9.4. Цветные металлы и сплавы.

Наиболее распространены в промышленности конструкционные сплавы на основе меди и алюминия.

9.4.1. Медь и сплавы на ее основе.

Чистая медь обладает высокими тепло- и электропроводностью, пластичностью. Плотность меди 8,9 г/см³, температура плавления 1083°С.

Высокая электропроводность определила широкое применение меди в электротехнической промышленности.

Из-за низкой прочности чистая медь не применяется в машиностроении, ее используют как основу конструкционных сплавов – латуней и бронз.

Латуни – это сплавы меди с цинком – основным легирующим элементом. Помимо цинка в состав латуней могут входить и другие легирующие элементы.

Бронзы - это сплавы, в которых основным может быть любой легирующий элемент (олово, свинец, кремний, алюминий и др.) кроме цинка (который тоже может входить в состав бронз, наряду с другими, но не как основной).

Маркировка сплавов. Легирующие элементы латуней и бронз обозначаются одинаковыми буквами (отличными от принятых для обозначения сталей):

А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Мг - магний, Н - никель, О - олово, С - свинец, Т - титан, Ф - фосфор, Х - хром, Ц - цинк. Их содержание указывается в целых процентах.

По технологическому принципу медные сплавы делятся на деформируемые и литейные, их обозначения различны. В обозначении деформируемых - сначала пишутся все буквы, показывающие наличие легирующих элементов, а затем цифры, показывающие содержание элементов в порядке их написания. В литейных – цифры пишутся непосредственно после буквы, обозначающей наличие компонента (аналогично тому, как это принято в сталях).

Латуни обозначаются буквой «Л». В деформируемых латунях содержание цинка не указывается, оно дополняет состав до 100% (например, состав латуни Л96 – 96%Cu и неуказанное содержание Zn - 4%). В литейных наоборот – не указывается содержание меди (состав литейной латуни ЛЦ30А3 – 30% Zn, 3% Al и остальное - 67% Cu).

Бронзы обозначаются буквами «Бр», в марках не указывается содержание меди. Приведем примеры маркировки деформируемой и литейной бронз: БрОЦС6-6-3 – деформируемая бронза, ее состав: Sn (олово) – 6%, Zn - 6%, Pb – 3%; Cu остальное – 85%; БрО8Ц4 – литейная бронза, содержащая Sn – 8%, Zn - 4%, ост. – Cu).

Латуни. Практическое применение нашли латуни с содержанием цинка до 45%, его дальнейшее увеличение приводит к резкому падению прочности. Максимальной пластичностью обладает латунь с 30…32% цинка.

Упрочнение α-латуней возможно только в результате наклепа, при этом твердость и прочность повышаются, а пластичность уменьшается. Например, предел прочности латуни, содержащей 20% Zn, возрастает с 320 до 640 Мпа, а относительное удлинение уменьшается с 55 до 3%. Для снятия наклепа латуни подвергают рекристаллизационному отжигу при 500…700°С.

Простые латуни (содержащие только Cu и Zn) при содержании до 10% Zn называются томпаками, до 20% Zn – полутампаками. Они имеют цвет золота и применяются для изготовления декоративных изделий.

Для придания специальных свойств используют специальные (сложные) латуни, в состав которых вводят, наряду с цинком, и другие легирующие элементы. Для улучшения обрабатываемости резанием в латуни вводят свинец (ЛС59-1). Это автоматные латуни, предназначенные для изготовления деталей в условиях массового производства (аналогично автоматным сталям.) Для повышения сопротивления коррозии в морской воде используют латуни, легированные оловом (ЛО70-1). Легирование алюминием, никелем, железом (ЛАЖ60-1-1) повышает механические свойства.

Бронзы. В промышленности нашли применение оловянистые, алюминиевые, бериллиевые бронзы.

Оловянистые бронзы (содержание Sn до 20%) обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой химической стойкостью. В практике применяют бронзы с 10…12% Sn. При большем содержании олова бронзы становятся хрупкими.

Бронзы с 4…5% Sn хорошо деформируются в холодном состоянии. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при 600…650°С. Бронзы, содержащие, более 5% Sn, обладают высокими антифрикционными свойствами.

С целью улучшения обрабатываемости резанием в оловянистые бронзы вводят свинец (БрОЦС4-4-2,5).

Фосфор улучшает литейные, а также механические и антифрикционные свойства (БрОФ6-0,15). Литейные бронзы, содержащие фосфор, применяют для художественного литья. Отливки из этих бронз имеют малую усадку (1%, у чугунов – 1,5%, у сталей – 2%) из-за значительной пористости. Поры распределяются по всему объему, усадочной раковины не образуется.

Для удешевления бронз часть олова в них может быть заменена цинком (БрОЦС4-4-2,5).

Алюминиевые бронзы содержат 5…10% алюминия. Бронзы с 6…8% Al пластичны, они обрабатываются давлением и в холодном, и горячем состояниях, а содержащие 8…10% Al - только при высоких температурах.

Алюминиевые бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью. Легирование никелем и железом (БрАЖ9-4) повышает механические свойства алюминиевых бронз.

Бериллиевые бронзы содержат 2,0…2,5% Ве. Бериллиевые бронзы возможно упрочнить за счет дисперсионного твердения. Закалку проводят с 760…780°С, охлаждение в воде; старение при 300…350°С в течение 2 ч. Свойства после упрочнения - σ_в=1250 МПа, σ_0,2=1000 МПа, твердость 350…400НВ. Это значительно выше, чем у оловянистых и алюминиевых бронз.

Высокие значения пределов прочности и, главное, текучести, определили применение бериллиевых бронз для изготовления пружин, мембран и др.