Цветные металлы и сплавы на их основе

Медь и сплавы на ее основе

Медь

Медь - химический элемент I группы периодической системы, имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083^oС.

Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).

Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.

Латуни

Латунями называют двойные и многокомпонентные (добавки Al, Sn, Fe, Mn, Ni, Si, Pb и др. элементы в сумме до 10%) сплавы на основе меди, в которых главной добавкой является цинк, причем содержание цинка может меняться до 49%. Повышение содержания цинка приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов α, β, γ, ε (рис.1.29).

Рис.1.29. Диаграмма состояния медь – цинк

Из диаграммы состояния медь – цинк видно, что в зависимости от состава имеются однофазные латуни, состоящие из α – твердого раствора, и двухфазные (α + β) – латуни.

По способу изготовления изделий различают латуни деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, 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.

Однофазные α-латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку.

Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500^oС используют (α+ β)–латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “автоматной латунью”.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется “морской латунью“.

Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.

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. Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

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, показавающие 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.

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 – 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. В них содержится до 3,0% Si. Основными легирующими элементами являются Mn и Ni. 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. Свинцовые бронзы содержат 27...33 % РЬ. Свинец практически не растворяется в жидкой меди, и поэтому сплавы бронз после за­твердевания имеют микроструктуру, состоящую из зерен меди и эв­тектики (Cu+Pb), залегающей по границам зерен меди в виде капле­образных скоплений. Такая микроструктура бронзы обеспечивает ее высокие антифрикционные свойства.

Свинцовые бронзы (например, БрСЗО) обладают более высокой теплостойкостью, чем оловянные, и допускают нагревы до 300..320°С. При таких температурах свинцовые включения подплавляются, и жидкий свинец выполняет функции смазочного материала, уменьшающего коэффициент трения. Недостатком сплава БрСЗО яв­ляется склонность к ликвации по плотности.

Свинцовые бронзы легируют оловом и никелем, которые, растворяясь в меди, повышают износостойкость бронз (БрОС8-12, Е-СНбО-2,5).

Невысокие механические свойства свинцовых бронз позволяют использовать их в технике, в основном, в качестве биметаллических подшипников. Такие подшипники отличаются простотой изготовления (бронзу наплавляют тонким слоем на стальные ленты или трубы) и возможностью замены при изнашивании.

Бериллиевые бронзы. Содержат 1,8...2,5 % Be. Применяются в промышленности после упрочнения путем закалки и отпуска. Структура таких бронз (например, БрБ2) после термической обра­ботки содержит выделения СuBe, очень дисперсные и расположенные определенным образом внутри зерен твердого раствора. Образование высокодисперсных включений СuВе приводит к очень большому уп­рочнению бронз: σ_в - 1200... 1300 МПа, твердость — 350...400 НВ при снижении пластичности до 1,2...2 %. Кроме того, упрочненные берил­лиевые бронзы характеризуются исключительно высокой упругостью и повышенной электропроводностью. Бериллиевые бронзы хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Недостаток бронзы БрБ2 - высокая токсичность паров бериллия, что требует соответствую­щей техники безопасности при плавке. Основными легирующими элементами бериллиевых бронз яв­ляются Mn, Ni, Fe, Co, Ti и др. Мn вводится как заменитель бериллия для уменьшения стоимости, a Ti, Ni и др. играют роль упрочнителей, таккак образуют различного рода химические соединения. Ni, Fe и Со замедляют процесс фазовых превращений, что значительно об­легчает технологические процессы закалки. Ni задерживает рекри­сталлизацию бериллиевой бронзы и способствует получению более равномерной структуры. Введение магния в количестве 0,1 % повы­шает эффект дисперсионного упрочнения, но дальнейшее повышение егоконцентрации до 0,25 % и более приводит к значительному сни­жению пластичности.

Бериллиевые бронзы из-за высокой стоимости используются для особо ответственных изделий (контрольно-измерительных приборов, специаль­ных инструментов), в качестве контактов, разъемов, штырей, а также раз­личных упругих элементов (ленты, пружины, проволоки и др.) в авиацион­ной аппаратуре, радиотехнике, средствах связи, атомной и космической технике. Антифрикционные свойства этих бронз учитываются при изго­товлении подшипников, эксплуатируемых при больших скоростях, давле­ниях и повышенных температурах, а также шестерен, зубчатых колес, чер­вячных передач и др.

Важной технологической характеристикой бериллиевых бронз, в ча­стности БрБ2, является величина коробления (деформации). Особенно не­желательна эта деформация в точных изделиях особо малой жесткости, на которые устанавливают строгие допуски по размерам. Для уменьшения ве­личины деформации на всех приборостроительных заводах старение изде­лий из бериллиевых бронз проводят в специальных зажимах.