Изучение микроструктуры сплавов на основе меди

Цель работы: используя металлографический микроскоп МИМ-7, альбом микроструктур и комплект микрошлифов, из учить микроструктуру меди с примесями и сплавов на ее основе -латуней и бронз. Выявить связь структуры сплавов с их свойствами, ознакомиться с применением сплавов на основе меди в машиностроении.

Теоретические сведения

Медь - металл красноватого цвета, имеет удельный вес 8940 кг/м³, температуру плавления 1083°С, кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая, аллотропических превращений не имеет. Чистая медь низкую прочность (σ_в=200 МПа), высокую пластичность (δ =50%), обладает наибольшими (после серебра) электропроводностью и теплопроводностью.

Структура чистой меди под микроскопом выглядит в виде красноватых зерен, отделенных друг от друга тонкими границами (рис.11.1.)

Рис. 11.1. Микроструктура меди (справа - схематическое изображение):

а) литая; б) холоднодеформированная, после рекристаллизационного отжига.

В процессе холодной пластической деформации зерна меди вытягиваются в направлении действующей силы и при большом обжатии структура становится волокнистой, характерной для наклепанного металла. Дальнейшая деформация оказывается невозможной из-за низкой пластичности и повышенной прочности. Последующий рекристаллизационный отжиг снижает прочность и восстанавливает пластичность, структура металла при этом претерпевает коренное изменение: волокна исчезают, возникают новые равноосные зерна. Для меди и сплавов на ее основе характерно появление внутри рекристаллизованных зерен двойниковых границ, обусловленное особым механизмом пластической деформации. Под микроскопом (см. альбом микроструктур) двойниковые границы видны в виде чередующихся прямых линий внутри каждого зерна, разделяющих темные и светлые участки.

В технической меди содержатся различные примеси. Одни из них растворимы в меди и поэтому структурно не обнаруживаются, другие нерастворимы, а третьи образуют с медью химические соединения. К примесям первой группы относятся олово, цинк, алюминий, никель, серебро и др. Они ухудшают электропроводность меди, не снижая ее пластичности. Примеси второй и третьей групп располагаются, как правило, по границам зерен и оказывают вредное влияние на механические свойства меди. Свинец и висмут не растворяются в меди, имеют низкую температуру плавления и вызывают явление красноломкости при обработке давлением. Кислород и сера образует с медью химические соединения и. Закись меди Сu₂О вызывает явление «водородной болезни», а сульфид Сu₂S усиливает ее.

В зависимости от количества содержащихся примесей медь маркируют по ГОСТ 859 - 78. Так, например, М00 содержит 0, 01% примесей, М1 - 0,10%, а М4 - 1, 00%.

Основным потребителем чистой меди является электротехническая промышленность, где она используется в виде проволоки, лент, полос, прутков, фольги и покрытий. Медные трубы используются в теплообменных устройствах.

Латуни

Латунями называют сплавы меди с цинком и другими элементами. Структура двойных латуней определяется положением сплава на диаграмме состояния «медь-цинка рис. 11.2).

При содержании цинка до 39% сплав состоит из зерен твердого раствора замещения цинка в меди. В литом сплаве зерна имеют форму дендритов (рис.11.3.), что свидетельствует о неоднородности их химического состава, т.е. дендритной ликвации. Такая структура является нежелательной, т.к. свойства сплава неодинаковы по сечению зерен и могут быть ниже требуемых. Чтобы устранить дендритную ликвацию, сплав подвергают высокотемпературному отжигу (диффузионному). В процессе отжига происходит выравнивание химического состава каждого зерна и свойства сплава улучшаются. Структура при этом становится гомогенной, равновесной Однофазные латуни обладают очень высокой пластичностью, поэтому используются для изготовления прутков, лент, труб, фольги, проволоки и других полуфабрикатов.

При содержании цинка свыше 39% в структуре латуни появляется вторая фаза - твердый раствор β. Его основу составляет химическое соединение. Твердый раствор β травится сильнее, чем α, поэтому в двухфазных сплавах под микроскопом он виден темным (рис. 11.4.). При комнатных температурах β-раствор обладает очень низкой пластичностью и повышенной хрупкостью, поэтому в машиностроении применяются лишь α и α+β латуни.

Рис. 11.2. Диаграмма состояния «медь - цинк»

Рис. 11.3. Микроструктура однофазной латуни (справа - схематическое изображение):

а) литая; б) деформированная и отожженная.

Рис.11.4. Микроструктура двухфазной латуни (справа – схематическое изображение):

а) литая; б) после деформации и отжига

Рис. 11.5. График изменения механических свойств латуней, в зависимости от содержания цинка: δ - относительной удлинение; σ_b- предел прочности

Для придания латуням более высоких механических или специальных свойств в них дополнительно вводят легирующие добавки - алюминий, железо, марганец, никель, олово, кремний, свинец и др. В структуре сплава они могут быть растворенными в твердом растворе или образовывать химические соединения.

Латуни сложного химического состава - многофазные; они используются преимущественно для получения методами литья деталей, работающих в тяжелых силовых и коррозионных условиях.

По способу изготовления изделий различают латуни деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни маркируются буквойЛ, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Литейные латуни также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца. Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Химический состав и свойства наиболее употребительных сплавов приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Состав и механические свойства латуней по ГОСТ 17711 - 80

Марка латуни	Струк­тура	Содержание элементов, %	Механические свойства
Медь	Легирующие элементы	σв. МПа	δ.%
Л68	α	67-70	—
ЛС59-1	α+β	57-60	0, 80-1, 90 Рв
Л062-1	α+β	61-63	0,70-1,10 Sп
ЛК80-3	α+β	79-81	2,50-4,00 Si
ЛАН59-3-2	α+β	57-60	2, 00-3, 00 Si 2, 50-3, 50 А1
ЛАЖ60-1-1	α+β	58-61	0, 75-1, 50 А1 0,75-1,50 Fе
*Остальное-цинк

Латуни применяют в тех случаях, когда требуется высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях и в морской воде в сочетании с хорошей теплопроводностью, электропроводностью, антифрикционными свойствами.

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка называются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Название бронзам дают по названию основного легирующего элемента, например, оловянная, алюминиевая и т.п. Отдельные бронзы в качестве легирующего компонента содержат цинк, но он не является основным. Но фазовому составу бронзы делят на однофазные и двухфазные. Однофазные бронзы состоят из зерен твердого раствора легирующих элементов в меди, называемого a-фазой. По технологическому признаку бронзы, как и латуни, делят на 2 группы: литейные и деформируемые. Литая однофазная бронза имеет структуру неоднородного твердого раствора, т.е. дендритную структуру. Дендриты любого сплава всегда обогащены более тугоплавким компонентом, а междендритные объемы – более легкоплавким. Схемы микроструктуры литой и деформированной однофазных бронз аналогичны соответствующим схемам латуни (рис. 11.5.). В двухфазных бронзах наряду с a-фазой присутствуют кристаллы более твердого химического соединения той или иной природы, которые могут присутствовать в структуре либо в виде отдельных кристаллов, либо являться составной частью эвтектоида. Например, микроструктура литой двухфазной бронзы БрА10 состоит из следующих структурных составляющих – светлых участков a-фазы (это твердый раствор алюминия в меди) и темных участков эвтектоидной смеси a-фазы и химического соединения (рис. 11.5).

Рис.11. 5. Микроструктура литой двухфазной бронзы (справа – схематическое изображение)

Оловянные бронзы. При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э(α + δ), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в художественном литье. Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть.

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,15. В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Литейные оловянные бронзы БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17 применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение α–твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфазные и состоят из α– и γ–фаз.

Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления λ–фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Дополнительное повышение прочности для сплавов с содержанием алюминия 8…9,5 % можно достичь закалкой.

Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с оловянными:

· меньшая склонность к внутрикристаллической ликвации;

· большая плотность отливок;

· более высокая прочность и жаропрочность;

· меньшая склонность к хладоломкости.

Основные недостатки алюминиевых бронз:

· значительная усадка;

· склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав;

· сильное газопоглощение жидкого расплава;

· самоотпуск при медленном охлаждении;

· недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители оловянных бронз. Они немагнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы относятся к числу самых высокопрочных медных сплавов. Бронза БрБ2, является высококачественным пружинным материалом. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвергают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искусственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа.

Химический состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 11.2.

Таблица 11. 2

Химический состав и механические свойства различных бронз

Марка бронзы	Химический состав,%	Механические свойства
Sn	Al	Pb	Mn	Ni	Другие	σв,МПа	δ,%
БрОЦСНЗ-7-5-1	2,5-4		3-6		0,5-2.0	6, 0-9,5 Zn
БрОЦС5-5-5	4-6		4-6			4, 0-6, 0 Zn
БрА7		6-8
БрАЖМц10-3-1, 5		9-11		1-2		2,0-4,0 Fе
БрБ2					0,2- 0,5	I,9-2, 2 Ве		4,5
БрБНТ1, 9					0.2- 0,4	1,8-2,1 Ве 0,1-0,2 Тi		2,5
БрСЗО			27-33
БрМц5				4-5,5
БрКН1-3				0,1- -0,4	2,5	0,6-1, 0 Si

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить теоретическое содержание работы.

2. Ознакомиться со структурами меди и сплавов, используя микрошлифы и альбом микроструктур.

3. Составить отчет по выполненной работе. Содержание отчета :название и цель работы, краткое содержание теории по медным сплавам, диаграмма состояния сплавов медь-цинк, рисунки микроструктур изученных сплавов с обозначением фаз и структурных составляющих.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные физические и механические свойства меди.

2. Какие примеси в меди являются вредными и почему?

3. Какие сплавы называют латунями? Какие легирующие элементы могут содержаться в латунях?

4. Какие типы латуней (по структуре) имеют практическое применение? Покажите их на диаграмме состояния.

5. Как маркируются латуни? Назовите наиболее применимые сплавы, расскажите оих свойствах и применении.

6. Какие сплавы называют бронзами? Назовите основные типы бронз.

7. Какие фазы образуются по диаграмме состояния «медь-олово» при кристаллизации сплава с 20% олова?

8. Расскажите о свойствах и применении оловянистых бронз. Назовите их марки.

9. Какие фазы встречаются в алюминиевых бронзах? Укажите их на диаграмме состояния.

10. Расскажите о свойствах и применении алюминиевых бронз. Назовите их марки.

11. Какие легирующие элементы и в каком количестве содержатся в бериллиевых бронзах? Назовите марки бронз.

12. Расскажите о упрочняющей термической обработке бериллиевых бронз.

13. Расскажите о свойствах и применении бериллиевых бронз. Назовите их марки.

Лабораторная работа № 12