Классификация медных сплавов. Латуни.
Различают 2 основные группы медных сплавов: 1) латуни, сплавы меди с цинком и 2) бронзы, сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но наряду с другими может быть и цинк.
Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.
Обозначаются сплавы начальной буквой (Л – латунь, Б – бронза), после чего следуют 1е буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, Ж – железо, Ф – фосфор, Б – бериллий, Х – хром и т.д. Цифры следующие за буквой, указывают количество легирующих элементов. Например, ЛЖМц59-1-1 – латунь, содержащая 59% меди, 1% железа и 1% Мn, остальное цинк. Или: БрОФ6,5-0,15 – бронза, содержащая 6,5 олова, 0,15 Р, остальное медь.
Латуни – это двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, легирующий элемент – цинк.
Диаграмма состояния Cu-Zn сложна и состоит из 5-ти перитектических диаграмм. В твердом состоянии в сплавах возможно образование 6-ти фаз.
Zn при комнатной температуре растворяется в меди на 39%, не меняется практически до 4530С. Образуется a - твердый раствор Zn в меди с решеткой меди ГЦК.
Наиболее часто структура латуней состоит из a и a+b¢ фаз. b¢ - фаза – упорядоченный b - твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с решеткой ОЦК.
При высоких температурах b - фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности. В этом состоянии b - фаза пластична. При температуре 454-4680С расположение атомов Cu и Zn упорядочивается и фаза обозначается b¢.
Механические свойства сплава зависят от содержания Zn. В области a - твердого раствора прочность и пластичность растут. При появлении в структуре b¢ - кристаллов пластичность падает, а прочность возрастает до содержания цинка 45%. При большем содержании цинка структура сплава состоит из b¢ - фазы и прочность сильно уменьшается из-за высокой хрупкости.
Технические латуни содержат 40-45% цинка. В зависимости от содержания цинка различают a - латуни и a+b¢ - латуни. 1-е хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. 2-х фазные a+b¢ - латуни мало пластичны в холодном состоянии. Обычно их подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих области b или a+b¢ - фаз. a+b¢ - латуни более прочны и износостойки, чем a - латуни.
Нередко используют специальные или многокомпонентные латуни, получаемые легированием двойных латуней алюминием, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и т.д.
Все, кроме Ni, легирующие элементы уменьшают растворимость Zn в меди и способствуют образованию b¢ - фазы.
Электронные соединения (фазы Юм-Розери) образуются между 2-мя металлами из следующих групп: Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pd, Pt с одной стороны и Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si с другой стороны. Эти соединения характеризуются определенным соотношением между валентными электронами и числом атомов (3/2, 21/13 или 7/4), причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Например, при отношении числа валентных электронов к числу атомов, равному 3/2 образуется решетка ОЦ куба (так называемая b - фаза). Все соединения, у которых отношение числа валентных электронов к числу атомов равны 21/13, имеют сложную кубическую решетку с 52 атомами на ячейку (g-фаза), при отношении 7/4 – гексагональную решетку (e-фаза). Например, в системе Cu-Zn b - фазой является соединение Cu-Zn (3/2), g-фазой - Cu5Zn8 (21/13) и e - фазойCuZn3 (7/4).
У электронных соединений определенное соотношение атомов и новая, отличная от элементов кристаллическая решетка – это признаки, характерные для химического соединения. Однако в соединении нет упорядоченного расположения атомов. При высоких температурах атомы обоих элементов часто не занимают определенных узлов в решетке, т.е. располагаются статистически.
При понижении температуры до определенного значения происходит упорядочение, которое обычно не бывает полным.
Таким образом, и этот тип соединений следует считать промежуточным между химическим соединением и твердым раствором.
Электрические соединения в сплавах меди
| Система | β -фаза, отн.3/2 куб. объемн.-центр. решетка | γ-фаза,21/13 сложн.куб.решетка | ε-фаза, отн. 7/4 гексагон.решетка |
| Cu-Zn | CuZn | Cu5Zn8 | CuZn3 |
| Cu-Sn | Cu5Sn | Cu31Sn8 | Cu3Sn |
| Cu-Al | Cu3Al | Cu9Al4 | Cu5Al3 |
| Cu-Si | Cu5Si | Cu31Si8 | Cu3Si |
В связи с этим специальные латуни чаще всего 2-х фазные a+b¢. Ni увеличивает растворимость Zn в меди, уменьшает количество b¢ - фазы и при определенном соединении Ni сплав становится однофазным (a-латунь).
Легирующие элементы увеличивают прочность, в частности, твердость, но уменьшают пластичность латуни.
Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni.
Наклепанные латуни и содержащие Zn свыше 20% в присутствии влаги, О2, NH3 склонны к коррозионному растрескиванию. Во избежание этого латунные полуфабрикаты указанных свойств отжигают при 250-650 оС, а изделия из латуни при 250-270 оС.
По техническому признаку латуни подразделяют на 2 группы: деформируемые, из которых изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты и литейные – для фасонного литья. Последние обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.
Если требуется высокая пластичность, теплопроводимость и важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию, применяют α- латуни с высоким содержанием меди: Л96 и Л9Л (латуни, содержащие до 10% цинка, называют томпаком, а от 10 до 20% цинка – полутомпаком).
Латуни с большим содержанием цинка – Л70 (a-л) и Л62 (a+bл¢) обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии. Наиболее пластична a - латунь Л70, которую используют чаще всего для изготовления деталей штамповкой.
В судостроении применяют коррозионностойкую деформируемую латунь [-ЛАЖ60-1-1] и ЛЖМц59-1-1.
Еще более стойки в морской воде латуни, легированные Sn ЛО70-1 и ЛО62-1, так называемые морские латуни.
ЛС59-1 – автоматная латунь поставляется в прутках, из нее изготавливают изделия на станках-автоматах.
Для уменьшения твердости полуфабрикаты подвергают рекристаллизационному отжигу при 600-700 оС. Для отделения слоя окалины охлаждают на воздухе или в воде. Чтобы получить мелкозернистость структуры перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при более низкой температуре: 450-5500С.
Структура и свойства a+b¢ - латуней зависят от скорости охлаждения. При быстром охлаждении возрастает количество b¢ - фазы, что повышает твердость и иногда улучшает обработку резанием. При необходимости холодной обработки давлением, когда нужна высокая пластичность, охлаждение должно быть медленным, чтобы получить больше a - фазы.
Латуни, предназначенные для фасонного литья с повышенной прочностью, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Такие латуни более коррозионностойки.
Оловянные бронзы.
Оловянистая бронза – один из старейших металлических сплавов. Медь дает с Sn диаграмму состояния, состоящую, подобно меди с цинком, из ряда перитектических диаграмм. Однако, влияние олова на структуру сплавов эффективнее влияния цинка приближенно в 2 раза. Оловянистые бронзы подвержены сильной дендритной ликвации [на что указывает очень большое расстояние между линиями ликвидус и солидус на диаграмме состояния Cu-Sn].
В системе Cu-Sn образуется a - твердый раствор Sn и Cu с ГЦК решеткой и ряд промежуточных твердых растворов, полученных на основе соединений электронного типа. Основой b - твердого раствора является соединение Cu5Sn с отношением числа валентных электронов к числу атомов 3/2; основой g - твердого раствора – соединение Cu31Sn8 (21/13) и основой e - твердого раствора Cu3Sn – 7/4.
Структура промышленных оловянистых бронз из-за малой скорости диффузии олова в меди, а также по причине сильной ликвации не всегда соответствует диаграмме сплавов Cu-Sn. Из-за малой скорости превращения литые бронзы с 8-10% Sn состоят из a - твердого раствора в Cu неоднородной концентрации и эвтектоида. Дендриты бронзы, богатые медью, при травлении темнеют, а междендритные пространства, богатые оловом, а также эвтектоид, остаются светлыми.
Если в бронзе присутствует цинк, он полностью находится в твердом состоянии и не обнаруживается под микроскопом. Он улучшает ее механические свойства и жидкотекучесть. Свинец присутствует в виде отдельных темных включений, которые можно различить даже без травления. Он улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость режущим инструментом. Никель повышает механические свойства, измельчая зерно.
Фосфор служит раскислителем и устраняет хрупкие включения оксида олова, повышает жидкотекучесть, износостойкость и антифрикционные свойства. Химический состав оловянистых бронз: БрОЦС6-6-3, Sn 6, Zn 6, 3%Pb.
Наилучшими литейными свойствами – минимальной усадкой – обладают оловянистые бронзы, например, БрОФ-10-1, называемая фосфористой, но она дорогая. Более дешевые и доступные вторичные бронзы, получаемые при переплавке лома и отходов, например, БрОЦС6-6-3.
Алюминиевые бронзы.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозийными и антифрикционными свойствами. Они широко применяются. Бывают двойные, например, марки БрА5 (алюминий 5%) и многокомпонентные с присадками Fe, Mn, Ni, марки БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН-10-4-4.
В a - твердом растворе может находиться до 9,8% Al. Двойная алюминиевая бронза марки БрА5 отличается высокой прочностью и пластичностью и хорошо поддается как холодной, так и горячей обработке давлением.
Многокомпонентные сплавы прочнее и технологичнее, но менее пластичны.
Железо замедляет фазовую перекристаллизацию алюминиевой бронзы за счет образования крупнозернистой и хрупкой g - фазы при охлаждении отливок. Mn входит в твердый раствор и повышает прочность и коррозионные свойства бронзы. Никель улучшает механические свойства бронз при повышенных температурах, увеличивает износостойкость и создает возможность их термической обработки.
По сравнению с оловянистыми бронзами алюминиевые обладают несколько худшими литейными качествами: дают большую усадку, больше склонны к образованию трещин при затрудненной усадке. Неблагоприятные условия плавки и заливки способствуют большому насыщению газами и окислению. У алюминиевых бронз из-за образования оксида алюминия труднее получаются герметичные отливки сложной формы, труднее поддаются пайке.
Но многокомпонентные алюминиевые бронзы широко применяются для отливок и штамповок как качественные заменители оловянистых бронз.
5.Кремнистая бронза: БрКМц 3-1 идет на изготовление пружин.
Бериллиевая: Бр-Б2 после закалки и старения имеет высокие механические свойства. Если после закалки при 8000С бериллиевая бронза имеет σв=50 кГ/мм2 (490 Мн/м2), d ≈ 30% и НВ ~ 100, то после старения в течении 2 часов при 350 оС твердость увеличится до НВ400, предел прочности σв =130¸150 кг/мм2 (1275-1470Мн/м2), но относительное удлинение падает до δ = 1,5÷2 %.
Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,95%Рв), поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен и заполняют междендритные пространства.
Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это определяет широкое применение бронзы БрС30 для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводимость бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПЛАВЫ
1. Нержавеющая сталь.
2. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.
3. Стали с высоким электрическим сопротивлением.
4. Стали с особым тепловым расширением.
5. Магнитные стали и сплавы.
6. Титан и его сплавы.
Развитие ядерной, нефтяной и химической промышленности вызвало бурный рост производства сплавов с особыми физическими и химическими свойствами.
Основным требованием, предъявленным к специальным сплавам, является обеспечение определенного уровня физических свойств.
В зависимости от назначения, стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами можно разделить на следующие 5 групп:
1. Нержавеющие стали с высоким сопротивлением коррозии и действию кислот.
2. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением.
3. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.
4. Стали с особым тепловым расширением.
5. Магнитные стали и сплавы.
Механические свойства этих сталей и сплавов чаще имеют второстепенное значение, но многие из них должны иметь химических состав высокой точности и строго соблюдаемую технологию производства.
Сталь с высоким сопротивлением коррозии, т.е. по отношению к химическому или электрохимическому разрушению металла вследствие взаимодействия с внешней средой, называется нержавеющей.
Высокое сопротивление коррозии нержавеющей стали объясняется очень большим содержанием в ней хрома. Оксиды хрома (FeCr)2О3 образуют на ее поверхности очень тонкую, но достаточно прочную и непроницаемую (благодаря структурному соответствию с основным металлом) защитную пленку.
При нарушении целостности этой защитной пленки коррозионная стойкость нержавеющей стали снижается (например, окалина, царапины и риски после механической обработки, неметаллические включения).
Нержавеющие стали разделяются в основном на 2 типа: мартенситные (хромистые) и аустенитные (хромо-никелевые или хромо-марганцевые), например, состав коррозионно-стойких сталей по ГОСТ 5632-61 таков: мартенситно-ферритная сталь марки 1Х13 содержит 0,09-0,015% С, 12,0-14,0Cr.
Мартенситная сталь 2Х13 содержит 0,16-0,24% С, 12-14 Cr, аустенитная сталь Х18Н9Т содержит менее 0,12С, 17-19Cr, 8,0-9,5 Ni, (С-0,02)х5-0,7Ti.
Ферритная сталь ОХ17Т содержит менее 0,08 С, 16-18 Cr, 5С-0,8 Ti. По назначению эти стали разделяются на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные низкоуглеродистые стали, 1Х13 и 2Х13 должны содержать не менее 12% хрома. Термическая обработка деталей из сталей 1Х13 и 2Х13 заключается в закалке их при 10000С в масле и отпуске при 600-7000С с целью получения сорбитной структуры. Такие стали отличаются хорошей ковкостью и вязкостью, из них изготавливаются турбинные лопатки, детали для холодильного оборудования и т.д. Сталь 2Х13, а иногда и сталь 3Х13 применяется для деталей, работающих при высоких напряжениях.
Инструментальные хромистые нержавеющие стали 3Х13 и 4Х13 применяются для изготовления ножей, хирургического инструмента, пружин.
Режущий инструмент из этих сталей закаливают при 1050 оС в масле и отпускают при 200-280 оС до HRC 48-56. Структура стали после термической обработки состоит из отпущенного мартенсита с незначительным количеством карбидов. Сталь с такой структурой принадлежит к мартенситному классу и хорошо сопротивляется коррозии.
Низкая теплопроводимость сталей с высоким содержанием хрома требует осторожного нагрева их и ступенчатой закалки. Добавка свыше 8% никеля в хромистую сталь Х18Н9 и 1Х18Н9Т позволяет получить после закалки с 11500С в воде аустенитную структуру. Высокая температура нагрева необходима для растворения карбидов и получения однородного аустенита. Подобная закалка создает у стали повышенную, по сравнению с хромистой нержавеющей сталью, коррозионную стойкость, вязкость и прочность при повышенных температурах. Аустенитные стали технологичны, хорошо поддаются холодной прокатке, штамповке, волочению, хорошо свариваются.
Хромо-никелевые стали устойчивы в отношении HNO3, на холоду, и к H2SO4, а в соляной – на холоду и в малых концентрациях.