Медь и медные сплавы


 
 
 
Т. Е. Коршунова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ 
 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 

 
УДК 669.3 
ББК 34.23 
 
К70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Коршунова, Т. Е. 
К70 
 
Медь и медные сплавы: учебное пособие / Т. Е. Коршунова. -  
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 156 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0466-2 
 
Даны основные характеристики меди и медных сплавов. Рассмотрены их 
строение, свойства, особенности, методы обработки и области применения. 
Предназначается студентам, аспирантам и преподавателям высших учебных заведений, а также инженерно-техническим работникам. 
 
 
УДК 669.3 
 
ББК 34.23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0466-2 
” Коршунова Т. Е., 2020 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Рациональное применение металлов и сплавов для нужд промышленности 
требует глубокого знания их природы и свойств, металлографии, понимания законов изменения свойств сплавов в зависимости от их состава, строения, обработки и условий эксплуатации.  
Благодаря высоким значениям комплекса свойств (тепло- и электропроводности, прочности, пластичности, коррозионной стойкости, антифрикционности, 
технологичности и др.), медь и ее сплавы являются одними из наиболее применяемых конструкционных материалов в машиностроении, судостроении, автомобилестроении, электротехнике и приборостроении, пищевой и перерабатывающей промышленности, холодильной и криогенной технике, авиации и космонавтике, оборонной промышленности и др.  
В книге обобщены современные представления о теории и практике сплавов 
меди и непосредственно самой технической меди, отвечающих требованиям национальных стандартов Российской Федерации. Вместе с тем уделено внимание  
и ряду не менее значимых медных сплавов, выпускаемых в соответствии с отраслевыми стандартами, техническими условиями и другими документами предприятий-изготовителей, а также по согласованию с заказчиком или организацией  
по стандартизации. 
Приведены сведения о химическом составе, физико-механических, технологических, эксплуатационных свойствах и областях применения меди, промышленных деформируемых и литейных латуней и бронз, низколегированных и микролегированных медных сплавов, медно-никелевых сплавов. Описаны их классификация, принципы маркировки, строение, методы и технологические режимы 
обработки с целью получения необходимой структуры и свойств сплавов. Рассмотрено влияние легирующих элементов и примесей на структуру и свойства 
меди и медных сплавов. 
Издание иллюстрировано фотографиями микроструктур, диаграммами равновесия с описанием изменений фазового состава, структуры и свойств в зависимости от температуры и скорости охлаждения-нагрева сплавов, что позволяет 
установить технологические процессы их получения и обработки, а также режимы эксплуатации.  
Библиографический список в конце книги позволяет расширить и дополнить сведения, приведенные в книге. 
 
 
 
 
 
 
3 

 
 
 
ГЛАВА 1. МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ 
 
1.1. Медь техническая (ГОСТ 859-2014) 
 
Медь - это тяжелый металл с плотностью 8,93 г/см3 золотисто-розового или 
розовато-красного цвета с характерным металлическим блеском, с температурой 
плавления 1083 ƒС, имеющий гранецентрированную кубическую решетку.  
Она обладает высокими электропроводностью (по электропроводности уступает только серебру) и теплопроводностью, пластичностью, антикоррозийными 
свойствами при нормальных атмосферных условиях в таких средах, как пресная 
вода, морская вода при небольших скоростях движения воды, растворы большинства щелочей, соляная и разбавленная серная кислота. Медь является диамагнетиком, хладостойким и долговечным материалом. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах, растворяется в концентрированной серной и азотной 
кислоте.  
При нормальных условиях на сухом воздухе медь инертна, но при наличии 
влаги и углекислого газа она медленно окисляется, покрываясь пленкой зеленого 
цвета, называемой пағтина, которая является щелочным (основным) карбонатом 
меди (СuOН)2СO3. В определенной мере эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии.  
Медь является экологически чистым материалом, так как и она, и ее сплавы 
легко поддаются вторичной переработке. 
Технологичность меди в целом удовлетворительная: хорошо деформируется в холодном и горячем состояниях, плохо сваривается и легко паяется, имеет 
удовлетворительные литейные свойства и плохо обрабатывается резанием. 
Значимым свойством меди является ее способность образовывать сплавы  
с другими металлами (цинком, оловом, алюминием, свинцом и др.), свойства которых значительно превосходят свойства технической меди.  
Недостатками меди являются низкая прочность, большая плотность, большая линейная и объемная усадка, красноломкость1, плохая свариваемость и обрабатываемость резанием. 
Микроструктура меди в литом состоянии состоит из отдельных кристаллов Cu, форма и размеры которых зависят от условий кристаллизации (рис. 1, а). 
В процессе холодной деформации медь наклепывается и теряет пластичность. Снижение пластичности затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможной дальнейшую обработку металла.  
Для снятия наклепа (нагартовки) и восстановления пластических свойств 
меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 
                                                            
ϭ Красноломкость (горячеломкость) - свойство металлов и сплавов давать трещины при 
горячей обработке давлением, например, при горячей прокатке.   
4 

 
450-700 ƒС со скоростью 200-220 ƒС/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Структура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов (рис. 1, б). Прочность отожженной меди снижается до значения предела прочности ıв = 250 МПа, 
а относительное удлинение повышается (į = 50 ).  
В ряде случаев для упрочнения меди наклеп проводят специально, вследствие чего ее предел прочности ıв можно повысить до 450 МПа, но пластичность 
сплава при этом понижается (относительное удлинение į снижается до 3 ). 
Механические свойства меди приведены в табл. 1.  
 
 
                                                 а)                               б) 
 
Рис. 1. Микроструктура меди (Į-твердый раствор):  
а – литая; б – после холодной пластической деформации и последующего 
рекристаллизационного отжига (видно наличие двойников) 
 
Таблица 1 
Механические свойства технической меди 
Состояние 
Свойство 
ıв, 
МПа 
ı0,2,  
МПа 
į, 
 
ȥ, 
 
НВ, 
МПа 
Горячедеформированное 
или отожженное 
220-250 
95-100 
45-50 65-75 
340-350 
Холоднодеформированное 340-450 250-340 
3-5 
40-60 
900-1100 
 
Свойства меди в значительной мере зависят от ее химической чистоты 
(от содержания в ней вредных примесей). Основными вредными примесями, 
снижающими механические, технологические и эксплуатационные свойства 
меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, водород, сера и кислород.  
Висмут и свинец почти не растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики (CuBi) и (CuPb).  
При температурах горячей деформации эвтектика висмута расплавляется, 
связь между зернами нарушается и возникают трещины, т. е. сплав становится 
красноломким.  
Хрупкая эвтектика (CuBi), располагаясь по границам зерен, делает медь и ее 
сплавы склонными к хладноломкости, поэтому, содержание висмута как в меди, так 
и в ее сплавах не должно превышать 0,002 .  
5 

 
Свинцовая эвтектика (CuPb) располагается по границам зерен меди в виде 
обособленных включений. Расплавляясь при температурах горячей обработки, 
также, как и эвтектика (CuBi), свинцовая эвтектика вызывает красноломкость 
сплава. Однако свинец значительно улучшает обрабатываемость резанием, так 
как делает стружку более ломкой, а также повышает антифрикционные свойства 
меди и ее сплавов. 
Структура меди с примесями висмута или свинца представляет собой Įтвердый раствор меди и включений по границам зерен твердого раствора эвтектик (CuBi) и (CuPb) соответственно (рис. 2; а, б). 
Кислород является особо вредной примесью, образующий даже в небольших количествах хрупкую эвтектику (CuCu2О) по границам зерен меди.  
При нагреве меди с включениями эвтектики выше 400 ƒС, например, при 
сварке, пайке, в процессе эксплуатации, в атмосфере, содержащей водород, диффундирующий в глубь меди, проявляется «водородная болезнь»2: пары воды, образующиеся по реакции Сu2О  Н2 = 2Сu  Н2О, создают внутри металла высокое 
давление, что приводит к вздутиям, разрывам, трещинам и пористости, снижая 
прочность и надежность изделия. 
Кислород также понижает пластичность и коррозионную стойкость меди, 
затрудняет процессы пайки, сварки, лужения и плакирования3.  
Включения Cu2O под микроскопом на нетравленом шлифе имеют сероватоголубоватый цвет. В поляризованном свете они окрашиваются в красный цвет 
(рис. 2, в). 
Водород, при содержании в меди в количестве больше его растворимости, 
приводит к пористости отливок. Особенно сильное отрицательное влияние водород оказывает на медь, содержащую кислород. При повышенных температурах 
водород диффундирует в медь и реагирует с расположенным по границам зерен 
оксидом меди, образуя пары воды высокого давления: Сu2O  Н2 ĺ 2Сu  Н2О. 
Под давлением паров воды внутри металла проявляется «водородная болезнь» - 
возникают микротрещины, а на поверхности - вздутия и пузыри. 
Сера практически не растворяется в меди и образует тугоплавкую эвтектику 
(CuCu2S), обладающую повышенной хрупкостью. Сульфид меди Cu2S, выделяющийся по границам зерен, влияет на электропроводность несущественно, но снижает пластичность меди при низких и высоких температурах. Эвтектика (CuCu2S) 
не вызывает красноломкости, поскольку она плавится при высоких температурах, 
но приводит к хладноломкости и снижению пластичности при горячей обработке 
давлением.  
                                                            
Ϯ «Водородная болезнь» - образование разрывов и трещин в изделиях из меди при их нагревании в среде, содержащей водород в результате восстановления присутствующей в металле 
закиси меди при нагревании в водороде. Пары воды, образующиеся в результате реакции восстановления в толще меди, стремясь выйти наружу, разрывают металл. 
ϯ Плакирование - нанесение на поверхность металлических изделий (листов, плит, проволоки, труб) тонкого слоя другого металла или сплава термомеханическим способом для защиты их от коррозии. Плакирование осуществляется в процессе горячей прокатки, например, 
листов и плит, или прессования, например, при плакировании труб. 
6 

 
Обрабатываемость меди резанием сера улучшает.  
Микроструктура меди с примесью серы представляет собой первичные кристаллы меди и эвтектику (CuCu2S) в виде сферических частиц. Сульфид меди 
на нетравленых шлифах имеет такой же голубоватый цвет, как и оксид меди 
Cu2O, но в отличие от закиси меди, в поляризованном свете он не окрашивается 
в красный цвет (рис. 2, г). 
 
     
 
                                    а)                                           б) 
     
 
                                    в)                                           г) 
Рис. 2. Микроструктура меди с примесями:  
а – висмута (по границам светлых зерен Cu видна темная эвтектика (Cu+Bi); 
б – свинца (светлые зерна Cu и темные включения Pb); 
в – кислорода (по границам светлых зерен Cu находится темная 
эвтектика (Cu+Cu2О)); г – серы (светлые зерна Cu и темные 
включения эвтектики (Cu+Cu2S) 
 
Фосфор в количестве до 0,3  растворяется в меди, образуя Į-твердый раствор, при большем же его количестве - образуются включения фосфида меди 
Cu3P. При этом искажается кристаллическая решетка и значительно снижается 
тепло- и электропроводность меди. Вместе с тем фосфор способствует повышению жидкотекучести, механических свойств и улучшает свариваемость. 
Структура литой меди с примесью фосфора в количестве до 8,4  представляет собой дендриты Į-твердого раствора меди с включениями эвтектики 
(ĮCu3P). При содержании фосфора более 8,4  в микроструктуре сплавов помимо эвтектики (ĮCu3P) появляются кристаллы фосфида Cu3P. 
Растворимые примеси алюминия, олова, цинка существенного влияния  
на механические свойства не оказывают, но значительно снижают электро-  
и теплопроводность меди. 
Химический состав технической меди приведен в табл. 2. 
 
 
7 

 
 
 
Таблица 2 
Химический состав меди (ГОСТ 859-2014) 
не более 
Примеси 
8 
Массовая доля химического элемента,  
Bi 
Fe 
Ni 
Zn 
Sn 
Sb 
As 
Pb 
S 
O 
P 
Ag 
Cu 
(не менее) 
CuAg 
(не менее) 
 
 
 
 
М0 
- 
99,97 
0,001 
0,004 
0,002 
0,003 
0,002 
0,002 
0,002 
0,003 
0,003 
0,001 
0,002 
- 
М1 
- 
99,95 
0,001 
0,004 
0,002 
0,003 
0,002 
0,002 
0,002 
0,004 
0,004 
0,003 
0,002 
- 
М2 
- 
99,70 
0,002 
0,05 
0,2 
- 
0,05 
0,005 
0,01 
0,01 
0,01 
0,07 
- 
- 
М3 
- 
99,50 
0,003 
0,05 
0,2 
- 
0,05 
0,05 
0,01 
0,05 
0,01 
0,08 
- 
- 
М00 
99,99 
- 
0,0005 0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,0003 
0,002 
М1р 
- 
99,90 
0,001 
0,005 
0,002 
0,005 
0,002 
0,002 
0,002 
0,005 
0,005 
0,01 
0,002-0,012 
- 
М2р 
- 
99,70 
0,002 
0,05 
0,2 
- 
0,05 
0,005 
0,01 
0,01 
0,01 
0,01 
0,005-0,06 
- 
М3р 
- 
99,50 
0,003 
0,05 
0,2 
- 
0,05 
0,05 
0,05 
0,03 
0,01 
0,01 
0,005-0,06 
- 
М0б 
- 
99,97 
0,001 
0,004 
0,002 
0,003 
0,002 
0,002 
0,002 
0,003 
0,003 
0,001 
0,002 
- 
М1б 
- 
99,95 
0,001 
0,004 
0,002 
0,003 
0,002 
0,002 
0,002 
0,004 
0,004 
0,003 
0,002 
- 
М1ф 
- 
99,90 
0,001 
0,005 
0,002 
0,005 
0,002 
0,002 
0,002 
0,005 
0,005 
- 
0,012-0,04 
- 
М00б 
99,99 
- 
0,0005 0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,0003 
0,002 
Марка 
меди 

В зависимости от химического состава промышленность выпускает стандартную медь марок М00б, М0б, Mlб, M00, М0, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2, 
М3 (ГОСТ 859-2014).  
Буква «М» в начале марки означает медь, идущие далее цифры показывают 
степень чистоты меди (00 - высокочистая; 0 - чистая; 1, 2, 3 - технически чистая). 
Например, в наиболее чистой меди марки М00 общее количество примесей равно 
0,01 . 
В марках меди после цифр могут идти буквы, обозначающие способ из- 
готовления меди: б - бескислородная (без использования раскислителей); р - 
раскисленная с низким остаточным фосфором; ф - раскисленная с высоким остаточным фосфором; к - катодная, например, марок М00к, М1к (ГОСТ 546-2001).  
В обозначение марок меди, предназначенной для электротехнической промышленности и подлежащей испытаниям на электропроводность, в конце марки 
включают букву Е, например, М1Е. 
Медь выпускается в виде слитков, отливок, прутков, листов, проволоки, 
лент, полос, труб, фольги, профилей разных размеров, в виде порошка и поставляется в литом и деформированном состояниях. 
Применение меди в различных отраслях машиностроения обусловлено 
присущими ей характеристиками механических свойств, хорошей коррозионной 
стойкостью, высокими тепло- и электропроводностью. Медь является традиционным материалом, используемым в технике низких температур.  
Высокие электропроводящие свойства (низкое удельное электрическое сопротивление) меди позволяют использовать ее в качестве основного проводникового материала для электротехнической промышленности (силовые кабели, 
провода, электроды, токопроводящие фасонные изделия и другие проводники).  
Благодаря высокой теплопроводности из меди и ее сплавов изготавливают 
различные теплообменники (нагреватели, холодильники, радиаторы двигателей). 
В машиностроении из сплавов меди производят антифрикционные и другие 
всевозможные детали машин.  
Из меди производят кристаллизаторы при непрерывном и полунепрерывном 
литье металлов, водоохлаждаемые изложницы и тигли для плавки тугоплавких 
металлов и сплавов, фурмы для доменных печей и кислородных конвертеров. 
В пищевой и перерабатывающей промышленности медь марок М1, М3 используют в качестве конструкционного материала для изготовления деталей теплообменной аппаратуры (выпарных аппаратов, теплообменников, конденсаторов, испарителей, нагревателей, змеевиков и т. п.), деталей перегонных аппаратов для вина и спирта, чашей варочной аппаратуры, водопроводных труб. 
В автомобильной промышленности медь применяют для изготовления электропроводов, деталей приборов электрооборудования (магнитных пускателей, 
шин) и в качестве компонента различных сплавов. 
В химической промышленности из меди изготавливают детали химической 
аппаратуры, трубопроводы, резервуары.  
Искробезопасный (взрывобезопасный) стальной инструмент (гаечные и газовые ключи, молотки, топоры, кусачки, зубила, отвертки, ножницы и т. п.),  
9 

 
хозяйственный инвентарь (лопаты, совки, грабли, ведра и др.) для работы с взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами покрывают тонким слоем 
меди или медных сплавов, так как медь не образует искр при ударах и трении 
инструмента.  
Медь используют в строительстве в чистом виде или в составе сплавов для 
кровельных и фасадных материалов, в декоративном искусстве (украшения, 
скульптуры, декоративные элементы интерьеров).  
Медь в сплавах с золотом используется в ювелирном деле.  
В медицине медь применяют в качестве бактерицидного материала для покрытия перил и дверных ручек в больницах и поликлиниках, используют ткани 
с медной нитью для больничного постельного белья.  
Антибактериальные свойства позволяют использовать медь для изготовления разнообразной посуды.  
Из меди чеканят памятные медали и жетоны. 
 
1.2. Общие сведения о медных сплавах. 
Классификация медных сплавов 
 
Для повышения свойств меди ее легируют цинком, оловом, алюминием, железом, кремнием, марганцем, бериллием, никелем и другими элементами, получая сплавы меди. 
На практике чаще всего сплавы меди классифицируют по химическому 
составу и по технологическим характеристикам. 
По химическому составу сплавы меди подразделяют на латуни, бронзы 
и медно-никелевые сплавы. Наиболее широкое применение в технике нашли латуни и бронзы. 
По технологическим характеристикам различают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные медные сплавы. 
Сплавы меди высоко тепло- и электропроводны, коррозионно-стойки, высоко пластичны при сохранении удовлетворительных прочностных свойств (относительное удлинение некоторых сплавов į достигает 60-65 , предел прочности ıв - 300·500 МПа). Многие сплавы меди обладают высокими антифрикционными свойствами.  
Некоторые сплавы меди могут быть подвергнуты упрочняющей термической обработке (закалке с последующим старением) или термической обработке, 
совмещенной с низкотемпературной термомеханической обработкой (НТМО), 
после которых предел прочности ıв повышается до 1000-1200 МПа.  
Сплавы меди нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. 
 
 
 
 
 
10