Глава 3. Цветные металлы

§ 11. Медь и ее сплавы

Свое название "cuprum" медь получила от острова Кипр (Сург), где ее добывали древние греки и римляне. Медь имеет характерный красный цвет; на матовых поверхностях он приобретает своеобразный розовый оттенок, мягкий, приглушенный. Полированная медь отличается более ярким цветом и блеском.

При добавлении меди в сплавы в больших количествах они также окрашиваются в теплые красноватые тона, например томпак и бронза. Сплавы, содержащие меньший процент меди, имеют желтые и зеленовато-желтые цвета; сплав, содержащий 50% меди и 50% олова, имеет белый цвет. На основе меди изготовляют сплавы, имеющие красновато-желтый цвет, очень близко напоминающие золото - так называемое французское золото.

Медь - мягкий и тягучий металл; он легко обрабатывается давлением и волочением. Из меди легко штамповать, дифовать и чеканить. Она легко принимает самую разнообразную форму, допускает выколотку высокого рельефа. Медь хорошо прокатывается; из нее изготовляют тончайшие листы и ленты (фольгу), толщина которых составляет не более 0,05 мм, а также различные трубки, прутки и проволоку; причем диаметр проволоки может быть доведен всего до 0,02 мм. Однако благодаря своей вязкости медь плохо пилится напильником, задирается и быстро забивает напильник (особенно личной). Обработка чистой меди на режущих станках также затруднительна - она плохо точится, сверлится и фрезеруется.

Чистовой обработке, шлифовке и полировке медь подвергается хорошо, однако благодаря малой твердости детали из полированной меди быстро теряют блеск. Плотность меди 8,94; удлинение 45-50%; медь обладает очень высокой тепло- и электропроводностью; температура ее плавления 1083°С; температура кипения 2305-2310°С. Отливается медь плохо даже при высокой температуре чистая медь остается густой, кашеобразной и плохо заполняет форму. Кроме того, расплавленная медь жадно поглощает газы, и отливки получаются пористыми.

В сухом воздухе медь не окисляется. При нагреве свыше 180°С, а также под действием воды, щелочей, кислот и т. п. медь окисляется; причем окисление протекает иногда весьма энергично, например в крепкой азотной кислоте. На открытом воздухе изделия из красной меди быстро покрываются пленкой из окислов меди зеленого цвета и сернистых соединений меди черного цвета. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии в глубину. Медь добывается из руд.

В качестве примесей в меди присутствуют: кислород, висмут, сурьма, свинец, мышьяк, железо, никель, сера, олово, цинк. Наиболее вредным из этих примесей является висмут, который вызывает красноломкость меди в интервале 400-600°С. При этой температуре нагретая медь становится хрупкой и непригодной для обработки штамповкой, прокаткой и другими методами. При дальнейшем нагреве хрупкость пропадает.

В художественной промышленности чистая, или красная, медь применяется довольно часто, однако все же не так широко, как ее сплавы - бронза и латунь. Применение чистой меди в ряде случаев обусловливается ее исключительно высокой пластичностью и вязкостью, позволяющей из листов сравнительно небольшой толщины (0,8-1,2 мм) получать путем выколотки сложные объемные формы.

Кроме того, медь отличается высокой стойкостью против коррозии. Изделия из чистой меди прекрасно сохраняются на открытом воздухе без всякой окраски или других антикоррозионных покрытий, например медная чеканная дверь Туркменского павильона на ВДНХ (рис. 7). Эти свойства чистой меди сделали ее основным материалом для дифовочных работ при изготовлении крупных скульптурных и орнаментальных композиций для экстерьера. Примером таких медночеканных скульптур могут служить многочисленные статуи и декоративные фигуры начала XIX в., украшающие различные здания Ленинграда (квадрига Аполлона на бывшем Александрийском театре).

Рис 7. Фрагмент медной чеканной двери павильона Туркменской ССР на ВДНХ

Кроме дифовочного производства чистая медь применяется для штамповки очень высоких и сложных рельефов и орнаментов, для которых латунь оказывается недостаточно пластичной. Красная медь остается пока незаменимым материалом в области филигранных работ, имеющих массовый характер. Проволока из красной меди, применяемая для филигранных работ, в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные причудливые элементы орнамента. Она может быть изготовлена любой толщины. Кроме того, проволока из красной меди (благодаря своей тугоплавкости и теплопроводности) очень легко и хорошо спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится.

Благодаря этим свойствам (тугоплавкости и теплопроводности), а также определенным коэффициентам расширения при нагреве красная медь является незаменимым материалом для художественных изделий (филигранных или чеканных) с последующим их эмалированием. Коэффициент линейного и объемного расширения при нагреве у красной меди очень близок к такому же коэффициенту горячих эмалей. Поэтому при остывании изделия эмаль хорошо держится на красно-медном изделии, не трескается и не отскакивает.

Аноды из красной меди высших марок являются основным материалом для производства художественных гальванопластических работ, а также для нанесения гальваническим путем подслоев меди при никелировании и хромировании стальных изделий, так как хром и никель, осажденные непосредственно на стальную поверхность, держатся непрочно.

Благодаря своей высокой теплопроводности красная медь является незаменимым материалом для изготовления сердечников для паяльников. Наконец, высокая электропроводность меди (она уступает только серебру), удельное сопротивление, равное 0,0175 ^Ом*мм2/_м, послужили причиной широкого применения меди для изготовления проводников электрического тока - проводов, кабелей и т. п.

Медь является основным компонентом твердых припоев (медных, серебряных и золотых), применяемых для пайки самых разнообразных изделий художественной промышленности, начиная от ювелирных изделий и кончая крупными декоративными предметами. Кроме того, медь наряду с золотом и селеном применяется для изготовления цветного красного стекла (медного рубина), эмали и смальты. В больших количествах медь идет для приготовления сплавов.

Медные сплавы. Сплавы меди с цинком называются латунями; все остальные сплавы на медной основе - бронзами. Кроме того, медь добавляют в специальные стальные сплавы.

Латуни. Большинство латуней имеет красивый золотисто-желтый цвет. Художественные латунные изделия, покрытые специальными бесцветными или слабо окрашенными спиртовыми лаками или нитролаками, приобретают и надолго сохраняют вид и блеск золота. Латуни применяются для изготовления уникальных декоративных предметов (рис. 8). Латуни применяются также для галантерейных и дешевых ювелирных изделий с последующим серебрением или золочением.

Рис. 8. Чеканка по латуни. Автор А. А. Бубнов, 1976 г. МВХПУ

Латунь хорошо обрабатывается на режущих станках, полируется и надолго сохраняет полированную поверхность, хорошо сваривается и паяется как мягкими, так и твердыми припоями. Большинство латуней хорошо прокатывается, штампуется и чеканится. Латунь легко и прочно покрывается различными гальваническими покрытиями - никелем, серебром и золотом; хорошо принимает химические оксидировки и может быть тонирована в любые цвета. Температура плавления латуни 980-1000°С. Большинство латуней отливается плохо, но имеются специальные марки литейных латуней, например алюминиевая латунь (ЛА67-2,5), которая благодаря примеси алюминия имеет хорошие литейные свойства и, кроме того, отличается от других латуней высокой коррозионной стойкостью. Литейными свойствами обладают также марганцево-свинцовая латунь (ЛМцС 58-9-2) и некоторые другие виды.

По сравнению с чистой медью латуни более прочны и тверды, а некоторые из них, например латуни, содержащие около 30% Динка (Л68), не уступают чистой меди и в отношении пластичности. На рис. 9 дан фрагмент чеканки из листовой латуни этой марки. Кроме того, латуни значительно дешевле меди (так как цинк дешевле, чем медь) и значительно красивее по цвету, чем красная медь.

Рис. 9. Чеканка по латуни. Художник Очиаури

Латуни с малым содержанием цинка - от 3 до 20% (марки Л96, Л90 и Л85) называются томпаками; они отличаются красновато-желтым цветом и применяются для изготовления художественной посуды, а также в художественной эмальерной промышленности для изготовления нагрудных спортивных и юбилейных значков, а также дешевых ювелирных изделий. Томпак хорошо обрабатывается в холодном состоянии - штампуется, тянется в проволоку, приближаясь в этом отношении к чистой меди. На открытом воздухе изделия из томпака постепенно темнеют, покрываясь оксидной пленкой.

Очень близки к томпаку сплавы, особенно широко применявшиеся в XIX в. в Западной Европе и в России в качестве "поддельного золота" для производства дешевых ювелирных изделий. Они состоят из меди с небольшими примесями цинка (до 18%) и олова, которое улучшает их литейные свойства. Эти сплавы имели громкие причудливые названия, например "Симилор", "Ореид", "Хризохалк", "Хризорин", "Принцметалл" и др. В настоящее время они вышли из моды и потеряли свое значение.

В настоящее время в отечественной ювелирной промышленности вновь оживился интерес к недрагоценным сплавам, имитирующим золото и серебро.

В табл. 12 приведены некоторые из сплавов, которые проходят промышленную проверку (или уже применяются).

Таблица 12

Последние три сплава выделены как наиболее целесообразные для внедрения. Они обладают благоприятным сочетанием механических и химических свойств, удовлетворительной коррозионной устойчивостью и т. п.

Латунь выпускается в виде листов различной толщины, ленты, прутков проволоки и трубок. Литейные латуни выпускаются в виде слитков (чушковая латунь). Следует отметить, что большинство латунных сортаментов нельзя длительно хранить в условиях холодных, неотапливаемых складов, так как от смены температуры, наличия влажности и других условий латунь разрушается.

Художественные изделия, выполненные из латуни, хорошо "работают" в условиях интерьера в теплых и сухих помещениях. На открытом воздухе латунь быстро теряет свой блеск и золотистый цвет, покрывается сернистыми и оксидными пленками, чернеет и утрачивает свои художественные качества. Поэтому для экстерьерных художественных изделий латунь применять нецелесообразно; для этих целей служит бронза.

Несмотря на то что цинк был открыт только в XVI в., латунь была известна уже древним римлянам. Они получали ее, сплавляя медь с галмеем, т. е. с цинковой рудой, которая содержит смесь углецинковых и кремнецинковых солей. Считалось, что галмей обладает свойством окрашивать медь в желтый цвет, но до конца XVII в. не было известно, что латунь состоит из меди и цинка. Этот способ приготовления латуни применялся и в средние века и удержался вплоть до XIX в. Путем сплавления меди с металлическим цинком латунь впервые была получена в Англии в 1781 г. В настоящее время латунь получают сплавлением меди с цинком.

С середины XVIII в. из латуни начали производить "бронзировальный порошок" для бронзирования художественных изделий из гипса, дерева, папье-маше, а также использования его при печатании обоев и для других целей. Его получали путем механического измельчения тончайших латунных пластинок, предварительно прокатанных и расплющенных под паровым молотом до толщины, равной нескольким микронам.

Бронзировальный порошок получают и другим способом - восстановлением раствора медного купороса металлическим железом. Полученную губчатую медную массу измельчают, промывают и сушат, а затем придают бронзовый оттенок, нагревая с парафином в железных ящиках до появления цветов побежалости.

Бронзы. Бронзы известны человечеству очень давно, за несколько тысячелетий до нашей эры. В истории развития человеческого общества целая эпоха носит название "бронзового века". В эту эпоху человек впервые из медной и оловянной руды научился выплавлять бронзу и производить из нее предметы быта и оружие, позднее монеты и различные украшения. Во всех древнейших очагах человеческой культуры - в Египте, Китае, Индии, в искусстве древних ассирийцев, этрусков, греков и римлян находятся памятники искусства, сделанные из бронзы. Уже в седьмом веке до нашей эры античные художники научились отливать бронзовые статуи, например бронзовая фигура "Дельфийского возничего", отлитая в 470 г. до н. э. (рис. 10).

Рис. 10. Бронзовая фигура 'Дельфийского возничего' 470 г. до н. э

В состав наиболее древних бронз, относящихся к бронзовому веку, входило приблизительно 88% меди и 12% олова. Античные, или коринфские, бронзы содержали еще больше меди - до 90%. Кроме того, в них нередко в виде примесей содержались железо, кобальт, никель, свинец, цинк, серебро. Это объясняется тем, что бронзу получали выплавкой медной и оловянной руд, в которых всегда присутствуют примеси различных металлов. Византийские и корсунские бронзы, а также древнерусские бронзы IX-X вв. были очень близки к античным. Они содержали олова не более 8-10%, а остальное медь.

В XII-XIV вв. в Древней Руси отливки производились из сплава меди, олова, цинка и, возможно, свинца, называемого "Спруда".

В XV-XVII вв. отливки производили из красной меди с оловом, а с XVIII в. из желтой меди - бронзы с добавкой цинка. С середины XIX в. для отливки памятников применялась так называемая "Сукрасная" бронза, в состав которой входила цинковая лигатура (до 5%). Из этой бронзы было отлито около 70 различных памятников на Санкт-Петербургской фабрике бронзового литья А. Морана: памятники М. И. Глинке в Ленинграде и Смоленске, И. К. Айвазовскому в Феодосии, Н. В. Гоголю в Москве во дворе дома на Суворовском бульваре, И. Крузенштерну в Ленинграде и др. В конце XIX в. широкое применение для художественного литья получила бронза с содержанием 2-4% олова и 10-18% цинка.

В Западной Европе для статуарного литья применялись бронзы, близкие к этому составу. Например, во Франции применялась бронза, состоящая из 82% меди, 13,5% цинка, 3% олова и 1,5% свинца.

В настоящее время литье художественных изделий производится из специальной художественной бронзы. В ГОСТ включено три марки бронзы следующего состава (табл. 13).

Таблица 13

Кроме цинка и олова в состав этих бронз входит небольшая примесь свинца, а остальное - медь.

Древние бронзы представляли собой сплав из двух компонен* тов - меди и олова (если не считать случайных примесей). Однако употребление для отливки крупных фигур и статуй бронзы, состоящей только из меди и олова, имеет ряд недостатков. Такая бронза отличается густоплавкостью и плохо заполняет форму, она дорога и плохо обрабатывается резанием. Кроме того, при наиболее употребительном содержании олова в пределах от 7 до 15% сплав легко подвергается ликвации, т. е. при медленном охлаждении происходит разделение сплава, часть с большим содержанием меди затвердевает раньше. Ликвация еще более усиливается, если в бронзе присутствует свинец (свыше 3%).

Ликвация служит большой помехой при отливке крупных памятников, так как она отрицательно влияет на отделку и оксидировку готовых фигур, а также на появление естественной патины. Ликвацию можно предотвратить путем добавления в сплав в небольших количествах цинка, фосфора и некоторых других компонентов, а также путем быстрого охлаждения отливки. Однако излишние прибавки цинка отрицательно влияют на цвет бронзы и способность покрываться естественной патиной.

Цвет бронзы с увеличением процентного содержания олова изменяется от красного при содержании в ней меди не менее 90% в желтый при содержании меди не менее 85%, в белый - при 50% и в серо-стальной - при содержании меди менее 35%.

При содержании олова до 3% бронза весьма пластична в холодном состоянии. При содержании олова 5% бронза куется только в состоянии красного каления.

Современные художественные бронзы являются материалом для литья памятников и монументальных скульптур. В экстерьере северного климата бронза является прекрасным материалом, исключительно долговечным, не подвергающимся атмосферным влияниям и стойким против механических повреждений, а также хорошо противостоящим действию морозов. По своим цветовым качествам бронза одинаково хорошо смотрится и на открытом пространстве в условиях городской площади, и в зелени сквера или парка.

Наряду с изделиями для экстерьера бронза широко применяется для отливки высокохудожественных предметов убранства общественных интерьеров - театров, дворцов, залов, например, больших люстр, бра, канделябров, торшеров и других предметов.

Начиная с XVIII в. появляется золоченая бронза. Люстры, канделябры, торшеры, декоративные вазы из золоченой бронзы в комбинации с граненым хрусталем, полированным камнем и цветным стеклом играли немаловажную роль в общем художественном решении дворцовых интерьеров (залов Кремлевского Дворца, Эрмитажа и др.).

Кроме оловянистых бронз в настоящее время наша промышленность выпускает специальные безоловянистые бронзы. В составе этих сплавов нет олова - оно заменено алюминием, цинком, свинцом, кремнием, никелем, марганцем и другими элементами. Безоловянистые бронзы отличаются целым рядом новых механических и технологических свойств и во многих отношениях значительно превосходят оловянистые бронзы. Так, например, марганцевая бронза отличается высокой жаропрочностью; кремнистые бронзы с добавкой никеля или бериллиевые бронзы получают свойство закаливаться и по прочности не уступают стали. Однако в области художественной промышленности они почти не применяются, а идут на изготовление различных деталей технического и специального назначения.