Особенности структуры и свойства сварных соединений бронз и латуней

Бронзы – медные сплавы с добавками в качестве легирующих элементов олова, алюминия, марганца, кремния, бериллия и др.

Оловянистые бронзы малочувствительны к перегреву, хорошо свариваются и обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Диаграмма Сu– Sn имеет сложное строение и характеризуется рядом перитектических и эвтектоидных превращений, в результате чего образуются различные фазы (α, β, γ, δ, ξ). С увеличением содержания олова возрастают твердость и прочность сплавов, однако пластичность их снижается.

Структура бронзы, содержащей 5 % олова представлена на рис.2.1. Недостатком сплавов является склонность к обратной ликвации, т.е. при кристаллизации литого металла легкоплавкая составляющая, обогащенная оловом, перемещается от центра к периферии, что приводит к химической неоднородности. Для оловянистых бронз характерен большой интервал кристаллизации (150-160 ºС), что вызывает пористость. Улучшаются свойства при введении свинца.

Рис. 2.1 – Структура бронзы с 5% олова

Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость (в атмосферных условиях и в морской воде, органических кислотах), низкий коэффициент трения.

Согласно диаграмме Сu – Аl однофазная α – область при температуре 565ºС наблюдается при содержании алюминия до 9,4 %. Однофазные сплавы с α – структурой имеют высокую пластичность. Двухфазные – значительно большая прочность и твердость, хорошо свариваются.

При сварке кристаллизация начинается и заканчивается образованием α – твердого раствора. Для микроструктуры характерна сильно выраженная столбчатая структура, что приводит к трещинам (рис.2.2).

Рис. 2.2 – Столбчатая структура

Введение добавок изменяет структуру и свойства: железо (образуется FeAl3) заметно измельчает зерно; марганец повышает коррозионную стойкость, морозоустойчивость, хорошо обрабатывается бронза; железо и марганец, а также железо и никель повышают предел прочности; цинк предупреждает пористость.

Латуни условно разделяются на двойные и многокомпонентные. Двойные латуни типа Л62, Л68, Л90 представляют собой сплавы меди с цинком, многокомпонентные — кроме меди и цинка содержат еще другие легирующие элементы (алюминий, никель, железо, кремний и др.).

Двойные латуни удовлетворительно свариваются автоматической сваркой. Цинк, содержащийся в латуни, является активным раскислителем. Медь с цинком образует фазы α, β, γ, δ и ε. Фаза αпредставляет собой твердый рас-твор цинка в меди. Фаза β образуется на основе соединения Cu — Zn.

Согласно диаграмме состояния Си — Zn растворимость цинка в α-кристаллах с понижением температуры возрастает. Фаза β при высоких темпера-турах имеет довольно широкую гомогенную область. С понижением температуры происходит распад β-кристаллов с выделением α- или γ-кристаллов в зависимости от состава латуни. Фаза β является неупорядоченным твердым раствором.

В процессе охлаждения при температуре 450—470° С происходит упорядочение атомов меди и цинка. Ниже этой температуры β-фаза является упорядоченным твердым раствором и обозначается β'. В зависимости от содержания цинка двойные латуни разделяются на α-, (α + β)- и β-латуни.

Рис. 2.3 – Сплав, типа Л62, двухфазная (α + β) латунь

Сплавы, содержащие до 40% Zn (типа Л62), принадлежат к двухфазным (α + β) латуням, структура металла шва которой представлена на рис.2.3. Следует отметить, что в условиях сварочного нагрева и охлаждения появление β-фазы в металле можно наблюдать при меньшей концентрации цинка. В структуре шва, содержащего 32% Zn, уже присутствует незначительное количество β-фазы. Прочностные свойства двойных латуней зависят от их структуры и содержания в них цинка. Увеличение в шве содержания цинка вызывает довольно резкое увеличение предела прочности. Пластичность при этом несколько снижается. Прочность латуней возрастает при легировании их оловом, марганцем, железом, кремнием или алюминием.

Введение в швы двойных латуней третьего компонента изменяет не только их свойства, но и структуру. Установлено, что третий элемент, вводимый в латуни, сдвигает границы α- и (α + β)-областей. Добавляемый элемент оказывает на структуру такое же влияние, как и сам цинк, но эффект от добавки каждого процента элемента иной.

Никель расширяет α-область. Поэтому если никель добавлять к (α + β)-латуням, то сплав по структуре может стать однофазным (α-латуни). Введение в литые латуни железа способствует измельчению структуры и увеличивает его прочность при незначительном снижении пластичности.

Железо очень мало растворимо в латунях в твердом состоянии. При со-держании его более 0,5% оно наблюдается в виде самостоятельных включений железистой составляющей. Влияние железа на трещинообразование сварных швов зависит от содержания в них цинка. Склонность к образованию трещин повышается с увеличением в шве количества цинка. При прочих равных условиях увеличение количества цинка должно всегда сопровождаться уменьшением в шве содержания железа.

Кремний значительно сужает область α-фазы. Он повышает прочность, особенно с увеличением содержания в латунях цинка. Легирование швов кремнием до 1% практически не вызывает снижения пластичности. Трещины в швах с кремнием обычно наблюдаются при содержании его выше 3%. Микроструктура шва, содержащего 26% Zn и 1,2% Si, представляет собой α-твердый раствор с четко выраженными крупностолбчатыми кристаллитами. Подобная структура склонна к образованию трещин. Шов, содержащий более высокое количество цинка, имеет уже двухфазную (α + β)-структуру и менее склонен к образованию трещин. С повышением кремния в структуре швов появляется γ-фаза. Наличие в шве строчечных выделений γ-фазы вызывает появление холодных трещин по местам ее скопления.

Добавки алюминия так же, как и кремния, придают швам повышенную прочность, твердость и коррозионную стойкость. Никель, как и алюминий, входя в твердый раствор, улучшает механические свойства швов они имеют однофазную структуру с дендритным строением. Поскольку никель расширяет α-область, содержание цинка в швах с сохранением однофазного строения может быть повышено.

Введение свинца в латунь резко ухудшает ее свариваемость. Свинец не растворим в твердом состоянии в меди и поэтому выделяется по границам зерен α-фазы. висмута аналогично поведению свинца. Если шов кристаллизуется с образованием однофазного α-твердого раствора, свинец и висмут скапливаются по границам зерен, способствуя образованию трещин. Фосфор и мышьяк в латунных швах являются вредной примесью. Они плохо раствори-мы в латуни в твердом состоянии. При содержании в швах выше 0,06% Р и 0,1% As в структуре выделяются хрупкие химические соединения Сu₃Р (фосфид меди) и Cu3As, которые повышают твердость и резко снижают пластичность швов.