Общая характеристика и классифика­ция медных сплавов.

Медные сплавы

Свойства меди. Медь-металл красновато­-розового цвета; кристаллическая ГЦК ре­шетка с периодом а= 0,3608 нм, поли­морфных превращений нет. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность. Медь обладает хорошей технологич­ностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту. Из меди получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Медь характеризуется высокими теплопро­водностью и электропроводимостью, пла­стичностью и коррозионной стойкостью.

Примеси снижают все эти свойства. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки ме­ди: М00 (99,99% Си), М0 (99,97% Си), Ml (99,9% Си), М2 (99,7% Си), М3 (99,5% Си).

Наиболее часто встречающиеся в мели при­меси подразделяют на три группы.

1. Растворимые в меди элементы Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag повышают прочность и твер­дость меди и используются для ле­гирования сплавов на медной основе.

2. Нерастворимые элементы РЬ и Bi ухуд­шают механические свойства меди и одно­фазных сплавов на ее основе. Образуя легко­плавкие эвтектики (соответственно при тем­пературах 326 и 270 °С), располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызы­вают красноломкость. Причем вредное влия­ние висмута обнаруживается при его содер­жании в тысячных долях процента, посколь­ку его растворимость ограничивается 0,001%. Вредное влияние свинца также про­является при малых его содержаниях (< 0,04 %). Висмут, будучи хрупким метал­лом, охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, обладая низкой прочностью, снижает про­чность медных сплавов, однако вследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивания. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатывае­мость резанием медных сплавов, поэтомуприменяется для легирования двухфазных сплавов меди.

3. Нерастворимые примеси О, S, Se, TI присутствуют в меди и ее сплавах в виде промежуточных фаз (например, Cu20, Cu2S), которые образуют с медью эвтектики с вы­сокой температурой плавления и не вызы­вают красноломкости. Кислород при отжиге меди в водороде вызывает «водородную бо­лезнь», которая может привести к разруше­нию металла при обработке давлением или эксплуатации готовых деталей.

Механические свойства меди в большой степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержания примесей. Высокая пластичность чистой отожженной меди объясняется большим количеством плоскостей скольжения.

Холодная пластическая деформация (до­стигающая 90% и более) увеличивает проч­ность, твердость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую про­водимость. При пластической деформации возникает текстура, вызывающая анизотро­пию механических свойств меди. Отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 550-600 °С в восстановительной атмосфере, так как медь легко окисляется при нагреве. По электропроводимости и теплопроводно­сти медь занимает второе место после сере­бра. Она применяется для проводников элек­трического тока и различных теплообменников, водоохлаждаёмых излож­ниц, поддонов, кристаллизаторов.

Недостатки меди: высокая плотность, пло­хая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

Общая характеристика и классифика­ция медных сплавов.

Сохраняя положи­тельные качества меди (высокие тепло­проводность и электропроводимость, коррозионную стойкость и др.), медные сплавы обладают хорошими механиче­скими, технологическими и антифрик­ционными свойствами.

Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, рас­творимые в меди, Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных спла­вов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, А1) увеличивают пластичность. Высокая пластичность - отличительная особен­ность медных сплавов. Относительное удлинение некоторых однофазных спла­вов достигает 65 %. По прочности медные сплавы уступают сталям. Вре­менное сопротивление большинства сплавов меди лежит в интервале 300-500 МПа, что соответствует свой­ствам низкоуглеродистых нелегиро­ванных сталей в нормализованном со­стоянии. И только временное сопроти­вление наиболее прочных бериллиевых бронз после закалки и старения нахо­дится на уровне среднеуглеродистых легированных сталей, подвергнутых термическому улучшению ( = 1100 ÷1200 МПа).

По технологическим свойствам мед­ные сплавы подразделяют на деформи­руемые (обрабатываемые давлением) и литейные; по способности упрочнять­ся с помощью термической обработ­ки — на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. По химиче­скому составу медные сплавы под­разделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называются сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (про­стые) и многокомпонентными (легиро­ванные). Двойные деформируемые лату­ни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей среднее содер­жание меди в процентах. Латуни с со­держанием 90% Сu и более называются томпаком (Л96), при 80—85 % Cu — полутомпаком (Л 80). В марках легированных латуней кроме цифры, показывающей со­держание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов.

Алюминий в медных сплавах обозна­чают буквой А, никель-Н, олово-О. свинец - С, фосфор - Ф, железо – Ж, кремний-К, марганец-Мц, берил­лий-Б, цинк-Ц. Например, ЛАН59-3-2 содержит 59% Си, 3% А1, 2% Ni.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждо­го легирующего элемента ставится не­посредственно за буквой, обозначающей его название. Например, ЛЦ40МцЗА со­держит 40% Zn, 3% Mn, 1% Al.

Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами кроме цинка. Назва­ние бронзам дают по основным элемен­там. Так, их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др. В бронзах в качестве легирующей добавки может присутствовать цинк. Де­формируемые бронзы маркируют бук­вами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах ле­гирующих элементов. Например, БрОЦС4-4-2,5 содержит 4% Sn, 4% Zn, 2,5% Pb. Сплавы меди с нике­лем имеют названия: мельхиоры, куниали, нейзильберы. В марках литейных бронз содержание каждого легирующе­го элемента ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например,

БрО6Ц6СЗ содержит 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb.

Латуни.

Медь с цинком образует твердый раствор с предельной концен­трацией цинка 39%. При большем содержании цинка образуется электронное соединение CuZn (β-фаза) с кристаллической решеткой объемно- центрированного куба. При температуре 454-468 °С наступает упорядочение β-фазы (β'-фаза), сопровождающееся значи­тельным повышением ее твердости и хрупкости. В отличие от равновесного состояния β'-фаза появляется в структу­ре латуней при- содержании цинка около 30%. В соответствии с изменением структуры меняются механические свой­ства латуней. Когда латунь имеет структуру α-твердого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластично­сти. Появление β'-фазы сопровождается резким снижением пластичности, про­чность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находится в двухфазном состоянии.

Переход латуни в однофазное состояние со структурой β'-фазы вызывает резкое снижение прочности. Практическое зна­чение имеют латуни, содержащие до 45% Zn. Сплавы с большим содержа­нием цинка отличаются высокой хруп­костью. Химический состав некоторых промышленных латуней и их механи­ческие свойства представлены в ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80.

Двойные латуни по структуре подраз­деляют на две группы:

1) однофазные со структурой α-твердого раствора;

2) двухфазные со структурой (α + β)- фаз.

В связи с высокой пластичностью однофазные латуни хорошо поддаются холодной пластической деформации, ко­торая значительно повышает их про­чность и твердость. Рекристаллизационный отжиг проводится при 600-700°С.Повышение содержания цинка удеше­вляет латуни, улучшает их обрабатывае­мость резанием, способность прира­батываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопро­водность и электрическая проводи­мость, которые составляют 20-50% от характеристик меди.

Примеси повышают твердость и сни­жают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпу­скают в виде холоднокатаных полуфа­брикатов: полос, лент, проволоки, ли­стов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиа­торные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопровода), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

В двухфазных латунях вследствие α↔β-превращения легкоплавкие эвтек­тические фазы находятся не по грани­цам, а внутри зерен твердого раствора и не влияют на их способность к горя­чей пластической деформации. Иногда добавляют свинец для улучшения обра­батываемости резанием и повышения антифрикционных свойств. Ввиду малой пластичности при низких температурах эти латуни выпускают в виде горячека­таного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токо­проводящие детали электрооборудова­ния и др. Вследствие небольшого температур­ного интервала кристаллизации двой­ные латуни обладают низкой склон­ностью к дендритной ликвации, высо­кой жидкотекучестью, малой рассеянной усадочной пористостью и хорошей гер­метичностью. Но, несмотря на это, они практически не применяются для фа­сонных отливок, так как имеют доволь­но большую концентрированную уса­дочную раковину. Этот недостаток в меньшей степени присущ легиро­ванным латуням.

Легированные латуни применяют как для деформируемых полуфабрикатов, так и в виде фасонных отливок.

Литейные латуни, как правило, содержат большее количество цинка и легирую­щих элементов.Помимо свинца для легирования ла­туней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуней. Поэтому легиро­ванные латуни широко применяют в речном и морском судостроении (кон­денсаторные и манометрические трубки и другие детали). Оловянные латуни (ЛО70-1) называют морскими.

Алюминий повышает прочность, твер­дость латуней. Практическое примене­ние находят высокомедистые латуни с добавлением алюминия до 4% (ЛA77-2), которые благодаря однофаз­ной структуре хорошо обрабатываются давлением. Алюминиевые латуни до­полнительно легируют никелем, желе­зом, марганцем, кремнием, обладающи­ми переменной растворимостью в α- твердом растворе, что позволяет упроч­нять эти латуни с помощью закалки и старения. Временное сопротивление после такой обработки достигает 700 МПа. Хорошая пластичность в за­каленном состоянии позволяет дополни­тельно упрочнять сплавы с помощью пластической деформации (перед старе­нием). Обработка по схеме «закалка + + пластическая деформация + старение» обеспечивает повышение временного со­противления до 1000 МПа. Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к горячей и холодной пластической деформации латуней. Кремнистые латуни характери­зуются высокой прочностью, пластич­ностью, вязкостью не только при 20-25 °С, но и при низких температурах (до —183°С). При легировании латуни для получения однофазной структуры используют небольшие добавки крем­ния (ЛK80-3). Эти латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в судо- и общем машино­строении. Никель повышает растворимость цин­ка в меди и улучшает механические свойства латуней. Никелевые латуни (например, ЛH65-5) хорошо обрабаты­ваются давлением в холодном и горя­чем состояниях.

Бронзы.

Оловянные бронзы.

Из диа­граммы состояния Cu-Sn следует, что предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8%. Сплавы этой системы характеризует склонность к неравновесной кристаллизации, в результате чего в реальных условиях ох­лаждения значительно сужается область α-твердого раствора, его концентрация практически не меняется с понижением температуры, не происходит эвтектоидного превращения δ-фазы и при содер­жании олова более 5-8% в структуре сплавов присутствует эвтектоид (α +δ), где δ-фаза - электронное соединение Cu₃Sn₈ со сложной кубической решет­кой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью. Появление δ-фазы в структуре бронз вызывает рез­кое снижение их вязкости и пластично­сти. Поэтому, несмотря на повышение прочности при дальнейшем увеличении количества олова до 25%, практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10% Sn.

Двойные оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги. Широкий температурный интервал кристаллиза­ции обусловливает у них большую склонность к дендритной ликвации, низ­кую жидкотекучесть, рассеянную уса­дочную пористость и поэтому невысо­кую герметичность отливок.

Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, Р. Для экономии более дорогостоя­щего олова в бронзы добавляют от 2до 15% Zn. В таком количестве цинк пол­ностью растворяется в α-твердом рас­творе, что способствует повышению ме­ханических свойств. Уменьшая интервал кристаллизации оловянных бронз, цинк улучшает их жидкотекучесть, плотность отливок, способность к сварке и пайке. Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, из­носостойкость улучшается благодаря появлению твердых включений фосфида меди Сu₃Р. Кроме того, он повышает временное сопротивление, предел упру­гости и выносливость бронз. Никель способствует измельчению структуры и повышению механических свойств.

Бронзы хорошо обрабатываются ре­занием, паяются, хуже свариваются.

Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую линейную усадку (0,8% при литье в землю и 1,4% при литье в металлическую форму), по­этому они используются для получения сложных фасонных отливок. Двойные низколегированные литейные бронзы содержат 10% Sn. Для удешевления оловянных бронз содержание олова в некоторых стандартизованных ли­тейных бронзах снижено до 3-6%. Большое количество Zn и РЬ повышает их жидкотекучестъ, улучшает плотность отливок, антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Структу­ра оловянных бронз (БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17, БрОЮЦ2 и др.) пол­ностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрик­ционных сплавов. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде спо­собствует широкому применению ли­тейных бронз для пароводяной арма­туры, работающей под давлением. Рас­сеянная пористость не мешает этому, поскольку у поверхности отливок имеется зона с мелкозернистой структу­рой, обладающая высокой плотностью. При усовершенствовании технологии получают отливки, выдерживающие да­вление до 30 МПа.

Деформируемые бронзы содержат до 6-8% Sn. В равновесном со­стоянии они имеют однофазную струк­туру α-твердого раствора. В условиях неравновесной кри­сталлизации наряду с твердым раство­ром может образоваться небольшое ко­личество δ-фазы. Для устранения ден­дритной ликвации и выравнивания хи­мического состава, а также улучшения обрабатываемости давлением приме­няют диффузионный отжиг, который проводят при 700-750 °С: При холодной пластической деформации бронзы под­вергают промежуточным отжигам при 550-700 °С. Деформируемые бронзы ха­рактеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем ли­тейные. Наряду с хорошей электрической про­водимостью, коррозионной стойкостью и антифрикционностью деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением устало­сти. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной ме­ханике, электротехнике, химическом ма­шиностроении и других областях про­мышленности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: