Цветные металлы и их сплавы: классификация, свойства, применение

Цветные металлы и их сплавы являются фундаментом современной индустриальной и высокотехнологичной экономики. Их ценят не только за привлекательный внешний вид, но и за уникальные физико-химические свойства — высокую электропроводность, устойчивость к коррозии, легкость и пластичность, а также способность к образованию многокомпонентных сплавов с заданными свойствами. Эти материалы находят широчайшее применение в электронике, авиа- и автомобилестроении, энергетике, судостроении, медицине и строительстве. От медных проводов до титановых деталей реактивных двигателей — вклад цветных металлов невозможно переоценить.

В отличие от черных металлов, цветные металлы (такие как медь, алюминий, цинк, титан и др.) обладают меньшей плотностью, лучшими антикоррозионными свойствами и часто более высокой технологичностью. Сложность их получения и переработки оправдывается непревзойденной надежностью и долговечностью материалов на их основе. Развитие новых сплавов, содержащих цветные металлы, позволяет конструировать уникальные изделия с особыми эксплуатационными характеристиками.

История цветных металлов насчитывает тысячелетия. Археологические находки подтверждают, что уже в IV тысячелетии до н.э. люди освоили плавку меди, позже — бронзы, дав начало бронзовому веку. Эти сплавы позволили создавать более прочные орудия труда и оружие, что резко ускорило технологическое развитие человеческих цивилизаций.

С открытием алюминия в XIX веке начался новый виток металлургии. Первоначально он считался даже более драгоценным, чем золото, из-за трудоемкости получения. Однако массовое внедрение электролиза сделало возможным промышленное производство, и уже в XX веке алюминий стал незаменимым в авиации и строительстве.

В XX столетии, с развитием химии и физики твёрдого тела, были открыты и внедрены десятки уникальных цветных сплавов — от бериллиевых бронз до титановых суперсплавов, которые позволили реализовать проекты атомной энергетики, космоса и высокоскоростного транспорта.

Среди цветных металлов наибольшее распространение получили медь, алюминий, магний, титан, цинк, а также целый ряд сплавов на их основе. Эти материалы нашли прочное место в машиностроении, энергетике, авиастроении, приборостроении, радиоэлектронике, ядерной и даже космической технике.

1. Медь и ее сплавы

Медь — один из древнейших металлов, используемых человечеством, и на сегодняшний день она остается незаменимым материалом в производстве электротехнической продукции. Благодаря исключительно высокой проводимости, этот металл широко применяется в системах энергоснабжения, в том числе при монтаже линий электропередач, в электромашиностроении и телекоммуникациях. Из меди производят токопроводящие изделия — кабели, провода, контактные шины, обмотки, а также элементы электроники и радиотехники.

К тому же, существенная доля добываемой меди используется для получения сплавов: латуни, бронзы, различных медно-алюминиевых и медно-железных соединений. Однако в чистом виде медь имеет недостаточную прочность и твердость, что ограничивает ее применение в конструкционных элементах. Чтобы компенсировать эти недостатки, медь подвергается легированию — в нее вводят цинк, алюминий, никель, олово и другие металлы. Это позволяет значительно улучшить механические свойства, износостойкость и технологичность материала, при этом сохраняя его проводящие качества.

С точки зрения состава и области применения, медные сплавы делятся на три основные группы:

• латуни (сплавы меди с цинком);
• бронзы (медь с другими легирующими элементами, кроме цинка);
• медно-никелевые сплавы.

По технологической классификации их делят на:

• деформируемые — для полуфабрикатов (листы, прутки, трубы, проволока и т. д.);
• литейные — для получения готовых или фасонных изделий методом литья.

2. Латунь

Латунь — это сплав на основе меди, в котором основным легирующим элементом выступает цинк. В зависимости от состава, латуни подразделяются на простые (двухкомпонентные) и сложные (включающие дополнительные элементы). Такие специальные латуни получают путем легирования алюминием, железом, марганцем, никелем, кремнием и другими компонентами.

Наименование латуней оформляется по принятой буквенно-цифровой системе:

• первая буква «Л» указывает на латунь;
• последующие символы указывают на легирующие элементы;
• цифры отражают массовое содержание меди и добавок, но содержание цинка не указывается напрямую, его можно вычислить, вычитая из 100% сумму остальных элементов.

Примеры:

• ЛЖМц59-1-1 — железомарганцовая латунь;
• ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 — алюминиевоникелькремнистомарганцовая латунь.

Рассмотрим расчет содержания цинка:

• Л90 (томпак): 90% меди, остальное — цинк.
• ЛА77-2: 77% меди, 2% алюминия → цинк = 100 − 77 − 2 = 21%.
• ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5: цинк = 100 − 75 − 2 − 2,5 − 0,5 − 0,5 = 19,5%.

Латунные полуфабрикаты изготавливаются посредством деформации (давления), резания и литья. Согласно ГОСТ 15527-2004 нормируются такие изделия, как:

• трубы (включая теплообменные и конденсаторные),
• проволока, фольга,
• поковки и прутки,
• листы, штамповки, значки и медали,
• элементы художественного литья и музыкальных инструментов,
• фурнитура и подшипники скольжения,
• гофрированные сильфоны, гибкие шланги, застежки-молнии и прочее.

3. Бронза

Бронза — обобщенное название сплавов меди, в которых содержатся такие элементы, как олово, алюминий, бериллий, свинец, кремний, хром, а также менее распространенные добавки. В отличие от латуней, бронзы не содержат значительного количества цинка.

Сплавы подразделяются на:

• литейные — используются при производстве фасонных деталей,
• деформируемые — предназначены для получения изделий путем пластической деформации.

Маркировка бронзы следует той же системе, что и для латуни, но начинается с «Бр».

Классификация бронз по виду и применению:

Безоловянные литейные бронзы

• БрА9Мц2Л, БрА10Мц2Л — износостойкие, жаропрочные материалы, идеальны для пресной воды, пара и топлива до 250°C.

Оловянные литейные бронзы

• БрОЗЦ12С5 — применяют в арматуре общего назначения;
• БрОЗЦ7С5Н1 — используются в механизмах, работающих с маслом и водой;
• БрО4Ц7С5 — обладают антифрикционными свойствами.

Алюминиевые бронзы

• БрА5 — стойкая к коррозии, жаропрочная, используется в морской технике и монетном производстве;
• БрА7 — применяется в химической и электрической промышленности;
• БрАЖНМц9-4-4-1 и др. — предназначены для работы при высоких нагрузках, в том числе переменных и температурных;
• БрАМц9-2, БрАМц10-2 — изготавливаются детали, стойкие к износу, кавитации и усталости;
• БрАЖ9-4 — применяется в авиастроении, производстве шестерен, клапанов и других ответственных элементов.

Бериллиевые бронзы

• БрБ2, БрБНТ1,7, БрБНТ1,9, БрБНТ1,9Мг — обладают уникальным сочетанием твердости, упругости и стойкости к износу. Используются в точных механизмах и неискрящем инструменте.

Кремниевые бронзы

• БрКМц3-1 — отлично сваривается, применяется в пружинах, химаппаратуре, судостроении;
• БрКШ-3 — обеспечивает высокую прочность и антифрикционные свойства, используется в направляющих втулках и моторах.

Марганцовые бронзы

• БрМц6 — жаропрочные, пластичные, идеальны для изготовления деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах.

Кадмиевая и магниевая бронзы

• БрКд1, БрМг0,3 — отличаются высокой электропроводностью и жаростойкостью, применяются в электродвигателях и контактной сварке.

Серебряная бронза

• БрСр0,1 — используется для токосъемных узлов: коллекторных колец, обмоток роторов и коммутаторов.

Хромовая бронза

• CuCr1 — применяется в сварочном оборудовании и производстве контактных элементов.

Теллуровая бронза

• CuFeP — идеальна для массовой автоматизированной обработки, применяется в телекоммуникационной и радиоэлектронной аппаратуре.

4. Алюминий и его сплавы

Алюминий занимает лидирующие позиции по распространенности в земной коре, уступая только кислороду и кремнию, а среди всех металлов он стоит на первом месте. По степени применения в промышленности этот металл уверенно занимает вторую позицию после железа, что связано с его исключительными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками.

Этот металл отличается серебристо-белым оттенком и высокой пластичностью. Благодаря естественному процессу окисления при контакте с воздухом на его поверхности образуется тонкая, но прочная пленка оксида алюминия, которая служит надежным барьером против коррозионных воздействий. Алюминий проявляет химическую стойкость в среде азотной и различных органических кислот, но активно разрушает под воздействием щелочей, а также серной и соляной кислот.

Среди главных характеристик алюминия, определяющих его востребованность в машиностроении, энергетике и строительстве, можно выделить:

• низкую плотность — всего 2,7 г/см³, что делает его втрое легче железа;
• плавление при сравнительно низкой температуре — около 660°С;
• теплоемкость составляет 0,222 кал/г;
• высокая теплопроводность — 0,52 кал/(см·с·^оС) при 20°С;
• удельное сопротивление в температурных условиях 0°С — 0,286 Ом/(мм²·м).

Несмотря на свои полезные физические параметры, алюминий сам по себе обладает невысокими механическими характеристиками:

• предел прочности на растяжение — от 50 до 90 МПа (5–9 кгс/мм²);
• относительное удлинение при разрыве — 25–45%;
• твердость по Бринеллю — в диапазоне от 13 до 28 НВ.

Одним из ключевых достоинств алюминия считается его высокая пластичность, особенно выраженная после термообработки (отжиг при 350–410°С), позволяющая изготавливать фольгу с толщиной до 0,005 мм. Металл хорошо сваривается различными методами, однако при этом трудно поддается резанию из-за склонности к залипанию на режущем инструменте и сильной линейной усадке, которая может достигать 1,8%.

Кристаллическая структура алюминия — кубическая решетка с центрированными гранями, параметр которой a = 0,404 Н·м (4,04 Å). Для усиления прочностных характеристик в состав алюминиевых сплавов добавляют легирующие элементы, такие как кремний, медь, марганец и другие.

Благодаря сочетанию легкости, антикоррозионной стойкости и способности к обработке, алюминий широко применяется в авиационной, транспортной и строительной отраслях, в сооружении опор и проводников для линий электропередач, в производстве железнодорожного подвижного состава. В металлургии его используют как эффективный раскислитель при производстве стали и в качестве восстановителя при получении других металлов.

Особое значение алюминий имеет для химической промышленности, где из него изготавливают емкости, аппараты и трубопроводы, устойчивые к агрессивным средам. Алюминиевая упаковочная фольга используется в пищевой индустрии — для кондитерских изделий, молочной продукции и других товаров. Благодаря способности к анодированию и окраске, алюминий служит прекрасным материалом для декоративной отделки и производства бытовых предметов.

Исходным материалом при производстве алюминиевых сплавов служит первичный алюминий, разделяемый по чистоте:

• А999 — алюминий особо высокой чистоты;
• А995, А99, А97, А95 — алюминий высокой чистоты;
• А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е, А0 — технически чистый алюминий.

Прочностные характеристики сплавов определяются, прежде всего, их химическим составом, что зафиксировано в их марках. Например:

• АК7М2п: 7% Si, 2% Cu, остальное — Al;
• АК21М2,5Н2,5: 21% Si, 2,5% Cu, 2,5% Ni, остальное — алюминий.

Алюминиевые литейные сплавы, применяемые для фасонного литья, классифицируются по базовому химическому составу:

• алюминий-кремний — АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9, АЛ9-1, АЛ34, АК9, АК7;
• алюминий-кремний-медь — АЛ3, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АК5М2, АК5М7, АК7М2, АК4М4;
• алюминий-медь — АЛ7, АЛ19, АЛ33;
• алюминий-магний — АЛ8, АЛ13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28;
• алюминий с другими добавками — АЛ1, АЛ11, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛ30, АК21М2,5Н2,5, АК4М2Ц6.

Особую группу представляет силумин — сплав алюминия с кремнием, поступающий в промышленность в виде чушек. Он используется как база для производства как литейных, так и обрабатываемых давлением алюминиевых сплавов. Существует четыре основных марки силумина: СИЛ-00, СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2. Числовой индекс указывает на степень загрязненности примесями: чем выше номер, тем ниже чистота.

Чушки силумина маркируются несмываемыми красками:

• СИЛ-00 — синий цвет,
• СИЛ-0 — белый,
• СИЛ-1 — красный,
• СИЛ-2 — черный.

Алюминиевые сплавы, подвергаемые деформации (горячей и холодной), применяются при производстве широкого ассортимента полуфабрикатов: профилей, плит, труб, прутков, листов, полос, проволоки и поковок. Также из алюминия получают слитки и слябы, служащие заготовками для дальнейшей обработки.

Антифрикционные алюминиевые сплавы, входящие в ГОСТ 14113-78, применяются для изготовления как монометаллических, так и биметаллических подшипников, включая вкладыши и втулки. Методами производства являются литье и прокатка с последующей штамповкой. Основные марки:

• АО3-7, АО9-2 — применяются для отливки монометаллических втулок и вкладышей;
• АО6-1, АО9-1, АО20-1 — биметаллические изделия с антифрикционным слоем 1 мм;
• АН2-5 — изделия с антифрикционным слоем менее 0,5 мм (моноблок и биметалл);
• АСМ, АМСТ — для биметаллических компонентов с аналогичной толщиной антифрикционного слоя.

5. Цинк и его сплавы

Цинк — металл с характерным светло-сероголубоватым оттенком, обладающий хрупкостью при комнатной температуре и даже при 200 °C, но при нагревании до 100–150 °C становится пластичным и легко поддающимся формовке. Его основной сплав — латунь — получается смешением с медью. Однако сферу применения цинка охватывают и другие сплавы: специальные бронзы на цинковой основе, гальванические покрытия для стали, цинковые элементы для аккумуляторов, типографские сплавы и т. д.

Цинковые сплавы нашли широкое применение в автомобильной и приборостроительной отраслях благодаря своим антифрикционным и механическим свойствам. Основные марки и назначение сплавов:

• ЦАМ4‑10 — для особо ответственных узлов,
• ЦАМ4‑1 — используется в узлах повышенной ответственности,
• ЦАМ4‑1в — применяется в узлах невысоких требований,
• ЦА4о — сохраняет стабильные размеры в процессе эксплуатации,
• ЦА4 — аналогично, без прогнозируемых изменений размеров.

Кроме того, выпускаются специальные цинковые антифрикционные сплавы, которые активно применяются при производстве как монолитных, так и многослойных металлоконструкций с улучшенными скользящими характеристиками:

• ЦАМ9‑1,5Л — предназначен для отливки втулок, подшипников и скользящих элементов. Допустимые рабочие параметры: нагрузка — 10 МПа (100 кгс/см²), скорость скольжения — до 8 м/с, температура до 80 °C. При использовании биметаллической конструкции на стальном каркасе нагрузка увеличивается до 20 МПа (200 кгс/см²), скольжение — до 10 м/с, температура — до 100 °C;
• ЦАМ9‑1,5 — используется для алюминиево‑цинковых биметаллических лент. Производится методом прокатки для дальнейшей штамповки вкладышей. Параметры: допустимая нагрузка до 25 МПа (250 кгс/см²), скорость до 15 м/с, температура до 100 °C;
• ЦАМ10‑5Л — отливка подшипников и втулок. Рабочие условия: нагрузка 10 МПа (100 кгс/см²), скорость скольжения 8 м/с, температура до 80 °C;
• ЦАМ10‑5 — прокатка полос для направляющих металлорежущих станков, выдерживает нагрузки до 20 МПа (200 кгс/см²), скольжение — до 8 м/с и температуру до 80 °C.

6. Титан и его сплавы

Титан — это металл серебристого оттенка, довольно широко распространённый в земной коре (примерно 0,61%, что по сути делает его десятым по распространённости химическим элементом). Он отличается лёгкостью (плотность ~4,5 г/см³), высоким температурным пределом плавления (1665 °C), прочностью и относительной пластичностью. На поверхности титана формируется прочная и устойчивость к коррозии окисная плёнка, которая защищает его от воздействия пресной и морской воды, а также ряда кислот.

Металл проявляет высокую устойчивость к кавитационной эрозии и коррозии под напряжением. До 882 °C его кристаллическая решётка — гексагонально‑упакованная, затем при более высоких температурах — переходит в кубическую объёмно‑центрированную структуру.

Механические характеристики титана меняются в зависимости от химсостава и термообработки:

• предел прочности листового металла — 300–1200 МПа (30–120 кгс/мм²),
• относительное удлинение — 4–30%;

Для титановых сплавов диапазон свойств немного уже:

• предел прочности — 350–1000 МПа (35–100 кгс/мм²),
• относительное удлинение — 4–10%.

Высокопрочность при небольшой плотности сделала титан привлекательным для авиа‑ и ракетостроения, судостроения, а также ряда других технологических отраслей. Из него производят полуфабрикаты — листы, трубы, профильный прокат, прутки и проволоку. Проблематика двуокиси титана применяется в изготовлении пигментов (белил) и фарфора.

Существует специальные марки титановых сплавов, адаптированные к ковке и прокатке:

• ВТ1‑00, ВТ1‑0 — общетехнические марки;
• ОТ4‑0, ОТ4‑1, ОТ4 — предназначены для повышения пластичности;
• ВТ5, ВТ5‑1 — устойчивы к нагрузкам и термическим циклам;
• ВТ6 — используется в авиации за счёт баланса прочности и пластичности;
• ВТ3‑1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20, ВТ22 — для авиа- и энергетических приложений;
• ПТ‑7М, ПТ‑ЭВ, ПТ‑1М — модификации с Fe, Si, Zr как основными или вспомогательными компонентами.

7. Припои

Припои — металлы или сплавы с более низкой температурой плавления, предназначенные для соединения разнородных деталей методом пайки. Их основная характеристика — температура плавления, которая должна находиться ниже соответствующей точки плавления основного материала изделия.

Классификация:

• мягкие припои — t_пл ≤ 400 °C;
• твёрдые припои — t_пл > 400 °C.

Основные составы мягких припоев — сплавы на основе олова и свинца:

• ПОС 61 — буквенное обозначение: «П» — припой, «ОС» — оловянно‑свинцовый, «61» — 61% олова.

Твёрдые припои содержат серебро, медь, никель или базы из этих металлов:

• серебряные — например, ПСр 72 (72% Ag), используются дляпайки цветных и чёрных металлов, но не подходят для алюминия и магния;
• медно‑латунные и медно‑никелевые — для пайки сталей, никелевых сплавов, углеродистых и легированных металлов.

Таблица 4. Области применения оловянно-свинцовых припоев

Заключение

Интересные факты о цветных металлах:

• Медь — один из немногих металлов, которые можно использовать в чистом виде. Она также обладает антибактериальными свойствами.

• Бронза старше железа — первые изделия из бронзы датируются III тысячелетием до н.э.

• Алюминий занимает первое место по объёму производства среди цветных металлов, уступая в металлопрокате только стали.

• Титан — металл с прочностью стали, но в два раза легче. Он применяется даже в медицине (протезы, импланты), поскольку не отторгается организмом.

• Цинковые сплавы часто применяются для декоративного литья благодаря хорошей текучести и малой усадке при охлаждении.

• Припои — сплавы с пониженной температурой плавления — часто содержат не только олово, но и висмут, индий, серебро и другие элементы.

Цветные металлы и их сплавы представляют собой важнейший ресурс для машиностроения, энергетики, транспорта и многих других отраслей. Их физико-химические свойства, легкость обработки, устойчивость к агрессивным средам и высокие эксплуатационные характеристики делают их незаменимыми в производстве современного оборудования и сложных технических систем. Разработка новых марок сплавов, повышение чистоты сырья, улучшение технологий плавки и обработки — всё это позволяет расширять границы возможностей этих материалов и формировать будущее машиностроения, авиации, электроники и даже медицины.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в НПФ 'Современные технологии производства'

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.

Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Системы искусственного интеллекта ИИ для оптимизации производственных цепочек - 26.06.2025
• Получение электроэнергии из биогаза: технологии и перспективы - 23.06.2025
• Типы и технологии солнечных электростанций: от фотомодулей до аэростатов - 23.06.2025