Цель работы: изучение структуры, свойств, маркировки медных и антифрикционных сплавов и области их применения.
Приборы и оборудование: коллекция изделий из медных и антифрикционных сплавов.
Основные свойства меди. Медь – металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,94 г/см3, имеющий кристаллическую решетку ГЦК, без полиморфных превращений и температурой плавления 1083º С.
Широкое применение меди обусловлено рядом её 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 её сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На поверхности меди образуется плотная оксидная плёнка, 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 проводимость резко падает. При ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu).
Наиболее чистую медь марок М00, М0, М1, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока различных теплообменников. Медь остальных марок, более загрязнённая 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 (Аl), 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 процентов резко ухудшают способность меди обрабатываться путём прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые располагаясь по граница зёрен, при нагреве расплавляются и вызывают красноломкость меди, т. е. приводят к разрушению металла при горячей деформации. Висмут, будучи хрупким металлом охрупчивает медь и её 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 её состояния и в меньшей от содержания примесей. В отожженном виде медь весьма пластична (δ = 50%, HB 50, σВ = 240 МПа). В деформированном состоянии (при наклёпке) пластичность меди понижается, но прочность повышается (δ = 2-5%, HB 120, σВ = 500 МПа). Исходные свойства меди восстанавливают путём отжига при температуре 600…700ºС.
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 способу упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяются 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 – Мr, марганец – Mц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
Латуни. Сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов называют латунями. 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 ставится 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 становится 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 (Сu – Zn). В системе Сu – Zn образуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, σ, η, но практическое применение имеют латуни, содержащие до 45% цинка.
Левая часть диаграммы состояния Сu – Zn, включающая область однофазных (α) и двухфазных (α+ β) латуней, приведена на рис. 46.
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 Сu Zn с решеткой ОЦК.
|
|
Существуют две модификации β-фазы: выше 454…486ºС 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.
Рис. 46. Левая часть диаграммы Рис. 47. Влияние цинка на
состояния Cu-Zn механические свойства латуней
Двухфазные (α+ β) – латуни могут содержать до 45%.
В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней. Влияние цинка на механические свойства латуней приведены на рис. 47.
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 находится в двухфазном состоянии, а потом также резко снижается. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.
Химический состав некоторых промышленных латуней (ГОСТ 15527-0, ГОСТ 1774-93) и их механические свойства приведены в табл.14,15.
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.
Таблица 14