Микроструктура сплавов на основе меди

В качестве характерных представителей сплавов на медной ос­нове в работе используются сплавы марок Л68 и Л59 (латуни) и БрО10 и БрС30 (бронзы).

Микроструктура двойных низколегированных латуней в условиях равновесия определяется диаграммой состояния системы Cu-Zn. На рис.6 приведен фрагмент этой диаграммы, отражающей фазовые равновесия в сплавах с содержанием цинка до 50%, поскольку промышленное приме­нение находят латуни, содержащие до 45%Zn. В соответствии с этой диа­граммой состояния латуни по структуре делятся на однофазные (α-латуни), содержащие до 39%Zn и состоящие из зерен α-твердого раствора цинка в меди, и двухфазные (α+β)-латуни, содержащие от 39 до 45%Zn и состоящие из зерен α-твердого раствора цинка в меди и зерен α-твердого раствора на основе соединения CuZn.

Однофазные α-латуни обладают высокой пластичностью при нормальной (комнатной) температуре. Поэтому однофазные латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных холодной обработкой давлением (штамповкой, прокаткой или протяжкой) листов, труб, лент, проволоки, из которых методом глубокой вытяжки изготавливают радиаторные трубы, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы, а также производят детали (шайбы, втулки, уплотнительные кольца), не требующие высокой твердости. Холодная обработка вызывает наклеп.

Рис.9.6. Фрагмент диаграммы состояния системы медь-цинк

наклепанном состоянии латунь с содержанием цинка 20% и выше подвержена растрескиванию по границам зерен, имеет низкую коррозионную стойкость. Поэтому ее подвергают рекристаллизационному отжигу, в результате чего однофазная латунь приобретает зеренную структуру с характерными для пластичных сплавов двойниками. На рис.9.7 показана микроструктура однофазной латуни марки Л68. Поскольку зерна α-фазы выходят на поверхность микрошлифа различными кристаллографическими плоскостями, степень их травимости реактивом различна и они имеют неодинаковую окраску.

Микроструктура двухфазной латуни марки Л59 в литом состоя­нии, представленная на рис.9.8, состоит из светлых зерен α-твердого раствора цинка в меди и темных (более богатых цинком и травящихся сильнее) зерен β-твердого раствора на базе химического соединения CuZn. Присутствие в структуре β - фазы, имеющей низкую пластичность и высокую твердость, повышает характеристики прочности латуней. Двухфазные латуни являются более пластичными при температурах выше 500°С. Поэтому эти латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных горячей обработкой давлением: листов, прутков, труб, штамповок, из которых изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Легированные латуни применяют в качестве деформируемых и литейных. Последние, как правило, содержат большое количество цинка и легирующих элементов.

В промышленности находят применение как двойные - оловянные, свинцовистые и другие бронзы, так и многокомпонентные, содержащие кроме основных легирующих элементов добавки свинца, цинка, фосфора и никеля.

Рис.9.7. Схема микроструктуры однофазной латуни марки Л68 после холодной пластической деформации и рекристаллизационного отжига, α-фаза, х 440

Рис.9.8. Схема микроструктуры двухфазной латуни марки Л59 в литом состоянии, α-фаза и β-фаза, х 440

Микроструктура двойных оловянных бронз определяется диа­граммой состояния системы Cu-Sn. На рис.9.9 приведен фрагмент этой диа­граммы для сплавов с содержанием олова до 30%, поскольку промыш­ленное применение имеют сплавы, содержащие до 20%Sn. Сплошными -

Рис.9.9. Фрагмент диаграммы состояния системы медь-олово

Рис.9.10. Схема микроструктуры двухфазной бронзы марки БрО10 в литом состоянии, α-фаза и эвтектоид (α+δ),.х600

линиями показаны границы фазовых областей равновесной системы.

В соответствии с этой диаграммой состояния бронзы по структуре делятся на однофазные, состоящие из зерен α-твердого раствора олова в меди, и двухфазные, состоящие из зерен α -твердого раствора олова в меди и зерен эвтектоида (α+δ), в котором δ-фаза представляет собой соединение Cu₃Sn₈. При очень медленном охлаждении протекает равновесная кристаллизация, и граница между однофазными и двухфазными бронзами соответствует 14% олова. В реальных заводских условиях при литье в металлические и земляные формы происходит ускоренное охлаждение сплавов, в связи с чем диффузия атомов олова в меди затрудняется и сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была постоянное, равной

6-8%, и не менялась с температурой (пунктирные линии на рис.9.9). Исходя из этого, однофазными являются бронзы с содержанием олова не более 5-6%. Такие сплавы имеют высокую пла­стичность и являются деформируемыми.

Бронзы, содержащие олово в большем количестве, по структуре являются двухфазными. Микроструктура двухфазной бронзы марки БрО10 состоит из темных зерен α-твердого раствора олова в меди и зерен эвтектоида (α+δ) (рис.9.10). Основой эвтектоида является S-фаза (химическое соединение Cu₃Sn₈), на белом поле которой расположены мелкие темные выделения α-фазы. Наличие твердой и хрупкой δ-фазы исключает возможность обработки давлением, поэтому такие бронзы применяют только в литом состоянии.

В качестве примера можно назвать литейные бронзы марок БрО5Ц5С5, БрО10Ф1 и др., деформируемые бронзы марок БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3 и др. Оловянистые бронзы используются для изготовления паровой и водяной арматуры, подшипников скольжения, втулок, зубчатых колес, деталей приборов.

Микроструктуру свинцовистых бронз можно охарактеризовать с помощью двойной диаграммы состояния системы Cu-Pb (рис.9.11). Как видно из диаграммы состояния, свинцовистая бронза марки БрС30 с содержанием свинца 30% является доэвтектическим сплавом и его структура при нормальной (комнатной) температуре должна состоять из зерен α-твердого раствора свинца в меди и эвтектики, состоящей из α-твердого раствора свинца в меди и β-твердого раствора.

Рис. 9.11. Диаграмма состояния системы медь-свинец

Рис.9.12. Схема микроструктуры свинцовистой бронзы марки БрС30 в литом состоянии, α-фаза и эвтектика (α+β), х340

Однако эвтектика по составу совпадает с чистым свинцом (99,98%), а α-фаза - с чистой медью, поэтому можно сказать, что фактически микроструктура сплава состоит из зерен двух металлов - свинца и меди.

На рис.9.12 представлена микроструктура свинцовистой бронзы марки БрС30, состоящая из светлых зерен α-фазы (фактически меди) и темных зерен эвтектики (фактически свинца). Свинцовистые бронзы являются высококачественными антифрикционными материалами и применяются для изготовления опорных и шатунных подшипников мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и других машин.