2.3 Сплавы на медной основе

Сплавы на медной основе - бронзы, латуни.

Различают две группы медных сплавов: 1) латуни—сплавы меди с цинком; 2) бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Сплавы обозначают начальной буквой (Л — латунь, Бр — бронза), после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О — олово, Ц — цинк, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий, X — хром и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента. Для деформируемых латуней и бронз порядок цифр в маркировке различен. Например, ЛЖМц59-1-1 — латунь, содержащая 59 % Си, 1 % Fe и 1 % Мп и остальное цинк, или БрОФ6,5-0,15 — бронза, содержащая 6,5 % Sn, 0,15 % Р и остальное медь. Для литейных латуней и бронз среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, ЛЦ40Мц1,5 — латунь, содержащая 40 % Zn и 1,5 % Мп, остальное медь. БрА10ЖЗМц2 — бронза, содержащая 10 % А1, 3 % Fe и 2 % Мп, остальное медь. Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Медь с цинком образует не только ос-раствор, но и ряд фаз электронного типа: 3, у и е. Наиболее часто структура латуней состоит из а- или а + (З'-фаз: а-фаза — твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой меди г.ц.к. Предельная растворимость цинка в меди составляет 39 %, (рис. 1.74, а), а (З'-фаза — упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с решеткой о.ц.к. При высоких температурах (3-фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности (см. рис. 1.74, а). В этом состоянии (3-фаза пластична. При температуре ниже 454...468 °С расположение атомов меди и цинка в этой фазе становится упорядоченным, и она обозначается (3'. Фаза (3' в отличие от Р-фазы является более твердой и хрупкой; у-фаза представляет собой электронное соединение Cu5Zng. Зависимость механических свойств меди от содержания цинка показана на рис. 1.74, б. В области а-твердого раствора прочность и пластичность растут. При появлении в структуре (З'-кристаллов пластичность падает, а прочность продолжает возрастать примерно до 45 % Zn. При большем содержании цинка структура сплава состоит из Р'-фазы; прочность сильно уменьшается из-за высокой хрупкости. Технические латуни содержат до 40...45 % Zn. В зависимости от содержания цинка различают а-лату-ни или а + (3-латуни: а-латуни хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Двухфазные а + (3-латуни малопластичны в холодном состоянии. Эти латуни обычно подвергают горячей обработке давлением, по сравнению с а-латунью они имеют большую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность. Двойные латуни часто легируют А1, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными. Легирующие элементы увеличивают прочность и твердость, но уменьшают пластичность латуни. Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают А1, Zn, Si, Mn и Ni. Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы: деформируемые, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литейные — для фасонного литья. Литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами. Оловянные бронзы. На рис. 1.75, а приведена диаграмма состояния Си—Sn. а-фаза представляет собой твердый раствор олова в меди с г.ц.к. решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения: (3-фаза (Cu5Sn); 5-фаза (Cu31Sn8); е-фаза (Cu3Sn), а также у-фаза — твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена. Система Си—Sn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. Применяют только сплавы с содержанием до 10... 12 % Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации (см. рис. 1.75, а) и поэтому склонны к ликвации; при ускоренном охлаждении у них резко выраженное дендритное строение. Бронзы, содержащие до 4...5 % Sn, после деформации и отжига имеют полиэдрическое строение и представляют собой в основном ос-твер-дый раствор. После литья низколегированные бронзы в результате сильной ликвации могут иметь включения эвтектоида (а + Cu31Sng). Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu31Sng, предел прочности снижается. Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе 4...6 % Sn, но при образовании эвтектоида — сильно уменьшается. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет ее. Фосфор при содержании его свыше 0,3 % образует фосфид Си3Р. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но повышает плотность отливок, а главное — облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства. Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Структура деформированных оловянных бронз — твердый раствор. Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и нередко свинца, имеют двухфазную структуру: а-твердый раствор и твердые, хрупкие включения б-фазы, входящие обычно в структуру эвтектоида. Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства; бронзы легко обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании до 7...8 % А1 — ив холодном. Вследствие хороших литейных свойств из них можно изготовлять разнообразные отливки. Однако в них наблюдается значительная усадка и газопоглощение. Слитки часто гомогенизируют для устранения внутрикристаллической ликвации. Бронзы, содержащие приблизительно 9...11 % А1, а также никель, марганец и железо, могут быть упрочнены термической обработкой — закалкой и дисперсионным старением. Например, твердость бронзы БрАЖН 10-4-4 после закалки при 980 °С и отпуска при 400 °С повышается от 170...200 до 400 НВ. Кремнистые бронзы. При легировании меди кремнием (до 3,5 %) повышается прочность, а также пластичность. Никель и марганец улучшают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются, обладают высокими механическими свойствами, упругостью и коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных температурах (до 250 °С), в агрессивных средах (пресная, морская вода). Бериллиевые бронзы относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой. После закалки бронза обладает малой прочностью, высокой пластичностью и способностью упрочняться при отпуске как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Предварительно наклепанная бронза при отпуске упрочняется сильнее и быстрее. Наряду с высокими пределами прочности, текучести и упругости бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди, поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение бронзы БрСЗО для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрСЗО в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении. Свинцовые бронзы часто легируют никелем, оловом, марганцем и небольшими количествами фосфора и мышьяка, что повышает их прочность, твердость и коррозионную стойкость при сохранении высоких антифрикционных свойств. Свинцовые бронзы с добавкой олова и никеля, обладающие высокими механическими свойствами, используют для изготовления втулок и вкладышей подшипников без стальной основы.

3.1 Пластмассы

Пластмасса, а другими словами пластическая масса, на сегодняшний день является незаменимым материалом не только в производстве, но и в обычном хозяйстве.

Первые пластмассы появились в конце 19-го века в результате поиска ученых-химиков заменителей ценных природных поделочных материалов (дерева, слоновой кости, перламутра). Первые пластмассы были получены на основе природных высокомолекулярных органических веществ (каучука — эбонит; нитроцеллюлозы — целлулоид; казеина молока — галалит).

В  начале 20-го века были получены первые синтетические пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол. В настоящее время пластмассы стали основными конструкционными материалами наравне с металлами, сплавами, деревом. Основная масса пластмассовых изделий производится из синтетических пластмасс. Имея очень ценное свойство принимать практически любую форму, пластмассы стали очень потребляемым продуктом.

Изготавливаются они из высокополимерных материалов. Содержат в своем составе полимеры. В зависимости от природы содержащихся полимеров и характера их перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние пластмассы делят на термопласты и реактопласты. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и различные модифицирующие добавки, улучшающие технологию и эксплуатации свойства, снижающие стоимость и изменяющие внешний вид изделий. В зависимости от природы твердого наполнителя различают асбопластики, боропластики, графитопласты, металлополимеры, органопластики, стеклопластики, углепластики. Прочие же, содержащие твердые наполнители в виде дисперсных частиц различные формы (например, сферической, игольчатой, волокнистой, пластинчатой, чешуйчатой) и размеров, распределенных в полимерной матрице (связующем), называют дисперсно-наполненными. Содержащие наполнители волокнистого типа в виде ткани, бумаги, жгута, ленты, нити и других материалов, образующие прочную непрерывную фазу в полимерной матрице, называют армированными.

В пластических материалах могут также сочетаться твердые дисперсные и(или) непрерывные наполнители одинаковой или разной природы (так называемые гибридные или комбинированные наполнители). Содержание твердого наполнителя в дисперсно-наполненных пластических массах обычно изменяется в пределах 30-70% по объему, в армированных — от 50 до 80%. Пластические массы, содержащие в качестве наполнителя газ или полые органические либо неорганические частицы, относят к пенопластам, которые также могут быть дисперсно-наполненными или армированными.

Основными методами переработки пластмасс являются: литье, литье под давлением, экструзия, прессование, виброформование, вспенивание и пр.

Список основных видов пластмасс применяемых в промышленности: АБС-пластик (изготовление бытовой и оргтехники, смарт-карт), бутадиеновый каучук (производство автомобильных шин, кислото- и щелочестойкой резины, эбонита), ацетат целлюлозы (производства фото- и кинопленки), целлофан (один из основных упаковочных материалов), эпоксидная смола (производства клея, электроизоляционных лаков), этилен-пропиленовый каучук (изоляция), этиленвинилацетат (пленки, листы, шланги, кабельная оболочка, обувная подошва, игрушки, клей), фторкаучук (уплотнители, изоляция), ударопрочный полистирол (корпуса приборов, вакуумные контейнеры, канцелярские принадлежности, сантехника, холодильники, бытовая техника), природный каучук (электроизоляция, автомобильные шины, промышленные товары и медицинские приборы), полиамид (шланги высокого давления, оборудование для точной механики, подшипники), поликарбонат (корпуса, выключатели, лаки, компакт-диски, прозрачные и ударостойкие витрины), полиэтилен (уплотнения, упаковочная фольга, изоляционный материал, трубы, баллоны, бутыли и пр. емкости), полиэтилентерефталат (производство различных емкостей), полиимид (подшипники), полиметилметакрилат/ оргстекло (фары, осветительные приборы, линзы, светофильтры, очки, светильники, световые панели и табло), полипропилен (аккумуляторные ящики, части для стиральных машин), полистирол (изоляционная фольга, игрушки, упаковочные материалы, канцелярские принадлежности), вспененный полистирол/ пенопласт (плиты для тепло- и звукоизоляции, упаковка), тефлон/ фторопласт (покрытия, уплотнения, изоляционная фольга, подшипники, шланги), полиуретан (накладки сцепления, подшипники, опорные катки, шестерни, смола клеев, матрасы, внутренняя обшивка автомобилей, подошва для обуви, упаковочные материалы).

Машиностроительные детали. В химическом машиностроении свариваются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы насосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, из капрона неэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фторлона — несмазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т д.