К цветным сплавам относятся сплавы на основе меди, алюминия, никеля, олова и других элементов.
Медные сплавы. Чистая медь характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, проводниковый материал. Микроструктура деформированной и отожженной меди представлена на рис. 9.1.
Рис.9.1. 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.9.2).
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.
Рис.9.2. 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. 9.3 показана структура и схематическое изображение однофазной и двухфазной латуней.
Рис. 9.3 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. 9.4, 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.
Рис.9.4. 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. 9.5а. 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) 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 -фении, 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.
Рис.9.5. 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.9.5б) 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.9.6) 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).
Рис.9.6. Структура свинцовистой Рис.9.7. Микроструктура
бронзы БрС30 баббита Б83
Баббиты. Баббитами называются антифрикционные сплавы на основе олова и свинца. Лучшим антифрикционным сплавом является оловянистый баббит марки Б83, содержащий 83% Sn, 11% Sb, 6% Сu. Медь с оловом образует химическое соединение Cu3Sn, которое кристаллизуется в первую очередь и образует как бы скелет, на котором задерживаются кристаллы твердого раствора β - твердого раствора олова в химическом соединении SnSb, имеющего малый удельный вес.
Структура этого баббита состоит из мягкой основы - твердого раствора сурьмы в олове и твердых частичек твердого раствора β (светлые кристаллы прямоугольной формы) и химического соединения Cu3Sn (светлые кристаллы игольчатой формы, рис.9.7). Этот баббит применяется только для заливки подшипников и вкладышей машин большой мощности.
Для других подшипников применяются баббиты, в которых часть олова заменена свинцом, а также безоловянистые баббиты марок БС, К.