1.1.1 Латуни
Латунями называются сплавы на основе меди и цинка. На рис. 17 приведена часть диаграммы состояния медь-цинк, из которой видно, что латуни, содержащие до 39 % цинка, имеют структуру однородного α-твердого раствора, обладающего такой же, как и медь кристаллической решёткой гранецентрированного куба. Эти сплавы называются α-латунями (Рис.18). Сплавы меди с цинком, содержащие до 10 % цинка, иногда называется томпаками, а от 10 до 20 % цинка – полутомпаками.
Рис. 17. Диаграмма состояния медь-цинк (а) и влияние содержания цинка на механические свойства латуней (б)
Латуни обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются при обработке давлением в холодном состоянии. Латуни, содержащие от 39 до 47 % цинка, имеют две фазы: α и β΄ твердые растворы. Эти сплавы называются (α + β)-латунями. Твердый раствор β является раствором на основе электронного соединения CuZn, имеет кристаллическую решётку объемно-центрированного куба. Эти латуни обладают большей твёрдостью и меньшей пластичностью, чем α – латуни.
Сплавы, имеющие содержание цинка более 45 %, не применяются, так как обладают повышенной хрупкостью. Наибольшей пластичностью обладают латуни, содержащие 30–32 % цинка, а наибольшей прочностью – содержащие 42–45 % цинка (Рис.17).
Для улучшения свойств в латуни добавляются олово, свинец, никель, алюминий, марганец, кремний, железо и другие элементы. Олово вводится в латунь для повышения коррозионной стойкости, свинец улучшает обрабатываемость резанием, алюминий, никель, марганец и кремний улучшают механические свойства латуней, железо повышает температуру рекристаллизации, измельчает зерно и сообщает латуням магнитные свойства.
а)
б)
Рис. 18. Микроструктура однофазной деформированной латуни Л80 (а) и двухфазной латуни ЛС 59-1 после отжига (б).
Латуни хорошо обрабатываются резанием, свариваются, паяются и обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, но подвержены коррозионному растрескиванию.
Маркируются латуни буквой «Л», после которой ставятся цифры, указывающие среднее содержание меди. Специальные латуни, содержащие легирующие элементы, после буквы «Л» маркируются дополнительными буквами, цифры после которых указывают содержание меди и легирующих элементов в порядке убывания их содержания. Например, марка Л62 обозначает α‑латунь, содержащую 62 % меди и 38 % цинка, а марка ЛC59-1 – β‑латунь, содержащую 59 % меди, 1 % свинца и 40 % цинка.
На железнодорожном транспорте латуни применяются для изготовления вкладышей подшипников скольжения, сепараторов крупных шарикоподшипников, втулок, гаек, корпусов кранов, тройников и других деталей арматуры, а также различных деталей в устройствах связи и автоматике подстанций.
1.1.2 Бронзы
Бронзами называются сплавы на основе меди, содержащие в качестве основного легирующего элемента олово или свинец. В состав бронз могут входить и другие элементы: алюминий, кремний, бериллий и др., в том числе и цинк. Поэтому различают бронзы: оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, кремнистые, бериллиевые и т.д. Кроме того, в бронзы дополнительно вводят фосфор, железо, марганец, никель и другие элементы, которые повышают их механические, физико-химические, антифрикционные и технологические свойства.
Бронзы также делят на деформируемые и литейные. К деформируемым бронзам относятся алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, а к литейным – оловянистые и свинцовистые. Оловянистые бронзы могут применяться также в деформированном виде. Упрочняющей термической обработке подвергаются алюминиевые, кремнистые и бериллиевые бронзы.
Маркируются бронзы буквами «Бр» и дополнительными буквами и цифрами, указывающими на наличие легирующих элементов и их количество. Например, бронза марки БрАЖМц10-3-1,5 содержит 10 % алюминия, 3 % железа и 1,5 % марганца.
Бронзы широко применяются для изготовления подшипников, втулок и других деталей, работающих на трение, для изготовления пружин и упругих контактов, для отливки деталей топливных систем, к которым предъявляются требования повышенной стойкости против коррозии, а также для изготовления шестерен, червячных передач и других нагружаемых деталей.
Оловянистые бронзы – это сплавы меди с оловом. Дополнительно в оловянистые бронзы вводят фосфор для раскисления сплава и повышения жидкотекучести, свинец для улучшения антифрикционных свойств и лучшей обрабатываемости резанием и цинк для удешевления сплавов. Оловянистые бронзы обладают высокими антифрикционными, упругими и механическими свойствами; высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в морской воде и щелочах; хорошими литейными свойствами; легко обрабатываются резанием, свариваются и паяются. Недостатком оловянистых бронз является сравнительно высокая стоимость.
Из диаграммы состояния медь-олово (Рис. 19) следует, что оловянистые бронзы, содержащие до 14 % олова, должны иметь однофазную структуру однородного α-твердого раствора. Однако в литом виде после охлаждения в форме такая бронза обладает двухфазной структурой. Например, литая бронза марки БрОФ10-1, содержащая 10 % олова и 1 % фосфора, имеет структуру, состоящую из зерен α-твердого раствора и эвтектоида (α + δ), представляющего собой смесь мелких зерен α-твердого раствора и δ-фазы на основе электронного соединения Cu31Sn8 (Рис.20).
Рис. 19. Участок диаграммы Cu – Sn и влияние содержания олова на механические свойства оловянистых бронз (б)
Такая разнородная структура у литой бронзы получается в результате ликвации (химической неоднородности), которая возникает за счет изменения химического состава твердой и жидкой фаз по линии солидус и линии ликвидус при кристаллизации по мере охлаждения. Разнородная структура литой бронзы обеспечивает очень хорошие антифрикционные свойства, поэтому её широко применяют для деталей, работающих на трение.
На железнодорожном транспорте для изготовления вкладышей подшипников и втулок применяются бронзы марок БрОФ10-1, БрОЦ10-2, БрОЦС5-5-5 и БрОЦС6-6-3, которые дополнительно содержат фосфор, цинк и свинец. Для изготовления паровой и водяной аппаратуры, втулок масляного насоса идет бронза БрОЦСЗ-12-5, а для изготовления пружинящих контактов электрооборудования, мембран, сеток и других деталей приборов применяется бронза марки БрОФ6,5-0,25, содержащая 6,5 % олова и 0,25 % фосфора.
Алюминиевые бронзы – это сплавы меди с алюминием, содержащие 9–11 % алюминия. В алюминиевые бронзы, кроме того, вводят железо, марганец и никель. Например, бронза марки БрАЖМц10-3-1,5 содержит 10 % алюминия, 3 % железа и 1,5 % марганца, а бронза БрАЖН10-4-4 – 10 % алюминия, 4 % железа и 4 % никеля.
а)
б)
в)
Рис. 20. Микроструктура литой оловянистой бронзы марки БрОФ10-1 (зёрна неоднородного α-твердого раствора и эвтектоид α + δ): а – литая дендритная структура; б – то же при большом увеличении; в – схема микроструктуры.
Железо и марганец повышают прочность, пластичность и коррозионную стойкость бронзы, а никель придает бронзе жаропрочность. Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами, жаропрочностью и жаростойкостью. По коррозионной стойкости они значительно превосходят оловянистые бронзы и латуни; в атмосферных условиях и морской воде конкурируют с нержавеющими сталями.
Особенностью алюминиевых бронз является повышенная жаростойкость, т.е. способность сопротивляться действию раскаленных газов, что связано со свойством алюминия образовывать при окислении плотную защитную пленку.
Алюминиевые бронзы обладают хорошими литейными свойствами, удовлетворительно свариваются, подвергаются обработке давлением, обрабатываются резанием, но плохо паяются.
Алюминиевые бронзы упрочняются путем термической обработки. Бронза марки БрАЖМц10-3-1,5 подвергается закалке с температуры 850 °C и отпуску при температуре 350-450 °C. (Рис. 21) После такой термической обработки предел прочности бронзы достигает 600 МПа, относительное удлинение – 12 %. Применяется эта бронза для изготовления шестерен, втулок, обойм подшипников и других нагруженных деталей.
б)
а)
Рис. 21. Микроструктура алюминиевой бронзы с 10,5% Al (х 100):
а) после медленного охлаждения с 9000С (α + эвтектоид);
б) после быстрого охлаждения (мартенсит).
Свинцовистые бронзы – это сплавы меди со свинцом, содержащие 22–30 % свинца, а в некоторые из них дополнительно вводят олово и другие элементы. Добавка олова повышает прочность и износостойкость свинцовистых бронз, однако, несколько ухудшает их антифрикционные свойства. Свинцовистые бронзы обладают особенно хорошими антифрикционными свойствами и применяются исключительно для работы на трение, они заливаются в стальные вкладыши подшипников или втулки, но по механическим свойствам значительно уступают всем другим бронзам. При затвердевании свинцовистые бронзы проявляют большую склонность к ликвации, состоящую в местном скоплении свинца. Поэтому заливка вкладышей свинцовистой бронзой производится центробежным методом. Центробежное литье обеспечивает получение мелкозернистой структуры (Рис. 22,б).
Недостатком свинцовистой бронзы является плохая прирабаты-ваемость к валу, что объясняется пониженной пластичностью.
Свойства свинцовистой бронзы позволяют использовать её для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих при высоких удельных давлениях и больших скоростях вращения вала.
На железнодорожном транспорте широко применяются свинцовистая бронза марки БрС30, содержащая 30 % свинца, и марка БрОС1-22, содержащая 1 % олова и 22 % свинца, из которых изготовляются коренные подшипники коленчатых валов дизелей тепловозов.
а)
б)
Рис. 22. Микроструктура свинцовистой бронзы марки БрС30: светлые зёрна чистой меди и тёмные включения чистого свинца: а) после медленного охлаждения; б) после центробежного литья.