Материаловедение

Медь и её сплавы

Медь относится к самым распространенным цветным металлам. Она обладает высокими антикоррозийными свойствами как при нормальных атмосферных условиях, так в пресной и морской воде и других агрессивных средах. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах.

Медь – металл розовато-красного цвета, плотность медь 8,95 г/см3, температура плавления 1083 °С. Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке (рис. 1) и не имеет полиморфных превращений.

Кристаллическая решётка меди

Рис. 1. Кристаллическая решётка меди

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (СuOН)2 С03. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии (рис. 2).

Медный слиток

Рис. 2. Медный слиток

Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра). Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами.

Медь легко поддаётся обработке давлением и пайке. Обладая невысокими литейными свойствами, медь тяжело режется и плохо сваривается. На практике медь используется в виде прутков, листов, проволоки, шин и труб (рис. 3).

Медь бывает разных марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Марки меди определяются чистотой её содержания.

Марка медиМ00М0М0бМ1М1рМ2М2рМ3М3рМ4
Процентное содержание меди99,9999,9599,9799,9099,9099,7099,7099,5099,5099,00

В меди марок М1р, М2р и М3р содержится 0,01% кислорода и 0,04% фосфора. В составе меди марок М1, М2 и М3 процентное содержание кислорода составляет 0,05-0,08 %.

Марка М0б характеризуется полным отсутствием кислорода. Процентное содержание кислорода в марка МО составляет до 0,02%.

Изделия из меди

Рис. 3. Изделия из меди

Влияние примесей на свойства меди.

В зависимости от того, как примеси взаимодействую с медью, они подразделяются на три группы:

  1. Примеси, которые образуют с медью твёрдые растворы – никель, сурьма, алюминий, цинк, железо, олово и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на электропроводность и теплопроводность меди, снижая их. Ввиду этого в качестве проводников тока используют медь М0 и М1, в состав которых входит не более 0,002 As и 0,002 Sb. Горячая обработка давлением затрудняется, если в ней содержится сурьма.
  2. Примеси, которые практически не растворяются в меди – висмут, свинец и др. практически не влияют на электропроводность меди, но затрудняют её обработку давлением.
  3. Хрупкие химические соединения, образующиеся в примеси меди с серой и кислородом. Кислород, входящий в состав меди, в значительной мере снижает её прочность и уменьшает электропроводимость. Сера способствует улучшению обрабатываемости меди резанием.

Термическая обработка меди.

Медь применяют для производства листов, ленты, проволоки методом холодной деформации. В процессе деформации она теряет пластичность и приобретает упругость. Потеря пластичности затрудняет прокалку, протяжку и волочение, а в некоторых случаях делает невозможной дальнейшую обработку металла (рис. 4).

Изделия из меди полученные путём деформации и резанием

Рис. 4. Изделия из меди полученные путём деформации и резанием

Для снятия нагартовки или наклепа и восстановления пластических свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 450—500° С со скоростью 200—220° С/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч, охлаждение на спокойном воздухе. Структура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов. У обычной электролитической меди кристаллическая структура содержит вкрапления оксидов меди, как бы дробящие ее на индивидуальные острова-кристаллы (рис. 5).

Структура обычной электролитической меди

Рис. 5. Структура обычной электролитической меди

Механические характеристики после рекристаллизационного отжига: прочность Ϭв=190 МПа, относительное удлинение δ = 22%.

На основе меди образовывают технические сплавы — латунь и бронза.

Латунь.

Сплав меди с цинком называют латунью. Различают двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и некоторых примесей, и многокомпонентные (специальные) латуни, в которые вводят еще один или несколько легирующих элементов (свинец, кремний, олово) для придания сплаву тех или иных свойств.

Влияние Zn на структуру и свойства латуней.

Медь с цинком образует α – твердый раствор с предельной концентрацией цинка 39% (рис. 5, а). При большем содержании цинка образуется электронное соединение CuZn (β – фаза) с кристаллической решеткой ОЦК.

При 454–468°С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядочение β – фазы (β’-фаза), сопровождающееся значительным повышением ее твердости и хрупкости. В отличие от равновесного состояния, β’-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30%.

Диаграмма состояния системы Сu – Zn

Рис. 5. Диаграмма состояния системы Сu – Zn (а) и влияние цинка на механические свойства латуней (б)

В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней (рис. 5, б):

  • когда латунь имеет структуру α – твердого раствора, увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности;
  • появление β – фазы сопровождается резким снижением пластичности, прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находится в двухфазном состоянии;
  • переход латуни в однофазное состояние со структурой β’ – фазы вызывает резкое снижение прочности.

Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% Zn.

Двойные латуни по структуре подразделяют на две группы:

  1. Однофазные со структурой α – твердого раствора (рис. 6, а);
  2. Двухфазные со структурой α +β – фаз (рис. 6, б).

Микроструктуры латуней

а                                                                         б

Рис. 6. Микроструктуры латуней: а – однофазной; б – двухфазной (темная β – фаза, светлая α – фаза)

В связи с высокой пластичностью однофазные латуни хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость. Рекристаллизационный отжиг проводят при 600–700°С.

Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью. Химический состав некоторых промышленных латуней и их назначения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав некоторых промышленных латуней и их назначения

маркахимический составназначение
CuAlPbSnдругие
Латуни пластичные (однофазные), деформируемые в холодном и горячем состоянии
Л96 (томпак)95,0–97,0Трубки радиаторные, листы, ленты.
Л80 (полутомпак)79,0–81,0Трубки, лента, проволока.
Л6867,0–70,0Листы, ленты для глубокой вытяжки.
Латуни меньшей пластичности (двухфазные), деформируемые в горячем состоянии и литейные.
ЛС59–157,0–60,00,8–1,9Листы, трубы, литье; хорошая обрабатываемость резанием.

Двухкомпонентные латуни в зависимости от способа обработки подразделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые двухкомпонентные латуни (Л96, Л90, Л80, Л63 и др.) обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением, их используют для изготовления листов, ленты, полос, труб, проволоки и прутков разного профиля.

Литейные латуни применяют для отливки фасонных деталей. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные латуни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возрастает прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни подвергают термической обработке — рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450—650° С, со скоростью 180—200° С/ч, выдержка 1,5—2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Прочность латуни после отжига Ϭв= 240 – 320 МПа, относительное удлинение δ = 49-52%.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в металле подвержены растрескиванию (рис. 7). При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением подвергают низкотемпературному отжигу при 250—300° С.

Разрушение латунных изделий

Рис. 7. Разрушение латунных изделий

Наличие в многокомпонентных (специальных) латунях легирующих элементов (марганца, олова, никеля, свинца и кремния) придает им повышенную прочность, твердость и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и морской воде. Наиболее высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, например, ЛО70-1, ЛА77- 2 и ЛАН59-3-2, получившие название морской латуни, их применяют в основном для изготовления деталей морских судов.

Деформируемые латуни используют для получения полуфабрикатов (листов, труб, ленты), пружин, деталей часов и приборов. Литейные многокомпонентные латуни применяют для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья (гребные винты, лопасти, детали арматуры и т.п.). Требуемые механические свойства специальной латуни обеспечивают термической обработкой их, режимы которой приведены в табл.2. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой деформируемые латуни для листов, лент, полос подвергают отжигу при температуре 450—500° С.

Таблица 2. Режимы термической обработки специальных латуней

Марка сплаваНазначение обработкиВид обработкиТемпература нагрева, °СВыдержка, ч
Деформируемые латуни
ЛА77-2Снятие наклепаРекристаллизационный отжиг600-6502-3
ЛО90-1То жеТо же600-6502-3
ЛО80-4Снятие напряженийНизкий отжиг350—4001-2
Литейные латуни
ЛА67- 2,5Снятие напряженийРекристаллизационлый отжиг300-4002-3
ЛКС80- 3-3То жеТо же250—3001,5-2
ЛС591Л»»250—3001-2

Химический состав и назначения сложных латуней и латуней повышенной прочности приведены в табл.3

Таблица 3.

маркахимический составназначение
CuAlPbSnдругие
Сложные латуни, обрабатываемые давлением (однофазные)
ЛА 77–276,0–79,01,7–2,5Трубы в морском и общем машиностроении
ЛО70–169,9–71,01–1,5Трубы подогревателей
Литейные сложные латуни (двухфазные) по ГОСТ 17711–72
ЛА 67–2,566–682–3<=1,0Отливки в морском и общем машиностроении

Сложные латуни повышенной прочности и стойкости против коррозии.

маркахимический составназначение
CuAlPbSnдругие
ЛАН 59–3–257,0–60,02,5–3,52–3 NiТрубы, тяжело нагруженные детали в моторо- и судостроении
ЛАЖ 60–1–158,061,00,75–1,5<=0,40,8–1,5 Fe
Латуни литейные (двухфазные) по ГОСТ 17711–72
ЛМцЖ 55–3–153–58<=0,51,3–4,50,5–1,5 Fe

4–3 Mn

Массивное литье в судостроении.
ЛМцОС 58–2–2–257–600,5–2,51,5–2,51,5–2,5 MnШестерни, зубчатые колеса

Примечание. Максимальные механические свойства обеспечивают литье в кокиль, центробежное литье; минимальные – литье в песчаную форму. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием и способность прирабатываться.

Бронза — сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием, бериллием и другими элементами. По основному легирующему элементу бронзы разделяют на оловянные и безоловянные (специальные), по механическим свойствам — на деформируемые и литейные.

В марках бронзы содержание основного компонента – меди не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры, расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом.

Деформируемые оловянные бронзы марок Бр.ОФ8-0,3, Бр.ОЦ4-3, Бр.ОЦС4-4-2,5 выпускают в виде прутков, лент, проволоки для пружин и др. (рис. 8).

Детали из бронзы

Рис. 8. Детали, изготовляемые из бронзы

Структура этих бронз состоит из α-твердого раствора. Основным видом термической обработки бронз является высокий отжиг по режиму: нагрев до 600—650° С, выдержка при этой температуре в течение 1—2 ч и быстрое охлаждение. Прочность после отжига Ϭв = 350 – 450 МПа, относительное удлинение δ = 18—22%, твердость НВ 70—90.

Литейные оловянные бронзы марок Бр.ОЦ5-5-5, Бр.ОСНЗ-7-5-1, Бр.ОЦСЗ,5-7-5 используют для изготовления антифрикционных деталей (втулок, подшипников, вкладышей и др.). Литейные оловянные бронзы подвергают отжигу при 540—550° С в течение 60—90 мин.

Безоловянные бронзы Бр.5, Бр.7, Бр.АМц9-2, Бр.КН1-3 и другие марки имеют высокую прочность, хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства. Из этих бронз изготовляют шестерни, втулки, мембраны и другие детали. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700—750°С с последующим быстрым охлаждением. Отливки, имеющие внутренние напряжения, отжигают при 550°С с выдержкой 90—120 мин.

Структура оловянистых бронз. В зависимости от легирующего элемента бронзы могут быть оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми и кремнистыми, марганцовистыми, свинцовистыми и др. Наиболее широкое распространение получили три первые вида бронз. Используют также многокомпонентные бронзы.

В сплавах системы Сu — Sn, богатых медью, фазовое равновесие устанавливается медленно, и поэтому в реальных условиях охлажденные бронзы состоят из двух фаз: α и β (Cu31Sn8) (рис. 10, а, б; рис.11, а, б).

Микроструктура деформированной бронзы после рекристаллизации

а                                                                  б

Рис. 10. Микроструктура деформированной бронзы после рекристаллизации (а) и литой двухфазной бронзы (б)

Диаграмма состояния сплавов системы Cu – Sn

а                                                                          б

Рис. 11. Диаграмма состояния сплавов системы Cu – Sn (а) и влияние олова на свойства сплавов (б)

В практике применяют сплавы, содержание олова в которых не превышает обычно 10…12 %, так как при более высоком их содержании бронзы хрупки. В отличие от латуней оловянистые бронзы склонны к ликвации, в их микроструктуре можно отчетливо видеть дендриты выделяющихся соединений (рис. 12).

Микроструктура бронзы с литой дендритной структурой

Рис. 12. Микроструктура бронзы с литой дендритной структурой

Бронзы характеризуются пониженной жидкотекучестью, поэтому в них не образуются усадочные раковины, но возникает мелкая пористость, распределённая по объему. Это позволяет получать отливки сложной формы без усадочных раковин. Пластичность литых бронз низка как из-за ликвации компонентов, так и из-за хрупкости α – фазы.

Для повышения пластичности бронзы гомогенизируют при 700 – 50 °С с последующим медленным охлаждением. В бронзах, содержащих 14…15 % Sn гомогенизирующий отжиг не приводит к появлению однофазной структуры, поэтому после отжига при 700…750°С быстрой закалкой стараются сохранить (α + β) – структуру, поскольку β – фаза более пластична, чем α. Временное сопротивление (предел прочности) бронз возрастает при увеличении содержания олова вплоть до Ϭ = 25МПа, а затем резко падает, пластичность же начинает уже снижаться при содержаниях олова, превышающих 8 % (рис. 11).

Для повышения пластичности бронзы гомогенизируют при 700 – 750 °С с последующим медленным охлаждением. В бронзах, содержащих 14…15 % Sn гомогенизирующий отжиг не приводит к появлению однофазной структуры, поэтому после отжига при 700 – 750 °С быстрой закалкой стараются сохранить (α + γ) – структуру, поскольку γ – фаза более пластична, чем α. Временное сопротивление (предел прочности) бронз возрастает при увеличении содержания олова вплоть до Ϭ = 25МПа, а затем резко падает, пластичность же начинает уже снижаться при содержаниях олова, превышающих 8 % (рис. 11, б).

По коррозионной стойкости в морской воде оловянистые бронзы превосходят и медь, и латуни. Их легируют Zn, Fе, Р, Рb, Ni и другими элементами. Примеси, оказывающие вредное воздействие на свойства меди (Bi, Аs, S, Sb), ухудшают и свойства деформируемых бронз. На литейные свойства бронз примеси оказывают меньшее влияние, а сурьму даже специально добавляют для улучшения жидкотекучести (до 0,5 %). Литейные свойства улучшает также фосфор (до 0,3 %). Цинк улучшает технологические свойства бронзы и снижает ее стоимость. Присадка никеля уменьшает ликвацию и тем самым повышает коррозионную стойкость, а также прочностные и антифрикционные характеристики. Легирование свинцом облегчает обработку резанием и повышает антифрикционные свойства.

Из деформируемых бронз изготовляют пружины, мембраны, антифрикционные детали. Для деформируемых бронз Ϭв = 350…400 МПа в литом состоянии и Ϭв = 650…750 МПа в деформированном; δ = 10 % и δ = 2% соответственно. Из деформируемых бронз назовём БрОЦ-4-3, БрОФ-6- 0,15, БрОЦС-4-4-2,5.

Литейные оловянистые бронзы подразделяют на машинные, предназначенные для фасонного литья деталей машин (БрО3Ц12С5, БрО3Ц7С5Н1) и антифрикционные с хорошим сопротивлением истиранию (БрО5Ц5С5, БрО4Ц4С17 и др.). Машинные бронзы имеют высокие механические свойства, коррозионную стойкость, но для снижения стоимости в них уменьшают содержание олова. Антифрикционные бронзы применяют для изготовления подшипников. Из-за дефицитности олова его частично заменяют свинцом; бронзы для художественного литья — БХ1, БХ2, БХ3 содержат соответственно 1 – 7, 5 – 8 и 25 – 35 % Sn, а также от 1 до 6 % Р (рис. 13).

Для облегчения обработки давлением их подвергают гомогенизирующему отжигу при 700 – 750°С с последующим быстрым охлаждением. Но лучшая пластичность достигается, если с температуры гомогенизации ее снижают сначала лишь до 600 – 625 °С, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают. Для снятия внутренних напряжений в отливках проводят их отжиг при 550 °С в течение 1 ч.

Художественное литьё из бронз

Рис. 13. Художественное литьё из бронз

Алюминиевые бронзы.

Наиболее часто в промышленности применяют двойные — алюминиевые бронзы и бронзы, добавочно легированные никелем, марганцем, железом и другими элементами (рис. 14). Эти бронзы используют для различных втулок, фланцев, направляющих седел, шестерен и других небольших деталей, испытывающих большие нагрузки.

Двойные алюминиевые бронзы подвергают закалке и отпуску по режиму: нагрев под закалку до 880—900° С со скоростью 180—200° С/ч, выдержка при этой температуре 1,5—2 ч, охлаждение в воде; отпуск при 400— 450° С в течение 90—120 мин. Структура сплава после закалки состоит из мартенсита, после отпуска—из тонкой механической смеси; прочность бронзы Ϭв = 550МПа, δ = 5%, твердость НВ 380—400.

Бериллиевая бронза Бр.Б2 — сплав меди с бериллием. Уникальные свойства — высокая прочность и упругость при одновременной химической стойкости, немагнитность и способность к термическому упрочнению — все это делает бериллиевую бронзу незаменимым материалом для изготовления пружин часов и приборов, мембран, пружинистых контактов и других деталей (рис. 15, рис. 16). Высокая твердость и немагнитность позволяют использовать бронзу в качестве ударного инструмента (молотки, зубила), не образующего искр при ударе о камень и металл. Такой инструмент применяют при работах во взрывоопасных средах. Бронзу Бр.Б2 закаливают при 800—820° С с охлаждением в воде, а затем подвергают искусственному старению при 300—350° С. При этом прочность сплава Ϭв = 1300 МПа, твердость HRC37—4.

Влияние алюминия на структуру и свойства бронз

Рис. 14. Влияние алюминия на структуру и свойства бронз

Износостойкость – это сложное понятие, которое может включать в себя следующие аспекты:

  • надёжность в работе. Из БрБ2 изготавливают ответственные детали;
  • хорошие показатели при работе с деталями из других материалов. Это значит, что детали из бериллиевой бронзы не истираются и в то же время бережно воздействуют на сопрягаемые механизмы. Такой механизм в целом можно охарактеризовать как безотказный;
  • детали из этого металла хорошо сопрягаются друг с другом, полируются и идеальным образом взаимодействуют в механизмах при заданных параметрах;
  • но даже если условия эксплуатации нарушены, детали из БрБ2 способны выдерживать большие нагрузки трения и других механических воздействий;
  • при работе механизмов в ходе изнашивания БрБ2 не откалывается большими кусками, а истирается постепенно, давая очень мелкую стружку.

Влияние бериллия на структуру и свойства бронз

Рис. 15. Влияние бериллия на структуру и свойства бронз

Детали из бериллиевой бронзы

Детали из бериллиевой бронзы

Рис. 16. Детали, изготовляемые из бериллиевой бронзы

Уникальность бериллиевой бронзы Бр.Б2 заключается в том, что она обладает высокой износостойкостью и стойкостью к коррозионной усталости.

Свинцовые бронзы.

Свинцовая бронза БрС30 характеризуется хорошими антифрикционными свойствами и высоким сопротивлением заеданию, поэтому применяется для высоконагруженных подшипников (опорные и шатунные подшипники мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и других быстроходных машин). Свинцовая бронза – это двухкомпонентный сплав системы Cu-Pb (рис. 17). Характерной особенностью затвердевания сплавов данной системы является наличие монотектической реакции: процесс кристаллизации сопровождается расслоением жидкости на два слоя: жидкость, богатая медью, и жидкость, богатая свинцом. После затвердевания структура бронзы представляет собой зерна меди и эвтектику, состоящую из практически чистого свинца. Для получения высоких антифрикционных свойств необходимо иметь мелкое зерно меди и равномерное распределение частиц свинца.

Для обеспечения равномерного распределения свинца в структуре применяют в процессе литья специальные меры, уменьшающие ликвацию: диспергирование, быстрая кристаллизация и т.п., например, для увеличения скорости кристаллизации стальные ленты или заготовки, на которые заливают свинцовую бронзу, охлаждают водой. Таким способом удается получить мелкое зерно меди с дисперсными частицами свинца. Прочностные свойства сплава достаточно резко понижаются с увеличением содержания свинца. Прочность и твердость свинцовой бронзы БрС30 невысоки, поэтому она применяется в виде биметалла, получаемого заливкой слоя бронзы на стальной корпус подшипника (рис. 18). Благодаря биметаллической конструкции подшипники могут работать при высоких скоростях скольжения и пребольших удельных и циклических нагрузках ударного характера. Такие биметаллические подшипники имеют небольшую массу, просты в изготовлении и при износе легко заменяются. Свинцовые бронзы значительно превосходят по теплопроводности оловянные бронзы (почти в три раза) и другие подшипниковые сплавы, что позволяет использовать их при более высоких рабочих температурах.

Марки, свойства и структура свинцовых бронз

Рис. 17. Марки, свойства и структура свинцовых бронз

Биметаллическая конструкция подшипника

Рис. 18. Биметаллическая конструкция подшипника

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *