6.3. Медь и ее сплавы

Медь - металл красно-розового цвета. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления — 1083 °С. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет. Характеризуется невысокими прочностью (σ_в= 150…250 МПа) и твер­достью (60НВ) и хорошей пластичностью (δ = 25 % в литом состоянии и δ = 50 % в горячедеформированном). Обладает высокой электропро­водностью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Благодаря высокой электропроводности около полови­ны производимой меди используется в электро- и радиопромышленно­сти. Как конструкционный материал медь не используется из-за высо­кой стоимости и низких механических свойств. Маркируется буквой М и цифрами, зависящими от содержания примесей. Медь марок М00 (99,99 Cu - 0,01 % примесей), М0 (99,95 Cu - 0,05 % примесей 0,5 %) и М1 (99,9 % Cu - 0,1 % примесей ) используется для изготовле­ния проводников электрического тока, медь М2 (99,7 Cu - 0,3 % примесей) — для произ­водства высококачественных сплавов меди, М3 (99,5 % Cu - 0,5 % примесей) — для сплавов обыкновенного качества, М4 (99,0 % Cu – 1,0 % примесей— для проводников.

Широкое применение меди обусловленно рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и термопроводностью, пластичностью, хорошей жидкотекучестью, коррозионной стойкостью. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси.

Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и её сплавов, являются висмут и свинец, сера, фосфор, кислород. Висмут и свинец не растворимы в меди и располагаются в основном по границам зёрен и образуют легкоплавкую эвтектику, которая при горячей обработки плавится и резко снижает пластичность (красноломкость).

Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель. Селен и теллур образуют с медью соеди­нения Сu₂Sе и Сu₂Те, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обра­батываемость резанием.

Медь применяется для изготовления электрических проводов и кабелей, используется в качестве легирую­щей добавки в различные металлические сплавы; в ма­шиностроении идет на изготовление теплообменников, сварочной проволоки, деталей и узлов подвижного со­става железных дорог, судов, самолетов и т. д. На осно­ве меди созданы важные промышленные сплавы (латуни, бронзы, медно-никелевые и др.).

Основные сплавы меди -латуни и бронзы.

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы меди, основным легирующим элементом которых является цинк. Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увели­чении содержания в них цинка.

Цинк повышает проч­ность и пластичность сплава, но до определенных пределов. Наи­большей пластичностью обладают латуни, содержащие 30 % цинка, а наибольшей прочностью — 45 %. Поэтому более 45 % цинка в латунях содержаться не может. Кроме того, цинк удешевляет сплав, так как он дешевле меди. Латуни характеризуются высокой электро­проводностью и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, хо­рошо обрабатываются резанием.

По химическому составу латуни делятся на простые (двойные), в которых присутствуют только медь и цинк и сложные (многокомпонентные), в которые для улучшения различных свойств добавлены другие элементы. Наиболее распространены добавки алю­миния, олова, кремния, никеля и др.

По технологическому признаку латуни делятся на деформируе­мые и литейные.

Их маркируют буквой Л, за которой ставится цифра, указывающая процентное содержание меди, например латунь марки Л68 содержит 68 % меди, остальное—цинк. Если латунь помимо цинка содержит другие элементы (А1, Мп, Si и др.), то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов (А — алюминий, Ж — железо, Н — никель, К — кремний, Т—титан, Мц—марганец, О — олово и т. д.), а затем цифры, ука­зывающие на среднее содержание элемента. Например, латунь марки ЛАЖМц 66-6-3-2 содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа и 2 % марганца, остальное — цинк.

Лтунь ЛАЖ 60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Латунь, содержащая около 15 % Zn, имеет золотистый цвет, хорошую стойкость против атмосферной кор­розии, и ее используют вместо золота для изготовления медалей и художественных изделий. При добавке к латуни олова (до 1,5%) она приобретает стойкость в мор­ской воде (морская латунь).

В системе Cu – Zn образуется шесть твердых растворов:       но практическое применение имеют сплавы, содержащие до 45% Zn.

На рис. 6.7, а приведена левая часть диаграммы состояния Cu – Zn, содержащая область однофазных () и двухфазных () – латуней, а их структура на рис. 6.8. При содержании цинка более 20...30 % латунь склонна к коррозионному растрескиванию. Это явление изве­стно под названием сезонной болезни, так как коррози­онное растрескивание связано с периодами года, когда воздух насыщен влагой. Во избежание растрескивания латунь подвергается отжигу (250...300 °С), который сни­мает внутренние напряжения.

Механические свойства латуни зависят от содержа­ния цинка (рис. 6.7, б): сопротивление при растяжении воз­растает от 30...32 % Zn, затем падает. Твердость латуни по мере увеличения содержания цинка до 40...45 % уве­личивается незначительно, а затем резко повышается.

Механические характеристики деформируемых двой­ных латуней марок Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л59: σ_в == 450...600 МПа, δ=2...5 % (в иагартованном состоянии) и (σ_в==240...380 МПа, δ==52...44 % (в отожженном состоянии).

Специальные деформируемые многокомпонентные ла­туни характеризуются почти такими же механическими свойствами.

Литейные латуни (ЛК80-3, ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцНЖА6О-2-1-1-1 и др.) по прочности не уступают соответствующим деформи-руемым латуням, но несколько хуже их по пластичности.

Рис. 6.7. Диаграмма состояния системы Cu-Zn (a) и влияние содержания Zn на механические свойства латуни

Рис. 6.8. Структура однофазной -латуни (а) и двухфазной (+)- латуни (б):

а- 200, б- 100

Зависимость механических свойств латуней от содержания цинка приведена на рис. 6.9.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество легирующих элементов (в %) ставится после букв их обозначающих. Например, литейная латунь ЛЦ40Мц3А со­держит 40 % цинка, 3 % марганца, менее 1 % алюминия и 56 % меди.

Рис. 6.9. Зависимость механических свойств латуни от содержания цинка

Рис. 6.10. Механические свойства сплавов медь — олово

Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк не является основным. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. По названию основного легирующею элемента бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др.

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывается содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформи-руемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,4 содержит 6,5 % олова и 0,4 % фосфора, а литейная бронза БрОЗЦ7С5Н — 3 % олова, 7 % цинка, 5 % свинца, менее 1 % никеля.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оло­вянные бронзы. Деформируемые оловянные бронзы обладают высо­кой пластичностью и упругостью. Из них изготовляют прутки, трубы, ленты. Литейные оловянные бронзы имеют хорошие литейные свой­ства, высокую коррозионную стойкость. Из них изготовляют армату­ру, работающую в условиях пресной и морской воды. Механические свойства оловянистых бронз, а также диаграммы состояния Cu-Sn приведены на рис. 6.11. Олово — относительно дорогой металл, поэтому его стремятся частично или полностью заменить в составе бронз другими.

Рис. 6.11. Диаграмма состояния системыCu- Sn (a) и зависимости механических свойств оловянной бронзы от содержания олова (б)

Самыми распространенными являются алюминиевые (двойные и сложные) бронзы. Алюминиевые бронзы (БрА7, БрАЖН 10-4-4) обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными. Так, БрА7 в отожженном состоянии имеет следующие механические характерис-тики: σ_в= 420 МПа, δ= 70%, а БрАЖН 10-4-4— σ_в= 650 МПа, δ= 40 %. Из этих бронз изготовляют мелкие ответственные детали машин.

Кремнистые бронзы (БрКМц 3-1) имеют хорошую упругость и поэтому используются для изготовления пружинящих деталей. Отливки из кремнистых бронз отличаются более вы­сокой коррозионной стойкостью, механическими свойст­вами и плотностью. Поэтому бронзы марки БрКЦ4-4 являются заменителями бронз марки БрОЦС5-5-5.

Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) характеризуются высокой прочностью (σ_в= 1200 МПа в закаленном и состаренном состояниях) и упругостью, химической стойкостью, износостойкостью, сваривае-мостью и обрабатываемостью резанием. Из них делают мембраны, пружины.

Свинцовистые бронзы (например, БрСЗО) являются хорошими антифрикционными материалами для подшипников.