Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Материаловедение в машиностроении

Цветные металлы и сплавы

Медь и сплавы на ее основе

Медь химический элемент I группы Периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 29. Кристаллическая решетка меди – ГЦК. Температура плавления 1083 °С; плотность 8,94 г/см3. Медь обладает очень высокой тепло- и электропроводностью, уступая по этим свойствам только серебру. Вследствие высокой электропроводности, коррозионной стойкости и пластичности медь получила широкое применение в электропромышленности (см. 10.6.2). Медь – металл красноватого цвета.

К недостаткам меди следует отнести высокую плотность, что определяет большой вес изделий, а также ряд технологических недостатков: малую жидкотекучесть, низкую свариваемость и обрабатываемость резанием.

В зависимости от чистоты выпускают медь следующих марок: М00 (99,99% Си), МО (99,95% Си), Ml (99,9% Си), М2 (99,7% Си) и М3 (99,5% Си).

Медь выпускают в виде листов, прутков, труб и проволоки. Помимо использования в электропромышленности из меди, используя ее высокую теплопроводность, изготавливают различные теплообменники, нагреватели радиаторов и т.д.

Сплавы на основе меди

Медь является основой конструкционных машиностроительных сплавов – это латуни и бронзы.

Латуни – сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является цинк. Бронзы – сплавы меди с другими компонентами, в числе которых в качестве неосновного может быть и цинк.

Медные сплавы нашли широкое применение в промышленности благодаря высоким эксплуатационным и технологическим свойствам. Они обладают достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами, немагнитны.

Большинство сплавов на основе меди не может быть упрочнено с помощью термической обработки. Анализ диаграмм состояния "медь – легирующий компонент" (рис. 8.1 и ниже 8.3) показывает, что невозможна перекристаллизация – из-за отсутствия в сплавах полиморфного превращения. Невозможно также дисперсионное твердение – поскольку понижение температуры не сопровождается уменьшением растворимости легирующего компонента в α-твердом растворе (для системы "медь – цинк", напротив, даже увеличивается), поэтому получить пересыщенный твердый раствор с последующим выделением дисперсных частиц упрочняющей фазы нельзя.

Диаграмма состояния сплавов системы

Рис. 8.1. Диаграмма состояния сплавов системы "Cu – Ζn"

Структура медных сплавов в зависимости от концентрации в них легирующих компонентов может быть однофазной – твердый раствор замещения легирующего компонента в меди (α) или двухфазной а + интерметаллид (химическое соединение).

По технологическому признаку сплавы подразделяются па деформируемые и литейные. В основе этого деления лежат свойства сплавов, определяемые их структурой.

Высокой пластичностью обладают сплавы типа "твердый раствор", поэтому деформируемые сплавы, как правило, однофазные или, что реже, двухфазные с небольшим количеством второй фазы. Однофазные сплавы хорошо деформируются в горячем и в холодном состоянии, двухфазные – лишь в горячем при температурах выше 500...600 °С.

Литейные сплавы – двухфазные. Наличие второй фазы определяет малую пластичность сплавов, но они обладают хорошей жидкотекучестью вследствие относительно низких температур плавления (см. 11.2.1).

Деформируемые сплавы поставляют в виде листов, ленты, проволоки, проката. Литейные сплавы – в виде чушек.

Маркировка латуней и бронз. Легирующие компоненты в марках этих сплавов обозначаются одинаковыми буквами (отличными от принятых для обозначения сталей): А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Мг – магний, Н – никель, О – олово, С – свинец, Т – титан, Ф – фосфор, X – хром, Ц – цинк.

Содержание компонентов указывается в массовых процентах. Сочетание букв и цифр в марках деформируемых и литейных сплавов различное. В обозначении деформируемых сначала пишутся все буквы, обозначающие наличие определенных легирующих компонентов, а затем цифры, показывающие содержание компонентов в порядке их написания. В литейных – цифры пишутся непосредственно после буквы, обозначающей наличие компонента (аналогично тому, как это принято в сталях).

Латуни обозначаются буквой "Л". В деформируемых латунях содержание цинка не указывается, оно дополняет состав до 100% (например, состав латуни Л96 – 96% Си и неуказанное содержание Zn – 4%). В литейных, наоборот, не указывается содержание меди (состав литейной латуни ЛЦЗОАЗ – 30% Zn, 3% Al и 67% Си).

Бронзы обозначаются буквами "Бр", в марках не указывается содержание меди. Примеры обозначения бронз: деформируемой БрОЦС 6-6-3 (Sn – 6%, Zn – 6%, Pb – 3%, остальное – Си) и литейной Бр08Ц4 (Sn – 8%, Zn – 4%, остальное – Си).

Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых основным легирующим компонентом является цинк. Они обладают более высокой прочностью и коррозионной стойкостью, лучшей технологичностью, чем медь. Латуни – наиболее распространенные конструкционные машиностроительные медные сплавы. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, износостойкость. Вместе с тем по сравнению с медью латуни имеют более низкие тепло- и электропроводность.

По химическому составу латуни разделяют на простые (один легирующий компонент – цинк) и сложные (с несколькими легирующими компонентами), по структуре – на однофазные и двухфазные.

Медь образует с цинком твердый раствор замещения (см. диаграмму "Си – Zn" на рис. 8.1). Предельная растворимость цинка в меди высока – 39%. При большей концентрации цинка в структуре сплавов образуется фаза CuZn (β'-фаза), обладающая высокой твердостью и хрупкостью.

Прочность и пластичность латуней в зависимости от содержания цинка меняются нелинейно (в соответствии с правилом Н. С. Курнакова для твердых растворов, см. 3.4.6 и рис. 3.13). Зависимости и прочности, и пластичности имеют экстремумы – максимумы (рис. 8.2). Повышение прочности наблюдается при увеличении концентрации цинка до 45% (т.е. в областях а и а + β') (см. рис. 8.1). При его большем содержании структура сплавов становится однофазной, состоящей из хрупкой β'-фазы, что приводит к снижению прочности. В промышленности используют латуни с содержанием цинка до 45%. Повышение пластичности при увеличении концентрации цинка достигается лишь для сплавов с однофазной структурой (α-твердого раствора), при переходе в двухфазную область пластичность снижается из-за появления β'-фазы.

Однофазные латуни (с содержанием цинка менее 39%) имеют хорошую пластичность, они обрабатываются давлением в холодном и в горячем состояниях. При холодной обработке давлением достигается повышение механиче-

Влияние цинка на предел прочности (σв) и пластичность (δ) латуней

Рис. 8.2. Влияние цинка на предел прочности (σв) и пластичность (δ) латуней

ских свойств за счет наклепа. (Напомним, что термической обработкой латуни упрочнить нельзя.) Двухфазные латуни (Ζn > 39%) обрабатываются давлением только в горячем состоянии, но они хорошо обрабатываются резанием, так как наличие хрупкой β'-фазы обеспечивает лучшее стружкоотделение.

Простые латуни с содержанием цинка до 10% (Л96) называются "томпаки", при содержании цинка 10...20% (Л80) – "полутомпаки". Эти латуни имеют цвет золота и широко применяются для изготовления декоративных изделий.

Дополнительное легирование латуней (наряду с цинком) позволяет получать конструкционные материалы с более высокими механическими или лучшими технологическими свойствами.

Легирование оловом, алюминием, кремнием, марганцем (например, ЛО70-1) повышает коррозионную стойкость.

Латуни с никелем и алюминием имеют повышенные механические свойства. Предел прочности латуни Л96 – 240 МПа, латуни с никелем ЛАН 59-3-2 – 500 МПа, прочность сложнолегированных латуней (ЛЦ23А6ЖЗМЦ2) достигает 600...700 МПа.

Латунь ЛС 59-1 хорошо обрабатывается резанием, ее называют автоматной латунью (см. 11.5.2). Она предназначена для изделий, которые изготавливают резанием на станках-автоматах (например, для крепежных деталей).

Сложные коррозионно-стойкие латуни, легированные оловом, алюминием, марганцем, широко применяются в судостроении.

Двухфазные (более прочные) латуни используют для изготовления различных деталей машин – зубчатых колес, подшипников скольжения и т.д.

Диаграмма состояния сплавов системы

Рис. 8.3. Диаграмма состояния сплавов системы "Cu – Sn"

Бронзы – сплавы меди, в которых основным может быть любой легирующий компонент, кроме цинка и никеля. Основные легирующие компоненты – олово (оловянные бронзы), алюминий (алюминиевые бронзы), бериллий (бериллиевые бронзы).

Механические и антифрикционные свойства, а также коррозионная стойкость бронз выше, чем у латуней.

Оловянные бронзы. Медь образует с оловом (как и с цинком) твердые растворы и промежуточные (интерметаллидные) фазы. Область существования α-твердого раствора на диаграмме состояния "Cu – Sn" значительно у́же, чем на диаграмме "Cu – Zn".

В соответствии с диаграммой состояния системы "Cu – Sn" (рис. 8.3) предельная растворимость олова в меди составляет 14%, при большем содержании олова сплавы становятся двухфазными, появляется вторая фаза (6). Однако малая скорость диффузии олова в меди не позволяет получить в реальных сплавах равновесного состояния.

Поэтому фактически однофазными являются бронзы с содержанием олова до 5...6%.

При его большем содержании в структуре уже появляется δ-фаза, обладающая высокой твердостью и хрупкостью, что сопровождается повышением прочности, но резким снижением вязкости и пластичности сплава (рис. 8.4).

Однофазные бронзы (БрОФ6,5-0,15, БрОЦС 4-4-2,5) обладают достаточно высокой пластичностью. Это деформируемые сплавы, их можно деформировать в холодном состоянии и упрочнять наклепом.

Наличие хрупкой δ-фазы в двухфазных бронзах исключает возможность их деформирования не только в холодном, но и в горячем состоянии. Это литейные бронзы (Бр05Н5С5, Бр08Ц4).

Прочность деформируемых оловянных бронз – 300... ...400 МПа, литейных – 150...200 МПа.

Помимо основного легирующего компонента – олова оловянные бронзы легируют цинком, свинцом, фосфором.

Цинк в количестве 5...10% растворяется в меди, не оказывая существенного влияния на структуру, его вводят для удешевления бронз. Свинец улучшает обрабатываемость резанием. Фосфор повышает механические свойства бронз, являясь раскислителем, он удаляет (выводит в шлак при плавке) хрупкие включения оксида олова (SnO).

Высокая коррозионная стойкость бронз определила их применение для деталей, работающих в агрессивных средах – морской воде, маслах и др.

Деформируемые бронзы применяют для изготовления пружин и упругих элементов машин и приборов.

Литейные оловянные бронзы используют для изготовления деталей пар трения скольжения (втулки и подшипники

Механические свойства сплавов системы

Рис. 8.4. Механические свойства сплавов системы "Cu – Sn"

скольжения). Отливки из бронз обладают высокой пористостью. Поры, распределенные по всему объему, являются маслозадерживающими емкостями, и это определяет высокие антифрикционные свойства бронз. Пористость определяет также малую усадку, т.е. высокие литейные свойства (см. 11.2.1 и 11.2.2).

Алюминиевые бронзы. При содержании А1 до 9% бронзы имеют однофазную структуру (α-твердый раствор замещения алюминия в меди). Однофазные алюминиевые бронзы отличаются высокой прочностью и пластичностью.

При большем содержании алюминия в структуре появляется вторая фаза Си32А119, хрупкая, обладающая высокой твердостью. Это приводит к резкому снижению пластичности сплавов, поэтому практическое применение получили бронзы, содержащие не более 10% алюминия. Двухфазные бронзы менее пластичны, заготовки из них получают либо горячей пластической деформацией, либо литьем.

Дополнительное легирование бронз железом, никелем, марганцем улучшает ряд свойств.

Железо повышает прочность, твердость и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель повышает механические свойства, жаростойкость и коррозионную стойкость, улучшает антифрикционные свойства. Марганец повышает технологические свойства и коррозионную стойкость.

Алюминиевые бронзы обладают комплексом высоких эксплуатационных и технологических свойств. По прочности и коррозионной стойкости они превосходят оловянные бронзы, обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Двух- и многокомпонентные алюминиевые бронзы имеют широкое применение в машиностроении. Высокая прочность (до 650 МПа) и хорошие технологические свойства позволяют изготавливать из них детали сложной формы, работающие в особо тяжелых условиях, например венцы червячных колес, зубчатые колеса и др. Алюминиевые бронзы, дополнительно легированные железом, марганцем и никелем, широко применяются в авиационной промышленности и судостроении. Из двухфазных бронз изготавливают детали пар трения скольжения. Высокая износостойкость бронз при эксплуатации в этих условиях объясняется низким коэффициентом трения таких материалов (пористость) и наличием в структуре второй твердой фазы.

Бериллиевые бронзы. Принципиальным отличием бериллисвых бронз от прочих является возможность их упрочнения за счет дисперсионного твердения вследствие снижения растворимости бериллия в меди от – 2,7 до 0,3% при понижении температуры от – 866°C до цеховой (рис. 8.5).

Упрочняющая термическая обработка – закалка и последующее старение. Рассмотрим упрочнение широко используемой бронзы марки БрБ2 (2% Be). Ее структура в равновесном состоянии – α-твсрдый раствор замещения бериллия в меди и крупные частицы γ-фазы, обладающей высокой твердостью. Нагрев под закалку до 760...780 °С обеспечивает полное растворение γ-фазы в α-твердом растворе. Быстрое охлаждение в воде фиксирует при температуре цеха пересыщенный бериллием α-твердый раствор. В закаленном состоянии бронза имеет малую прочность (σΒ – 550 МПа) и высокую пластичность (8 – 25%).

Диаграмма состояния сплавов системы

Рис. 8.5. Диаграмма состояния сплавов системы "Cu – Be"

Закаленный сплав подвергают искусственному старению при 300...350°С. В результате выделения из пересыщенного твердого раствора вторичной дисперсной γ-фазы достигаются следующие свойства: σв – 1250 МПа; σ0,2 – 1000 МПа; δ = 2,5%; твердость – 370 НВ.

Практическое применение получили бериллиевые бронзы с содержанием бериллия 1,9...2,2%. Сплавы с большей концентрацией бериллия не применяются, поскольку имеют низкую пластичность из-за большого количества γ-фазы. Бериллиевые бронзы легируют марганцем, никелем и титаном (например, БрБНТ1,9; средний состав 2% Be, 0,3% Ni, 0,2% Ti).

Бериллиевые бронзы выпускают в виде проката (пруток, полоса, лента, проволока), из них можно также получать качественные отливки.

Эти бронзы наряду с высокими значениями пределов прочности и упругости обладают коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением усталости, ползучести и изнашиванию. Высокое значение предела упругости определило применение бериллиевых бронз для изготовления упругих элементов (пружин, мембран и т.п.) точных приборов, в которых нельзя использовать материалы, обладающие магнитными свойствами. Бериллиевые бронзы обладают достаточно высокой теплостойкостью. Изделия из них могут работать при нагреве до 340 °С. Их применяют также и для изготовления нагруженных деталей приборов и машин (кулачков; подшипников скольжения, работающих при высоких скоростях, и т.д.).

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы