Miedź i jej stopy

Jest metalem miękkim i ciągliwym, z durzą łatwością ulega różnego rodzajom obróbce mechanicznej takiej jak tłoczenie, wybijanie, ciągnienie, zgniatanie, walcowanie. Można ją prosto formować w różnorodne kształty. Ze względu na swoją ciągliwość źle piłuje się pilnikiem, toczy, nawierca i frezuje. Dobrze poddaje się obróbce wykończeniowej takiej jak szlifowanie i polerowanie.

Źle się odlewa (nawet w wysokiej temperaturze), pozostaje zwarta o gęstości kaszy. W kontakcie z powietrzem atmosferyczny ulega utlenianiu przyjmując zielonkawą barwę. Nie ulega reakcji z kwasami w warunkach nieutleniających, natomiast w warunkach utleniających roztwarza się bez wydzielania wodoru.

Miedź w przyrodzie spotykana jest w formie rud^2-22 oraz bardzo rzadko w czystej postaci, jako minerał^2-23, czyli tzw. miedź rodzima. Największą ważącą 420 ton bryłą miedzi jest okaz znaleziony w okolicy Jeziora Górnego. Głównym źródłem tego metalu są minerały takie jak siarczki; chalkopiryt, chalkozyn, bornit oraz węglany; azuryt i malachit. Siarczki miedzi w zdecydowanej większości wykorzystywane są w produkcji miedzi. Proces ten w uproszczeniu polega na uprzedniej koncentracji siarczków miedzi następnie ich przerobie w piecach hutniczych na postać metaliczną i ostateczne oczyszczanie metodą elektrolityczną do postaci czystego metalu.

W rzemiośle artystycznym wykorzystywana jest dość często. Decyduje tu o tym jej duża plastyczność i ciągliwość umożliwiająca wykonanie metodą klepania oraz cyzelowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach. Obróbkę plastyczną miedzi można prowadzić na gorąco w temperaturze od 650 do 800^oC oraz na zimno, ale wówczas następuje jej utwardzenie (na skutek zgniotu), które eliminuje się przez wyżarzenie rekrystalizujące w temperaturze od 400 do 600^oC.

Drut miedziany po wyżarzeniu staje się miękki i plastyczny, łatwo poddaje się wówczas wyginaniu i skręcaniu, co czyni go doskonałym tworzywem do wykonywaniu skomplikowanych ornamentów wykorzystywanych do wytwarzania wyrobów filigranowych. Trudnotopliwość i dobra przewodność cieplna miedzi ułatwia jej lutowanie z srebrem oraz srebrzenie i złocenie gotowych wyrobów artystycznych. Zbliżone współczynniki liniowej i objętościowej rozszerzalności cieplnej emalii oraz miedzi czynią miedź doskonałym materiałem do wykonywania emaliowanych przedmiotów artystycznych. w trakcie stygnięcia emalia dobrze przylega do miedzianej powierzchni równocześnie nie pękając i nie odpryskując.

Wykorzystywana jest również, jako składnik lutów twardych srebrnych i złotych oraz do produkcji szkła czerwonego (miedzianego rubinu), emalii i płytek mozaikowych.

Miedź znana była od starożytności i wraz z żelazem miała ogromną rolę w rozwoju cywilizacji. Epoka brązu wzięła swą nazwę od jednego z jej stopów. w okresie średniowiecza zgodnie z opisem zawartym w almanachu mnicha Teofila w rozdziale „O miedzi” wiedziano, iż;
„Miedź tworzy się w ziemi. Gdy się na jej żyłę natrafi, dobywa się jej z wielkim trudem przez kopanie i wyłamywanie. Jest bowiem bardzo twardym kamieniem zielonej barwy i naturalnie zmieszanym z ołowiem. Kamień ten obficie nałamany, kładzie się na stosie drew i wypala na sposób wapiennego; przez co jednak niezmieni barwy, lecz tylko twardość utraci, aby mógł być pokruszonym. Potem drobno potłuczony kładzie się do pieca, i przy użyciu węgli i miechów wypala się dniem i nocą bez przestanku. Winno się to pilnie i ostrożnie odbywać, mianowicie, aby najprzód nałożyć węgli, potem na nie drobnego kamienia nasypać, i znowu węgli i na nie kamienia, tak powtarzając aż do napełnienia pieca. Gdy kamień topić się zacznie, ołów zeń przez pewne otwory wyciecze, a miedź wewnątrz pozostanie. To po najdłuższem dymaniu ostudzi się i wygarnie, a piec na nowo w takiż sam sposób się napełni. Do miedzi tak stopionej domieszawszy piątą część cyny, utworzy się metal, z jakiego się dzwony odlewają. Znajduje się także rodzaj kamienia żółtawej, a niekiedy czerwonej barwy, który się galmanem nazywa, a który bez potłuczenia, lecz tak, jak go wykopano, kładzie się na stos drew obficie nałożonych i zapalonych i wypala się aż do zupełnego rozżarzenia. Kamień ten ostudzony potem i jak najdrobniej potłuczony, trzeba zmieszać z miałem węgla i wspomnioną wyżej miedzią, w piecu […]”.

Mosiądz dobrze poddaje się obróbce skrawaniem, tłoczeniu, walcowaniu, cyzelowaniu, znakomicie się poleruje utrzymując przez długi czas lustrzaną powierzchnie. Łatwo się spawa i lutuje lutem miękkim oraz twardym. Bardzo dobrze i trwale daje pokrywać się galwanicznymi powłokami srebrnymi, złotymi, a także niklowymi oraz łatwo podaje się oksydowaniu chemicznemu. Można go też barwić na różne kolory. Temperatura topnienia mosiądzu mieści się w przedziale od 980 do 1000^oC, a gęstość wynosi około 8,5 g/cm³.

Mosiądze cechuje w większości ich rodzajów zła lejność, jednak istnieją specjalne rodzaje odlewnicze, w których to np. dzięki domieszce aluminium właściwości te stają się dobre. W porównaniu z czystą miedzią mosiądze są twardsze i charakteryzują się wyższą wytrzymałością, a te zawierające około 30 % cynku, mają zbliżoną do miedzi plastyczność.

Barwa mosiądzów w zależności od składu stopu może być żółta podobna do złota lub biała zbliżona do srebra. Mosiądze o zawartości cynku od 3 do 20 % nazywane są tombakami i mają barwę czerwono-żółtą. W kontakcie z powietrzem mosiądze tracą połysk i złocistą barwę, pokrywają się warstwami siarczków oraz tlenków i czernieją. Aby temu zjawisku zapobiec można pokrywać je warstwą bezbarwnych lub barwiących specjalnych lakierów spirytusowych bądź nitrocelulozowych, które podkreślają barwę złota i długo ją utrzymują.

Mosiądz odlewniczy zawierający 55 do 70 % miedzi, 30 do 45 % cynku i do 3 % ołowiu, stosowany był do produkcji armatury wodnej i parowej, a także na okucia budowlane. Do produkcji łusek karabinowych i armatnich oraz instrumentów muzycznych składa się z 67 do 72 % miedzi i 28 do 33 % cynku. Mosiądze wykorzystywane są do wytwarzania przedmiotów dekoracyjnych, galanterii, oraz tanich wyrobów jubilerskich, które często są później posrebrzane lub pozłacane.

Brązy znane są ludzkości od wieków nawet jedna z epok historycznych nosi nazwę epoki brązu. W początkowym okresie wytapiano je z rud miedzi oraz cyny i zwierały one w przybliżeniu 88 % miedzi i 12 % cyny. Miały one w sobie również domieszki metali takich jak; żelazo, kobalt, nikiel, ołów, cynk, srebro, które często występują w sposób naturalny w rudach miedzi i cyny. Z brązów najpierw nauczono się wykonywać broń i przedmioty codziennego użytku, a następnie monety oraz przedmioty ozdobne. Obecnie stopy miedzi zawierające, co najmniej 2 % cyny uznawane są za brązy. Temperatura topnienia brązu mieści się w przedziale od 940 do 1084^oC, a jego gęstość wynosi od 7,53 do 9,3 g/cm³.

Wzrost procentowy zawartości cyny ponad 30% powoduje zmniejszenie właściwości brązu oraz zmianę jego koloru na biały. Przyjmuje on barwy od czerwonej przy zawartości miedzi niemniejszej niż 90 % do żółtej przy co najmniej 85 % miedzi i białej gdy miedzi jest minimum 50 % oraz szaro stalowej w przypadku zawartości miedzi mniejszej niż 35 %.

Brązy przy zawartości cyny do 3 %, są dość plastyczne i dają się kształtować na zimno. Powyżej tej wartości poddają się obróbce wyłącznie w stanie tzw. czerwonego żaru.

Współcześnie wytwarza się nie tylko brązy cynowe, ale również bez cynowe – specjalne, zawierające domieszki różnych pierwiastków takich jak np. aluminium, cynk, ołów, krzem, nikiel, mangan. Nadają się one jednak wyłącznie do zastosowania w wyrobach technicznych. Brązy cynowe tak jak dawniej nadal wykorzystuje się w artystycznej obróbce metali do odlewania pomników, przedmiotów dekoracyjnych, galanterii, a także biżuterii.

Alpaka stop niklu z miedzią znany w rzemiośle artystycznym pod nazwami takimi jak; pakfong, melchior, nowe srebro, alpaka, alfenide czy argentan, przy czym w Polsce przyjęła się nazwa alpaka. Charakterystyczną cechą tych stopów jest ich większą twardość niż srebra, szarobiała barwa i podatność polerowaniu oraz barwa zbliżona do srebra próby 0,750. Zawierają w swoim składzie najczęściej 50 do 70 % miedzi, 10 do 20 % niklu i 5 do 30 % cynku. w tabeli wymieniono podstawowe odmiany tego stopu.

Poza stopami wymieniowi w poniższej tabeli, można jeszcze wyodrębnić stopy takie jak; konstantan zawierający 60 % miedzi i 40 % niklu oraz manganin o składzie 84 % miedzi, 4 % niklu, 12 % manganu, a także nikielin mający 67 % miedzi, 32 % niklu i 1 % manganu. Stopy te cechują się znacznym oporem elektrycznym i wykorzystywane są do produkcji drutów oporowych.