2.2. Классификация и маркировка сплавов на медной основе

Конструктивные медные сплавы подразделяют на 2 основные группы:

1. Латуни - это сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является цинк;

2. Бронзы - это сплавы на основе меди, основными легирующими элементами которых являются иные, кроме цинка, компоненты, прежде всего: олово (оловянные бронзы); алюминий (алюминиевые бронзы); кремний (кремнистые бронзы); бериллий (бериллиевые бронзы); свинец (свинцовые бронзы).

Кроме основных легирующих элементов, в состав медных сплавов входят и другие компоненты, вводимые для повышения определенных их свойств.

Латуни маркируют буквой Л, после которой указывают последовательно буквенные символы легирующих элементов (заглавными буквами русского алфавита). Далее числами, разделенными тире, указывают вначале среднее содержание меди, а затем - содержание иных, кроме цинка, легирующих элементов. Следовательно, содержание основного легирующего элемента латуней - цинка - в маркировке не указывается (и символ цинка также отсутствует) и определяется путем вычитания из 100% суммарного содержания меди и других элементов (по маркировке). В отсутствие иных, кроме цинка, легирующих элементов марка латуни обозначается буквой Л и двумя цифрами, указывающими содержание меди, например, латунь Л 90. Это так называемые двойные, или простые, латуни.

Бронзы маркируют буквами Бр, вслед за которыми, как и в латунях, следуют последовательно символы всех без исключения легирующих элементов. После всех символов в той же последовательности указывается процентное содержание соответствующих элементов. В отличие от латуней, в маркировке бронз содержание основного компонента - меди- не указывается. Оно определяется по разнице между 100% и суммарным содержанием легирующих элементов.

Легирующие элементы при маркировке медных сплавов имеют следующие символы: цинк - Ц, олово - О, марганец - Мц, железо - Ж, фосфор - Ф, бериллий - Б, алюминий - А, кремний - К, никель - Н, свинец - С, хром - Х и т.д.

Примеры маркировки медных сплавов:

- ЛС 59-1 - латунь, содержащая 59% Cu, 1% Pb, 40% Zn;

- ЛЖМц 59-1-1 - латунь, содержащая 59% Cu, 1% Fe, 1% Mn, 39% Zn:

- Бр ОЦСН 3-7-5-1 - бронза, содержащая 3% Sn, 7% Zn, 5% Pb, 1% Ni, 84% Cu:

- Бр А 5 - бронза, содержащая 5% Al и 95% Cu.

2.3. Структура, свойства и применение латуней

Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Zn приведена на рисунке 2.2. Основными фазами в данной системе являются:

- жидкий раствор меди и цинка;

-  - твердый раствор внедрения цинка в меди;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения CuZn; образуется в пределах определенной концентрации сплавов в результате перитектического превращения при температуре Т = 902 - Т °С;

Рисунок 2.2 - Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Zn

‘- фаза - упорядоченная фаза переменного состава на базе электронного соединения CuZn; эта фаза образуется в результате перехода -фазы в упо-рядоченное состояние при температурах ниже 468 - 454 °С;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения Cu₅Zn₈ (n = 21/13); образуется в определенном интервале концентраций в результате перитектического превращения при температуре Т=834 - Т,°С;

- ‘-фаза - упорядоченная фаза переменного состава на базе электронного соединения Cu₅Zn₈; может образоваться в результате перехода -фазы в упорядоченное состояние при температурах ниже 270 °С;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения CuZn₃ (п = 7/4); образуется в определенном интервале концентраций в результате перитектического превращения при температуре Т = 424 - Т , °С;

-  -фаза - твердый раствор на базе соединения меди с цинком, природа которого абсолютно точно пока не установлена; образуется в результате перитектического превращения при температуре Т = 700 - Т, °С;

-  - твердый раствор меди в цинке; в определенном интервале концентраций образуется в результате перитектического превращения при температуре Т= 424 - Т,°С.

Предельная растворимость цинка в меди составляет 39%. С понижением температуры от 902 до 454°С предельная растворимость цинка в меди повышается, а при дальнейшем ее снижении, по данным ряда авторов, может снижаться примерно до 30-32%. Поэтому латуни, содержащие до 39% цинка, теоретически имеют структуру, состоящую только из кристаллов твердого раствора  . Такие латуни называют однофазными, или  -латунями. Однако, в реальных условиях уже при содержании цинка около 30% в структуре латуни появляются кристаллы второй фазы (‘-фазы). При превышении предельной растворимости цинка в меди латуни становятся двухфазными, или (  + ‘ )-латунями. ‘-фаза является весьма прочной, но хрупкой.

Как следует из данных рисунка 2.3, повышение концентрации цинка в  -латунях способствует не только повышению прочности, но и увеличению пластичности (до 30% Zn).

Рисунок 2.3 - Влияние цинка на механические свойства латуни

Поэтому  -латуни обладают хорошим сочетанием прочностных и пластических характеристик. Появление в структуре латуней твердой и хрупкой ‘- фазы приводит к снижению пластичности сплава, но к его упрочнению при повышении концентрации цинка до 45%. Поэтому двухфазные латуни в сравнении с однофазными сплавами являются более прочными и значительно менее пластичными. Повышение прочности латуни с увеличением концентрации цинка происходит до тех пор, пока латунь остается двухфазной (  + ‘ ). Переход латуни из двухфазного ( + ‘) в однофазное состояние со структурой ‘-фазы (т.н.‘ -латуни) приводит к резкому снижению прочности сплава. Поэтому практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45%. Сплавы же с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью. Промышленные двойные латуни, таким образом, по структуре подразделяют на 2 группы: однофазные ( -латуни) и двухфазные (  + ‘ ) -латуни.

По способу изготовления изделий латуни подразделяют на две группы:

1. Деформируемые, изделия из которых изготавливают методами горячей и холодиной пластической деформации; это преимущественно однофазные латуни, обладающие высокой пластичностью и хорошо поддающиеся холодной пластической деформации;

2. Литейные латуни, являющиеся преимущественно двухфазными, обладающие хорошей жидкотекучестью и используемые для изготовления отливок.

В таблице 2.2 приведены механические свойства некоторых марок латуней.

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. При этом уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость (примерно в 2-5 раз в сравнении с чистой медью).

Таблица 2.2 - Механические свойства и структура некоторых латуней

Марка латуни	Структура	в, Н/мм2	т, Н/мм2	, %	, %
Деформируемые латуни
Л 90 Л 68 ЛН 65-5 Л 59 ЛС 59-1 ЛО 70-1 ЛК 80-3	    + ‘  + ’  	260 330 380 390 420 350 300	120 91 170 - 140 100 200	44 56 65 44 40 60 58	80 70 - 52 44 - -
Литейние латуни
Л А 67-2,5 Л АЖ 60-1-1 Л Л МцЖ 52-4-1 Л АЖМц 66-6-3-2	 + ‘  + ‘  + ‘  + ‘	400 420 500 650	- - - -	15 18 18 7

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Свинец и висмут являются особенно неблагоприятными, поскольку в однофазных латунях вызывают красноломкость из-за образования легкоплавких эвтектик. Это ухудшает условия обработки латуней в горячем состоянии, прежде всего, горячей пластической деформацией. В двухфазных латунях вследствие    -превращения легкоплавкие эвтектические фазы находятся не по границам, а внутри зерен твердого раствора, поэтому не вызывают красноломкости.

Широкое применение находят легированные латуни. Добавки свинца способствуют улучшению обрабатываемости резанием и повышению антифрикционных свойств. Легированные свинцом латуни подвергают горячей пластической деформации с получением листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования.

Легированные латуни применяют для изготовления как деформируемых полуфабрикатов, так и фасонных отливок, поскольку они характеризуются меньшей в сравнении с двойными латунями концентрированной усадкой. Литейные латуни содержат, как правило, большое количество цинка и легирующих элементов.

Помимо свинца, для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуней. Легированные латуни широко используются в судостроении. Так, латуни, легированные оловом, называют морскими (ЛО 70-1). Алюминий повышает прочность и твердость латуней. Однофазные латуни с содержанием алюминия до 4%, несмотря на упрочнение, хорошо обрабатываются давлением. Легирование алюминиевых латуней дополнительно Ni, Fe, Mn, Si, обладающими переменной растворимостью в  -твердом растворе, позволяет дополнительно упрочнять их путем закалки и старения, повышая предел прочности до 700 Н/мм². Пластическая деформация перед старением позволяет повысить предел прочности до 1000 Н/мм².

Кремнистые латуни характеризуются высокими прочностью, пластичностью, вязкостью при отрицательных температурах, высокой свариваемостью и деформируемостью в холодном и горячем состояниях. Такие латуни (ЛК 80-3) применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судостроении и общем машиностроении. Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства латуни. Никелевые латуни (например, латунь ЛН 65-5) хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Формирование структуры специальных (или легированных) латуней, содержащих, кроме цинка, и другие элементы, не может быть точно описано лишь по диаграмме состояния сплавов двух компонентов - Cu-Zn. Так, легирующие элементы изменяют границы фазовых областей и, соответственно, могут изменить структурный класс латуни. В частности, присадка всех элементов, кроме никеля, равносильна (по данным А.П.Гуляева) увеличению содержания цинка. То есть, ‘-фаза в таких латунях появляется при меньшем содержании цинка. Коэффициенты такого влияния элементов, установленные Л.Гийе, составляют:

Элемент Si Al Sn Mg Cd Pb Fe Mn Ni

Коэффициент 10 5 2 2 1 1 1 0,5 - 1,5

Т.е., наличие, например, 2% олова по влиянию на фазовый состав латуней эквивалентно 4 % цинка.