Медные сплавы

В медь вводятся наиболее часто цинк, алюминий, олово, железо, кремний марганец, никель, бериллий, кадмий. Все легирующие элементы (кроме свинца) в большей или меньшей степени увеличивают прочность, некоторые из них увеличивают пластичность при концентрации: алюминия (до 4%), кремния (до 3%), железа (до 1%).

По виду основных легирующих элементов медные сплавы принято делить на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

В маркировке медных сплавов первые буквы указывают на вид сплава: Л- латунь, Бр – бронза, МН – медноникелевый сплав. Следующие буквы соответствуют вводимым элементам Кд – кадмий, К – кремний,, Б – бериллий, Н – никель, Мц – марганец, О – олово, Ф – фосфор, Ц – цинк, С – свинец, А – алюминий, Ж – железо. Количество легирующих элементов в процентах указано в деформируемых сплавах в конце в последовательности записанных элементов, для литейных сплавов – после каждого элемента.

В деформируемых латунях первым указывается процентное содержание меди.

Латуни

В качестве основного легирующего элемента в латунях используют цинк. До 39% цинк растворяется в меди, образуя твердый раствор . При более высокой концентрации цинка возникает фаза малой пластичности и высокой твердости `- упорядоченный твердый раствор цинка в меди (комнатная температура). С появлением `- фазы резко увеличивается прочность и снижается пластичность. Основным способом упрочнения латуней является холодная пластическая деформация.

Примеры промышленных латуней

Простые латуни

Л90 (10%Zn) (томпак) - однофазная латунь, имеющая высокую коррозионную стойкость,

Л68 (32%Zn) (патронная) - однофазная латунь, обладающая наиболее высокой пластичностью, что используется при получении изделий холодной штамповкой.

Л63 (37%Zn) - однофазная латунь, наиболее широко используемый сплав, так как содержит без потери пластичности большое количество более дешевого, чем медь цинка.

Л59 (41%Zn) - двухфазная латунь менее технологичная, чем однофазные латуни, так как присутствие ` - фазы уменьшает пластичность.

ЛС59-1 - свинцовая латунь, двухфазный сплав, в котором присадка нерастворимого свинца обеспечивает ломкость стружки. Данная латунь может быть использована в качестве антифрикционного материала.

Бронзы

Все медные сплавы, кроме латуней и медно-никелевых сплавов называют бронзами.

Оловянные бронзы

Максимальная растворимость олова в меди при комнатной температуре составляет около 8%, не изменяясь при нагревании до 800С. В пределах растворимости олова в меди (-фаза) прочность и пластичность сплавов увеличивается с ростом концентрации олова. При больших концентрациях образуется соединение между медью и оловом твердая -фаза (Cu₃₁Sn₈), появление которой уменьшает пластичность сплава.

Оловянные бронзы хорошо паяются, но плохо свариваются.

Примеры промышленных оловянных бронз

БрО3Ц12С5 - литейный сплав, используемый для литых изделий точной и сложной формы.

БрО10Ф1 - литейный сплав, имеющий двухфазную структуру, что позволяет его использовать в качестве антифрикционного материала с мягкой основой и твердыми включениями. Среди антифрикционных материалов обладает наибольшей прочностью

БрОФ6,5-0,4 - деформируемый сплав, имеющий однофазную структуру, обладающий (как и все деформируемые бронзы) большей прочностью и гораздо большей пластичностью, чем литейные бронзы. Выпускается в виде лент, проволоки и прутков. Часто используется для изготовления упругих элементов.

Алюминиевые бронзы

В меди при нормальных условиях растворяется около 9% алюминия, образуя -твердый раствор. При более высокой концентрации образуется твердая, но хрупкая ₂-фаза на основе соединения Cu₉Al_l4.

Алюминиевые бронзы обладают, по сравнению с оловянными, рядом достоинств:

- лучшую жидкотекучесть за счет малого температурного интервала кристаллизации,

- более высокую прочность и пластичность,

- отсутствие дефицитного олова,

- более высокую коррозионную стойкость.

К недостаткам, характерным для данного типа бронз, являются значительная усадка при кристаллизации, сложность пайки.

Примеры алюминиевых бронз

БрА5, БрА7 - деформируемые наиболее пластичные бронзы, используются для упругих элементов.

БРА9Мц2Л - литейная бронза, присутствие марганца в твердом растворе вызывает повышение и прочности и пластичности.

Кремнистые бронзы

Растворимость кремния в меди при комнатной температуре составляет 3,5%. В состав кремнистых бронз входит не более 3% кремния, поэтому данные бронзы являются однофазными. Дополнительное введение в твердый раствор никеля и марганца вызывают дальнейший рост прочности и коррозионной стойкости.

Примеры кремнистых бронз

БрКМц3-1 - деформируемая бронза, обладающая высокими пластическими и прочностными свойствами, находясь в однофазном состоянии. Используется для изготовления упругих элементов.

БрКН1-3 - термически упрочняемый сплав, подвергаемый закалке и старению.

Марганцевые бронзы

Марганец растворяется в меди при нормальных условиях до 22%, поэтому данные бронзы являются однофазными. С ростом содержания марганца постепенно растет прочность при малом изменении пластичности.

В технике используется деформируемая бронза БрМц5, главные достоинства которой заключаются в высокой жаропрочности и коррозионной стойкости.

Свинцовые бронзы

Свинец не растворяется в меди, поэтому присутствует в виде мягкой фазы. Данные сплавы используются как антифрикционные.

При содержании свинца 30% (БрС30) формируется медная основа с мягкими включениями свинца, который обеспечивает твердую смазку, выдавливаясь из меди за счет теплового расширения.

Бериллиевые бронзы

Бериллий растворяется в меди в количестве 2,7% при 864С и 0,2% при нормальных условиях. Поэтому бериллиевые бронзы, содержащие около 2% Be, подвергаются дисперсионному упрочнению - закалка с температур 780С с последующим старением при 300С. В результате формирования оптимальной структуры когерентных выделений CuBe очень сильно возрастает прочность, но снижается пластичность. Наибольшей пластичностью (δ ~ 50%) данные бронзы обладают в закаленном состоянии. Они применяются для деталей и упругих элементов ответственного назначения, обладают рекордной для медных сплавов прочностью, износостойкостью, высокой электро- и теплопроводностью.

БрБ2 - обладает невысокой технологичностью, так как требует при закалке очень большой скорости охлаждения.

Для титана характерны следующие свойства:

- относительно малая плотность (4,5 г/см³), обеспечивающая самую высокую среди сплавов удельную прочность и позволяющая использовать титановые сплавы в конструкциях приборов для летательных аппаратов,

- высокая коррозионная стойкость из-за присутствия на поверхности оксида TiO₂ (при температурах меньше 400С).

- высокая хладостойкость вплоть до температур -269C (~15%), обеспеченная пластической деформацией в нескольких плоскостях скольжения дислокаций, а также за счет двойникования,

- возможность упрочнения термической обработкой для некоторых сплавов,

- коэффициент теплового расширения (9,2∙10^-6 1/К), близкий к коэффициенту теплового расширения стекол, что позволяет использовать Ti для спекания со стеклами или в сопряжении с оптическими деталями.

К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести:

• невысокий модуль упругости (E~120 ГПа), вынуждающий увеличивать габариты деталей для обеспечения необходимой жесткости, однако удельный модуль упругости титана (~2600 км) соответствует удельному модулю упругости стали,

• высокий коэффициент трения, уменьшаемый нанесением покрытий,

• низкая теплопроводность, связанная с низкой электропроводностью, затрудняющая перераспределение тепла в объеме деталей,

• неудовлетворительная обрабатываемость резанием, вызванная малой теплопроводностью, ухудшающей отвод тепла из зоны резания, и большой химической активностью,

• необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом литья и сварки из-за высокой химической активности титана.