Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

Рис. 1.26. Анизотропия модуля нормальной упругости в деформированном (а) и рекристаллизованном (б) состояниях (штриховые линии - экспериментальные данные; сплошные - расчетные):

ВП - вдоль прокатки; ПП - поперек прокатки [128]

Кроме анизотропии свойств на штампуемость меди влияет размер зерна в отожженных полуфабрикатах. Взаимосвязь между размером зерен и способностью прокатного материала к глубокой вытяжке при холодной штамповке приведена в табл. 1.40.

Для определения способности материала к холодной штамповке применяется испытание на глубокую вытяжку по Эриксену. На рис. 1.27 показаны минимальные показатели глубо­ кой вытяжки для отожженной меди в зависи­ мости от толщины листа или ленты. Поверх­ ность возникающего в процессе испытания колпачка должно быть гладкой, без поверхно­ стных разрывов.

Термическая обработка. Полуфабрика­ ты из меди подвергаются двум видам термиче­ ской обработки: отжигу для уменьшения оста­ точных напряжений и рекристаллизационному отжигу. Температура начала рекристаллизации бескислородной меди высокой чистоты состав­ ляет 200...240 °С, а электролитической дефор­ мированной меди в зависимости от содержания кислорода - 180...230 °С [9, 47, 101]. Во избе­ жании водородной болезни полуфабрикаты из меди, содержащей кислород, рекомендуется отжигать в слабоокислительной или нейтраль­ ной атмосфере, полуфабрикаты из бескисло­ родной меди и меди, раскисленной фосфо­ ром, - в нейтральной или слабовосстанови­ тельной, чтобы уменьшить потери металла изза окисления.

1.40. Размер зерна и способность листовой меди к глубокой вытяжке

Н мм

Рис. 1.27. Зависимость минимальной глубины вытяжки (Н) при испытаниях по Эриксену от толщины листа (5) или ленты

из отожженной меди

Температура рекристаллизационного от­ жига и время выдержки зависят от вида и раз­ меров деформированного полуфабриката и назначения отжига: промежуточный между операциями деформации или окончательный.

Режимы окончательного отжига выбира­ ют, основываясь на требуемом уровне физиче­ ских и механических свойств. Общие законо­ мерности зависимости свойств от температуры отжига показаны на примере меди марки Ml (см. рис. 1.17)

В табл. 1.41 приведены оптимальные ре­ жимы отжига для различных деформирован­ ных полуфабрикатов технической меди.

Качество отожженного металла опреде­ ляется не только механическими свойствами, но и размером зерна. Размер зерна в полностью рекристаллизованной структуре довольно од­ нороден. При неправильно установленных режимах рекристаллизационного отжига в

структуре металла могут присутствовать две группы зерен разного размера. Это так назы­ ваемая двойная структура особенно нежела­ тельна при операциях глубокой вытяжки, гиб­ ки или полировки и травления изделий.

С увеличением размера зерен ухудшается качество поверхности штампованных изделий. При величине зерна более 40 мкм на поверхно­ сти изделия наблюдается характерная шерохо­ ватость - «апельсиновая корка». Применяя оптимальные режимы отжига, можно получить частично или полностью рекристаллизованную структуру без образования «апельсиновой кор­ ки». Для выбора режима отжига часто исполь­ зуют пространственные диаграммы рекристал­ лизации (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Диаграмма рекристаллизации меди [128]

Травление полуфабрикатов. После горя­ чей прокатки, прессования, ковки и отжига в окислительной атмосфере обрабатываемый полуфабрикат из меди имеет тусклую окислен­ ную поверхность.

Полуфабрикаты из меди травят в раство­ ре серной кислоты. В заводской практике трав­ ление проводят при температурах раствора 50...60 °С. Интенсификации травления можно достичь, повышая температуру до 70...80 °С. После травления необходима многократная промывка в проточной воде и сушка.

Сварка. Высокая теплопроводность меди оказывает отрицательное влияние на сваривае­ мость, так как выделяющееся при сварке тепло очень быстро отводится от места сварки.

Наилучшей свариваемостью обладает медь, раскисленная фосфором с высоким оста­ точным его содержанием, которая имеет самую низкую теплопроводность по сравнению с дру­ гими марками меди. Способы сварки, приме­ няемые для меди, приведены в табл. 1.42.

При сварке меди, раскисленной фосфо­ ром, любым способом получаются сварные швы высокого качества. Для кислородсодер­ жащей меди наилучшие результаты дает электродуговая сварка в среде инертного газа. При газовой сварке меди применяется только ки­ слородно-ацетиленовое пламя. Подготовка кромок соединяемого такой сваркой листового материала почти не отличается от подготовки стального листа. При сварке меди следует учи­ тывать ее расширение под воздействием высо-

ких температур, поэтому следует строго сле­ дить за фиксацией кромок свариваемого мате­ риала. Перед сваркой материал следует про­ греть (до 500.. .600 °С).

В качестве расходуемых электродов при газовой сварке применяют проволоку из спла­ вов на основе меди с низкой температурой плавления и с малым поверхностным натяже­ нием. В качестве легирующих компонентов применяют элементы, повышающие жидкотекучесть меди и имеющие малую склонность к образованию оксидов и поглощению газов. Чаще всего в качестве легирующей добавки применяют фосфор, кроме того, вводят крем­ ний, марганец, никель, олово и серебро.

Электродуговая сварка меди в среде инертного газа получила широкое применение благодаря ее технологическим преимуществам. Непрерывная подача инертного газа (аргона) в зону сварки предотвращает поглощение мате­ риалом шва кислорода и водорода и способст­ вует получению качественного сварного со­ единения.

Пайка. Медь отлично соединяется пай­ кой мягкими и твердыми припоями. При пайке мягкими припоями (содержащими олово или свинец) практически не происходит уменьше­ ние прочностных характеристик меди. При пайке твердыми припоями в результате повы­ шения температуры происходит разупрочнение меди. В связи с незначительной прочностью меди в горячем состоянии температура пайки твердыми припоями должна быть минималь­ ной. В качестве твердых припоев для пайки меди и низколегированных сплавов на ее осно­

ве применяют сплавы на основе меди с добав­ ками серебра, фосфора, а также кадмия и мар­ ганца.

Предпочтительно применять эвтектиче­ ские сплавы систем Си-Р и Cu-Ag-P с низкой температурой плавления. Для автоматической пайки меди рекомендуются припои состава Си+ 6 ...7 % Р или Си + 15 % Ag + 6 ...7 % Р. Для бесфлюсовой пайки низколегированных медных сплавов используются припои на осно­ ве серебра, преимущественно эвтектической системы Ag-Cu [104].

Обработка резанием. Медь обладает сравнительно низкой обрабатываемостью реза­ нием. Как правило, при обработке деталей из чистой меди получается длинная стружка. Также медь склонна к налипанию на резец (образованию наростов), причем мелкие части­ цы привариваются к режущей кромке инстру­ мента, а при отрыве наростов повреждается поверхность инструмента. Полуфабрикаты в отожженном состоянии обрабатываются хуже, чем в нагартованном.

Износ инструмента повышается с увели­ чением содержания закиси меди в исходной заготовке. Кислород, содержащийся в меди в количестве больше 0,05 %, оказывает разру­ шающее действие, особенно на карбид вольф­ рама. Поэтому при обработке кислородсодер­ жащей меди рекомендуется применять инстру­ мент из быстрорежущей стали с минимальным содержанием карбида вольфрама. Бескисло­ родную медь обрабатывают твердосплавным инструментом.

Для улучшения режущих свойств медь легируют теллуром. Электро- и теплопровод­ ность этого легко обрабатываемого резанием сплава близка к соответствующим характери­ стикам меди. Обрабатываемость резанием тел­ луровой бронзы составляет 90 % от свинцовой латуни ЛС63-3 (эталонный сплав), в то время как обрабатываемость резанием нелегирован­ ной меди оценивается в 2 0 %.

1.6. КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА

Медь обладает довольно высокой корро­ зионной стойкостью в различных средах. В электрохимическом ряду активности элемен­ тов медь стоит ближе к благородным металлам и обычно не вытесняет водород даже из кис­ лых растворов. Благодаря своей природе медь не является химически активным элементом, поэтому скорость ее коррозии обычно невели­ ка, даже если разрушению препятствует пленка нерастворимых продуктов коррозии.

В атмосфере сухого воздуха медь с поли­ рованной поверхностью не корродирует. Ок­ сидные слои при температуре 20 °С тонкие (50 нм), бесцветные и не дают цветов побежа­ лости. С увеличением шероховатости поверх­ ности степень воздействия сухого воздуха воз­ растает. Медь устойчива против коррозии в насыщенном водяными парами чистом возду­ хе. Присутствие во влажном воздухе примеси сероводорода понижает коррозионную стой­ кость меди. В промышленных районах на по­ верхности меди образуются основные сульфа­ ты (CuS04 -3Cu(0H)2) изумрудно-зеленого цве­ та. В восстановительной атмосфере при темпе­ ратуре 300...400 °С медь во многих случаях является более коррозионно-стойкой, чем кор­ розионно-стойкая сталь [1 0 1 ].

При нагреве медь окисляется вследствие взаимодействия с кислородом воздуха, образуя

взависимости от температуры два оксида: СиО

иСи2 0. При низких температурах (100 °С) на поверхности меди образуется пленка оксида меди (СиО) черного цвета. При более высоких

температурах (600 °С) скорость окисления возрастает и образуется плотная пленка закиси красного цвета.

Пресная вода действует на медь очень слабо: скорость коррозии 0,005...0,25 мм/год. Скорость коррозии заметно повышается в при­ сутствии примесей аммиака, сероводорода, хлоридов и кислот, препятствующих образова­ нию прочных защитных пленок на поверхно­ сти.

Скорость коррозии меди в морской воде в естественных условиях (при небольших скоро­ стях движения воды) незначительна (~ 0,05 мм/год) вследствие образования на по­ верхности меди защитной пленки, возникаю­ щей в результате взаимодействия металла и воды. Скорость коррозии возрастает с повы­ шением содержания кислорода и при увеличе­ нии скорости движения воды, так как пленка может выполнять защитные функции только в случае, если скорость удаления ее потоком будет ниже скорости ее образования.

В некоторых загрязненных водах мини­ мальная скорость потока необходима для того, чтобы избежать образования осаждений, наки­ пи, которые могут вызвать за собой локальную коррозию.

Таким образом, в каждом отдельном слу­ чае существуют оптимальные условия движе­ ния внешней среды, позволяющие рационально использовать медные изделия. Однако ско­ рость циркуляции водного потока не является единственным параметром, характеризующим коррозионную стойкость материала. Сущест­ венное влияние оказывает состояние поверхно­ сти трубопровода, его форма и размеры.

Практика показывает, что допустимая скорость потока пресной воды в медных тру­ бах не должна превышать 1,5 м/с, а чистой морской воды - 1 , 0 м/с [1 0 1 ].

Сопротивление усталости меди в пресной и морской воде мало отличается от аналогич­ ного показателя на воздухе и при 1 0 7 ...1 0 8 цик­ лах нагружения составляет 70 МПа (К, = 1).

В неокислительных кислотах (соляная, уксусная, разбавленная серная и др.) скорость коррозии относительно невелика (табл. 1.43).

Медь сильно корродирует в окисленных минеральных кислотах (HN03, НСЮ4 и др.), в кислых растворах хромистых солей, а также под действием серы и ее соединений; также быстро разрушается в концентрированной сер­ ной кислоте, особенно при нагреве. Медь пло­ хо сопротивляется действию хлористого аммо­ ния, щелочных цианистых соединений, но бо­ лее устойчива в отношении других щелочных растворов. Гидроокиси натрия и калия в рас­ творе практически не действуют на медь, одна­ ко расплавленный едкий калий, начиная с 350 °С, взаимодействует с медью. Гидроокись аммония по отношению к меди является одним из самых агрессивных агентов. Влажный ам­ миак действует на медь также агрессивно, вы­ зывая коррозию.

Среда

1

Азотная

Борная

Серная

Серная

Серная

Серная

Серная

Серная

Серная

Сернистая

Соляная

Соляная

Хлорная

Хромовая

Фтористоводородная

Фосфорная

Неорганические среды (водные растворы)

Хлориды, за исключением очень разбав­ ленных растворов, и цианиды по отношению к меди агрессивны; окисляющие соли также аг­ рессивны в кислой среде (добавки 5 %-го рас­ твора КМп04 к соляной кислоте увеличивает скорость коррозии меди с 0,9 до 36 мм/год). Сульфиды и нитраты слабо взаимодействуют с медью; окисляющие хлориды и соли щелочных металлов несколько агрессивнее по отношению к меди, особенно в условиях аэрации.

Медь хорошо сопротивляется действию многих агрессивных органических сред: фе­ нольные смолы, органические кислоты (уксус­ ная, лимонная, молочная, щавелевая и др.), спирты оказывают незначительное действие на

медь. Поэтому ее широко применяют в хими­ ческой промышленности.

Медь является катодом по отношению к большинству других металлов и сплавов. Это вызывает ускоренную коррозию этих металлов, находящихся в контакте с медью в растворах солей или кислот. При контакте с некоторыми более благородными металлами и сплавами (платина, золото, свинец, олово) и коррозион­ но-стойкой сталью, которые являются катода­ ми по отношению к меди, коррозия ее значи­ тельно усиливается. Чем больше разница элек­ трохимических потенциалов, тем значительнее коррозия меди [92, 101].

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Медь обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлени­ ем как в горячем, так и в холодном состоянии, что обусловливает ее широкое применение в промышленности для изготовления сплавов. Свойства сплавов на основе меди весьма раз­ нообразны. Многие медные сплавы обладают высокими механическими свойствами, они коррозионно-стойки, хорошо сопротивляются износу, имеют низкий коэффициент трения и хорошую притираемость в паре с другими, более твердыми материалами, хорошо работа­ ют при отрицательных температурах, вплоть до температуры жидкого гелия. Благодаря этим и другим свойствам медные сплавы нашли широкое применение в технике.

Среди медных сплавов наибольшее рас­ пространение в промышленности получили латуни благодаря сочетанию высоких механи­ ческих и технологических свойств. По сравне­ нию с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, луч­ шими литейными качествами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Они наиболее дешевые медные сплавы.

Латуни - это двойные и многокомпонент­ ные сплавы, в которых основной легирующий компонент - цинк (содержание его не превы­ шает 50 %). Минимальное содержание цинка в латунях - 4 % (по массе).

Фазовый состав двойных латуней опреде­ ляет диаграмма состояния (рис. 2.1). По струк­ туре выделяют а-латуни, а+Р-латуни и р- латуни. Природа фаз в системе Cu-Zn, их фи­ зические и механические свойства определяют поведение латуней различных марок при хо­

лодной и горячей пластической деформации, при термической обработке и, в конечном сче­ те, определяют их свойства.

В системе Cu-Zn наблюдается необычная температурная зависимость растворимости: 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. Дальнейшее понижение темпера­ туры приводит к уменьшению растворимости цинка в меди (до 34...35 % при комнатной температуре). Однако при режимах обработки, которые используются в промышленности, равновесная концентрация цинка в твердом растворе обычно не достигается. Поэтому для оценки фазового состава латуней используют значения предельной растворимости цинка в твердом растворе меди (39 %).

Медь с цинком образует кроме а-твердого раствора на основе меди с ГЦК решеткой ряд промежуточных фаз Р, у и другие. Ближайшая к меди промежуточная фаза Р - это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn с решеткой ОЦК. При высоких темпера­ турах p-фаза имеет широкую концентрацион­ ную область гомогенности. Высокотемпера­ турная p-фаза достаточно пластична, поэтому многие марки латуней при горячей деформа­ ции нагревают в однофазную область р. При температурах ниже 454...468 °С p-фаза пере­ ходит в упорядоченное состояние: Р -> Р' Фаза Р' в отличие от P-фазы является более твердой

ихрупкой; у-фаза представляет собой твердый раствор на основе электронного соединения Cu5 Zn8, отличается очень высокой хрупкостью

иее присутствие в промышленных конструк­ ционных сплавах исключается.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы Cu-Zn и температурные интервалы:

У- нагрева под обработку давлением; 2- рекристаллизационного отжига; 3 - отжига для

уменьшения остаточных напряжений

Механические свойства латуней опреде­ ляются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность воз­ растает (рис. 2.2). Максимум прочности дости­ гается в двухфазной области а + Р при содер­ жании цинка 45...47 %, как только Р'-фаза полностью заменит a -фазу, прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости сплавов. Модуль нормальной упругости Е с увеличени­ ем содержания цинка уменьшается. Особенно резкое понижение модуля упругости наступает, когда превышен предел растворимости цинка в a -фазе и в структуре появляется Р'-фаза (рис. 2.3). Пластичность Р-латуней с Р'-структурой при комнатной температуре очень низка, и при содержании около 50 % Zn и более они не под­ вергаются холодной обработке давлением. Поэтому в промышленности применяются преимущественно а- и а + Р-латуни. Пред­ ставляют интерес как основа сплавов с эффек­ том запоминания формы Р-латуни.

Цинк довольно резко снижает теплопро­ водность к и электропроводность со меди, и

Рис. 2.2. Влияние содержания цинка на механические свойства латуней [92]

Е, ГПа

Рис. 23. Изменение модуля нормальной упругости медно-цинковых сплавов в зависимости

от содержания цинка [104]

при содержании его в латунях более 2 0 % эти свойства не превышают 40 % от соответст­ вующих характеристик меди. При увеличении содержания цинка коэффициент линейного расширения а монотонно увеличивается вплоть до 65 % Zn, а плотность у уменьшается (рис. 2.4).

По технологии производства латуни де­ лят на деформируемые и литейные.

В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозна­ чают основные компоненты сплава, числа - их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы «Л» - латунь. В двойных (простых) латунях число после буквы Л определяет среднее содержание меди. Мно­ гокомпонентные специальные латуни, кроме меди и цинка, содержат еще один или несколь­ ко легирующих элементов, которые имеют следующие обозначения: А - алюминий; О - олово; Н - никель; Ж - железо; К - кремний; С - свинец; Мц - марганец; Мш - мышьяк.

Р ис. 2.4. Изменение физических свойств медно-цинковых сплавов в зависимости от содержания цинка (92|

Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируе­ мых латунях первое число после букв указыва­ ет среднее содержание меди, последующие числа, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 имеет средний состав: 59 % Си, 1% Fe, 1% Мп, остальное Zn. В литейных латунях цинк обо­ значается буквой «Ц». Среднее содержание компонентов сплава ставится сразу после бук­ вы, обозначающей его название. Например, литейная латунь ЛЦЗОАЗ содержит 30 % Zn, 3 % А1, Си - основа.

В США используется Унифицированная система нумерации металлов и сплавов (Uni­ fied Numbering System for Metals and Alloys - UNS). Обозначение сплавов начинается с бук­ вы «С» (copper), затем следует пятизначный номер, определяющий марку сплава. Сплавы с номером меньше 80000 - обрабатываемые дав­

лением, сплавы с большими номерами - ли­ тейные.

В стандартах ISO и Германии сплавы, об­ рабатываемые давлением, имеют буквенно­ цифровую систему обозначений: символ “Си” показывает, что сплав на основе меди, основ­ ные легирующие элементы обозначены хими­ ческими символами. Следующие за ним цифры соответствуют номинальному содержанию легирующих элементов в процентах (по массе). Аналогичную систему обозначения имеют и литейные сплавы, но только с двумя латински­ ми буквами “GB” впереди. Кроме того, все сплавы в Германии - обрабатываемые давле­ нием и литейные - имеют цифровые обозначе­ ния (номер материала).

В стандартах Японии сплавы, обрабаты­ ваемые давлением, имеют такую же систему обозначений, как и в США, только количество цифр - четыре, а не пять. При этом сплавы, обозначение которых совпадает с обозначени­ ем сплавов США (за исключением пятой циф­ ры), близки по составу соответствующим спла­ вам США. Литейные японские сплавы обозна­ чаются в соответствующих стандартах как классы и поэтому в обозначении содержат но­ мер стандарта и номер класса.

2.2. ДВОЙНЫЕ ЛАТУНИ

Из деформируемых латуней изготовляют листы, ленты, полосы, прутки, трубы, проволо­ ку и поковки. Плоский прокат выпускают в мягком (отожженном), полутвердом (обжатие 10...30 %), твердом (обжатие 30...50 %) и осо­ бо твердом (обжатие более 60%) состоянии. В табл. 2.1 приведены марки стандартных двойных и специальных (многокомпонентных) деформируемых латуней и указаны зарубеж­ ные сплавы-аналоги по стандартам США, Гер­ мании и Японии.