2.2. Класифікація і маркування сплавів на мідній основі

Конструкційні мідні сплави підрозділяють на 2 основні групи:

1. Латуні - це сплави на основі міді, основним легируючим компонентом яких є цинк;

2. Бронзи - це сплави на основі міді, основними легуючими компонентами яких є інші (окрім цинку) елементи, насамперед: Sn (олов’яні бронзи); Al (алюмінієві бронзи); Si (кремністі бронзи); Be (берилієві бронзи); Pb (свинцеві бронзи).

Окрім основних легуючих элементів, у склад мідних сплавів входять і інші компоненти, які вводять з метою підвищення окремих їх властивостей.

За діючою в Україні нормативною документацією латуні маркують літерою Л (латунь), після якої наводять послідовно символи легуючих елементів (великими літерами). Далі числами, які розділені дефісом, вказують спочатку середній вміст міді, а потім - вміст інших, окрім цинку, легуючих елементів. Таким чином, вміст основного легуючого елементу латуней - цинку - в цій схемі маркування не вказується (и символ цинку також відсутній) і визначається шляхом віднімання зі 100% сумарного вмісту міді і інших елементів (згідно з маркуванням). У відсутністі інших, окрім цинку, легуючих элементів марка латуні маркується літерою Л и двома цифрами, які визначають вміст міді, наприклад, латунь Л 90. Такі латуні називають подвійними, або простими латунями. В останні роки достатньо широке застосування (наприклад, в Росії, а також в Україні при здійсненні імпортних поставок) застосовується інший принцип маркування латуней за їх хімічним складом, в певній мірі аналогічний принципу маркування сталей. Згідно з цим принципом латуні маркують також першою літерою Л а далі у відповідному порядку, починаючи з цинку, вказують символ легуючого елементу і зразу ж цифрою – його вміст у сплаві у відсотках. У наведених нижче прикладах таке маркування наводиться у дужках.

Бронзи маркують буквами Бр, за якими, як і в латунях, вказують послідовно символи всіх без винятку легуючих элементів. Після всіх символів у той же послідовністі вказують вміст відповідних елементів (у відсотках). На відміну від латуней, у маркуванні бронз вміст основного компоненту - міді- не вказується. Як і для латуней, все більше розповсюдження знаходить принцип маркування бронз, в якому вміст відповідного легуючого елементу вказується безпосередньо після його символу. Приклади такого маркування наведені нижче також у дужках.

Елементи, що легують, при маркуванні мідних сплавів мають наступні символи: цинк - Ц, олово - О, марганець - Мц, залізо - Ж, фосфор - Ф, берилій - Б, алюміній - А, кремній - К, нікель - Н, свинець - С, хром - Х и т.д.

Приклади маркування мідних сплавів:

- ЛС 59-1 (ЛЦ40С1) - латунь, яка містить 40% Zn, 1% Pb, 59% Cu;

- ЛЖМц 59-1-1 (ЛЦ39Ж1Мц1) - латунь, яка містить 39% Zn, 1% Fe, 1% Mn, 59% Cu;

- Бр ОЦСН 3-7-5-1 (БрО3Ц7С5Н1) – олов’яна бронза, яка містить 3% Sn, 7% Zn, 5% Pb, 1% Ni, 84% Cu;

- Бр А 5 – алюмінієва бронза, яка містить 5% Al и 95% Cu.

2.3. Структура, властивості та застосування латуней

Діаграма стану сплавів системи Cu - Zn наведена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 - Діаграма стану сплавів системи Cu - Zn

Основними фазами у даній системі є:

- рідинний розчин міді та цинку;

-  - твердий розчин заміщення цинку у міді;

-  -фаза - проміжна фаза змінного складу на основі електронної сполуки CuZn; утворюється у межах певної концентрації сплавів в результаті перитектичного перетворення при температурі Т = (902 - Т) °С;

-  - фаза – впорядкована проміжна фаза змінного складу на основі електронної сполуки CuZn; ця фаза утворюється в результаті переходу -фази у впорядкований стан при температурах нижчих за 468...454 °С в залежністі від складу;

-  -фаза - проміжна фаза змінного складу на основі електронної сполуки Cu₅Zn₈; ця фаза утворюється у певному інтервалі концентрацій в результаті перитектичного перетворення при температурі Т=(834 - Т),°С;

- -фаза - впорядкована проміжна фаза змінного складу на основі електронної сполуки Cu₅Zn₈; може утворюватися в результаті переходу -фази у впорядкований стан при температурах, нижчих за 270 °С;

-  -фаза - проміжна фаза змінного складу на основі електронної сполуки CuZn₃; утворюється у певному інтервалі концентрацій компонентів в результаті перитектичного перетворення при температуре Т = (424 - Т) °С;

-  -фаза - твердий розчин на основі сполуки міді з цинком, природа якої абсолютно точно поки не установлена; утворюється в результаті перитектичного перетворення при температурі Т = (700 - Т), °С;

-  - твердий розчин міді у цинку; у певному інтервалі концентрацій утворюється в результаті перитектичного перетворенняя при температурі Т=(424 - Т),°С.

Гранична розчинність цинку у міді складає 39%. Зі зниженням температури від 902 до 454°С Гранична розчинність цинку у зростає, а при подальшому її зниженні, за даними ряду авторів, може зменшуватися приблизно до 30-32%. Тому латуні, які містять до 39% цинка, теоретично повинні мати структуру, яка складається тільки з кристалів твердого розчину ; такі латуні називають однофазними, або  -латунями. Однак, в реальных умовах вже при вмісті цинку біля 30% в структурі латуні з’являються кристали другої фази (’-фази). При перевищенні граничної розчинністі цинку у міді латуні стають двофазними, або (  + ’ )- латунями. ’-фаза є вельми міцною, але крихкою. Як видно з даних, наведених на рисунку 2.3, підвищення концентрації цинку в  -латунях сприяє не тільки підвищенню міцності, але й збільшенню пластичності сплаву (до 30...32% Zn).

Рисунок 2.3 - Вплив цинку на механічні властивості латуні

В зв’язку з цим  -латуні володіють гарним поєднанням зарактеристик міцності і пластичністі. Поява в структурі латуней твердої и крихкої - фази призводить до зниження пластичності сплаву, але до його подальшого зміцнення при підвщенні концентрації Zn до 45%. Тому двофазні латуні в порівнянні з однофазними сплавами є більш міцними і значно менш пластичними. Підвищення міцності латуні зі зростанням концентрації Zn має місце, поки латунь остається двофазною (  +  ). Перехід латуні з двофазного ( + ) в однофазний стан зі структурою -фази (т.з.  -латуні) призводить до різкого зниження міцності сплаву. В зв’язку з цим практичне застосування мають латуні з вмістом Zn до 45%. Сплави ж з більшим вмістом Zn відрізняються високою крихкістю.

Таким чином, промислові подвійні латуні за структурою розділяють на 2 групи: однофазні ( -латуні) и двофазні (  + ) -латуні. На рисунку 2.4 наведені мікроструктури латуней різних структурних класів.

а б в

Рисунок 2.4 –Мікроструктура однофазної  - латуні Л70 після деформації та відпалу (а, х75) і двохфазної (+) – латуні Л62 у литому стані (б, х150) та після деформації та відпалу (в, х100); світлі поля - кристали - твердого розчину, темні -  - фаза.

За технологією виготовлення виробів латуні підрозділяють на дві групи:

1) латуні, які деформують, вироби з яких виготовляють методами гарячої і холодної пластичної деформації; це переважно однофазні латуні, які володіють високою пластичністю і легко піддаються холодній пластичній деформації;

2) ливарні латуні, які є переважно двофазними; такі латуні мають високу рідкотекучість і використовуються для виготовлення відливків.

В таблиці 2.2 наведені механічні властивості деяких марок латуней.

Підвищення вмісту Zn зменшує вартість латуней, поліпшує їх обробляємість різанням, здатність прироблятися і протистояти зносу. При цьому зменшуються теплопровідність і електрична провідність (примірно у 2-5 разів у порівнянні з чистою міддю).

Домішки збільшують твердість і знижують пластичність латуней. Свинець і вісмут є особливо неблагоприємними, оскільки у однофазних латунях визивають красноламкість внаслідок утворення легкоплавких евтектик. Це погіршує умови обробки латуней у гарячому стані, насамперед, при гарячій пластичній деформації. В двохфазних латунях внаслідок    -перетворення легкоплавкі евтектичні фази знаходяться не по границях, а всередині зерен твердого розчину, тому не визивають красноламкості.

Широке застосування знаходять леговані, або спеціальні, латуні. Для керованого впливу на їх структуру та властивості латуні легують Pb, Al, Fe, Ni, Sn, Si. Леговані латуні використовують для виготовлення як напівфабрикатів, які деформують, так і фасонных відливків, оскільки вони характеризуються меньшою в порівнянні з подвійними латунями концентрированою усадкою. Ливарні латуні містять, як правило, велику кількість цинку і легуючих елементів.

Добавки свинцю сприяють поліпшенню оброблюваністі різанням і підвищенню антифрикційних властивостей. Латуні, леговані Pb, піддають гарячій пластичній деформації з отриманням штаб, прутків, труб, штамповок. З них виготвляють втулки, гайки, трійники, штуцери, струмопровідні деталі електричного обладнання.

Таблиця 2.2 - Механічні властивості і структура деяких латуней

Марка латуні	Струк­­тура	в, Н/мм2	т, Н/мм2	, %	, %
Латуні, які деформують
Л 90 (ЛЦ10) Л 68 (ЛЦ32) Л59 (ЛЦ41 ЛН 65-5 (ЛЦ30Н5) ЛС 59-1 (ЛЦ40С1) ЛО 70-1 (ЛЦ29О1) ЛК 80-3 (ЛЦ17К3)	   + ’   + ’  	260 330 390 380 420 350 300	120 91 - 170 140 100 200	44 56 44 65 40 60 58	80 70 52 - 44 - -
Ливарні латуні
Л А 67-2,5 (ЛЦ30А2,5) Л АЖ 60-1-1 Л (ЛЦ38А1Ж1Л) Л МцЖ 52-4-1 (ЛЦ43Мц4Ж1) Л АЖМц 66-6-3-2 (ЛЦ23А6Ж6Мц2)	 + ’  + ’  + ’  + ’	400 420 500 650	- - - -	15 18 18 7

Такі легуючі елементи, як Al, Fe, Ni, Sn, Si, підвищують корозійну стійкість латуней. Леговані латуні широко використовуються у суднобудуванні. Так, латуні, які леговані Sn, називають морськими (наприклад, ЛО 70-1, таблиця 2.2). Алюміній підвищує міцність і твердість латуней. Однофазні латуни з вмістом Al до 4%, незважаючи на зміцнення, добре обробляютьсятиском. Легування алюмінієвих латуней долатково Ni, Fe, Mn, Si, які володіють змінною розчинністю в  -твердому розчині на основі міді, дозволяє додатково зміцнювати їх шляхом термічної обробки – гартуванням на пересичений твердий розчин з подальшим старінням. Це забезпечує можливість підвищити межу міцності до 700 Н/мм². Пластична деформація перед старінням (НТМО) дозволяє підвищити межу міцності до 1000 Н/мм².

Кремністі латуні характеризуються високими міцністю, пластичністю, в’язкістю при негативних температурах, высокою зварюваністю іи деформівність в холодному та гарячому станах. Такі латуні (наприклад, ЛК 80-3, таблиця 2.2) використовують для виготовлення арматури, деталей приладів у суднобудуванні і загальному машинобудуванні. Нікель підвищує розчинність цинку у міді і поліпшує механічні властивості латуні. Нікелеві латуні (наприклад, латунь ЛН 65-5) добре обробляються тиском у холодному та гарячому станах.

Формування структури спеціальних (легованих) латуней, які містять, окрім цинку, і інші елементи, не може бути точно описано лише за допомогою діаграми стану сплавів двох компонентів - Cu-Zn. Так, легуючі елементи змінюють межі фазових областей і, відповідно, можуть змінити структурний клас латуні. Так, присадка всіх елементів, окрім нікелю, рівносильна збільшенню вмісту цинка. Таким чином, ’-фаза в таких латунях з’являється в структурі при меншому вмісті цинку. Коефіцієнти такого впливу елементів, встановлені Л.Гійє, мають наведені нижче значення:

Елемент Si Al Sn Mg Cd Pb Fe Mn Ni

Коефіцієнт 10 5 2 2 1 1 1 0,5 - 1,5

Таким чином, присутність у складі латуні, наприклад, 2% Sn по впливу на фазовий склад сплаву еквівалентно 4 % цинка.