Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

ДАВЛЕНИЕМОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ЛАТУНИ,

Двойные латуни - это преимущественно сплавы с a -структурой (Л96, JI90, Л85, Л6 8 и др.). Обычно в структуре однофазных латуней, содержание цинка в которых близко к пределу растворимости (см. рис. 2 .1 ), присутствует небольшое количество неравновесной Р-фазы из-за медленно протекающих диффузионных процессов в медно-цинковых сплавах при низ­ ких температурах. Однако наблюдаемые в не­ больших количествах включения P-фазы не оказывают заметного влияния на свойства а-латуней. Поэтому такие сплавы, хотя их структура и является двухфазной, по механи­ ческим и технологическим свойствам целесо­ образно отнести к однофазным а-латуням.

Влияние примесей на свойства лату­ ней. Отрицательное влияние на механические и технологические свойства латуней оказыва­ ют легкоплавкие, весьма ограниченно раство­ римые в медно-цинковых сплавах в твердом состоянии примеси. Наиболее чувствительны к таким примесям однофазные а-латуни, так как образующиеся на границах зерен легкоплавкие включения резко ухудшают способность этих сплавов к горячей обработке давлением.

Примеси, находящиеся в твердом раство­ ре и не образующие самостоятельных фаз, не оказывают отрицательного влияния на механи­ ческие и технологические свойства латуней [92,44].

Алюминий полностью входит в твердый раствор и как примесь не оказывает отрица­ тельного влияния на свойства латуней. Малые добавки алюминия уменьшают угар цинка при плавке: на поверхности расплава образуется защитная пленка из оксида алюминия, препят­ ствующая испарению цинка.

Никель и марганец в небольших количе­ ствах входят в твердый раствор и не оказывают заметного влияния на физические, механиче­ ские и технологические свойства латуней. Ни­ кель повышает температуру рекристаллизации латуней.

Железо имеет очень малую раствори­ мость в медно-цинковом твердом растворе при комнатной температуре и образует в латунях

самостоятельную уре’фазу ~ железистую со­ ставляющую. Эта фаза ферромагнитная, и она резко изменяет магнитные свойства латуней. Поэтому в латунях, которые применяются для изготовления антимагнитных деталей, содер­ жание железа допускается не выше 0,03 %. Железо затрудняет развитие процесса рекри­ сталлизации латуней и измельчает зерно, в связи с чем значительно повышаются механи­ ческие и технологические свойства сплавов.

Кремний как примесь входит в твердый раствор. Под влиянием кремния улучшаются процессы пайки и сварки латуней, повышается стойкость против коррозионного растрескива­ ния.

ДАВЛЕНИЕМОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ЛАТУНИ,

ЛАТУНИ ДВОЙНЫЕ

ДАВЛЕНИЕМ ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ЛАТУНИ,

Висмут относится к наиболее вредным примесям. Он практически не растворяется в медно-цинковых сплавах в твердом состоянии и образует на границах зерен легкоплавкую эвтектику, состоящую практически из чистого висмута. Вследствие этого он вызывает горячеломкость латуней, особенно однофазных. Содержание его в промышленных марках ла­ туней ограничено 0,002...0,003 % (см. табл. 2 .2 ).

Свинец имеет крайне низкую раствори­ мость в медно-цинковых сплавах в твердом состоянии и при затвердевании выделяется в элементарном виде на границах зерен в форме мелких сферических включений. Под влиянием примеси свинца ухудшается пластичность а-латуней при повышенных температурах. Он вызывает горячеломкость латуней, особенно однофазных, поэтому содержание свинца в двойных а-латунях ограничивается 0,03 % (см. табл. 2.2). Однако свинец улучшает многие технологические свойства латуней, особенно обрабатываемость резанием. Поэтому в про­ мышленности применяется целая группа свин­ цовых латуней (см. табл. 2 .1 ), в которых со­ держание свинца может превышать 1 % (по массе).

Сурьма является вредной примесью в медно-цинковых сплавах. Она ухудшает тех­ нологическую пластичность как при горячей, так и при холодной обработке давлением. Од­ нако микродобавки сурьмы (до 0 , 1 %) к двух­ фазным латуням частично локализирует корро­ зию, связанную с обесцинкованием.

Мышьяк. Несмотря на то, что в твердой меди растворимость мышьяка достаточно вы­ сока (~ 5 % (по массе) при температуре 25 °С) в медно-цинковом твердом растворе его рас­ творимость не превышает 0,1 %. При больших его концентрациях в структуре латуней появ­ ляется очень хрупкая промежуточная фаза, повидимому, As2 Zn. Поэтому при повышенном содержании мышьяка (выше 0,5 %) латуни теряют пластичность вследствие образования хрупких прослоек цинк-мышьяковистой фазы по границам зерен. Однако мышьяк представ­ ляет большой интерес для латуней и как леги­ рующий элемент при изготовлении деталей, работающих в условиях морской воды. Мышь­ як в малых количествах (0,025...0,06 %) при микролегировании предохраняет латуни от коррозионного растрескивания и обесцикования при контакте с морской водой.

Фосфор незначительно растворяется в медно-цинковых сплавах в твердом состоянии. При затвердевании сплава он образует проме­ жуточную фазу, которая повышает твердость и резко снижает пластичность латуней. Неболь­ шие количества фосфора оказывают положи­ тельное влияние на латуни, повышая их меха­ нические свойства и измельчая зерно литого металла, но при рекристаллизации деформиро­ ванных латуней фосфор ускоряет рост зерна. В качестве раскислителя при плавке латуней фосфор применять не рекомендуется, так как цинк является более энергичным раскислителем, чем фосфор. В промышленных марках латуней содержание фосфора ограничивают концентрациями 0,005...0,01 % (см. табл. 2.2).

Механические свойства. Закономерно­ сти изменения механических свойств от со­ держания цинка показаны на рис. 2.2 и 2.3. Они зависят от химического состава сплавов, при­ роды фаз и структуры.

Однофазные латуни после отжига (мягкое

450 МПа; и 5 = 30...45 % (см. табл.2.3); проч­ ность латуней может быть существенно повы­ шена холодной пластической деформацией (ав = 450...700 МПа), однако пластичность резко снижается (5 = 3...5 %).

Обработка давлением. Однофазные а-латуни очень пластичны, легко деформиру­ ются в горячем и холодном состоянии. В ин­ тервале температур 300...700 °С а-латуни, как и медь, имеют область пониженной пластично­ сти. Поэтому горячую деформацию осуществ­ ляют при более высоких температурах (750...

900 °С, см. табл. 2.4). Оптимальные температу­ ры нагрева под обработку давлением двойных латуней показаны на рис. 2 . 1 (/).

Однофазные а-латуни при горячей де­ формировании очень чувствительны к содер­ жанию легкоплавких примесей, особенно Bi и РЬ. Висмут в сплаве сегрегирует по границам a -зерен. Поэтому даже тонкая прослойка лег­ коплавкого висмута (Гпл ~ 270 °С) в несколько атомных слоев на границах зерен вызывает горячеломкость а-латуней. Обрабатываемость а-латуней в горячем состоянии с повышением содержания цинка ухудшается.

В холодном состоянии все однофазные а-латуни имеют хорошую обрабатываемость давлением. В области составов a -фазы в сис­ теме Cu-Zn с увеличением содержания цинка

наблюдается повышение пластичности (см. рис. 2.2). Латунь Л6 8 наиболее пластична и особенно широко применяется для деталей, изготовляемых из полуфабрикатов глубокой вытяжкой.

Двухфазные а+р-латуни обрабатываются в горячем состоянии лучше, чем однофазные а-латуни. Это связано с тем, что нагрев под обработку давлением этих сплавов осуществ­ ляется в область существования высокопла­ стичной P-фазы (см. рис. 2.1). Двухфазные а+р-латуни менее чувствительны к примесям. Однако они чувствительны к температурно­ скоростным условиям охлаждения с темпера­ тур горячей деформации. Например, при прес­ совании прутка (трубы или полосы) из-за уско­ ренного охлаждения с температуры горячей деформации передний конец полуфабриката имеет преимущественно мелкую игольчатую структуру с высокими механическими свойст­ вами, у заднего конца прутка из-за меньшей скорости охлаждения структура будет зерни­ стой с пониженными механическими свойст­ вами. На механические свойства сплава оказы­ вает влияние также различная объемная доля а- и Р'-фаз в разных участках горячедеформированного полуфабриката. Такая неоднородная структура по длине горячедеформированных полуфабрикатов двухфазных а+р-латуней мо­ жет быть устранена отжигом с полной фазовой перекристаллизацией [58, 31].

Одна из самых распространенных марок двойных латуней Л63. В этом сплаве всегда имеется некоторое количество неравновесной P-фазы, поэтому он, по существу, является двухфазным, и при назначении режимов обра­ ботки это следует учитывать.

Суммарная степень холодной деформа­ ции латуней обусловлена определенным пре­ делом, выше которого пластичность резко па­ дает, и необходим промежуточный рекристаллизационный отжиг. Этот предел допустимой суммарной холодной деформации уменьшается с повышением содержания цинка в сплаве. Он зависит также от вида обработки давлением и устанавливается для каждой марки латуней экспериментально.

Термическая обработка. Самая распро­ страненная операция термической обработки латуней - отжиг. Гомогонизационный отжиг к латуням не применяется, так как из-за неболь­ шого интервала кристаллизации в медно­ цинковых сплавах ликвационные явления не­ велики, хрупкие интерметаллидные фазы кри­

сталлизационного происхождения в структуре не появляются. Поэтому нагрев слитка и по­ следующая горячая деформация практически полностью устраняют последствия неравно­ весной кристаллизации [31].

Наиболее часто к латуням применяют рекристаллизационный отжиг как промежу­ точную операцию при обработке давлением и как окончательную, когда при умеренной прочности необходимо получить в изделии высокую пластичность.

Важнейшая структурная характеристика рекристаллизованных латуней - размер зерен. Для получения оптимальных свойств при от­ жиге стремятся получить мелкозернистую структуру с однородным размером зерен.

Кинетика процесса рекристаллизации ла­ туней зависит от содержания цинка и фазового состава. В а-латунях зерно начинает расти при относительно низких температурах (выше 350.. .400 °С) и растет вплоть до температуры солидуса, достигая размера 350 мкм и выше. С увеличением содержания цинка температура начала рекристаллизации а-латуней снижается.

В двухфазных а+Р- и специальных лату­ нях сильный рост зерен происходит лишь при нагреве в однофазную область существования P-фазы. В сильнодеформированной двухфаз­ ной латуни температура начала рекристаллиза­ ции a -фазы ниже, чем p-фазы, и начинается при 300 °С. В этих условиях рост рекристалли­ зованных зерен a -фазы сдерживают нерекристаллизованные зерна P-фазы. Поэтому в двухфазных а+р-латунях рост зерен начинает­ ся при температурах, при которых завершается а -> Р переход и остается одна Р-фаза.

Температуру отжига латуней выбирают на 250...350 °С выше температуры начала рек­ ристаллизации. Для большинства марок про­ мышленных сплавов она находится в пределах 450.. .700 °С (см. табл. 2.4). При отжиге спла­ вов меди с 32...39 % Zn при температурах вы­ ше а/а+Р перехода выделяется P-фаза, что вызывает неравномерный рост зерна. Отжиг таких сплавов следует проводить при темпера­ турах, не превышающих линию сольвуса a -фазы в системе Cu-Zn (см. рис. 2.1). Поэтому латуни, находящиеся по составу вблизи точки максимальной растворимости цинка в меди, следует отжигать в печах с высокой точностью регулирования температуры и большой равно­ мерностью ее распределения по объему печи.

На рис. 2.1 приведены оптимальные ре­ жимы отжига двойных латуней по результатам обобщения технологических рекомендаций, накопленных в отечественной и мировой прак­ тике [92,31,69].

При отжиге двухфазных а+Р-латуней происходит сопутствующий процесс - фазовая перекристаллизация (а <-» Р). Поэтому ско­ рость охлаждения оказывает влияние на соот­ ношение а- и p-фаз в структуре сплава при нормальной температуре. При быстром охлаж­ дении возрастает количество Р'-фазы, что по­ вышает твердость латуней и в некоторых слу­ чаях улучшает обработку резанием. Когда нужна высокая пластичность, например, для холодной обработки давлением, охлаждение должно быть медленным, чтобы получить воз­ можно большее количество а-фазы.

При выборе режимов рекристаллизационного отжига сплавов системы Cu-Zn, лежа­ щих вблизи границы растворимости, следует иметь в виду, что из-за переменной раствори­ мости цинка в меди при низких температурах (ниже 450 °С) ускоренное охлаждение делает латуни склонными к упрочнению при старе­ нии. Причем способность к упрочнению и, соответственно, .к снижению пластичности при старении растет с увеличением содержания цинка от 35 % до 42 %. На практике этот вид упрочнения не применяется, но скорость охла­ ждения при отжиге таких латуней, как Л63, должна быть регламентирована, чтобы исклю­ чить получение пересыщенного твердого рас­ твора [31].

Высокие степени деформации при полу­ чении листов и лент из латуней приводят к образованию текстуры проката, которая при смягчающем отжиге переходит в текстуру от­ жига. Штамповка изделий из таких полуфаб­ рикатов с анизотропными свойствами может вызвать брак по фестонистосги. Склонность к такому виду брака и высота фестонов зависит от всей предыстории получения полуфабрика­ та: степени деформации при проходах, темпе­ ратур промежуточных и окончательных отжи­ гов и т.д. Установлено, что высота фестонов растет с увеличением степени деформации при двух последних проходах, с понижением тем­ пературы предпоследнего отжига и с повыше­ нием температуры последнего отжига; при малых степенях деформации при изготовлении листа анизотропия вытяжки выражена тем яр­ че, чем ниже температура промежуточных отжигов [31].

Размер зерен в полностью рекристаллизованной структуре латуней довольно одноро­ ден. При нарушении режимов рекристаллизационного отжига в структуре появляются две группы зерен различного размера. Это так на­ зываемая «двойная» структура особенно неже­ лательна при операциях глубокой вытяжки, гиба или полировки и травления изделий. С увеличением размера зерен качество поверх­ ности штампованных изделий ухудшается, и при размере более 40 мкм на поверхности ла­ тунных изделий наблюдается характерная ше­ роховатость - «апельсиновая корка». Правиль­ но выбранный режим обработки позволяет устранить этот дефект штампованных изделий. При штамповке полуфабрикатов с неполно­ стью рекристаллизованной структурой с очень малым размером зерна «апельсиновая корка» не образуется.

Неполный отжиг проводят в интервале температур 250...350 °С (см. рис. 2.1, табл. 2.4). Он применяется для уменьшения остаточ­ ных напряжений, которые могут приводить к так называемому «сезонному» растрескиванию латунных изделий. Этот вид коррозии присущ латуням с содержанием более 15 % Zn, заклю­ чается в постепенном развитии межкристаллитных трещин при одновременном воздейст­ вии напряжений (остаточных и приложенных) и специфических химических реагентов (напри­ мер растворы и пары аммиака, влажный серный ангидрит, различные амины и т.д.) [92,31].

Отжиг для уменьшения остаточных на­ пряжений проводят в температурном интерва­ ле ниже температуры начала рекристаллиза­ ции, чтобы заметно не снижались механиче­ ские свойства, полученные нагартовкой. Обычно этот интервал находится между 250 и 330 °С. Такая операция значительно снижает остаточные напряжения и выравнивает их по объему изделия.

Обрабатываемость резанием. Обраба­ тываемость латуней резанием зависит от их фазового состава. При обработке резанием однофазных а-латуней стружка получается длинной, наматывается на резец, и качество обрабатываемой поверхности ухудшается. Двухфазные а+Р-латуни имеют лучшую обра­ батываемость резанием, чем однофазные. С увеличением содержания твердой и хрупкой Р'-фазы в структуре латуней стружка получает­ ся более хрупкой и короткой, и качество по­ верхности обрабатываемой детали повышается. Количественная оценка обрабатываемости

резанием латуней определяется сравнением с латунью ЛС63-3, обрабатываемость резанием которой принята за 100 %. Так, например, об­ рабатываемость резанием однофазной а-ла- туни Л90 составляет 20 %, а двухфазной Л60 - 45 % по отношению к обрабатываемости латуни ЛС 63-3.

Однофазные а-латуни отлично полиру­ ются, двухфазные - несколько уступают им в этом.

Пайка и сварка. Латуни очень хорошо паяются мягкими припоями. Перед пайкой производят зачистку паяемой поверхности либо шлифованием, либо травлением в кисло­ те. В качестве припоя предпочтительно приме­ нять сплавы, содержащие - 60 % Sn. Содержа­ ние сурьмы из-за сильного взаимодействия с цинком должно быть не более 0,25...0,5 %. Пайку предпочтительно выполнять с использо­ ванием хлоридных флюсов [104].

Однофазные а-латуни хорошо паяются твердыми припоями (серебряными, медно­ фосфористыми и др.). Паяемость а+Р-латуней твердыми припоями несколько хуже, чем мяг­ кими. Пайку латуней медно-фосфористыми припоями проводят без флюсов, так как при этом происходит самофлюсование. При пайке латуней другими твердыми припоями необхо­ димо применять соответствующие флюсы.

По свариваемости латуни несколько ус­ тупают меди. Для получения неразъемных соединений применяют следующие виды свар­ ки: дуговая с угольным электродом, дуговая с расходуемым электродом, дуговая с вольфра­ мовым (нерасходуемым) электродом в среде защитного газа (аргона, гелия), кислородоацитиленовая сварка, электрическая контакт­ ная сварка (точечная, роликовая, стыковая) и др.

Высокое содержание цинка в латунях за­ трудняет дуговую сварки из-за его испарения, поэтому присадочные материалы должны со­ держать относительно небольшие количества цинка. Сварка угольным электродом латуней, содержащих 15...30 % Zn, лучше всего ведется с помощью присадочного материала из сплава Си + 3 % Si [104].

Дуговая сварка латуней вольфрамовым электродом в среде инертного газа осложняет­ ся выделением паров оксида цинка, которые подавляют действие дуги. Поэтому сварку сле­ дует вести при больших скоростях.

Хорошие результаты дает кислородноацитиленовая сварка. Латуни с высоким со­

держанием цинка удовлетворительно сварива­ ются контактной сваркой.

Коррозионные свойства. Латуни обла­ дают хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере городской и сельской местности, а также в условиях морского климата. Латуни, содержащие менее 15 % Zn, по коррозионной стойкости близки к меди промышленной чис­ тоты. Скорость коррозии латуней в атмосфер­ ных условиях не превышает 0 , 0 0 1 мм/год.

Скорость коррозии латуней в пресной во­ де незначительна, и при температуре 20 °С она составляет 0,0025...0,025 мм/год. По отноше­ нию к почве латуни обладают хорошей корро­ зионной стойкостью, к пищевым продуктам - нейтральны.

Под воздействием минеральных кислот (азотная, соляная) латуни интенсивно корроди­ руют. Серная кислота действует на латуни зна­ чительно медленнее, однако в присутствии окислителей {K2 Cr2 0 7, Fe2 (S04)3} скорость коррозии увеличивается на два порядка. Лату­ ни весьма устойчивы в растворах щелочей (за исключением аммиака) и в концентрированных растворах нейтральных солей.

Сероводород оказывает сильное корроди­ рующее действие на латуни, однако латуни с повышенным содержанием цинка (более 30 %) более устойчивы в среде сероводорода, чем медь и латунь с низким содержанием цинка [92].

Латуни, кроме общей коррозии, подвер­ жены также особым видам коррозии: обесцинкованию и «сезонному» растрескиванию.

Обесцинкование - это особая форма кор­ розии, при которой сначала происходит рас­ творение поверхности латунного изделия в реагенте. Раствор, в котором происходит обес­ цинкование латуни, содержит больше цинка, чем меди. В результате обменных реакций в катодных участках электрохимически осажда­ ется медь в виде губчатой пленки. Быстрее обесцинкованию подвергаются латуни с повы­ шенном содержанием цинка (Л60, Л63), так как в двухфазных латунях наблюдается преимуще­ ственное растворение [3-фазы, являющейся анодом, а a -фаза в этом случае играет роль катода. Процесс обесцинкования наблюдается при контакте латуни с электропроводящими средами (кислые и щелочные растворы). В результате латуни становится пористыми, на поверхности появляются красноватые пятна, ухудшаются механические свойства.