются от скоропалительных выводов. По их версии, куски руды могли образоваться случайно в попытках намешать краску для ритуальных погребений.

Тем не менее к IV тысячелетию до н. э. медь приручили если и не все цивилизации, то многие. Сперва медные самородки обрабатывали холодной ковкой: заготовки для наконечников копий и будущие лезвия топоров обстукивали камнями до нужной формы. Горючую же ковку миру явила невероятно продвинутая по тем временам кипро-минойская цивилизация. Как показывают раскопки, в III тысячелетии до н. э. на Кипре уже вовсю плавили медь из малахита, бирюзы и других окисных руд. Отсюда, между прочим, и латинское название меди Cuprum, производное от Aes Cyprium («металл Кипра»).

Сегодня медь добывают в основном из сернистых соединений CuS, Cu2S сульфидных руд: медного колчедана, медного блеска и др. В России крупнейшее медные месторождения сосредоточены в Красноярском крае и Забайкалье, а ведущим производителем считается «Норникель».

 

Чистая медь – мягкий и пластичный металл из семейства переходных. Она легко тянется в проволоку, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, сваривается почти всеми видами термомеханической сварки и сносно режется. К технологическим недостаткам относят низкие литейные качества. Дело в том, что расплав меди густотекучий, отливки дают большую усадку, а это требует сложных расчетов и вообще делает расход материала непомерным.

Плотность: 8933 кг/м3 (8,93 г/см3). Изделия из меди и медных сплавов увесистые. Подсчитано, что если в легковушке заменить всю медную проволоку алюминиево-циркониевой, то автомобиль «сбросит» около 12 кг.

Температура плавления: 1083°C. Это среднеплавкий металл. Для сравнения: у цинка температура плавления – 419,5°C, у алюминия – 658°C, железа – 1 539°C.

Коэффициент теплопроводности: 394 Вт/(м·К). Высокая теплопроводность делает медь эффективной в радиаторах охлаждения, отопления и кондиционирования, системах водоснабжения. 

Электропроводность: 55,5—58 МСм/м. Этот показатель падает с увеличением доли примесей. По этой причине провода по нормативам изготавливают из меди с примесями не более 0,1% от состава.

Высокая стойкость к коррозии. Причем не только в пресной и морской воде, но и в различных химических средах, включая органические кислоты, едкие щелочи и галогены.

Магнетические свойства. Медь – диамагнетик, магнитом не притягивается.

Цвет: от золотисто-розового до желто-красного. Желтоватые нотки – заслуга оксидной пленки, образующейся при взаимодействии с воздухом. Впоследствии эта пленка служит естественной защитой от коррозии. Отметим, что медь окисляется даже при комнатной температуре, чем разительно отличается от золота и серебра.

 

Поскольку медь отлично проводит электричество, ее активно используют в электронике, смартфонах, телевизорах, компьютерах и т. д.

 

В домах с медными трубами аварийные ситуации – редкость. Для сравнения: по данным ВЦИОМ за 2006 год, в первые три года использования пластиковых труб аварии случаются в 8 квартирах из 100. Кроме того, медь в отличие от пластика инертна к хлору и благодаря ионизации имеет антибактерицидные свойства. Совсем как серебро. Это, к слову, объясняет, почему поручни и дверные ручки из медесодержащих сплавов называют самоочищающимися.

 

От внутриквартирной разводки до перекачки мазута – медные трубы пригодятся в самом широком спектре инженерных работ. При этом срок их службы может достигать 50-100 лет.

 

Всего лишь одна ветряная турбина мощностью 3 МВт нуждается в более 4 т меди. Отметим, что в том числе переход на зеленую энергетику со всеми ее солнечными панелями и ветрогенераторами спровоцировал стремительный рост цен на медь, наметившийся еще с 2017 года.

 

Медь сплавляют с золотом, чтобы придать тому большую прочность на изгиб и стойкость к истиранию. Те же розовое и красное золото – это все сплавы меди с чистым желтым золотом в пропорции 1:3 (для пробы 750).

 

Первичная медь маркируется по ГОСТ 859-2014 буквой М и числом, обозначающей чистоту металла. Самая беспримесная марка однокомпонентной меди – М006, переплавляемая из катодов в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере. Степень ее чистоты не менее 99,99%. Для сравнения: получаемая переплавкой лома М3 содержит 99,5% меди.

Иногда после числа в маркировке стоит буква: М1ф, М2р… Эта буква на конце обозначает легирующий элемент либо указывает степень раскисления. К примеру, в марке М1ф помимо собственно меди (99,9%) содержится фосфор (0,04%) и другие примеси. В марке М2р 99,7% меди, 0,01% раскисляющего кислорода и до 0,06% фосфора, а остальное – примеси.

Отметим, что примеси в составе значительно снижают характеристики меди, в первую очередь тепло- и электропроводность. Особенно критично в этом плане превышение доли мышьяка (As) и сурьмы (Sb). По этой причине как проводник используют только электролитическую медь чистых марок: М1 (99,9%), М0 (99,93%) и практически беспримесную М006 (99,99%).

Для большей прочности и улучшения технологических свойств (в первую очередь – литейных) в меди растворяют различные легирующие компоненты: Zn, Sn, Be, Ae, Mn, Ni, Si. В целом по химическому составу все сплавы на основе меди можно разделить на три большие группы: латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

 

Медный сплав с добавлением цинка (от 5 до 45%) и иногда другими присадками. Цвет всегда с блеском и в зависимости от содержания цинка варьируется от красно-желтого или желтого (Zn ≤ 20%) до чуть зеленоватого (Zn 36-45%). Если сравнивать с медью, латунь удобнее в литье, но склонна к растрескиванию под напряжением и хуже реагирует на морскую воду. Применение: сантехника, коммутирующие устройства в электротехнике, различная фурнитура, украшения и др.

 

Сплав меди с оловом (~12%) и другими легирующими компонентами: алюминием, марганцем, фосфором, кремнием и др. Цвет красновато-коричневый. Будучи более хрупкими, чем медь и латунь, многие бронзы тем не менее прекрасно подходит для художественного литья, давая всего 1% усадки. Также бронза отлично противостоит морской воде и агрессивной химии, из-за чего применяется в топливной и паровой арматуре. Кому-то она известна и как подшипниковый материал – дают о себе знать отменные антифрикционные свойства.

 

В частности, конструкционные сплавы мельхиор (Ni 5-30%) и нейзильбер (Ni 5-35%, Zn 13-45%). Меньше на слуху электротехнические сплавы константан (Ni 39-41%, Mn 1-2%) и копель (Ni 43-44%, Fe 2-3%). 

Применяются медно-никелевые сплавы в изготовлении реостатов и резисторов; в судостроении; в медицинской промышленности; в чеканке монет. В частности, до 2009 года из сплавов меди с никелем чеканились монеты Банка России в 1 и 2 рубля. В 2009 году материал поменяли: с тех пор это сталь с гальванопокрытием. Что ж, посткризисное время требует посткризисных решений.

На момент обновления статьи на Лондонской бирже медь торгуется по стоимости $9 854 за тонну. 

 

Стабилизация – стабилизацией, но отката цен к уровню 2019 года пока не предвидится. Куда вероятнее нас ждет новый виток роста. Тому есть несколько причин. Самые очевидные – разгон мировой инфляции и дефицит металлопроката, вызванный прекращением сбора лома в первую волну коронавирусных карантинов, лавиной отложенного спроса впоследствии. В долгосрочной перспективе во все это вмешается еще и агрессивная политика озеленения энергетики. На декарбонизацию экономик согласно целям устойчивого развития, навязанных ООН и расписанных на первом этапе до 2030 года, понадобится много редкоземельных и цветных металлов. И медь в этом списке значится чуть ли не первой.

В чистом виде медь в производстве замочно-скобяных изделий не используется. Зато в ход идут медные и медесодержащие сплавы, прежде всего латунь и ЦАМ (цинковый сплав с Cu ~1%). 

Если упрощенно, то чем больше меди в сплаве, тем качественнее фурнитура: точнее в размерах, дольше держит покрытие, лучше противостоит коррозии. К примеру, дверные петли Palladium отлиты из премиальной латуни Class A с Cu 54-57,4%. Отсюда эталонная геометрия, поразительная плавность хода и срок службы длиной в вечность. Также отметим латунные навесные замки Palladium и смесители Manzzaro. В последних, кстати, используется латунь ЛЦ40С с Cu 59-60%.

И в заключение о фурнитуре из медесодержащего сплава ЦАМ, прежде всего – о дверных ручках. В самом материале меди ~1%. Однако меднение является важнейшим этапом в гальванизации, от него зависит долговечность наносимого покрытия. Если производитель схитрил и недоложил адгезионный медный слой в требуемую толщину, ручка потрется или потемнеет за 1-2 года. При честном же соблюдении технологии ручка из ЦАМ должна сохранять близкий к товарному вид 5-10 лет. Даже если установлена на двери в ванной, на кухне и в других помещениях с капризной средой.