Сплавы меди с цинком

Двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк, называются латунями. В системе Cu-Zn на рис. 6 образуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, ε, η, но практическое применение имеют сплавы, содержащие до 45% Zn. В этой части диаграммы состояния системы Cu-Zn находится область однофазных (α)- и двухфазных (α + β)-латуней. Однофазная α-латунь представляет собой твердый раствор цинка в меди с решеткой ГЦК и может содержать до 39 %Zn. Однофазная α-латунь харак­теризуется высокой пластичностью. При содержании более 39 % Zn в структуре проявляется хрупкая β-фаза, представляющая собой твердый раствор с ОЦК решеткой на базе соединения CuZn.

Рис. 6. Диаграмма состояния системы Cu-Zn (а) и влияние содержания цинка на механические свойства латуни (б)

Существуют две модификации β-фазы: выше температур 454-486 °С ус­тойчива гомогенная пластичная β-фаза, имеющая неупорядоченное располо­жение атомов, ниже этих температур — более твердая и хрупкая β'-фаза, ха­рактеризующаяся упорядоченным расположением атомов меди и цинка.

Двухфазные (α + β)-латуни могут содержать до 45 %Zn. Так как β'-фаза, существующая при комнатной температуре, имеет большую хрупкость и твердость, то двухфазные латуни менее пластичны и более прочны.

Влияние химического состава на свойства латуней показано на рис. 6, б. В отличие от равновесного состояния β'-фаза практически появляется уже при концентрации цинка более 30 %. Поэтому в сплавах, содержащих менее 30 %Zn, увеличение его концентрации повышает и прочность, и пластичность. При увеличении содержания цинка выше 30 % пластичность сплавов начинает уменьшаться, а после появления в структуре значительных количеств β'-фазы происходит резкое падение пластичности. Прочность при увеличении содержания цинка растет до 45 %, а потом также резко падает. При дальнейшем увеличении содержания цинка (области β, β + γ и т. д.) свойства сохраняют свои низкие значения. Латуни обычно хорошо обрабатываются давлением. Однофазные α-латуни высокопластичны и хорошо деформируются в холодном состоянии. Двухфазные (α + β')-латуни лучше деформируются при нагреве выше температуры (β↔β')-превращения. Обычно их деформируют при температуре несколько выше 700 ºС. По технологическим признакам различают деформируемые и литейные латуни (табл. 6).

Таблица 6Химический состав, механические свойства и назначение латуней (ГОСТ 15527,17711)

Альфа-латуни редко дополнительно легируют другими элементами; они обычно представляют собой двойные сплавы меди с цинком, В марках латуней Л63, Л68, Л80, Л90 цифры показывают содержание меди. Цинк дешевле меди. Чем больше цинка в латуни, тем ниже ее стоимость. Из однофазных α-латуней холодным деформированием изготовляют ленты, прутки, трубки теплообменников, проволоку. Латунь, содержащая до 10 % Zn, так называемый томпак, имеет цвет золота и применяется для изготовления украшений.

Двухфазные (α+β)-латуни дополнительно легируют алюминием, железом, никелем для увеличения прочности, а также для улучшения обрабатываемости на станках. Высокими коррозионными свойствами обладают латуни, легированные оловом (ЛО70-1, ЛО62-1) и называемые морскими латунями. Наибольшей прочностью обладают латуни, дополнительно легированные алюминием, железом, марганцем.

Отрицательным свойством деформированных латуней, содержащих более 20 %Zn, является склонность к растрескиванию при вылеживании во влажной атмосфере, содержащей следы аммиака. «Сезонное растрескивание» обусловлено коррозией по границам зерен в местах неравномерной концентрации примесей. Для снижения этого эффекта после деформации латуни подвергают отжигу при температурах ниже температуры рекристаллизации (обычно около 250 °С). Из деформированных латуней изготавливают трубы, прутки, полосы, проволоку для разных областей техники, в том числе пищевого ма­шиностроения. Литейные латуни отливают в землю, в кокиль, под давлением, они идут на изготовление арматуры и сложных по форме деталей для судостроения, пищевого машиностроения; гаек нажимных болтов для сложных условий работы, втулок, вкладышей и подшипников. Благодаря узкому интервалу между линиями ликвидуса и солидуса литейные латуни не подвержены ликвации и усадочной пористости.

Бронзы

Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами.По главному легирующему элементу различают бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые и т. д.

Оловянные бронзы

Особенно широко применяются в машиностроении оловянные бронзы, в которых олово является основным легирующим элементом, а в качестве легирующих добавок используют цинк, свинец, никель и др.

Диаграмма состояния системы медь-олово характеризуется сравнительно большим расстоянием между линиями ликвидуса и солидуса. Поэтому особенностями двухкомпонентных оловянных бронз являются их повышенная склонность к ликвации, вызванная медленно проходящим процессом диффузии, низкая жидкотекучесть и рассеянная пористость.

Предельная растворимость олова в меди составляет 15,8 %(сплав α). Учитывая склонность сплавов системы Cu-Sn к неравновесной кристаллизации, при обычных условиях охлаждения область δ-твердого раствора сужается. Уже при содержании олова 5-6 % в структуре появляется (α+δ)-эвтектоид, в котором δ-фаза представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Cu₃₁Sn₈. С появлением δ-фазы снижаются пластичность и вязкость сплавов. Бронзы с содержанием олова более 12 %из-за повышенной хрупкости как конструкционный материал практически не применяются.

Двойные оловянные бронзы дороги и имеют пониженные литейные свойства. Их обычно дополнительно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором. Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы (табл. 7).

Таблица 7Химический состав, механические свойства и применение оловянных бронз (ГОСТ 5017, 613)

Деформируемые оловянные бронзы содержат, %: 3-7 Sn, до 5 Zn и Рb и до 0,4 Р. Они состоят из однородного твердого раствора и после отжига имеют однофазную структуру. Благодаря хорошей пластичности такие бронзы легко подвергаются обработке давлением и поставляются в виде прутков, труб и лент. Бронзы этого вида используются также для изготовления различных деталей с высокими упругими свойствами. Их прочность σ_в = 320-350 MПa при относительном удлинении δ = 30-50 %.

При концентрации олова 9—11 % в структуре увеличивается количество хрупкой составляющей — эвтектоида, содержащего соединение Cu₃₁Sn₈, что исключает возможность пластической деформации. Такие бронзы применяются только в литом состоянии. Литые оловянные бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1 %) и хорошую жидкотекучесть. Из бронзы изготавливают сложные отливки, в частности художественное литье. Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокими электрической проводимостью и теплопроводностью. Наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, а мягкие частицы облегчают «приработку» и образуют на поверхности мельчайшие каналы, по которым может циркулировать смазка. Поэтому бронзы, содержащие 9-10 % Sn, являются одним из лучших антифрикционных материалов и применяются для изготовления подшипников. Для улучшения антифрикционных свойств в состав бронз также вводят свинец.

Литые оловянные бронзы имеют предел прочности σ_в = 170-200 МПа при относительном удлинении δ= 5-10 %. Среди оловянных бронз следует выделить так называемую колокольную бронзу. Она содержит около 20 % Sn с небольшими добавками других элементов.

Из безоловянных бронз наибольшее применение нашли алюминиевые, кремниевые и бериллиевые бронзы.

Алюминиевые бронзы

Сплавы меди, содержащие до 9 % Аl, имеют однофазную структуру и состоят только из δ-твердого раствора алюминия в меди. Увеличение со­держания алюминия более 9 % приводит к появлению в структуре эвтектоида α+γ₂, в котором γ₂ представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Сu₃₂Аl₁₉. Гетерогенная структура, состоящая из мягкой основы α-твердого раствора и твердых дисперсных включений эвтектоида, обеспечивает высокие антифрикционные свойства алюминиевых бронз, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения. Однофазные алюминиевые бронзы характеризуются высокой плас­тичностью; их используют для глубокой штамповки. Двухфазные бронзы подвергают горячей обработке давлением или используют в виде фасонного литья. Алюминиевые бронзы по коррозионной стойкости в морской воде и тропической атмосфере превосходят оловянные бронзы и латуни и кон­курируют в этом отношении с хромоникелевыми аустенитными коррозионностойкими сталями. Дополнительное легирование алюминиевых бронз железом (до 5,5 %), марганцем (до 2 %) и никелем (до 5,5 %) повышает их механические свойства, а введение никеля, кроме того, увеличивает жаропрочность и сопротивляемость коррозии. Механические свойства алюминиевых бронз приведены в табл. 8.

Таблица 8 Химический состав, механические свойства и применение безоловянных бронз (ГОСТ 18175, 493)

Алюминиевые бронзы применяют для изготовления нагруженных деталей, работающих в тяжелых условиях повышенного нагрева, износа и коррозионного воздействия среды. Из них изготавливают фрикционные шестерни, зубчатые колеса, втулки, краны, детали водяных и паровых турбин.

Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы обычно содержат до 3 % Si, часто их дополнительно легируют никелем или марганцем. Сравнительно небольшой интервал кристаллизации обеспечивает кремнистым бронзам хорошие литейные свойства. Обычно их используют в качестве заменителя оловянных бронз, например бронза марки БрКЦ4-4 может заменять бронзу марки БрОЦС5-5-5. Уступая оловянной бронзе по величине усадки, кремнистая бронза имеет более высокие механические свойства, плотность отливок и коррозионную стойкость.

Бронза марки БрКМц3-1 (см. табл. 8) хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях, сваривается, обладает высокими литейными свойствами. Она рекомендована в качестве заменителя оловянных бронз; в некоторых случаях может заменять дорогую бериллиевую бронзу.

Свинцовые бронзы

Свинец практически нерастворим в меди. После затвердевания сплав состоит из кристаллов меди, перемежающихся включениями свинца. Благодаря такой структуре бронза марки БрС30 имеет высокие антифрикционные свойства, что позволяет использовать ее взамен оловянных бронз для подшипников скольжения. Высокая теплопроводность бронзы БрС30 марки позволяет эффективно отводить тепло из зоны трения.

Свинцовая бронза имеет невысокие механические свойства (σ_в = 70 МПа, δ= 4 %). Для повышения надежности вкладышей подшипников тонкий слой бронзы наплавляют на основу из стальной ленты.

Дополнительное повышение механических и антифрикционных свойств достигается легированием свинцовой бронзы небольшими добавками никеля и олова.

Бериллиевые бронзы

Медь образует с бериллием твердые растворы замещения с решеткой ГЦК, причем с понижением температуры растворимость бериллия в меди падает с 2,7 %при температуре 886 °С до 0,2 % (по массе) при 300 ºС. Использование переменной растворимости позволяет достичь значительного упрочнения при термической обработке.

При нагреве бериллиевой бронзы, содержащей 2,0-2,5 %Be, до 760-780 °С образуется однородный α-твердый раствор. После быстрого охлаждения эта структура сохраняется при комнатной температуре.

Закаленная бериллиевая бронза марки БрБ2 имеет малую прочность (σ_в=500 МПа) при высокой пластичности (δ = 30 %). В результате старения при 300-350 °С из пересыщенного α-твердого раствора выделяются дисперсные частицы γ-фазы (СuВе). Дисперсионное твердение резко увеличивает прочностные свойства: σ_в = 1200 МПа при δ = 4 %. Упрочнению при старении способствует предварительный наклеп бронзы. После закалки, холодной пластической деформации с обжатием 30 % и старения прочность возрастает до σ_в=1400 МПа при δ = 2 %.

Благодаря более высокому уровню временного сопротивления и предела упругости по сравнению с другими медными сплавами бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов. Инструменты из бериллиевой бронзы не дают искр, поэтому их используют в производстве взрывчатых веществ. Бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии. Они технологичны при сварке и обработке резанием. В связи с высокой сопротивляемостью истиранию такие бронзы используются для изготовления деталей, работающих на износ. Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью бериллия.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: