Сплавы на основе меди

В технике наряду с чистой медью широко применяются ее сплавы. Используются две основные группы сплавов на основе меди:

латуни - двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом;

бронзы - сплавы меди с алюминием, оловом, свинцом, кремнием, цинком и другими элементами, в которых цинк не является основным легирующим элементом.

Бронзы по сравнению с латунями, обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью.

Латуни

Диаграмма состояния Cu-Zn в зависимости от температуры приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Диаграмма состояния медь - цинк

Рисунок 3 – Влияние цинка на механические свойства латуни

Система медь-цинк относится к случаю ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии. Сложная, на первый взгляд, диаграмма построена из пяти простых диаграмм третьего рода с перитектическим превращением. Компоненты образуют шесть различных твердых растворов электронного типа, указываемых в порядке увеличения содержания цинка α, β, γ, δ, ε и η - твердыми растворами, где:

α - фаза - твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой меди ГЦК;

β - фаза - твердый упорядоченный раствор на основе электронного соединения CuZn (3/2);

γ - фаза - твердый с ОЦК решеткой раствор Cu_SZn₈ (21/13);

ε - фаза - твердый раствор CuZn₃ (7/4).

Строение и свойства двойной латуни изменяются в зависимости от концентрации или процентного содержания цинка (рисунок 3).

При содержании цинка до 39 % в сплаве образуется твёрдый раствор цинка в меди: α - фаза, которая обладает хорошей пластичностью и увеличивается с повышением концентрации цинка. Максимальную пластичность сплав имеет при содержании цинка около 37 %.

При увеличении содержания цинка от 37 % до 45 % избыток его начинает реагировать с медью, образуя соединение CuZn. В результате в сплавах появляется новая β - фаза (примерно до 45 % цинка). При этом пластичность падает, а прочность возрастает. Образуется двухфазная структура α + β. Двухфазные α + β латуни имеют низкую пластичность и обрабатываются лишь в горячем состоянии.

При большем содержании цинка (свыше 45 %) полностью исчезает α -фаза и латунь становится опять однофазной, имея структуру β - твердого раствора. Переход латуни в однофазное состояние вызывает резкое снижение прочности. В технике используются сплавы с содержанием цинка до 45 %.

По химическому составу латуни разделяют на двойные (простые), легированные только цинком, и многокомпонентные, которые помимо цинка содержат в качестве легирующих элементов алюминий (А), свинец (С), олово (О), никель (Н), железо (Ж), марганец (Мц) и другие элементы.

Легирующие элементы многокомпонентных латуней придают им специальные свойства. Установлено, что количество цинка, соответствующее 1 % вводимого элемента, называют коэффициентом эквивалентности или коэффициентом замены. 1 % Si ≈ 11 % Zn; 1 % А1 ≈ 5 % Zn; 1 % Sn ≈ 2 % Zn; 1 % Fe ≈ 0,9 % Zn; 1 % Ni ≈ (-1,3 % Zn).

По технологическому признаку латуни подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.

Литейные латуни обладают хорошими литейными свойствами, малой склонностью к ликвации, хорошей жидкотекучестью и др. Микроструктура латуни Л62 показана на рисунке 4.

Однородные зёрна α - твёрдого раствора, видны двойники

Рисунок 4 - Микроструктура α - латуни Л62 после холодной пластической деформации и отжига при 500 °С

Светлые зёрна - α фаза, тёмное поле β - фаза Рисунок 14.5 – Микроструктура α + β - латуни (типа Л69)

Деформируемые латуни, в зависимости от структуры, подразделяются на однофазные (α - латуни) и двухфазные (α + β´ - латуни).

Структура α - латуни похожа на структуру меди, а структура α + β' - латуней состоит из светлой составляющей α - фазы и темной β - фазы.

Двойные деформируемые латуни маркируют буквой Л и цифрой, показывающей среднее содержание меди в процентах: Л96, Л90, Л85, Л69. На рисунке 5 показана микроструктура латуни Л69.

Для обозначения многокомпонентных латуней, обрабатываемых давлением, за буквой Л ставятся другие буквы, указывающие на наличие легирующих элементов и цифры, указывающие на количественное содержание меди и легирующих элементов. Например, латунь марки ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % меди, 2 % алюминия, остальное - цинк.

Литейные латуни (ЛЦ40С, ЛЦЗОАЗ, ЛЦ40АЖ) содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими элементами.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % цинка, 3 % марганца, около 1 % алюминия, остальное - медь.

Для повышения механических свойств, улучшения обрабатываемости, коррозионной стойкости двухфазные латуни легируют свинцом, оловом, железом, алюминием, кремнием и другими элементами. Такие латуни называют специальными. Например, олово повышает прочность латуни и сопротивление коррозии в морской воде, поэтому оловянные латуни называют еще морскими (адмиралтейскими).

Все двойные латуни хорошо обрабатываются давлением как в холодном, так и горячем состоянии (за исключением латуни Л60, которая обрабатывается в горячем состоянии).

Механические свойства и назначение латуней указаны в таблице 1.

Бронзы

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр, за которыми следуют буквы, обозначающие название легирующих элементов, а затем цифры, показывающие их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС4-2-2,5 содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца, остальное - медь.

Таблица 1 - Латуни

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу же после буквы, обозначающей его название. Например, бронза БрО10Ц2 содержит 10 % олова, 2 % цинка, остальное - медь. Структуры бронз показаны на рисунках 6, 7.

Основа α - твёрдый раствор олова и цинка в меди Включения – эвтектоид (α + Cu₃₁Sn₈)

Рисунок 6 – Микроструктура литой оловянной бронзы Бр010Ц2

По границам дендритов (светлые кристаллы) видны включения эвтектоида α + γ

Рисунок 7 – Микроструктура литой алюминиевой бронзы БрАЖ9-2

Алюминиевые бронзы (двух- и многокомпонентные) имеют большое распространение в машиностроении. Система медь-алюминий (рисунок 8) относится к случаю ограниченной растворимости. Алюминий растворяется в меди с образованием твердого раствора.

Алюминиевые бронзы при содержании до 3,8 % алюминия после деформации и отжига имеют однофазную структуру, при большем содержании алюминия - двухфазную структуру.

Рисунок 8 – Диаграмма состояний медь – алюминий

Последние могут подвергаться закалке и отпуску. Алюминиевые однофазные бронзы (БрА5, БрА7) отличаются высокой прочностью и пластичностью. Они хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Предназначены для упругих элементов; для деталей, работающих в морской воде. По коррозионной стойкости превосходят латуни и оловянные бронзы. Вместе с тем эти сплавы трудно поддаются пайке, не устойчивы в условиях перегретого пара. Недостатки двойных алюминиевых бронз существенно устраняются при легировании железом, никелем, марганцем.

Железо значительно улучшает механические свойства бронз, измельчая зерно; оно способствует задержке рекристаллизации. Алюминиевожелезные бронзы (БрАЖ9-4) для улучшения прочности характеристик подвергают старению при 250 °С в течение 2 – 3 часов после их закалки при 950 °С. Они применяются для изготовления шестерен, червяков, втулок, седел клапанов и др., в основном в авиационной промышленности.

Кремнистые бронзы содержат до 3 % кремния, никель или марганец (БрКН1-3, БрКМц3-1). Эти сплавы отличаются высокими механическими, упругими и антифрикционными свойствами, при этом не теряют своей пластичности при низких и высоких температурах. Применяются для антифрикционных деталей, например, пружин, подшипников, в морском судостроении и пр. Выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки.

Бронзы, в зависимости от содержания основных элементов, подразделяются на алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, оловянные и свинцовистые бронзы.

Оловянные бронзы. Деформируемые бронзы изготавливают в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состоянии (таблица 2).

Таблица 2 - Механические свойства и назначение деформируемых и литейных оловянных бронз

Они содержат до 6-7 % олова. Деформируемые оловянные бронзы в равновесном состоянии имеют однофазную структуру – твердого раствора. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: