Медь и ее сплавы

Чистая медь – светло-розовый пластичный металл имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с параметром 3,607Å, плотность чистой меди 8,94 г/см³. Медь не имеет полиморфных превращений от комнатной температуры до температуры плавления. Медь обладает резко выраженными металлическими свойствами, основными из которых являются высокая электропроводность, теплопроводность и пластичность.

; .

Большое количество меди используется в промышленности в чистом виде, как электропроводный материал (провода, кабели, электротехническая аппаратура). На основе меди приготовляют сплавы (латуни, бронзы, медноникелевые сплавы).

В зависимости от чистоты, медь поставляют по ГОСТ 859-76 нескольких марок (таблица 8.6).

Таблица 8.6 - Марки меди и ее применение

Марка меди	Содержание меди, %	Назначение
М00	99,99	Для полупроводниковых приборов
М0	99,95	Для сплавов, анодов, проводов
М1	99,9	Для безоловянистых бронз, проводников
М2	99,7	Для сплавов, обрабатываемых давлением
М3	99,5	Для проката обычного качества
М4	99,0	Для литейных бронз и других неответственных сплавов

В меди могут быть следующие примеси: кислород, свинец, висмут, сера, фосфор и др. Примеси в меди снижают пластичность, электропроводность и теплопроводность, увеличивают электросопротивление, вызывают упрочнение меди, могут ухудшить технологические свойства меди.

Кислород в меди присутствует в виде хрупкой составляющей Cu₂O или эвтектики (Cu + Cu₂O)_э, вызывая охрупчивание при прокатке. В небольших количествах содержание кислорода не вызывает охрупчивания, а частички Cu₂O при прокатке равномерно распределяются во всем объеме меди. Включения Cu₂O под микроскопом на нетравленом шлифе имеют серовато-голубоватый цвет; в поляризованном свете окрашиваются в красный цвет.

Висмут и свинец образуют с медью легкоплавкие эвтектики, состоящие практически из чистых свинца или висмута, располагающихся в литой меди преимущественно по границам зерен. Нагрев такой меди перед горячей обработкой давлением может проводить к расплавлению этих прослоек по границам зерен и межзеренному разрушению. Такое явление называется красноломкостью меди. Висмут сообщает хрупкость меди и ее сплавам при холодной обработке давлением.

Сера дает соединение с медью Cu₂S – очень хрупкое соединение, что часто приводит к охрупчиванию меди и ее сплавов. Однако сера не образует легкоплавких эвтектик и не вызывает горячеломкости меди. Иногда добавки серы к меди применяют для улучшения обрабатываемости резанием.

Фосфор в небольших количествах, в которых он может присутствовать в меди, не оказывает значительного влияния на свойства меди. Однако последними исследованиями показано, что добавки тысячных долей процентов фосфора совместно с такими же добавками олова уменьшают анизотропию свойств меди, способствует получению равномерного мелкого рекристаллизованного зерна.

В сплавах на основе меди наиболее часто применяемыми легирующими элементами в меди являются цинк, олово и алюминий. Сплавы меди с цинком называются латунями. Техническое применение имеют латуни с содержанием Zn до 50% их марки: Л96, Л90, Л80, Л68, Л62, ЛС-59-1, где цифры обозначают среднее содержание меди в латуни. Согласно диаграмме состояния сплавов меди с цинком (рисунок 8.4), структурное состояние латуней соответствует однофазному состоянию a твердого раствора для сплавов до 32% Zn (до Л68) и двухфазному (a + b) состоянию (Л62, ЛС-59-1).

В соответствии со структурным состоянием медноцинковые сплавы называются a-латунями или (a + b) латунями. Диаграмма состояния Cu-Zn представляет собой совокупность пяти перитектических превращений и одного эвтектоидного. Образующиеся по перитектическим реакциям b, g, d, e, h фазы называют b, g, d, e, h - растворами, хотя они являются промежуточными фазами электронного типа. a-фаза - это твердый раствор Zn в Cu. b-фаза на основе соединения CuZn имеет электронную концентрацию 3/2, g-фаза – это раствор на основе соединения Cu₅Zn₈ с электронной концентрацией 21/13, e - раствор на основе соединения CuZn₃ с гексагональной решеткой (электронная концентрация 7/4). Природа d-фазы не установлена, h-фаза соответствует твердому раствору меди в цинке.

b фаза в латунях способна при температурах ниже 454-468 ºС претерпевать переход в упорядоченное состояние b ‘.

Структура отожженной a-латуни представляет собой однородные сравнительно равноосные зерна со следами двойникования, аналогично аустениту стали.

Рисунок 8.4. Диаграмма состояния медь - цинк и соответствующие ей изменения механических свойств (предела прочности σв, МПа и относительного удлинения δ,%)

Однако окраска их желтая, отдельные зерна в соответствии с различием кристаллографической ориентировки в зернах при исследовании в микроскопе оказываются более темными, другие – более светлыми. В литом состоянии a-латунь в связи с проявлением неравновесной кристаллизации имеет дендритное строение, которое устраняется отжигом. Двухфазная (a + b) – латунь имеет структуру, образованную светлыми участками a - и темными b-кристаллов. Количество и форма a и b кристаллов зависит от содержания Zn. Увеличение его количества приводит к постепенному увеличению количества темной фазы в структуре (a + b) латуни. Увеличение содержания Zn до 47-50% приводит к получению чистого b - состояния латуни. Структура b-латуни также как и a-латуни имеет зернистое строение, однако она составлена из темных зерен b-твердого раствора. Изменение механических свойств латуней в зависимости от содержания цинка описывается представленными кривыми (см. нижнюю часть рисунка 8.4). Однофазные a-латуни увеличивают s_в и d с ростом содержания цинка. Прочность продолжает расти и при двухфазном состоянии (a + b), с соответствующим снижением пластичности. Образование однофазного b - состояния приводит к резкому снижению, как прочностных, так и пластических свойств. Появление фазы g - еще более охрупчивает латуни. Двухфазная (a + b) латунь может быть закалена с температуры выше 454 ºС с образованием мартенсита. Однако эта операция не применяется в связи с повышенной хрупкостью и понижению коррозионной стойкости, проявляющейся после закалки. Основные сведения о составе и свойствах некоторых латуней, изготавливаемых по ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-80 приведены в таблицах 8.7 и 8.8.

Таблица 8.7 - Состав и свойства двойных однофазных латуней по ГОСТ 15527-70 после отжига

Марка	Содержание элементов, %	Механические свойства	Марка	Содержание элементов, %	Механические свойства
Cu	примеси	σв МПа	δ, %		Cu	примеси	σв МПа	δ, %
Л96	95-97	0,2			Л70	69-72	0,2
Л90	88-91	0,2			Л68	67-70	0,3
Л85	84-86	0,3			Л63	62-65	0,5
Л80	79-81	0,3			Л60	59-62	0,5

Дополнительное легирование латуней применяют для улучшения технологических или механических свойств. Одним из способов является легирование (a + b) латуней свинцом в количестве до 1%. В таком количестве в (a + b) латунях свинец не вызывает горячеломкости, а его присутствие в латуни улучшает ее обрабатываемость резанием. Для повышения механических и антикоррозионных свойств латуни легируют алюминием, кремнием, марганцем, железом и др.

Сплавы меди с оловом – оловянистые бронзы (таблица 8.9). Классическим содержанием олова в бронзе является 10 %. Марка оловянистой бронзы БрО10; Эта бронза обладает наименьшей усадкой среди известных в настоящее время сплавов, поэтому, очень часто оловянистая бронза используется для изготовления отливок.

Таблица 8.8. Состав, свойства и применение некоторых специальных латуней по ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-80 после отжига

Марка	Содержание элементов, %	Механические свойства	Применение
Cu	Легирующие компоненты	σв МПа	δ, %
Деформируемые латуни
ЛС 59-1	57-60	0,8-1,9 Pb			Детали морских судов, изделий машиностроения, летательных аппаратов
ЛЖМц 59-1-1	57-60	0,6-1,2 Fe 0,5-0,8 Mn
ЛАЖ 60-1-1	58-61	0,7-1,5 Fe 0,75-1,5 Al
Литейные латуни
ЛЦ23А6Ж3Мц2	64-68	2-4 Fe 4-7 Al 1,5-3Mn			Гайки нажимных винтов, червячные винты, гребные винты, коррозионностойкие изделия
ЛЦ30А3	66-68	2-3 Al

Согласно диаграмме Cu-Sn (рисунок 8.5) структура оловянистых бронз состоит при комнатной температуре после охлаждения с обычно применяемыми скоростями охлаждения из a-твердого раствора и эвтектоида (a + d)_э. Эвтектоид образуется только в результате неравновесной кристаллизации. После отжига при температуре около 800 ºС дендритная ликвация устраняется, эвтектоид (a + d)_э исчезает. Бронза становится однофазной, состоящей из a-твердого раствора. Избыток e-фазы обычно в реальных условиях охлаждения не выделяется.

a - твердый раствор – это раствор олова на основе гранецентрированной решетки меди. Фазы b, d и g, образующиеся при кристаллизации из жидкого состояния по перитектическим реакциям, представляют собой электронные соединения с химическими формулами Cu₅Sn, Cu₃₁Sn₈ и Cu₃Sn. (электронные концентрации, соответственно, 3/2, 21/13 и 7/4). Фаза с гексагональной решеткой имеет примерный состав Cu₂₀Sn₆, фаза h - Cu₆Sn₅.

В связи с дефицитностью олова его стремятся полностью или частично заменить другими легирующими элементами. Например, олово может быть частично заменено цинком и свинцом (Бр ОЦС-4-4-2,5, Бр ОЦС-6-6-3).

Примерами полной замены олова являются алюминиевые бронзы (БрА5, БрА10) или комплексно легированные бронзы с легированием Al, P, Zn, Pb, Ni, Mn, Fe, Be и др.

Таблица 8.9 - Состав и свойства некоторых легированных оловянистых бронз по ГОСТ 5017-74 и ГОСТ 613-79

Марка	Содержание элементов,%	Механические свойства, не менее	Применение
Sn	Zn	Pb	Ni	P	σв МПа	δ, %	НВ
Деформируемые бронзы
БрОФ 4-0,25	3,5-4	-	-	-	0,2-0,3			-	Пружины, мембраны, антифрикционные детали
БрОЦ 4-3	3,5-4	2,7-3,3	-	-	-			-	Проволока для сеток, трубы для биметаллических втулок, детали машиностроения
Литейные бронзы
БрО3Ц7С5Н1	2,5-4	6-9,5	3-6	0,5-2	-				Детали машиностроения
БрО10С10	9-11	-	8-11	-	-				Подшипники, арматура, работающая в морской воде

Алюминиевая бронза (рисунок 8.6) марки БрА5 имеет в своем составе около 5% Al. Структура ее представляет собой после ускоренного охлаждения a - твердый раствор, обладающий дендритной ликвацией или однородный a - твердый раствор после отжига или обработки давлением.

Структура БрА10 состоит из светлых кристаллов a-твердого раствора и темных (a + b)_э – эвтектоидных участков (рисунок 8.7).

Бронза БрА10 применяется для отливок. Алюминиевые бронзы в результате образования на поверхности плотной пленки Al₂O₃ обладают повышенной коррозионной плотностью.

Рисунок 8.5. Фазовая диаграмма медь-олово	Рисунок 8.6. Фазовая диаграмма медь-алюминий

а б в

Рисунок 8.7. Структура алюминиевой бронзы: а - в отожженном состоянии; б - после закалки на мартенсит; в - после закалки и отпуска

Алюминиевая бронза, с содержанием Al 8-10% и более, может быть упрочнена путем закалки на мартенсит из b-области в воде с образованием игольчатой метастабильной фазы b’. Аналогичными свойствами и структурой обладают сплавы с добавками Al, Fe, Mn, Ni, которые входят в твердый раствор, упрочняя его или образуя избыточные фазовые и структурные составляющие.

Бериллиевая бронза представляет интерес для металловедов и термистов, поскольку этот сплав оказывается способным к термическому упрочнению в результате закалки и последующего старения на дисперсионное твердение. Это связано со значительной разницей по растворимости бериллия при высокой и низкой температуре (соответственно, 2,1% и 0,16%), который выделяется при распаде пересыщенного твердого раствора, полученного закалкой с образованием мельчайших когерентных выделений стойкого интерметаллического соединения. В результате такой обработки бериллиевая бронза БрБ2 приобретает твердость по Бринеллю НВ 300-400, s_в до 1500 МПа при относительном удлинении d более 2-3%.

Таблица 8.10 - Состав, свойства и применение некоторых безоловянистых бронз по ГОСТ 18175 и ГОСТ 493-79

Марка	Содержание элементов,%	Механические свойства, не менее	Применение
Al	Mn	Fe	Ni	Be	σв МПа	δ, %	НВ
Алюминиевые бронзы
БрА9-Ж4	9-11	-	2-4	-	-				Прутки, поковки
БрА9-Ж3Л	8-10,5	1-3	2-4	-	-				Фасонные отливки
БрА10Ж4Н4	9,5-11	-	3,5-5,5	3,5-5,5	-				Прутки, поковки
БрА10Ж4Н4Л	9,5-11	-	3,5-5,5	3,5-5,5	-				Фасонные отливки
Кремнистые бронзы
БрК3Мц1	-	1-1,5	-	-	2,75-3,5 Si				Прутки, полосы, проволока для пружин
Бериллиевая бронза
БрБ2	-	-	-	0,2-0,5	1,8-2,1				Ленты, прутки, проволока для пружин
Свинцовая бронза
БрС30	-	-	-	-	27-33 Pb				Вкладыши подшипников двигателей

Аналогичными свойствами обладают комплексно легированные бронзы системы Cu-Ni-Al (куниаль).