2015-04-01
5804
Медь – металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,94 г/см3, имеющий кристаллическую решетку ГЦК, без полиморфных превращений и температурой плавления 1083°С.
Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Медь обладает высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительной жидкотекучестью. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На поверхности меди образуется плотная оксидная пленка, поэтому медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах (органических кислотах, едких щелочах). Однако медь не противостоит воздействию азотной и соляной кислот, концентрированной серной кислоты, аммиака. Недостатком меди является сравнительно плохая обрабатываемость резанием.
Электрическая проводимость меди зависит от содержания примесей. При наличии даже небольшого количества примесей электрическая проводимость резко падает. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Сu), М0 (99,97% Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu). Наиболее чистую медь марок М00, М0, М1, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока различных теплообменников. Медь остальных марок, более загрязненная примесями, пригодна только для производства сплавов различного состава и качества (М3, М4).
Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на две группы:
1. Растворимые в меди элементы алюминий (Al), железо (Fe), никель (Ni), стронций (Sr), цинк (Zn), серебро (Ag) повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе.
2. Нерастворимые элементы свинец (Pb), висмут (Bi) ухудшают механические свойства меди. Висмут и свинец даже в тысячных долях процента резко ухудшают способность меди обрабатываться путем прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые, располагаясь по границам зерен, при нагреве расплавляются и вызывают красноломкость меди, т.е. приводят к разрушению металла при горячей деформации. Висмут, будучи хрупким металлом, охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, обладая низкой прочностью, снижает прочность медных сплавов, однако вследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивание. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов, поэтому его применяют для легирования.
Механические свойства меди в большей степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержания примесей. В отожженном виде медь весьма пластична (δ = 50%, HB50, σв = 240 МПа). В деформированном состоянии (при наклепе) пластичность меди понижается, но прочность повышается (δ=2-5 %, HB120, σв = 500 МПа). Исходные свойства меди восстанавливают путем отжига при температуре 600…700°С.
12.1. Общая характеристика и классификация медных сплавов.
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.
По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту, проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.
По способности упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.
Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых долей. В медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
12.2. Латуни.
Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.
По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются на деформируемые и литейные.
Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное – цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.
|
|||
|
|||
Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка.
Структура латуней зависит от их состава и может быть установлена по известной диаграмме состояния системы медь – цинк (Cu- Zn). В системе Cu– Znобразуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, σ, η, но практическое применение имеют латуни, содержащие до 45% цинка.
Левая часть диаграммы состояния Cu– Zn, включающая область однофазных (α) и двухфазных (α + β) латуней, приведена на рис. 57.
Однофазная α–латунь представляет собой твердый раствор цинка в меди с решеткой ГЦК и может содержать до 39% цинка. Однофазная α–латунь характеризуется высокой пластичностью. При содержании более 39% цинка в структуре появляется хрупкая β-фаза. β-фаза – это электронное соединение CuZnс решеткой ОЦК.
Существует две модификации β-фазы: выше 454…486°С устойчива пластичная β-фаза, имеющая неупорядоченное расположение атомов. Ниже этих температур – более твердая и хрупкая β´-фаза, которая характеризуется упорядоченным расположением атомов меди и атомов цинка.
Двухфазные (α + β´)–латуни могут содержать до 45% цинка.
В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней. Влияние цинка на механические свойства латуней приведены на рис. 58.
β´-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30%. Поэтому в сплавах, содержащих менее 30% цинка, увеличение его концентрации повышает и прочность, и пластичность. Затем пластичность начинает уменьшаться, а после появления в структуре значительных качеств β´-фазы происходит резкое падение пластичности. Прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находиться в двухфазном состоянии, а потом также резко снижается. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.
Химический состав некоторых промышленных латуней (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 1774-93) и их механические свойства приведены в табл. 8, 9.
Латуни обычно хорошо обрабатываются давлением. Наибольшую пластичность имеют однофазные α–латуни (содержание цинка до 39%) и они хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость.
В двухфазных α + β´–латунях пластичность резко снижена, поэтому они удовлетворительно деформируются в горячем состоянии. Обычно их деформируют при температуре несколько выше 700°С.
Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20-50% от характеристик меди.
Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).
Таблица 8
Химический состав и механические свойства
деформируемых латуней после отжига (ГОСТ 15527-70)
| Марка латуни | Содержание, мас. % | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | Ψ, % | KCU, МДж/м2 | HB | |
| Cu | Прочих элементов | |||||||
| Л90 | 88-91 | - | 1,76 | |||||
| Л68 | 67-70 | - | 1,68 | |||||
| Л63 | 62-65 | - | 1,37 | |||||
| Л60 | 59-62 | - | 0,78 | |||||
| ЛА77-2 | 76-79 | 1,75-2,5 Al | - | |||||
| ЛАН59 - 3 - 2 | 57-60 | 2,5-3,5 Al 2-3 Ni | - | 0,5 | ||||
| ЛН65 - 5 | 64-67 | 5-6,5 Ni | - | - | ||||
| ЛЖМц59-1-1 | 57-60 | 0,1-0,4 Al 0,6-1,2 Fe 0,5-0,8 Mn 0,3-0,7 SN | 1,18 | |||||
| ЛМц58 - 2 | 57-60 | 1-2 Mn | 52,5 | - | ||||
| ЛО7О - 1 | 69-71 | 1-1,5 Sn | 0,6 | |||||
| ЛК80 - 3 | 79-81 | 2,5-4 Si | Si | 0,4 |
Таблица 9
Механические свойства и область применения
литейных латуней (ГОСТ 17711-93)
| Марка латуни | σв, МПа | δ, % | HB | Область применения |
| ЛЦ40С | 12-20 | 70-80 | Арматура, втулки, сепараторы для подшипников качения | |
| ЛЦ40Мц3Ж | 390-490 | 10-18 | 90-100 | Несложные детали ответственного назначения, гребные винты и лопасти, судовая арматура, работающая при температуре до 300°С |
| ЛЦ38Мц2С2 | 245-340 | 10-15 | 80-85 | Антифрикционные втулки, вкладыши, ползуны, судовая арматура |
| ЛЦ30А3 | 290-390 | 12-15 | 80-90 | Коррозионно-стойкие детали |
| ЛЦ23А6Ж3Мц2 | 160-165 | Детали ответственного назначения, нажимные винты и гайки прокатных станов, венцы червячных колес | ||
| ЛЦ16К4 | 290-340 | 100-110 | Сложные по конфигурации детали, работающие при температуре до 250°С | |
| ЛЦ14К3С3 | 245-290 | 7-15 | 90-100 | Подшипники, втулки |
В двухфазные латуни иногда добавляют свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств.
В виду невысокой пластичности эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др
12.3. Бронзы.
Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами.
Бронзы обозначаются буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В маркировках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% алюминия, 4% железа, остальное – медь. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% олова, 6% цинка, 3% свинца, остальное – медь.
В зависимости от легирующего элемента бронзы могут быть оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми, кремнистыми, марганцовистыми, свинцовистыми и др. Наиболее широкое распространение получили четыре первых вида бронз. Используют также многокомпонентные бронзы.
Оловянные бронзы. 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. Эти 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 – низкая. Двойные оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги. По коррозионной стойкости в морской воде оловянистые бронзы превосходят медь и латунь. Их легируют цинком (Zn), железом (Fe), фосфором (P), никелем (Ni), свинцом (Pb).
Бронзы хорошо обрабатываются резанием, паяются, хуже свариваются.
Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую литейную усадку, поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Для удешевления оловянных бронз содержание олова в некоторых стандартизованных литейных бронзах снижено до 3-6%. Большое количество Znи Pbповышает их жидкотекучесть, улучшает плотность отливок, антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием.
Литейные оловянистые бронзы подразделяют на машинные, предназначенные для фасонного литья деталей машин (БрО3Ц12С5, БрО3Ц7С5Н1) и антифрикционные с хорошим сопротивлением истиранию (БрО5Ц5С5, БрО4Ц4С17, БрО10Ц2 и др.).
Деформируемые бронзы содержат до 6-8% олова. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.
Таблица 10
Химический состав и механические свойства оловянных бронз
| Марка бронзы | Содержание, мас. % | прочих элементов | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | Ψ, % | KCU, МДж/м2 | HB | ||
| Sn | Pb | Zn | ||||||||
| Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017-74) | ||||||||||
| БрОФ6,5-0,15 | 6-7 | - | - | 0,1-0,25 Р | 0,49 | |||||
| БрОФ6,5-0,4 | 6-7 | - | - | 0,26-0,4 Р | 0,59 | |||||
| БрОФ4-0,25 | 3,5-4 | - | - | 0,1-0,2 Ni 0,2-0,3 P | - | - | ||||
| БрОЦ4-3 | 6,5-4 | - | 2,7-3,3 | - | - | 0,39 | ||||
| БрОЦС4-4-2,5 | 3-5 | 1,5-3,5 | 3-5 | - | 0,36 | |||||
| Литейные бронзы (ГОСТ 613-79) | ||||||||||
| БрО3Ц7С5Н1 | 2,5-4 | 3-6 | 6-9,5 | 0,5-2,0 Ni | - | - | ||||
| БрО3Ц12С5 | 2-3,5 | 3,6 | 8-15 | - | - | - | - | |||
| БрО3Ц4С17 | 3,5-5,5 | 14-20 | 2-6 | - | - | - | - | |||
| БрО5Ц5С5 | 4-6 | 4-6 | 4-6 | - | - | 2,05 | ||||
| БрО10Ц2 | 9-11 | - | 1-3 | - | - | 1,47 | ||||
| БрО10Ф1 | 9-11 | - | - | 0,4-1,1 P | 3-10 | 0,88 |
Деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности.
Химический состав и механические свойства оловянных бронз приведены в табл. 10.
Алюминиевые бронзы вытесняют оловянистые, так как по многим свойствам их превосходят и занимают в промышленности первое место по объему использования бронз. Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. С этой целью алюминиевые бронзы легируют железом и марганцем. Алюминиевые бронзы в сравнении с оловянными бронзами обладают меньшей стоимостью и более высокими механическими свойствами.
Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) имеют хорошую пластичность и относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (σв = 400-500 МПа) и пластичности (δ = 60%). Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (σв = 600 МПа) и твердостью (>100 HB).
Таблица 11
Химический состав и назначение
алюминиевых бронз
| Марка бронзы | Al | Легирующие элементы | Назначение |
| БрА5. | 4-6 | - | Ленты, полосы |
| БрА7. | 6-8 | - | Ленты, полосы |
| БрАМц9-2 | 8-10 | 1,5-2,5 Mn | Прутки, полосы, ленты, фасонное литье |
| БрАЖМц10-3-1,5 | 9-11 | 2-4 Fe 1-2 Mn | Прутки, поковки, трубы, фасонное литье |
| БрАЖС7-1,5-1,5 | 6-8 | 1-1,5 Fe 1-1,5 Pb | Фасонное литье |
| БрАЖН10-4-4Л | 9,5-11 | 3,5-5,5 Fe 3,5-5,5 Ni | Прутки, поковки, трубы, фасонное литье |
| БрАЖН11-6-6 | 10,5-11,5 | 5-6,5 Fe 5-6 Ni | Фасонное литье |
В табл. 11 приведен химический состав и указано назначение алюминиевых бронз.
Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами. По механическим свойствам они превосходят оловянные бронзы, кроме того, они более дешевы.
Кремнистые бронзы содержат до 3% кремния. При содержании кремния более 3% эти бронзы становятся хрупкими и поэтому не применяются. Кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью, хорошей обрабатываемостью давлением, они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней. Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз.
Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1-3), (БрКМц3-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.
Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, твердостью, пределом прочности и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости и износу.
Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310…340°С. Бериллиевые бронзы обладают высокой теплостойкостью и электропроводностью, при ударах не образуют искр. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой.
Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки.
Несмотря на уникальные свойства эти бронзы используют не очень широко из-за дороговизны и дефицитности бериллия (БрБ2). Легирование никелем (Ni), титаном (Ti), кобальтом (Co), магнием (Mg) позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7-1,9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и БрБНТ1,9).
Из бериллиевых бронз изготавливают детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.
12.4. Антифрикционные сплавы.
В машиностроении применяют как подшипники качения, так и подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяют в виде вкладышей. Трение происходит в подшипниках между вкладышем подшипника и трущейся деталью (оси, валы). Для вкладышей подшипников должен быть подобран такой материал, который предохранил бы от износа вал, сам минимально изнашивался, создавая условия для нормальной смазки, и облегчал работу трущегося узла, т.е. уменьшал коэффициент трения.
Основными требованиями к антифрикционным сплавам являются низкие значения коэффициента трения со стальной поверхностью вала и высокая износостойкость подшипников. Для их удовлетворения необходимо, чтобы поверхности вала и вкладыша были разделены пленкой смазки. Высокие антифрикционные свойства обеспечиваются структурой сплава, которая состоит из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц. Мягкая основа прирабатывается к валу и вместе с твердыми включениями образует оптимальный антифрикционный рельеф с пространством для удерживания смазочных материалов.
Для повышения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления.
Антифрикционные материалы должны иметь высокую теплопроводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхностей. Для изготовления подшипников скольжения заливкой трущихся поверхностей, заливаемые сплавы должны иметь низкую температуру плавления.
Чаще всего в качестве антифрикционных материалов применяют специальные бронзы и баббиты.
Из сплавов на основе меди наилучшими антифрикционными свойствами обладают свинцовистые бронзы, например БрС30. Эти бронзы часто легируют никелем и оловом (БрОС8-12, БрОСН10-2-3). Легирование повышает не только механические, но и коррозионные свойства бронз.
Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравнительно невысокая механическая прочность.
Специальные подшипниковые сплавы, баббиты, имеют минимальный коэффициент трения со сталью, хорошо прирабатываются к валу и легко удерживают смазку, благодаря вязкой основе они легко поглощают посторонние твердые частицы, не образуя задиров вала.
Баббитами называют антифрикционные сплавы, основу которых составляют олово или свинец. Они отличаются низкими температурами плавления (350…450°С) и хорошей прирабатываемостью.
Таблица 12
