Загальна характеристика міді та сплавів на її основі

Чиста мідь має високу пластичність, електричну та теплопровідність. З чистої міді виробляють електричні проводи, кабелі, дріт, фольгу, деталі приладів і електричних машин.

У машинобудуванні використовують сплави міді із цинком, оловом, алюмінієм, залізом, кремнієм, манганом, нікелем, свинцем. Легування міді підвищує її механічні, технологічні та антифрикційні властивості. Приблизно 75% міді витрачається на сплави. Сплави на мідній основі об'єднуються у дві основні групи: латуні та бронзи. Сплави міді із цинком називають латунями. Бронза це сплави міді з іншими елементами, до складу яких може входити у невеликій кількості і цинк.

Латуні за структурою поділяються на однофазні та двохфазні. Якщо вміст цинку не перебільшує 39%, то латунь має однофазну структуру, яка складається із кристалів твердого розчину цинку у міді, так звану -латунь. При більшому вмісту цинку у сплавах утворюється двофазна структура, яка складається із зерен твердого розчину  і зерен твердого розчину на базі сполуки Cu Zn, так звана -латунь. Появлення у структурі більш міцної й крихкої -фази сприяє підвищенню міцності, але знижує пластичність латуні. Дальше підвищення вмісту цинку приводить до утворення інших крихких фаз, тому сплави з вмістом цинку понад 45% у практиці не застосовується.

Однофазні латуні гарно обробляються тиском у гарячому та холодному станах.

Двофазні мають більш високу міцність та зносостійкість, але мало пластичні у холодному стані, їх піддають гарячій обробці тиском.

Латуні погано обробляються різанням. Для покращення різанням у складі латуні додають свинець у невеликій кількості. Для підвищення механічних, технологічних властивостей, корозійної стійкості та інших до складу латуней додають легуючі елементи – нікель, олово, кремній та інші. Такі латуні називають спеціальними.

Маркують латуні літерою Л і цифрою, яка вказує вміст міді у сплаві, решта цинк. У марках спеціальних латунях є літери, які позначають легуючий елемент. Перші дві цифри, що стоять за літерами, вказують середній вміст міді, а наступні – вміст інших елементів. вміст цинку становить різниця до 100% Л80 – латунь; Cu – 80%; решта Zn.

За технологічними властивостями, латуні поділяють на ливарні, із яких виготовляють фасонні виливки і деформівні, із яких виготовляють вироби прокатуванням, волочінням, пресуванням. Наклепані (нагартовані) латуні у присутності вологи, кисню, водню – розтріскуються. Для того щоб цього не відбувалось, латуні підпалюють при температурі 500-700.

У таблиці 10 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування латуней.

Таблиця 10

Марки	Хімічний склад, %						мц, МПа	%	Застосування
	Cu	Al		Pb	Zn	Інші елементи
1	2	3		4	5	6	7	8	9
Прості латуні пластичні деформівні, у холодному стані
Л96	95-97				решта		240	52	Для виготовлення колес листів, труб, проволоки, фольги
Л80	79-81				решта		320	50
Л68	67-70				решта		360	44
Пластичні, деформівні у гарячому стані
ЛС59-1	57-60		0,8-1,9		решта		200	6
2 складні латунні стійкі діям корозії
ЛА77-2	76-79	1,7-2,5			решта		380	47	Труби у машинобудуванні
ЛО70-1	69-71	1,7-2,5			решта				Труби підігрівачів
Ливарні дифузії
ЛА67-2,5	66-68	2-3	<1,0		решта		400	15	Виливки у морському машинобудуванні
3 складні латуні підвищеної міцності і стійкі діям корозії
ЛАН59-3-2	57-60	2,5-3,5			решта	2-3 Ni			Важконавантажені вироби у судівництві. Масивні виливки у судобудуванні. Шестерні та зубчасті колеса
ЛАЖ60-1-1	58-61	0,75-1,5	<0,4		решта	0,8-1,5 Fe	450	50
ЛМцЖ55-3-1	53-58	Sn1,5-2,5	<0,5		решта	0,5-1,5 Fe	400	10
ЛМцОС58-2-2-2	57-60	Sn1,5-2,5	0,5-2,5		решта	1,5-2,5 Mn

Бронзи

Із бронзи у давні часи виготовляли зброю, інструменти, посуд, прикраси, тому що ці сплави міцніші і корозіонно-стійкі, ніж мідь.

Завдяки відмінним ливарним якостям у більш пізніші часи почали виливати гармати та колоколи. Малий коефіцієнт тертя і стійкість на зношення дозволяють використовувати їх при виготовленні вкладишів підшипників, черв'яків і черв'ячних коліс, шестерень і інших деталей відповідальних і точних приладів.

Маркують бронзи літерами Бр (бронза). За ними ставлять літери, що позначають легуючи елементи і цифри, які вказують вміст цих елементів. Цифри, які вказують вміст міді не ставляться, їх визначають по різниці до 100% (решта).

Бронзи розрізняють прості олов'янисті, та спеціальні, безолов'янисті бронзи.

Олов'яністі бронзи за структурою є одно та двофазні. Бронзи, які вміщують до 5% Sn, однофазні, при більшому вмісту олово, структура стає двофазною. Однофазні бронзи застосовують дуже рідко, у стандартних ливарних бронзах вміст олова не перевищує 6%, деформовані бронзи вміщують до 8% Sn. При більшому вмісту олова, сплав стає крихким. Тимчасовий опір розриву збільшується із збільшенням вмісту олова у бронзі до 20%. При ще більшій концентрації олова – тимчасовий опір різко зменшується.

Обробці тиском піддають тільки однофазні бронзи, із вмістом не більше 6% Sn. Ці бронзи піддають рекристалізаційний відпал при температурі 650 градусів Цельсія – як проміжна операція при холодній обробці тиском або заключна операція для надання готовим напівфабрикатом (стрічкам, листам, тощо) необхідних властивостей.

Олов'янисті бронзи мають гарні властивості, їх застосовують для фасонних виливок.

Бронзи, особливо двофазні, мають підвищені антифрикційні властивості. Тому їх використовують для виготовлення виробів з антифрикційними властивостями.

Бронзи з великим вмістом олова, який коштує дуже дорого, змінюють на більш дешеві бронзи, у які додають цинк або свинець. До того ж, свинець покращує обробляємость різанням.

У олов'янисті бронзи додають також фосфор, який є розкислювачем та покращує ливарні властивості.

У таблиці 11 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування олов'янистих бронз.

Таблиця 11

Марка	Хімічний склад		Механічні властивості			Застосування
	Sn	Інші елементи	мц, Мпа	%	НВ
Бронзи для фасонних виливок
БрОЦСН3-7-5-1	3-4		180	8			Арматура, яка працює у воді Деталі, працюють на тертя Шестерні, втулки. Те ж саме, але пластичність вища. Відповідальні вироби, які працюють при підвищених тисках і температурі. Шестерні які працюють при t до 600оС
БрОЦС5-5-5			150	6
БрОЦ10-2	9-11	2-4Zn	250		90
БрОФ10-1	9-11	0.8-1.2Р	200		100
БрОНС11-4-3	10-11	3Pb4Ni	200		120
БрОЦН5-2-5	4-6	5Ni2Zn	350		90
БрОЦС4-4-17	4-5	4Zn17Pb	150		60

Бронзи які обробляють тиском
БрОФ6.5-0.15	6-7	0.1-0.25Р		350-450		60-70		Після відпалу		Проволка для пружин
Після холодної деформації			700-800		7.5-12
БрОЦ4-3	3.5-4	2.7-3.3Zn		350		40		Після відпалу
Після холодної деформації			350		4

Алюмінієві бронзи, які вміщують до 9% Al, уявляють собою твердий розчин алюмінію у міді і є однофазні. Бронзи із більшим вмістом алюмінію є двофазними.

Якщо кількість алюмінію у бронзах не перевищує 5%, такі сплави мають велику пластичність, при підвищенні вмісту – різко зменшується. При вмісту алюмінію до 10%, підвищується міцність. Такі бронзи обробляються тільки тиском при високих температурах. Поряд із цим бронзи мають підвищені ливарні властивості і їх застосовують для фасонних виливок. Алюмінієві бронзи стійкі діям корозії.

У таблиці 12 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування алюмінієвих бронз.

Таблиця 12

Марки	Хімічний склад		Механічні властивості				Застосування
	Al	Інші елементи	мц, Мпа	%	НВ
БрА5	4-6					Стрічки, полоси для пружин фасонні виливки шестерні, втулки, арматура, також можуть працювати у морській воді. Шестерні втулки, арматура яка може працювати при підвищених температурах і тисках.
БрАЖ9-4Л			550	15
БрАЖ9-4	8-10	Fe	600	40
Після термічної обробки			850	5
БрАЖН10-4-4-П			650	10
БрАЖН10-4-4			650	35
БрАЖН11-6-6	10-11	Fe Ni	600	2	250
БрАЖМц10-3-1.5	9-10	Fe Mn	500	12	100
БрАМц9-2Л	8-9	Mn	400	20	80
БрАМц10-2	9-10	Mn	500	12	110
БрАЖС7-1.5-1.5	6-7	Fe Pb	300	18	-

Кремнисті бронзи мають кращі механічні властивості ніж олов'янисті і до того ж коштують менше. Крім того такі бронзи мають підвищену стійкість діям корозії у агресивних середовищах, особливо у лугах.

У промисловості використовують однофазні кремнисті бронзи, які мають підвищену пластичність.

У таблиці 13 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування кремнистих бронз.

Таблиця 13

Марки	Хімічний склад		Механічні властивості				Застосування
	Si	Інші елементи	мц, Мпа	%	НВ
БрКМц3-1	2.75-3.5	1-1.5 Mn	380	45	Після відпалу	Пружини, труби, втулки у судобудуванні, авіації. Зварні резервуари у харчовій промисловості.
Після холодної деформації
БрКМ1-3	1-1.5	2-3 Ni

Берилієві бронзи вміщують 2 – 2,55 Be, мають найкращий комплекс властивостей із усіх бронз. Крім того механічні властивості бронзи значно підвищуються після термічної обробки – загартування з температурою 760 – 820 у воді і старінні при температурі 300.

Берилієві бронзи використовують для виготовлення деталей, які повинні мати високу електропровідність, мембрани, пружини, деталі електроапаратури та електронної техніки, деталі та інструменти які не дають іскри.

У таблиці 14 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості берилієвих бронз.

Таблиця 14

Марки	Хімічний склад, %					Механічні властивості
	Be		Ni	Ti	Mg	мц, Мпа	%	НВ
БРБ2	1.8-2.1		0.2-0.5	Після загартування		400-500	40-50
Після загартування і старіння				-		1150-1250	1.5	400
БрБНТ1.7		1.6-1.85	0.2-0.4	0.1-0.25	
БрБНТ1.9		1.85-2.1	0.2-0.4	0.1-0.25	
БрБНТ1.9Н		1.85-2.1	0.2-0.4	0.1-0.25	0.07-0.13

Марганцевиста бронза БрМц 5 зберігає свої властивості при підвищених температурах t=450^оС, її застосовують для виготовлення напрямних втулок, сідел клапанів та інші.

Свинцевиста бронза вміщує до 30% Pв.

Свинець і мідь у твердому стані не розчинені один у одному, тому мікроструктура бронз складається із кристалів більш твердішою міді і м'якого свинцю. Це забезпечує підвищені антифрикційні властивості сплаву.

Механічні властивості свинцовистих бронз невисокі, і їх використовують для виготовлення вкладишів підшипників механізмів, які працюють з великими швидкостями і при підвищених тисків.

Недолік свинцовистих бронз – схильність до ліквації.

У таблиці 15 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості свинцовистих бронз.

Таблиця 15

Марки	Хімічний склад, %		Механічні властивості			Примітка
	Pb	Інші елементи	мц, Мпа	%	НВ
БрС30	28-31		60	4	25
БрСН60-2.5	59-61	2-2.5 Ni	30	5	30

Антифрикційні (підшипникові) сплави застосовують для заливки вкладенів підшипників. Ці сплави повинні мати достатню твердість, але невисоку, щоб не було великого зношення вала, порівнянно легко деформуватися під впливом місцевих напруг, тобто бути пластичним, утримувати мастило на поверхні, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником. Крім того, температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою і вони повинні мати високу теплопровідність і стійкість діям корозії.

Із метою забезпечення цих властивостей структура антифрикційних сплавів повинна складатися із м'якої пластичної основи та включень більш твердіших часток. При обертах вал спирається на тверді частки які забезпечують зносостійкість, а основна маса, яка зношується швидше, приробляється до валу і утворює сітку мікроскопічних каналів, по яким циклує мастило і виносяться відпрацьовані продукти.

Маркують бабити літерою Б з числом що вказує на середній вміст олова у сплаві.

Букви Н, Т. К. Є – вказують на наявність у бабіті нікелю, телуру, кальцію, свинцю.

Бабіти мають низьку міцність та твердість, тому застосовуються у підшипниках які мають мідний, стальний, чавунний або бронзовий корпус. Тонкостінні підшипникові вкладені виготовляють штампуванням із біметалевої стрічки, яку одержують на лінії безперервного заливання. Підшипники великого діаметру заливають індивідуально стаціонарним або безцентровим литтям, або литтям під тиском.

Найкращі антифрикційні властивості мають бабіти на олов'янистій або свинцевистій основі, які застосовують для заливання підшипників та їх вкладенів.

Олов'яністі бабити містять не менше 72% Sn, олов'янисто-свинцевісті вміщують до 17% Sn і до 72% Pв, свинцевисті (безолов'яністі) вміщують до 80% Pв.

Залежно від умов роботи машини, швидкісної характеристики та температурного режиму роботи застосовують антифрикційні сплави на алюмінієвій, мідній, цинковій та інших основах, антифрикційні чавуни, пористі металокерамічні сплави, пластмаси, пластифіковану деревину.

Олов'янисті бабіти використовують тільки у відповідальних вузлах тертя парових турбін, турбокомпресорів, потужних електродвигунів.

Свинцевисті бабіти для менш навантажених підшипників.

Алюмінієві антифрикційні сплави застосовують як змінники олов'янистих бабітів та бронз тому, що мають високу межу міцності. До недоліків алюмінієвих антифрикційних сплавів належить високий коефіцієнт лінійного розширення, тому їх не можна використовувати у роботі де потрібна точність.

Антифрикційні і механічні властивості бабітів підвищують завдяки введення у склад нікелю, кадмію, арсену, кальцію.

Міцність бабітів _мц=60-120 Мпа, НВ=13-35, невисоку температуру плавлення t^o=220-320^оС.

У таблиці 16 приведені деякі марки, хімічний склад та застосування антифрикційних сплавів.

Таблиця 16

Марки	Хімічний склад, %						Застосування
	Sn	Pb	Sb	Cu	Інші елементі
Б88	89		7,3-7,8	2,5-3,5	0.3-1.2Cd 0.15-0.2Ni	Важко навантажені машини парові турбіни, турбонасоси. Машини середнього навантаження, автодвигунів. Для підшипників залізного транспорту, автодвигунів для підшипників залізного транспорту
Б83	83		10-12	5,5-6,5
БН	9-11	Основа	13-15	1,5-2	0.1-0.7Cd 0.75-1.25Ni 0.5-0.9As
Б16	15-17	Основа	15-17	1,5-2	
БС6	5,5-6,5	Основа	5,5-6,5	0,1-0,3	
БКА		Основа	<0,25	0,95-1,15	0,7-0,9Na 0.05-0.2Al
БК2Ш	1,5-2,0	Основа			0.7-0.9Na 0.5-0.15Mg

Цинкові антифрикційні сплави крім алюмінію та міді, вміщують 0.03-0.6% Mg. У виливках їх застосовують для монометалевих вкладень, втулок, ползунів – ЦАМ 10-5, ЦАМ 9.5-1.5.

Сплав ЦАМ 10-5 також для виливок біметалевих виробів із стальним корпусом.

У деформованому вигляді сплав ЦАМ 9.5-1.5 використовують для одержання біметалевих колес із сталлю і алюмінієвими сплавами методом прокатування та подальшому штампуванню вкладенів.

Ці сплави мають високі антифрикційні властивості та достатню міцність, тому ці сплави заміняють бронзи для вузлів тертя, температура яких перевищує 100^оС.

Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підшипників ковзання, які працюють при великих навантаженнях, але малих швидкостях ковзання; підшипників, які працюють при підвищених тисках і швидкостях ковзання до 5-ти м/се.

Антифрикційні чавуни поділяються на сірі (АСЧ-1; АСЧ-2; АСЧ-3), ковкі (АКЧ-1; АКЧ-2) і високоміцні (АВЧ-1; АВЧ-2), твердість близько НВ 160-260 і характеризуються підвищеним вмістом графіту. Графіт є мастилом, а збираючи масло ще більш ніж зменшує коефіцієнт тертя і сприяє підвищенню зносостійкості тертьової пари деталей.