Микроскопическое исследование структуры медных сплавов

Микроструктурный анализ цветных сплавов

Граф учебной информации

_________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

___________________________________________________________________

Цель работы

Получить практический навык микроанализа основных групп медных сплавов – латуней и бронз. Изучить их микроструктуру, свойства, маркировку и область применения.

Приборы и материалы

Микроскоп металлографический. Коллекция микрошлифов однофазных и двухфазных латуней и бронз.

Основные положения

Медь

Медь – это пластичный металл светло-розового цвета, плавится при 1083°С, имеет плотность 8,96 г/см3 обладает гранецентрированной кубической решеткой. Отличительная особенность меди – ее малое электросопротивление, высокая теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих естественных средах (атмосфера, земля, морская и пресная вода). Последнее свойство объясняется как химической стойкостью самой меди (по электрохимическому потенциалу медь положительнее водорода), так и устойчивостью образующихся продуктов коррозии.

Предел прочности меди в отожженном состоянии:σ b =250 МПа, относительное удлинение 50 %, относительное сужение 75 %.

Для упрочнения меди используется наклеп. Путем наклепа можно довести σ b до 450 МПа, но при этом пластичность понижается.

Примеси оказывают существенное влияние на механические, технологические и физические свойства меди. Растворимые примеси (Al, Sn, Zn и др.) повышают механические свойства, но значительно снижают электро - и теплопроводность. Нерастворимые примеси (РЬ, Вi) образуют легкоплавкие эвтектики, которые затрудняют горячую обработку давлением из-за горячеломкости. Примеси (S,О) образуют тугоплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерен, что приводит к появлению хрупкости меди. Микроструктура литой меди полиэдрическая, зернистая (рисунок 1a). Микроструктура холоднодеформированной меди, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу, такая же, но с наличием двойников (рисунок 1б).

Химический состав меди и свойства нормированы ГОСТом 859-78. Медь поставляют в мягком (отожженном) и твердом состоянии. Она применяется для изготовления сплавов на медной основе, токопроводящих деталей, фольги.

Рисунок 1 - Микроструктура меди:

а) литая; б) холоднодеформированная, после рекристаллизационного отжига.

а) б)

Рисунок 2: а - Диаграмма состояния медь-цинк; б - График изменения механических свойств латуней, в зависимости от содержания цинка: δ - относительной удлинение; σb- предел прочности.

Латуни

Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. Цинк способен растворяться в меди в твердом состоянии до 39 % (рисунок 2а).

Твердый раствор Zn в Си имеет кристаллическую решетку меди и называется α - фазой. При содержании цинка, превышающем 39 %, наряду с α - фазой образуется β - фаза, представляющая собой твердый раствор на базе химического соединения.

Количество β - фазы зависит от того, насколько содержание цинка превышает его предел растворимости в меди (39 %). Поэтому латуни, содержащие цинк до 39 %, имеют структуру, состоящую из зерен α - фазы и называются однофазными. Латуни с содержанием цинка более, 39 %, но менее 46 % имеют структуру, состоящую из зерен а и β - фазы и относятся к двухфазным.

Микроструктура литой однофазной латуни имеет дендритное строение (рисунок 3а). Эта же латунь после холодной обработки давлением и рекристаллизационного отжига, имеет зернистую структуру с наличием двойников (рисунок 3б).

Рисунок 3 - Микроструктура однофазной латуни: а) литая;

б) деформированная и отожженная.

Микроструктура литой двухфазной α + β - латуни состоит из светлых зерен α - фазы и темных зерен β - фазы. В деформированной и отожженной α + β – латуни на зернах α -фазы имеются ее двойники (рисунок 4).

Латуни, содержащие от 39 до 46% Zn, имеют двухфазную структуру α + β и обладают низкой пластичностью, поэтому они хорошо обрабатываются давлением лишь в горячем состоянии, в отличие от α -латуни, которая хорошо обрабатывается в холодном состоянии.

По технологическому признаку латуни подразделяют на:

- литейные

- обрабатываемые давлением.

Физические и механические свойства латуней, обрабатываемых давлением, нормируются ГОСТом 15527-70. Двойные латуни маркируются буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в сплаве.

Для повышения прочности, коррозионной стойкости и некоторых специальных свойств разработаны специальные многокомпонентные латуни.

Состав сложных латуней отражается в ее марке, где большие буквы А, H, Мц, К, О, Ж обозначают алюминий, никель, марганец, кремний, олово, железо, а цифры, следующие после содержания меди, показывают процентное содержание данного металла в сплаве. Олово существенно снижает обесцинкование латуней при работе в пресной и морской воде, поэтому оловянные латуни иногда называют "морскими" (ЛО90-1, ЛО62-1).

Рисунок 4 - Микроструктура двухфазной латуни: а) литая; б) после деформации и отжига.

Марганец улучшает стойкость латуней в морской атмосфере. Кремний резко упрочняет латуни, также повышает коррозионную стойкость (ЛК80-3). Более сложные по составу латуни содержат совместно алюминий (до 2 %), железо, никель, марганец, кремний (по 1–3 %). Отличительная особенность этих сплавов еще более высокая прочность и стойкость в различных средах. К этой группе сплавов относится латунь ЛЖМц59-1-1.

Для улучшения обработки резанием (точение, сверление) в некоторые двойные латуни вводят свинец (ЛС59-1). Он не растворяется в меди и в структуре распределен в виде отдельных включений. При обработке резанием латуни, в структуре которой имеются мелкие равномерно распределенные включения свинца, получается сыпучая, а не витая стружка. Это не только облегчает процесс обработки резанием, но и позволяет получать чистую без заусенцев отработанную поверхность.

Литейные латуни нормируются по ГОСТ 17711-93, они содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением, от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие малого интервала кристаллизации литейные латуни обладают хорошими литейными характеристиками. В марке литейной латуни указывается содержание цинка. Например: ЛЦ40С – литейная латунь, содержащая 40 % Zn и 1 % Pb.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди, в которых цинк и никель не являются основными легирующими элементами.

Название бронзам дают по названию основного легирующего элемента, например, оловянная, алюминиевая и т.п. Отдельные бронзы в качестве легирующего компонента содержат цинк, но он не является основным.

По фазовому составу бронзы делят на однофазные и двухфазные. Однофазные бронзы состоят из зерен твердого раствора легирующих элементов в меди, называемого α - фазой. По технологическому признаку бронзы, как и латуни, делят на 2 группы: литейные и деформируемые. Литая однофазная бронза имеет структуру неоднородного твердого раствора, т.е. дендритную структуру. Дендриты любого сплава всегда обогащены более тугоплавким компонентом, а междендритные объемы – более легкоплавким. Схемы микроструктуры литой и деформированной однофазных бронз аналогичны соответствующим схемам латуни (рисунок 3). В двухфазных бронзах наряду с α - фазой присутствуют кристаллы более твердого химического соединения той или иной природы, которые могут присутствовать в структуре либо в виде отдельных кристаллов, либо являться составной частью эвтектоида. Например микроструктура литой двухфазной бронзы БрА10 состоит из следующих структурных составляющих – светлых участков α -фазы (это твердый раствор алюминия в меди) и темных участков эвтектоидной смеси α -фазы и химического соединения (рисунок 5).

Рисунок 5 - Микроструктура литой двухфазной бронзы

Оловянные бронзы – это сплавы меди с оловом, которые могут содержать, добавки фосфора, свинца, цинка, никеля и других легирующих элементов. Обладая достаточной прочностью, они имеют высокую коррозионную стойкость (особенно в морской воде), хорошие антифрикционные свойства низкий коэффициент трения, высокое сопротивление износу. Небольшие добавки фосфора (0,1 – 0,4 %) в оловянные бронзы вводят с целью их раскисления. Добавки цинка улучшают литейные свойства (вследствие уменьшения интервала кристаллизации), а добавки свинца – антифрикционные свойства.

Алюминиевые бронзы содержат обычно добавки марганца, железа, никеля, свинца. Марганец улучшает коррозионную стойкость, никель и железо прочностные свойства, свинец – антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием алюминиевых бронз.

Помимо оловянных и алюминиевых бронз в судовых механизмах применяются кремнистые и бериллиевые бронзы. Последние близки к алюминиевым бронзам по значению свойств и технологическим характеристикам.

Большинство литейных оловянных бронз применяется для изготовления ответственных отливок. Отливки из алюминиевых бронз обычно получают литьем в кокиль или песчаные формы.