2014-02-09
3376
Бронзы
Латуни
Классификация медных сплавов и их маркировка
Медные сплавы
Медь обладает рядом ценных технических свойств: высокой электропроводностью и теплопроводностью (выше эти свойства только у серебра), хорошей пластичностью и достаточной прочностью. Имеет атомный вес 63,57, плотность 8,94 . 103 кг/м3 при 20 °С, температуру плавления 1084 °С, удельную теплоемкость 0,383 кДж/м2 при 20 °С, удельное электросопротивление 1,67 . 10-8 Ом . м, модуль нормальной упругости 121000 МПа, модуль сдвига 45500 МПа. Медь диамагнитный материал.
Медь устойчива во многих агрессивных средах (спиртах, фенольных смолах, органических кислотах и др.). Однако она легко растворяется в концентрированной серной, азотной, соляной кислотах. Медь плохо сопротивляется воздействию аммиака и щелочных цианистых соединений. В кислороде окисляется уже при комнатной температуре, а с азотом практически не взаимодействует даже при высоких температурах. Примеси оказывают значительное влияние на свойства меди и что очень важно - на ее электропроводность. Техническую медь подразделяют на М00 (99,99 %); М0 (99,95 %); М1 (99,90 %); М2 (99,70 %); М3 (99,5 %) и М4 (99,0 %), т. е. - на марки, содержащие различное количество примесей. Техническую медь применяют в виде листов, труб, проволоки. В чистом состоянии ее используют лишь в случаях, когда необходима высокая электро- и теплопроводность. Обычно для проводников электрического тока применяют медь марок М0 и М1, а для электроники и электротехники - бескислородную медь М0б или вакуумную медь М00. Бескислородная медь обладает более высокой пластичностью. В продовольственном машиностроении медь марки М3 используют для изготовления маслопроводов, испарителей, емкостей варочной аппаратуры.
|
|
|
Медные сплавы могут быть литейными и деформируемыми, термически упрочняемыми и неупрочняемыми. По химическому составу их подразделяют на латуни и бронзы. К латуням относят сплавы, в которых главным легирующим элементом является цинк, а к бронзам сплавы меди с другими легирующими элементами. Латуни принято маркировать буквой Л, бронзы - Бр. После этих обозначений стоит перечень букв, указывающих на присутствие легирующих элементов в сплаве, и лишь затем цифры, показывающие их примерное содержание в массовых процентах. Элементы обозначаются следующими буквами и их сочетаниями: А - алюминий, О - олово, Ц - цинк, Мц - марганец, Мг - магний, Ж - железо, Б - бериллий, Х - хром, Ф - фосфор, С - свинец. Содержание цинка в латунях (меди в бронзах) определяют по сумме концентраций элементов, указанных в марке. Например, в латуни, легированной 5 % Ni, - ЛН65-5, содержится 30 % Zn (цифра 65 соответствует содержанию меди). В бронзе, легированной 7 % Аl; 1,5 % Fе; 1,5 % Рb, т. е. БрАЖС 7-1,5-1,5 содержится 90 % Сu.
|
|
|
Благодаря высоким технологическим и механическим свойствам как бинарные, так и многокомпонентные латуни получили в технике большое распространение. Структура латуней зависит от их состава и может быть установлена по известной диаграмме состояний системы Сu - Zn (рис. 26). Составы большинства используемых латуней лежат в области концентраций от 0 до 45 % Zn, где существуют либо a -, либо (a + b) - фазы. Фаза a представляет собой твердый раствор цинка в меди, а b - фаза - электронное соединение СuZn с электронной концентрацией 3/2. При низких температурах b - фаза упорядочивается и переходит в так называемую b' - фазу (Сu5Zn8 с электронной концентрацией 21/13).
Рис. 26. Диаграмма состоянии системы Сu – Zn
Рис. 27. Зависимость прочностных и пластических свойств латуней от содержания цинка
Температурная зависимость растворимости цинка в a - фазе имеет необычный характер, так как с понижением температуры она не уменьшается, а растет. При 900 °С в a - фазе растворяется 32,5 % Zn, при 454 °С - 39 %, а при дальнейшем понижении температуры до комнатной она снижается до 36 %. Поэтому закалкой можно получить однофазные латуни, содержащие до 39 % Zn.
Латуни очень пластичны (рис. 27), хорошо поддаются горячей и холодной обработке, однако при 300…700 °С они обнаруживают провал пластичности, и поэтому в этой области температур a - латуни деформировать нецелесообразно.
Двухфазные (a + b) - латуни малопластичны при умеренных и комнатных температурах из-за хрупкости b' - фазы, поэтому обработку давлением двухфазных латуней лучше проводить при температурах выше 468 °С, когда устойчивой становится не b' - фаза, а пластичная b - фаза, в присутствии которой низкая пластичность b - фазы не проявляется. Вообще, двухфазные латуни, по сравнению с однофазными, имеют большую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность.
Легирование бинарных латуней алюминием, железом, марганцем и другими элементами, кроме никеля, уменьшает растворимость цинка в меди и расширяет область существования (a + b) - фаз. Поэтому легированные латуни, как правило, двухфазны. Введение же никеля увеличивает растворимость цинка в латуни, и такие латуни чаще всего однофазны. Легирование бинарных латуней, как правило, повышает прочность латуней и снижает их пластичность. Исключение составляет свинец, образующий легкоплавкие эвтектики по границам зерен. В a - латунях присутствие свинца приводит к горячеломкости. В двухфазных латунях происходит перекристаллизация (a + b) - фаз, в результате которой образовавшийся по границам прежних зерен a - фазы эвтектоид оказывается внутри вновь формирующихся зерен и вредное действие свинца снижается. При комнатных температурах свинец способствует улучшению обрабатываемости латуней резанием и его вводят специально для улучшения обрабатываемости.
Сурьма в латунях оказывает еще более вредное действие, чем в меди, увеличивая их склонность к коррозионному растрескиванию. Улучшают коррозионную стойкость присадки алюминия, олова, никеля и марганца.
На повышение прочности наиболее эффективно влияют добавки алюминия и олова, в меньшей мере марганца и кремния. Железо и никель снижают прочность и увеличивают деформируемость сплавов, богатых медью.
К числу деформируемых однофазных латуней относятся Л96, Л85, Л70, Л090-1, ЛО90-1, ЛА77-2, ЛМц59-1, ЛС74-3 и ряд других. Бинарные латуни также легко деформируются, и поэтому их применяют для изготовления штампуемых деталей, лент, проволоки, трубок и т. д. Латунь Л63 используют для деталей холодильного оборудования, пружин, прокладок, матриц для формовки макаронных изделий. Латуни Л62 и Л68 применяют для изготовления труб теплообменных аппаратов в продовольственном машиностроении. Латуни, легированные оловом, характеризуются высокой коррозионной стойкостью в морской воде, большей, чем кремнистые латуни ЛК80 -3, которые в свою очередь более прочны и коррозионностойки по сравнению с простыми латунями. Железомарганцовистая латунь ЛЖМц59-1-1 отличается высокой прочностью и вязкостью, высокими антифрикционными свойствами, высокой коррозионной стойкостью в морской воде и атмосфере. Для вытачивания деталей на станках наилучшими свойствами обладают свинцовые латуни (ЛС59-1, ЛС63-3, ЛС64-2), а латунь ЛС59 получила даже название автоматной, поскольку хорошо обрабатывается на станках-автоматах.
|
|
|
Для повышения прочности деформируемых латуней применяют нагартовку, т. е. холодную деформацию (на 50…60 %), после которой прочность латуней можно увеличить примерно в два раза (на 250…300 МПа).
Литейные латуни отличаются от деформируемых более высокими механическими свойствами. В латунях практически не наблюдается ликвации компонентов. Многие из них обладают высокими антифрикционными свойствами. К числу литейных латуней относятся ЛА67-2,5, ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцОС58-2-2-2; ЛМцЖ55-3-1 и др. Уровень свойств некоторых литейных латуней характеризуют следующие данные. Для ЛАЖМц66-3-2 sВ = 600…650 МПа, а d = 7 %. Ее применяют для гаек, нажимных винтов, червячных винтов. Для ЛЖМц52-4-1 2 sВ =500 МПа, а d = 15 %. Ее применяют для подшипников, а также для ответственных деталей.
Недостатком литейных латуней является образование крупных усадочных раковин при кристаллизации, в связи с чем, много металла идет в отходы. Кроме того, латуни с большим количеством b - фазы склонны к сезонному растрескиванию. В латуни для фасонного литья, от которых требуется более высокая прочность, вводят большее количество присадок, а также присадок, улучшающих литейные свойства (например, свинец). При маркировке литейных латуней в конце марки ставят букву Л, например ЛС59-1Л (латунь с содержанием 59 % Сu, 1 % Рb, литейная). Латунь ЛК80-3Л используют для отливки сложных по конфигурации деталей, работающих в контакте с агрессивными пищевыми средами (детали насосов, шестерни, арматура, детали узлов трения).
|
|
|
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 охлаждения бронзы состоят из двух фаз: a и d (Cu31Sn8) (рис. 28). 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. 28. Диаграмма состояния сплавов системы Cu – Sn
Бронзы характеризуются пониженной жидкотекучестью, поэтому в них не образуются усадочные раковины, но возникает мелкая пористость, распределенная 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 d - фазы.
Рис. 29. Зависимость прочностных и пластических свойств
оловянных бронз от содержания олова
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 ( a + b) - структуру, поскольку b - фаза более пластична, чем d. Временное сопротивление (предел прочности) бронз возрастает при увеличении содержания олова вплоть до 24 %, а затем резко падает, пластичность же начинает уже снижаться при содержаниях олова, превышающих 8 % (рис. 29).
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 sВ = 350…400 МПа в литом состоянии и sВ = 650…750 МПа в деформированном; d = 10 % и d = 2 % соответственно. Из деформируемых бронз назовем БрОЦ-4-3, БрОФ-6-0,15, БрОЦС-4-4-2,5.
В продовольственном машиностроении бронзу БрОЦС-3-12-5 используют для изготовления деталей аппаратов, работающих под давлением. Бронзы БрАЖ-9-4 и БрАЖС-10-3-1,5 используют как заменители дефицитных оловянистых бронз. Из них изготавливают паропроводную арматуру высоких и низких давлений, мешалки, зубчатые колеса, краны, клапаны, втулки, вкладыши и другие детали, контактирующие с пищевыми продуктами.
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.
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.
Алюминиевые бронзы вытесняют оловянистые, так как по многим свойствам их превосходят и занимают в промышленности первое место по объему использования бронз. Алюминиевые бронзы содержат не более 11 % Аl. Поскольку в меди при комнатной температуре растворяется лишь 9 % Аl, то не все такие бронзы однофазны (рис. 30).
Рис. 30. Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Al
За однофазным a - твердым раствором следует (a + b) - область, где b является фазой с ОЦК решеткой типа Сu3Аl. При более низких температурах b - фаза претерпевает эвтектоидный распад b ® g', а затем - перитектоидный. Но эти превращения протекают очень медленно, поэтому при обычной скорости охлаждения алюминиевые бронзы состоят из a - фазы и эвтектоида. При достаточно быстром охлаждении эвтектоидного распада не происходит и b - фаза претерпевает мартенситное превращение b ® b2. Сплавы с a -структурой имеют высокую пластичность, но низкую прочность, сплавы со структурой a + b2 имеют более высокую прочность, но их пластичность резко падает по мере увеличения доли b2 - фазы. Оптимальными свойствами обладают сплавы с 5…8 % Аl.
Алюминиевые бронзы имеют хорошую коррозионную стойкость, высокие механические свойства (рис. 31), хорошую обрабатываемость. Для улучшения механических и антифрикционных свойств алюминиевые бронзы легируют железом и марганцем. Дополнительно сплавы могут упрочняться закалкой и старением. Так, бронзу БрАЖН-10-4-4 закаливают с 980 °С и подвергают старению при 400 °С, в результате чего ее прочность и твердость увеличиваются в два раза.
Рис. 31. Зависимость прочности и пластичности алюминиевых
бронз от содержания алюминия
Литейную бронзу БрА10Ж4Н4 используют в продовольственном машиностроении для изготовления ответственных высоконагруженных деталей технологического оборудования, работающих при температурах до 500 °С и в контакте с агрессивными пищевыми средами (направляющие, втулки, седла клапанов, шестерни и др.).
