2. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Различают две основные группы медных сплавов: 1) латуни — сплавы меди с цинком; 2) бронзы — сплавы Леди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Принята следующая маркировка медных сплавов. Сплавы обозначают буквами «Л» — (латунь) или «Бр» (бронза), после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О — олово, Ц — цинк, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий, X — хром и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента.

Порядок цифр для бронз и латуней различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры прсле буквы указывают среднее содержание меди в процентах. Например, — латунь, содержащая . В случае легированных деформируемых латуней указывают еще буквы и цифры, обозначающие название и количество легирующего элемента, например означает латунь с , легированную алюминием в количестве и железом в количестве . Содержание цинка определяется по разности от . В деформированных бронзах содержание основного компонента — меди не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов в

Рис. 190. Диаграмма состояния и влияние цинка на механические свойства латуни (б)

процентах; цифры расположены в том же порядке, как и буквы, указывающие присутствие в бронзе того или иного элемента, например, бронза — имеет следующий состав: олова — цинка Содержание меди определяется по разности от

В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь содержит цинка и марганца Бронза содержит алюминия железа и марганца

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

Диаграмма состояния приведена на рис. 190, а.

Медь с цинком образует кроме основного а-раствора ряд фаз электронного типа и е.

Наиболее часто структура латуней состоит из а- или а -фаз: а-фаза — твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой меди Предельная растворимость цинка в меди составляет (рис. 190, а), а -фаза — упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения с решеткой

При высоких температурах -фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности (рис. 190, а). В этом состоянии -фаза пластична. При температуре ниже расположение атомов меди и цинка в этой фазе становится упорядоченным, и она обозначается Фаза в отличие от -фазы является более твердой и хрупкой; -фаза представляет собой электронное соединение Зависимость механических свойств латуни от содержания цинка показана на рис. 190, б. В области -твердого раствора прочность и пластичность растут. При появлении в структуре (З-кристаллов пластичность падает, а прочность продолжает возрастать примерно до При большем содержании цинка структура сплава

Рис. 191. Микроструктура а-латуни (а) и -латуни (б)

состоит из Р-фазы и прочность сильно уменьшается из-за высокой хрупкости.

Технические латуни содержат до В зависимости от содержания цинка различают а-латуни (рис. 191, а) и а -латуни (рис. 191, б).

К однофазным (пластичным) а-латуням, деформируемым в холодном и горячем состоянии, относятся (томпак), (полу-томпак) и имеющая наибольшую пластичность. Двухфазные а Р-латуни, — менее пластичны в холодном состоянии. Эти латуни подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих области или а -фазы; а -латуни по сравнению с а-латунью имеют большую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность.

Однофазные а-латуни после отжига имеют и а двухфазные — Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией однако пластичность резко снижается

Двухфазные латуни нередко легируют и другими элементами. Такие латуни называют специальными, или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию -фазы, поэтому специальные латуни чаще двухфазные . Никель увеличивает растворимость цинка в меди. При добавлении его к а -латуни количество Р-фазы уменьшается, и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной (а-латунь). Легирующие элементы увеличивают прочность (твердость), но уменьшают пластичность латуни.

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшав антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают

Таблица 38 (см. скан) Механические свойства и назначение специальных латуней (ГОСТ 16627-70 и ГОСТ 17711-80)

Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие свыше склонны к коррозионному («сезонному») растрескиванию в присутствии влаги, кислорода и аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250— 650 °С, а изделия из латуни — при 250-270 °С.

Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформированные, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные — для фасонного литья.

Литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Когда требуются высокая пластичность, повышенная теплопроводность и важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию, применяют а-латуни с высоким содержанием меди Латуни (-латуни) с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии. Наибольшей пластичностью обладает а-латунь которую чаще используют для изготовления деталей штамповкой.

Рис. 192. Диаграмма состояния Си-Sn (а) и влияние олова на механические свойства бронз (б)

В табл. 38 приведены механические свойства и назначение некоторых специальных латуней. Деформируемые латуни обладают высокими коррозионными свойствами в атмосферных условиях, пресной и морской воде и применяются для изготовления деталей в судостроении. Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, например, получившие название морских латуней. Латунь (автоматная латунь) поставляется в прутках и предназначается для изделий, изготовляемых резанием на станках-автоматах.

Для уменьшения твердости перед обработкой давлением и получения в полуфабрикатах требуемых свойств их подвергают рекристаллизационному отжигу, чаще при Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при более низкой температуре

Структура и свойства -латуней зависят от скорости охлаждения. При быстром охлаждении возрастает количество -фазы, что повышает твердость латуни и в некоторых случаях улучшает обработку резанием. Когда нужна высокая пластичность, например для холодной обработки давлением, охлаждение должно быть медленным, чтобы получить возможно большее количество а-фазы.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются и лучшей коррозионной стойкостью.

Оловянные бронзы. На рис. 192, а приведена диаграмма состояния Фаза а представляет твердый раствор олова в меди с ГЦК-решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения: -фаза -фаза -фаза а также у-фаза — твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена. Система имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. При температуре кристаллы -фазы

Рис. 193. Микроструктура оловянистой бронзы, а — после литья; б - после деформации и отжига

претерпевают эвтектоидный распад с образованием а- и -фаз, а при кристаллы твердого раствора у распадаются на фазы a и b.

При температуре -фаза распадается на а-твердый раствор и -фазу. Однако это превращение протекает только при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз В практике применяют только сплавы с содержанием до Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы при ускоренном охлаждении имеют резко выраженное дендритное строение.

Бронзы, содержащие до после деформации и отжига получают полиэдрическое строение (рис. 193, б) и представляют собой в основном -твердый раствор. После литья даже такие низколегированные бронзы в результате сильной ликвации могут иметь включения эвтектоида

При большем содержании олова в структуре бронз в равновесном состоянии с а-раствором присутствует эвтектоид Зависимость механических свойств литых бронз от содержания олова показана на рис. Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение предел прочности резко снижается.

Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе но при образовании эвтектоида сильно уменьшается. Оловянные бронзы обычно легируют и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии.

Таблица 39 (см. скан) Механические свойства и назначение деформируемых и литейных оловянных бронз

Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но повышает плотность отливок, а главное — облегчает обработку резаиием и улучшает антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы (табл. 39). Деформируемые бронзы изготовляют в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются для изготовления пружин и пружинных деталей, применяемых в различных отраслях промышленности. Структура деформированных оловянных бронз — -твердый раствор (см. рис. 193, б). Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и нередко свинца, имеют двухфазную структуру: -твердый раствор и твердые хрупкие включения -фазы, входящие обычно в структуру эвтектоида (см. рис. 193, а).

Оловянные бронзы обладают хорошими литейными свойствами и применяются для литья деталей сложной формы. Недостатком отливок из оловянных бронз является большая микропористость. Бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами. В связи с этим их часто применяют для изготовления антифрикционных деталей

Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700-750 °С с последующим быстрым охлаждением.

Рис. 194. Диаграмма состояния (а) и влияние алюминия на механические свойства сплавов (б)

Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные и др. Сплавы, содержащие до однофазные и состоят только из -твердого раствора алюминия в меди. Фаза существующая при температуре свыше представляет собой твердый раствор на базе электронного соединения При содержании алюминия более в структуре появляется эвтектоид а (у — электронное соединение Фаза а пластична, но прочность ее невелика. Двухфазные сплавы а имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ниже (рис. 194, б). Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость как при низких, так и при высоких температурах (500— 600 °С).

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере, имеют высокие механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой пластичностью, применяют для глубокой штамповки.

Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде фасонного литья.

Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они обеспечивают высокую плотность отливок.

Кремнистые бронзы (см. табл. 40). При легировании меди кремнием (до 3,5 %) повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются. Благодаря высоким механическим свойствам, упругости и коррозионной стойкости их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при температуре до а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Таблица 40 (см. скан) Механические свойства и назначение безоловянных бронз (ГОСТ 493-79, 18175—78)

Бериллиевые бронзы (см. табл. 40). Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемым термической обработкой. Предельная растворимость бериллия в меди при температуре 866 °С составляет 2,7 %, при температуре а при 300 °С всего Это указывает на возможность упрочнения бериллиевой бронзы методом дисперсного твердения. При нагреве бронзы до 760-780 °С образуется однородный а-раствор, который сохраняется в результате быстрого охлаждения в воде при нормальной температуре.

После закалки бронза обладает малой прочностью высокой пластичностью и способностью упрочняться при старении как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Старение проводят при При старении из пересыщенного а-раствора выделяются дисперсные частицы -фазы что сильно повышает прочность бронзы. Предварительно наклепанная бронза при старении упрочняется сильнее и быстрее.

Так, бронза в состоянии после закалки и старения имеет а после закалки, холодной пластической деформации с обжатием и старения пластичность после старения невелика Бронзу нередко легируют также титаном Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределов текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ (кулачки полуавтоматов), в электронной технике и т. д.

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца.

Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение бронзы для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Из-за невысоких механических свойств бронзу наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании. Вследствие большой разности значений плотности меди и свинца и широкого интервала кристаллизации бронза склонна к ликвации по плотности. Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые, растворяясь в меди, повышают механические и коррозионные свойства.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)