Медные сплавы. Чистая медь характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью и хорошей сопротивляемо­стью коррозии

Чистая медь характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью и хорошей сопротивляемо­стью коррозии, проводниковый материал. Микроструктура деформирован­ной и отожженной меди представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Микроструктура деформированной и отожженной меди

В промышленности широкое применение нашли сплавы меди с цин­ком - латуни и сплавы меди с другими элементами - бронзы. В технике применяются латуни с содержанием цинка до 45%. Это объяснятся тем, что с увеличением содержания цинка вначале прочность и пластичность растет, но при содержании цинка в 30% пластичность начинает падать и резко уменьшается при содержании цинка около 42-45%, а прочность достигает своего максимума при 45% цинка и дальше с увеличением содержания цин­ка также падает (рис. 2).

Из диаграммы состояния “медь- цинк” видно, что при содержании цинка до 39% будет однофазная латунь. Структура такой латуни состоит из однородного твердого раствора α - цинка и меди.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния Cu-Zn и график влияния Zn на механические свойства сплавов

С увеличением содержания цинка появляется вторая фаза, представляющая собой неупорядоченный твердый раствор цинка в электронном соединении CuZn и обозначается β-фазой, которая является твердой и хрупкой структурной составляющей.

Структура латуней, содержащая цинка 39-45% будет состоять из твердого раствора α, окруженного твердым раствором β. На рис. 3 показана структура и схематическое изображение однофазной и двухфазной латуней.

Рисунок 3 - Микроструктура латуни

а) однофазная Л80

б) двухфазная ЛС 59-1

Кроме двухкомпонентных латуней, в промышленности применяются специальные латуни, которые помимо цинка содержат еще и другие элемен­ты: алюминий, свинец, олово и т.д.

Алюминий и никель, присутствующие одновременно в сплаве повы­шают прочность и твердость латуней после термической обработки, но алюминий затрудняет пайку латуней. Однако никель и марганец увеличи­вают прочность и коррозийную стойкость латуней.

Маркируются латуни следующим образом: индекс Л обозначает “латунь", следующие буквы указывают на наличие легирующих элементов (кроме цинка) цифры последовательно показывают содержание меди и ле­гирующих элементов. Так, например, латунь марки ЛАН59-2-3 имеет сле­дующий химический состав: Сu- 59%, Al - 2%, Ni - 3%, Zn - остальное.

Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами, в числе ко­торых может присутствовать как не основной компонент и цинк. В зависи­мости от элементов, введенных в медный сплав бронзы называются: оловянистыми, свинцовистыми, алюминиевыми, бериллиевыми и т.д.

Бронзы обладают высокой коррозийной устойчивостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них обладают хорошими литей­ными свойствами, а также имеют высокие антифрикционные свойства, т е хорошо работают в условиях трения.

Маркируются бронзы следующим образом: индекс Бр - указывает “бронза", следующие буквы указывают на наличие легирующих элементов, цифры указывают последовательно их количество в процентах (остальное до 100% - медь). Например, бронза марки БрОФ10-1 имеет следующий хи­мический состав Sn = 10%, Р =1%, Сu - остальное.

Оловянистые бронзы применяются в промышленности с содержанием олова до 14%. Они обладают высокими механическими свойствами.

Из диаграммы состояния “медь-олово”, приведенной на рис. 4, видно, что структура таких сплавов будет состоять из однородного твердого раствора олова и меди. Однако высокой пластичностью обладают бронзы, содержащие до. 5% олова. Это объясняется тем, что при содержании олова свыше 5% сплавы становятся более склонными к дендритной ликвации, ввиду значительного температурного интервала между линиями ликвидус и солидус.

Рисунок 4 - Диаграмма состояния Cu-Sn

Если проследить за изменениями концентрации твердого раствора в процессе кристаллизации сплава, содержащего 10% Sn (БрО10), то заметим, что первые кристаллы (оси дендритов) будут обогащены медью. Содержание меди на осях дендритов первого порядка будет соответствовать точке а'. По мере понижения температуры концентрация меди на осях дендритов будет уменьшаться по линии солидус. Последняя капля жидкости, которая заполнит все междуосное пространство, будет обогащена оловом и иметь состав, соответствующий точке b'. Как видно из диаграммы состояния, твердая фаза состава точки b‘ при дальнейшем охлаждении будет претерпе­вать эвтектоидное превращение. Схематично структуру такого сплава мож­но изобразить так, как показано на рис. 5а. Такая разнородная структура обеспечивает хорошие антифрикционные свойства литой бронзы и приме­няется в качестве подшипниковых сплавов для вкладышей подшипников скольжения.

К антифрикционным сплавам предъявляются следующие требования. Они должны:

а) иметь низкий коэффициент трения;

б) иметь хорошую обрабатываемость,т.e. минимальное время до принятия подшипником очертаний конфигурации вала,

в) выдерживать большое удельное давление, т.е. быть достаточно прочными и пластичными;

г) иметь более низкую твердость по сравнению с валом, т.е. не вызы­вать износ вала, гак как при ремонте подшипник легче сменить, чем вал.

д) обеспечивать хорошую смазку;

е) обладать высокой теплопроводностью и сопротивлением коррозии.

ж) иметь хорошие технологические и литейные свойства (возмож­ность припаиваться к стенкам подшипника, обрабатываться резанием и т.д.).

Для удовлетворения указанных требований антифрикционные сплавы должны иметь разнородную структуру, т.е. состоять из мягкой, пластичной основы, в которую должны быть вкраплены твердые частички. При работе вала твердые структурные составляющие служат опорой вала, а мягкие час­тички, срабатываясь при трении, способствуют образованию на поверхности микроканалов, по которым циркулирует масло. При увеличении давления на вал твердые частички будут вдавливаться в мягкую основу и поэтому не будут царапать вал.

Рисунок 5 Микроструктура бронзы БрОЦ10-2 (слева) и

схема зарисовки (справа)

а) после литья; б) после ковки и диффузионного отжига

Если такую бронзу подвергать диффузионному отжигу при температур 700-750°С, то произойдет выравнивание химического состава и структура будет представлять собой однородный твердый раствор (рис. 5б) Антифрикционные свойства такой бронзы будут низкие.

Основным недостатком оловянистых бронз является высокая стои­мость. Заменителем их является алюминиевая бронза с содержанием алю­миния до 11%. В промышленности применяются однофазные и двухфазные алюминиевые бронзы.

В качестве сплавов для вкладышей подшипниковых механизмов, ра­ботающих с большими скоростями и при повышенных давлениях, приме­няются свинцовистые бронзы с содержанием свинца около 30%. Медь со свинцом образует простую механическую смесь и не образует твердых рас­творов и химических соединений. Следовательно, структура свинцовистой бронзы (рис. 6) будет состоять из зерен меди (твердая и достаточно пла­стичная структурная составляющая - светлый фон) и темных включений свинца, преимущественно располагающегося по границам зерен (мягкая структурная составляющая).

Рисунок 6 – Структура свинцовистой бронзы Бр30