Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

СПЛАВОВ МЕДНЫХ ЛИТЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЩАЯ

СПЛАВЫ МЕДНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ

Пр и м е ч а н и я 1. Примеси, которые не регламентируются настоящим стандартом, входят в общую сумму примесей.

2.По требованию потребителя в бронзе марки БрСуЗНЗЦЗС20Ф допускается массовая доля 3,4.. .4,5 % Sb, 4,5.. .6,0 %Ni и 0,25.. .0,4 % Р.

СПЛАВОВМЕДНЫХ ЛИТЕЙНЫХХАРАКТЕРИСТИКА ОБЩАЯ

Литейные алюминиевые бронзы имеют ряд преимуществ перед оловянными. Из-за малого интервала кристаллизации (всего 46 °С (см. рис. 3.9)) сплавы системы Си-Al имеют меньшую склонность к дендритной ликвации, большую плотность отливок, лучшую жидкотекучесть. Кроме того, они имеют более высо­ кую прочность и жаропрочность, меньшую склонность к хладноломкости.

Однако алюминиевые бронзы имеют ряд недостатков по сравнению с оловянными, за­ трудняющих получение из них герметичных отливок сложной конфигурации. Это прежде всего значительная усадка при кристаллизации, сильное окисление в расплавленном состоянии и склонность к поглощению газов. Из-за по­ вышенной по сравнению с оловянными брон­ зами усадки при затвердевании алюминиевые бронзы более склонны к трещинообразованию, что требует особых предосторожностей при получении качественного литья [10, 78]. Эти бронзы применяют главным образом для полу­ чения литых деталей относительно простых форм.

Для улучшения механических, техноло­ гических свойств и коррозионной стойкости литейные алюминиевые бронзы дополнительно легируют железом, марганцем, никелем (см. табл. 4.6, 4.7).

Железо вводят во многие марки литейных алюминиевых бронз для измельчения зерна отливки и упрочнения твердого раствора, за­ медления эвтектоидного распада Р-фазы.

Двойные сплавы системы Си-Al кристал­ лизуются в узком интервале температур (см. рис. 3.9), что приводит к направленному и по­ следовательному затвердеванию с образовани­ ем в отливках столбчатой структуры, ухуд­ шающей пластичность. Поэтому для измельче­ ния зерна в литейные алюминиевые бронзы вводят до 4.. . 6 % Fe. При таких концентраци­ ях в тройных сплавах системы Cu-Al-Fe желе­ зо образует самостоятельную уРе-фазу - твер­ дый раствор на основе железа. В условиях не­ равновесной кристаллизации затвердевание бронз начинается с выделений первичных кри­ сталлов уРе-фазы. Эти кристаллы измельчают зерно литой структуры, что и способствует повышению пластичности отливок. Кроме то­ го, железо частично растворяется в медном твердом растворе и оказывает упрочняющее действие.

Железо также замедляет эвтектоидный распад p-фазы с образованием у2 -фазы. Это

особенно важно для крупногабаритных фасон­ ных отливок, полученных литьем в песчаные формы. В сплавах системы Си-Al вследствие замедленного охлаждения крупных отливок происходит эвектоидный распад p-фазы (р —► -> а + у2) с выделением в эвтектоиде крупных пластин у2-фазы («самопроизвольный отжиг»), что приводит к охрупчиванию сплава. Железо, замедляя эвтектоидный распад, устраняет этот недостаток двойных сплавов системы Си-А1 [92].

Марганец растворяется в основных фазах алюминиевых бронз, вызывая твердораствор­ ное упрочнение. Его вводят для повышения прочности, пластичности и коррозионной стойкости алюминиевых бронз.

Важным легирующим элементом в спла­ вах системы Си-Al является никель, который образует фазы 0(Ni3 Al) и NiAl, имеющие пере­ менную растворимость в твердом растворе. В результате алюминиевая бронза с добавкой никеля становиться способной к дисперсион­ ному твердению. Обычно в алюминиевые бронзы никель вводят совместно с железом в соотношении 1:1 (см. табл. 4.7). Например, в бронзе БрА10Ж4Н4Л после закалки с 980 °С и старения при 400 °С в течение 2 ч твердость повышается с 170 до 400 НВ, а предел прочно­ сти достигает 700 МПа. Эта бронза сохраняет работоспособность при нагреве до 400...500 °С [92].

Многокомпонентные алюминиевые брон­ зы дают плотные отливки с концентрирован­ ной усадочной раковиной, линейная усадка их по сравнению с оловянными бронзами выше и достигает 2 ,0 ...2 ,5 %, склонность к дендритной ликвации значительно меньше, а жиДкотекучесть выше (табл. 4.9). Алюминиевые бронзы имеют хорошую коррозионную и противокавитационную стойкость.

К недостаткам этих сплавов следует от­ нести склонность к образованию крупнокри­ сталлической столбчатой структуры. Для из­ мельчения зерна, кроме железа, используют также небольшие добавки модификаторов I рода: бора (0 , 0 2 %), ниобия и ванадия.

Кроме алюминиевых, в промышленности применяются свинцовые, сурьмянистые и не­ которые другие безоловянные бронзы.

Свинцовая бронза БрСЗО характеризует­ ся хорошими антифрикционными свойствами и высоким сопротивлением заеданию, поэтому применяется для высоконагруженных подшип­ ников (опорные и шатунные подшипники

Свойства

Температура литья, °С

Жидкотекучесть, мм

мощных турбин, авиационных моторов, дизе­ лей и других быстроходных машин).

Свинцовая бронза БрСЗО - это двухком­ понентный сплав системы Cu-Pb (рис. 4.4). Бронза с 30 % РЬ (положение ее на диаграмме состояния Cu-Pb указано заштрихованной об­ ластью) кристаллизуется в несколько стадий. Характерной особенностью затвердевания сплавов системы Cu-Pb является наличие монотектической реакции: процесс кристаллиза­ ции сопровождается расслоением жидкости на

представляет собой зерна меди и эвтектику, состоящую из практически чистого свинца (99,98 % РЬ). Для получения высоких анти­ фрикционных свойств необходимо иметь мел­ кое зерно меди и равномерное распределение частиц свинца. Однако получение такой струк­ туры не просто, так как из-за расслоения жид­ кости во время монотектической реакции (L| <->Си + L2) свинцовые бронзы подвержены

сильной ликвации. В процессе кристаллизации, обогащенная свинцом жидкость L2 ( 8 6 % РЬ), оттесняется растущими зернами меди и кон­ центрируется обособленными участками, а затем закристаллизовывается в виде крупных скоплений свинца. Такие скопления приводят к неравномерному его распределению по объему отливки и отрицательно сказываются на свой­ ствах бронзы. Кроме того, свинцовые бронзы чрезвычайно склонны к гравитационной лик­ вации в процессе кристаллизации: из-за боль­ шой разницы в плотности свинца и меди жид­ кость L2, обогащенная свинцом, опускается вниз, и поэтому более тяжелый свинец распо­ лагается в донной части отливки.

Для обеспечения равномерного распреде­ ления свинца в структуре применяют в процес­ се литья специальные меры, уменьшающие ликвацию: диспергирование, быстрая кристал­ лизация и т.п. Например, для увеличения ско­ рости кристаллизации стальные ленты или заготовки, на которые заливают свинцовую бронзу, охлаждают водой. Таким способом удается получить мелкое зерно меди с дис­ персными частицами свинца.

На рис. 4.5 показано влияние содержания свинца на механические свойства двойных сплавов системы Cu-Pb. Видно, что с увеличе­ нием содержания свинца прочностные свойст­ ва сплавов достаточно резко понижаются. Прочность и твердость свинцовой бронзы БрСЗО невысоки (табл. 4.10), поэтому она при­ меняется в виде биметалла, получаемого за­ ливкой слоя бронзы на стальной корпус под­ шипника. Благодаря биметаллической конст­ рукции подшипники могут работать при высо­ ких скоростях скольжения и при больших удельных и циклических нагрузках ударного характера. Такие биметаллические подшипни­ ки имеют небольшую массу, просты в изготов­ лении и при износе легко заменяются.

Свинцовые бронзы значительно превос­ ходят по теплопроводности оловянные бронзы (почти в три раза) и другие подшипниковые сплавы (табл. 4.11), что позволяет их использо­ вать при более высоких рабочих температурах.

Сурьмянистая бронза БрСуЗНЗЦЗС20Ф

применяется как заменитель оловянных и дру­ гих антифрикционных бронз. Бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, легко прирабатывается и хорошо противостоит износу. Применяется для изготовления деталей трения топливной аппаратуры, а также для изготовления подшипников.

Основой фазового состава бронзы являет­ ся твердый раствор сурьмы в меди, в котором

равномерно распределены частицы твердой е-фазы. Частицы е-фазы играют роль твердой составляющей при трении в подшипниках. Для упрочнения основы сплава и повышения кор­ розионной стойкости в состав сурьмянистой бронзы введены никель, цинк и фосфор, а для повышения антифрикционных свойств - сви­ нец.

Рис. 4.5. Влияние содержания свинца на механические свойства свинцовых бронз

Типичные механические свойства безоло­ вянных литейных бронз приведены в табл. 4.12.

4.1.3. Литейные латуни

Литейные латуни широко применяются в технике для изготовления фасонных отливок. В табл. 4.13, 4.14 приведены марки литейных латуней, выпускаемых промышленностью Рос­ сии, а также их аналоги по национальным стандартам США, Германии и Японии. Латуни дешевле большинства литейных бронз и обла­ дают хорошими литейными свойствами.

Базовой диаграммой состояния для лату­ ней является система Cu-Zn (см. рис. 2.1). В этой системе имеется необычная зависимость растворимости цинка в меди от температуры: при температуре 902 °С она составляет 32,5 % и в отличие от многих других систем, с пони­ жением температуры растворимость увеличи­ вается, достигая максимальных значений 39 % при 454 °С. При дальнейшем понижении тем­ пературы растворимость цинка в меди мало изменяется, поэтому для оценки фазового со­ става латуней используют значение предель­

а + р-латунь и Р-латунь (см. рис. 2.1). Механи­ ческие свойства латуней определяются свойст­

P-фаза также достаточно пластична. При тем­

пературах ниже 454...468 °С p-фаза переходит в упорядоченное состояние: р —»Р' Фаза Р' в отличие от p-фазы является более твердой и хрупкой; у-фаза представляет собой твердый раствор на основе электронного соединения Cu5Zn8; она отличается очень высокой хрупко­ стью, и ее присутствие в промышленных кон­ струкционных сплавах исключено. В этом главная причина того, что медно-цинковые сплавы, содержащие более 50 % Zn, не нашли применения в промышленности.

В соответствии со свойствами фаз в сис­ теме Cu-Zn а-латуни - мягкие и высокопла­ стичные сплавы; но прочностные свойства их

свойства повышаются, а пластичность понижа­ ется. По мере увеличения содержания цинка ав возрастает от 200 до 300 МПа в однофазной области а и до 450 МПа в двухфазной - а + р. Пластичность увеличивается от 30 до 50% и проходит через максимум в сплавах, содержа­ щих - 30 % Zn, а затем (в двухфазной области) резко понижается из-за появления в структуре сплавов хрупкой Р'-фазы.

Сплавы системы Cu-Zn кристаллизуются в узком температурном интервале (50...60 °С). Этот факт в значительной мере определяет их литейные свойства. Из-за малого интервала кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью и дают плотные отливки с небольшой пористостью (главным образом в