Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

Алюминий совместно с железом и нике­ лем вводят преимущественно в двухфазные а + Р-лэтуни (ЛАЖ60-1-1 и ЛАН59-3-2). Же­ лезо, как уже отмечалось, не растворяется в медно-цинковых сплавах в твердом состоянии и располагается в структуре в виде самостоя­ тельной уРе-фазы - железистой составляющей. Железо повышает технологическую пластич­ ность при горячей обработке давлением, так как дисперсные частицы уРе-фазы тормозят рост зерен при горячей деформации и отжиге и способствуют получению в полуфабрикатах мелкозернистой структуры. Никель повышает коррозионную стойкость алюминиевых лату­ ней, но несколько понижает их пластичность. Добавки алюминия и никеля в латуни ЛАН59-3-2, растворяясь в а- и P-фазах, обра­ зуют твердую и хрупкую интерметаллидную фазу NiAl. Снижение пластичности латуни ЛАН59-3-2, скорее всего, связано с присутст­ вием в структуре дисперсных частиц этой интерметаллидной фазы.

Специальные многокомпонентные лату­ ни, как и двойные, являются в большинстве своем термически неупрочняемыми сплавами. Однако комплексное легирование латуней при­ вело к созданию сплавов с гетерогенной струк­ турой, которые могут упрочняться термиче­ ской обработкой.

Примером дисперсионно твердеющего сплава является латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5- 0,5. Эта латунь - пока единственный дисперси­ онно твердеющий отечественный сплав на основе системы Cu-Zn.

Кажущееся содержание цинка (~ 30 %), определенное с помощью коэффициента Гийе, показывает, что матричной фазой этой латуни является a -твердый раствор. Закаленная с

/ ,° С

никеля и кремния образуют фазы (NiAl, Ni2Si), которые имеют переменную растворимость в медно-цинковом твердом растворе.

Распад пересыщенного твердого раствора в латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 зависит от температуры изотермической выдержки. Он носит сложный характер, обусловленный вы­ делением нескольких фаз [86, 120]. Об этом свидетельствуют изотермическая и термокине­ тическая диаграммы распада твердого раствора (рис. 2.7). На диаграммах четко выявляются два минимума устойчивости переохлажденного a -твердого раствора. Первый минимум соот­ ветствует температурам 600...700 °С; второй - 350...400 °С. Состав выделяющихся фаз и их дисперсность зависят от температуры распада.

При высокотемпературном распаде (~ 600 °С) формируются крупные стержневид­ ные частицы фазы Ni|6Mn6Si7 с ГЦК решеткой и периодом а = 1,115 нм. Выделение таких частиц нежелательно [120].

При низкотемпературном распаде (400 °С) в объеме зерен образуется большое количество дисперсных частиц дискообразной формы диаметром 10 нм и толщиной 2...3 нм. Низкотемпературный распад совпадает с тем­ пературой старения этой латуни. Он характе­ ризуется многостадийными фазовыми перехо­ дами, связанными с образованием различных метастабильных фаз, в состав которых входит Ni, Al, Мп и Si. Максимум упрочнения латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 достигается на ста­ дии низкотемпературного старения с выделе­ нием дисперсных частиц метастабильных фаз, когерентных матрице.

Высокопрочное состояние латуни полу­ чают двумя способами:

-путем закалки и старения;

-применением различных режимов низ­ котемпературной термомеханической обработ­ ки (НТМО).

Взакаленном состоянии сплав отличается

высокой пластичностью (ав =540 МПа; а0>2 = = 220 МПа; 5 = 48 %; vp = 60 %), а после старе­ ния (500 °С в течение 2 ч) приобретает высо­ кую прочность (ов = 700 МПа; а 0 ,2 = 470 МПа; 5 = 25 %; у = 40 %). Еще более высокие проч­ ностные и упругие свойства достигаются после деформации в закаленном состоянии с после­ дующим старением (НТМО): ов = 1030 МПа; а0>2= Ю10 МПа; 5 = 3,5 %; у = 11% [86, 120, 8].

2.3.2. Оловянные латуни

Оловянные латуни (ЛО90-1, ЛО70-1, Л062-1 и др.) (см. табл. 2.7) отличаются высо­ кой коррозионной стойкостью в морской воде, их применяют в судостроении и поэтому назы­ вают морскими латунями. Из них изготовляют различные полуфабрикаты для производства деталей, работающих в условиях, где требуется повышенная коррозионная стойкость.

Базовой системой для определения фазо­ вого состава и структуры оловянных латуней является диаграмма состояния Cu-Zn-Sn (рис. 2.8).

а)

б)

Рис. 2.8. Изотермические разрезы диаграммы состояния системы Cu-Zn-Sn при 800 (д)

и 500 (б) °С |92,18,25|:

У- ЛО90-1; 2 - ЛО70-1; 3 - Л062-1; 4 - ЛО60-1

Составы латуней ЛО90-1, ЛО70-1 и ЛОМш70-1-0,05, содержащих - 10...30 % Zn, находятся в области первичной кристаллиза­ ции a -твердого раствора, фазовых превраще­ ний в твердом состоянии нет, поэтому в твер­ дом состоянии эти латуни имеют однофазную а-структуру.

Составы латуней Л062-1 и ЛО60-1 на диаграмме состояния находятся в области пер­ вичной кристаллизации (3-фазы. Поэтому после окончания кристаллизации структура этих ла­ туней представлена (3-фазой (рис. 2.8, а). При понижении температуры из-за увеличения рас­ творимости цинка в меди в этих сплавах про­ исходит фазовая перекристаллизация по схеме (3 -> а. В латуни Л062-1 при температуре 500°С фазовая перекристаллизация завершает­ ся практически полностью, и структура пред­ ставлена в основном a -фазой (возможно при­ сутствие лишь небольшого количества [3-фа- зы). В латуни ЛО60-1 фазовая перекристалли­ зация Р -> а при температуре 500 °С не завер­ шается, и она оказывается двухфазной а + (3 (рис. 2.8, 6).

В системе Cu-Zn-Sn в результате различ­ ных эвтектоидных реакций в твердом состоя­ нии образуются хрупкие интерметаллидные фазы у (Cu3Sn) и 5 (Cu3iSn8), содержащие оло­ во. Появление хрупких фаз ограничивает воз­ можности легирования латуней оловом, так как эти фазы ухудшают обрабатываемость давле­ нием в горячем и холодном состоянии. Счита­ ется, что небольшие включения 6(Cu3,Sn8)- фазы в оловянных латунях появляются, начи­ ная примерно с 2 % Sn, поэтому содержание олова в латунях ограничивается этой концен­ трацией (см. табл. 2.7).

Латунь ЛО90-1 по механическим и тех­ нологическим свойствам близка к двойной латуни Л90, но превосходит ее по коррозион­ ным и антифрикционным свойствам. Очень хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии.

Латунь ЛО70-1 превосходит сплав ЛО90-1 по механическим свойствам (см. табл. 2.8), отличается высокими коррозионными свойствами, удовлетворительно обрабатывает­ ся давлением в горячем и холодном состоянии. Благодаря присутствию малой добавки мышья­ ка (0,025...0,06 %) еще более высокими корро­ зионными свойствами обладает латунь ЛОМш70-1-0,05. Эти сплавы применяются в морском судостроении. В морском корабле­ строении используется также латуни Л062-1 и ЛО60-1.

2.3.3. Свинцовые латуни

Свинцовые латуни - это медно-цинковые сплавы, легированные свинцом. Добавки свин­ ца улучшают обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства медно-цинковых сплавов, поэтому свинцовые латуни широко применяются в приборостроении и для изго­ товления деталей, работающих в условиях тре­ ния.

Основой фазового состава этих сплавов является система Cu-Zn-Pb, изотермические разрезы которой представлены на рис. 2.9. В твердом состоянии свинец практически не­ растворим в меди, медно-цинковом а-твердом растворе и во всех промежуточных фазах сис­ темы Cu-Zn, включая Р (С^п)-фазу. Поэтому добавки свинца к медно-цинковым сплавам не оказывают влияния на положение границ двухфазной области а + р. Уже при ничтожно малом количестве свинца однофазная область a -твердого раствора системы Cu-Zn заменяет­ ся на двухфазную область а + РЬ, а двухфазная область а + р на трехфазную область а + р + + РЬ тройной системы Cu-Zn-Pb. При темпе­ ратурах, выше температуры плавления эвтек­ тики а + РЬ (~ 327 °С), в двухфазных и трех­ фазных областях тройной системы Cu-Zn-Pb свинец заменяется на жидкую фазу, состоящую практически из чистого свинца (рис. 2.9, а, б).

Состав латуни ЛС74-3 находится в об­ ласти первичной кристаллизации а-твердого раствора тройной системы Cu-Zn-Pb. По окончании кристаллизации латунь ЛС74-3 имеет двухфазную структуру а + РЬ. Анало­ гичную двухфазную структуру а + РЬ в твер­ дом состоянии имеют латуни ЛС64-2 и ЛС63-3 несмотря на то, что при кристаллизации этих сплавов осуществляются сложные фазовые превращения. Эти латуни относят к а-сплавам с включениями нерастворимого в а-растворе свинца.

Составы латуней ЛС60-1, ЛС59-1 и ЛС59-3 находятся на изотермическом разрезе системы Cu-Zn-Pb при нормальной темпера­ туре в трехфазной области а + Р + РЬ (рис. 2.9, в), и их относят к двухфазным а + Р-латуням с включениями нерастворимого в а- и Р-фазах свинца.

Поскольку свинец практически не рас­ творяется в медной основе латуней, он распо­ лагается в виде дисперсных частиц в объеме зерен и по их границам. Свинцовые латуни

Рис. 2.9. Изотермические разрезы диаграммы состояния системы Cu-Zn-Pb при 850 °С (а), 400 °С (б) и 20 °С (в) (92,18,25|:

у _ ЛС74-3; 2 - ЛС64-2; 3 - ЛС63-3; 4 - ЛС60-1; 5-ЛС59-1

(ЛС74-3, ЛС63-3, ЛС5£-1 и др.) из-за присут­ ствия изолированных включений свинца от­ лично обрабатываются резанием с образовани­ ем сыпучей стружки, детали из них можно изготовлять на станках-автоматах при высоких скоростях резания.

Особенно высокие требования по одно­ родности химического состава (допускам по основным компонентам) и микроструктуре (размерам и распределению частиц свинца, количеству и распределению P-фазы, размерам зерна a -фазы) предъявляются к латуням с вы­ соким содержанием свинца (ЛС63-3, ЛС58-3), предназначенным для изготовления очень мел­ ких деталей в микротехнике [104]. В этом слу­ чае размер зерна a -фазы должен находиться в пределах от 10 до 50 мкм при среднем диамет­

ре частиц свинца 1... 5 мкм.

Включения нерастворимого свинца в а-латунях не позволяют проводить их горячую прокатку. В холодном состоянии обрабатывае­ мость давлением у них хорошая. К таким лату­ ням относятся сплавы ЛС74-3, ЛС64—2, ЛС63-3.

Двухфазные а+Р-латуни, наоборот, хо­ рошо прокатываются в горячем состоянии. За

счет перекристаллизации (а-»р) при нагреве включения свинца находятся внутри P-зерен, а не на границах, как в а-латунях, и их оплавле­ ние при горячей деформации уже не так опас­ но. К таким латуням относятся: ЛС60-1, ЛС59-1 и ЛС59-3. Двухфазная латунь ЛС59-1 является самым распространенным сплавом; она отлично переносит горячую обработку давлением, удовлетворительно - холодную, отлично обрабатывается резанием.

2.Э.4. Кремнистые латуни

Кремнистые латуни являются важным конструкционным материалом. Они имеют высокую коррозионную стойкость в обычных условиях и в морской воде, превосходят двой­ ные латуни по стойкости против коррозионно­ го растрескивания.

Кремний своеобразно влияет на структу­ ру и свойства латуней. Он не только повышает механические свойства и коррозионную стой­ кость медно-цинковых сплавов, но и очень сильно изменяет их фазовый состав и структу­ ру. Из всех важнейших легирующих элементов латуней кремний имеет самый высокий коэф­ фициент Гийе, равный 10... 12. Поэтому крем­ нистые латуни с повышенным содержанием цинка и даже малым содержанием кремния имеют двухфазную структуру а + (3. Об этом свидетельствуют изотермические разрезы при температурах 847 и 482 °С тройной системы Cu-Zn-Si (рис. 2.10), которая является базовой для определения фазового состава кремнистых латуней.

Другая важная особенность влияния кремния проявляется в том, что при увеличе­ нии его содержания в структуре медно­ цинковых сплавов появляются твердые и хруп­ кие интерметаллидные фазы у и/или в. Из рас­ смотрения изотермического разреза тройной системы Cu-Zn-Si при температуре 482 °С (рис. 2.10, 6) следует: чем выше содержание цинка, тем при меньшем содержании кремния появляются в структуре латуней хрупкие ин­ терметаллидные фазы у и в. Такую закономер­ ность совместного влияния кремния и цинка на структуру и свойства латуней подтверждают графики зависимостей механических свойств от содержания црнка при постоянной концен­ трации кремния (рис. 2.11). Из анализа рисунка следует, что кремнистые латуни, содержащие 3 % Si и до 20 % Zn, обладают высокими проч­ ностными свойствами и весьма пластичны при комнатной температуре даже в литом состоя­ нии. При большом содержании цинка характе­ ристики пластичности (5, ц/) резко понижаются из-за появления в структуре сплавов хрупких интерметаллидных фаз.

Таким образом, кремнистые латуни с вы­ соким содержанием кремния (выше 4 %) и цинка (выше 20 %) отличаются повышенной твердостью и малой пластичностью, поэтому для обработки давлением эти сплавы не при­ меняются.

В России наиболее широкое применение нашла кремнистая латунь марки ЛК80-3. На диаграмме состояния Cu-Zn-Si сплав находит­ ся в области первичной кристаллизации a -твердого раствора, в момент окончания кри­ сталлизации он имеет однофазную а-структу- ру, сохраняющуюся при дальнейшем пониже­ нии температуры вплоть до комнатной. Со­ держание кремния 2,5...4,0% (см. табл. 2.7), по-видимому, является предельным для сохра­ нения однофазной a -структуры в сплаве.

Латунь ЛК80-3 отлично обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо сваривается и паяется. Добавка крем­ ния улучшает технологические характеристики при литье и антифрикционные свойства этого сплава.

2.3.5. Никелевые латуни

Никель является важным легирующим элементом специальных латуней. Под влияни­ ем никеля повышаются механические свойства и коррозионная стойкость латуней. Содержа­ щие никель латуни более стойки к обесцинкованию и коррозионному растрескиванию. Ни­ кель в отличие от других легирующих элемен­ тов (кремния, алюминия, олова) имеет отрица­ тельный коэффициент Гийе (- 1,4), увеличива­ ет растворимость цинка в меди в твердом со­ стоянии и расширяет область существования a -твердого раствора в тройной системе Cu-Zn- Ni (рис. 2.12). Поэтому введение добавки нике­ ля в некоторые двухфазные а+р-латуни позво­ ляют перевести их в однофазные а-сплавы.

Улучшению свойств специальных лату­ ней способствует комплексное легирование их никелем совместно с другими элементами

(ЛАН59-3-2, ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5). Од­ нако в промышленности применяются и трех­ компонентный сплав системы Cu-Zn-Ni - ла­ тунь ЛН65-5. Из диаграммы состояния Cu-Zn- Ni следует, что латунь имеет однофазную a -структуру. Латунь ЛН65-5 отличается по­ вышенными механическими и технологиче­ скими свойствами, коррозионно-стойка, хоро­ шо обрабатывается давлением в горячем и хо­ лодном состоянии. Из этого сплава изготовля­ ют листы, полосы, прутки, трубы и проволоку различных размеров, из которых в дальнейшем изготовляют манометрические трубки, изделия в морском судостроении и различные детали в других областях промышленности.

2.3.6. Марганцевые латуни

Марганцевые латуни широко применяют­ ся в промышленности, особенно когда в их состав совместно с марганцем вводят железо и алюминий (ЛМцА57-3-1, ЛЖМц59-1-1). Мар­ ганец повышает коррозионную стойкость ла­ туней в морской воде, в среде хлоридов и в перегретом паре. Поэтому наибольшее приме­ нение эти сплавы нашли в судостроительной промышленности.

В медно-цинковых сплавах марганец рас­ творяется в а- и (3-фазах и мало влияет на по­ ложение границ двухфазной области а+(3 в тройной системе Cu-Zn-Mn (см. рис. 2.5).

Латуни ЛМц58-2 и ЛМцА57—3—1 отли­ чаются повышенной прочностью, высокой кор­ розионной стойкостью в морской воде, пере­ гретом паре и некоторых агрессивных средах. Как следует из диаграммы состояния системы Cu-Zn-Mn, обе латуни относятся числу двух­ фазных а+(3-сплавов. Они хорошо обрабаты-

ваются давлением в горячем и удовлетвори­ тельно в холодном состоянии. Высокие дефор­ мационные возможности этих сплавов связаны с тем, что горячая обработка давлением осуще­ ствляется с нагревом в однофазную область существования p-фазы. Для латуни ЛМц58-2 об этом свидетельствует изотермический раз­ рез диаграммы состояния системы Cu-Zn-Mn при 800 °С (рис. 2.13).

По фазовому составу и свойствам близка к этим сплавам латунь ЛЖМц59-1-1, легиро­ ванная железом и марганцем. Она также отли­ чается повышенной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в обычных условиях и в морской воде, пластична при высоких тем­ пературах и хорошо деформируется в горячем состоянии. Латунь ЛЖМц59-1-1 относится к двухфазным а+р-сплавам. Благодаря присут­ ствию добавки железа в структуре этой латуни имеются дисперсные частицы железистой со­ ставляющей yFc, которые повышают темпера­ туру рекристаллизации, измельчают зерно и повышают антифрикционные свойства.

Железосодержащие латуни широко при­ меняются в промышленности благодаря тому, что добавка железа улучшает механические свойства и технологические характеристики латуней. Однако медно-цинковые сплавы, ле­ гированные только железом, не нашли приме­ нения в промышленности, поскольку ком­ плекснолегированные железосодержащие ла­ туни (смешанные латуни) превосходят по свойствам трехкомпонентные сплавы системы Cu-Zn-Fe. Например, железосвинцовая латунь ЛЖС58-1-1 по своей структуре должна отно­ ситься к двухфазным а+р-сплавам. Благодаря железу и присутствию железистой составляю­ щей в структуре, она превосходит по механи­ ческим и технологическим свойствам двойную латунь с близким содержанием цинка (типа Л60). Наконец, добавка свинца (~ 1 %), кото­ рый не растворяется ни в а-, ни в P-фазах, а образует самостоятельные включения, сущест­ венно улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием этой латуни. Такие же закономерности прослеживаются и при анализе свойств других железосодержащих латуней.

Э.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Бронзами называют двойные и много­ компонентные медные сплавы, в которых ос­ новными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка1 В особую группу выделяют также медно-никелевые сплавы.

Различают две группы бронз по химиче­ скому составу: оловянные, в которых преобла­ дающим легирующим элементом является оло­ во, и безоловянные: алюминиевые, бериллиевые, марганцовые, кремнистые и др. Особую группу образуют низколегированные бронзы высокой тепло- и электропроводности: хромо­ вые, циркониевые и др. Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некото­ рым превосходят оловянные бронзы, и поэтому широко применяются в машиностроении и других отраслях промышленности.

По технологии производства бронзы де­ лят на деформируемые и литейные.

В России принята буквенно-цифровая маркировка бронз, в которой буквы обознача­ ют основные легирующие элементы сплава, цифра - их среднее содержание в процентах. Марка сплава начинается буквами «Бр» - бронза. В бронзах каждый легирующий эле­ мент имеет свое условное обозначение: А - алюминий, О - олово, Н - никель, Б - берил­ лий, Ф - фосфор, Ц - цинк, X - хром, Цр - цир­ коний, Ср - серебро, Кд - кадмий, К - крем­ ний, С - свинец, Ж - железо, Су - сурьма, Т -

1Цинк вводят в качестве легирующего элемен­ та в некоторые марки оловянных бронз, но его со­

держание меньше, чем в латунях, и не превышает 5%.

титан, Мг - магний, Ко - кобальт, Мц - марга­ нец.

В деформируемых и литейных бронзах порядок букв и цифр различен. В марках де­ формируемых бронз цифры после букв, запи­ санные через тире, указывают среднее содер­ жание легирующих элементов. Так, например, деформируемая бронза БрАЖН КМ -4 легиро­ вана 10 % А1, 4 % Fe и 4 % Ni; медь' - основа. В литейных бронзах, как и в литейных латунях, содержание легирующих элементов указывает­ ся после каждой буквы, отвечающей этому элементу: Бр04Ц4С17, что соответствует со­ ставу 4 % Sn; 4 % Zn; 17 % Pb, медь - основа. Если одна и та же бронза используется в де­ формируемом и литейном вариантах, то в кон­ це марки литейной бронзы ставиться буква

«Л»: БрА10Ж4Н4Л.

В США используется Универсальная сис­ тема нумерации металлов и сплавов (Unified Numbering System for Metals and Alloys - UNS). В этой системе обозначение медных сплавов начинается с буквы «С» (copper), затем следует пятизначный номер, определяющий марку сплава. Сплавы с номером меньше 80000 - обрабатываемые давлением, сплавы с бблыними номерами - литейные. Например, сплав С51100 - это деформируемый медный сплав (бронза), а С83800 - литейный. Химический состав и принадлежность к определенной группе медных сплавов (латуни, бронзы) эта

маркировка не раскрывает.

Бронзы используют для изготовления ар­ матуры, различных шестерен, втулок, баков, теплообменников, пружинящих деталей при­ боров, электродов сварочных машин и других деталей машин и механизмов.

Бронзы по сравнению с латунью облада­ ют более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионно-стойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Свойства бронз определяются содержа­ нием в них легирующих элементов. Бронзы, в которых легирующие элементы в основном входят в твердый раствор, упрочняются пла­ стической деформацией до полутвердого, твердого, особо твердого состояния. Бронзы, содержащие хром, цирконий и некоторые дру­ гие элементы с переменной растворимостью в a -твердом растворе, упрочняются путем закал­ ки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН 10-4-4. Однако возможность упрочне­ ния этого сплава при термической обработке связана с мартенситным превращением. Такая термическая обработка в производственных условиях на заводах по обработке цветных

металлов трудно осуществима и практически не применяется.

Деформируемые бронзы весьма разнооб­ разны по химическому составу. При изготов­ лении из них полуфабрикатов и изделий ис­ пользуются различные виды обработки давле­ нием (прокатка, прессование, ковка, штампов­ ка, волочение). Различают обрабатываемые давлением оловянные, бериллиевые и другие бронзы.

3.2. ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ

Оловянными бронзами называются мед­ ные сплавы с оловом, а также более сложные по составу меднооловянные сплавы с добавка­ ми фосфора, цинка, свинца, никеля и др. эле­ ментов. В России применяются девять марок стандартных'деформируемых оловянных бронз (табл. 3.1 и 3.2), содержащих 2...8 % олова и добавки фосфора, цинка и свинца. В США

Россия

ГОСТ 5017-74

БрОФ2-0,25 БрОФ4-0,25

—

БрОФ6,5-0,15

-

БрОФб,5-0,4 БрОФ7-0,2 БрОФ8,0-0,3

-

БрОЦ4-3

-

БрОЦС4-4-0,25

-

—

—

-

-

БРОНЗЫ ОЛОВЯННЫЕ

Марка

С50500

С51000

С51100

С52400

С52100

С53200

С54400

С72500

С72650

С72700

С72900

ДАВЛЕНИЕМ ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ БРОНЗЫ,