9.1. Медь и сплавы на ее основе

Медь - металл красного цвета с температурой плавления 1083 °С, имеющий гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди составляет 8,94 г/см . Временное сопротивление при разрыве меди в литом состоянии а_в = 160 МПа. Обладает она наибольшей после се­ребра электро- и теплопроводностью. Хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде, других агрессивных средах, но обладают плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке. Медь хорошо обрабатывается давлением, но плохо ре­занием, имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки, плохо сваривается, но легко подвергается пайке. В чистом виде медь широко используется в электронике и электротехнике.

В машиностроении среди конструкционных материалов нашли применение сплавы на основе меди. В качестве легирующих элемен­тов в медь вводят алюминий, железо, никель, олово, цинк, серебро и другие элементы, растворимые в меди и повышающие твердость и предел прочности при разрыве, а также свинец, который нерастворим в меди, но улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Цинк, олово и алюминий увеличивают пластичность меди, повышают предел прочности до 500 МПа и коррозийную стойкость. Введение бериллия позволяет повысить упругость и а _в до 1100 МПа,

улучшить антифрикционные свойства.

По технологическим свойствам сплавы на основе меди подраз­деляются на литейные и деформируемые.

По способности упрочняться при термической обработке раз­личают сплавы, упрочняемые термообработкой и неупрочняемые.

По химическому составу сплавы на основе меди подразделяют­ся на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латуни

Латунями называются двойные или многокомпонентные спла­вы на основе меди, в которых основным легирующим элементом яв­ляется цинк. При введении других элементов латуни называются спе­циальными по наименованию элементов.

Латуни обозначаются буквой Л, после чего следуют первые бук­вы основных легирующих элементов, образующих сплав, и правее цифры, характеризующие их содержание в сплаве. Применяется сле­дующее буквенное обозначение элементов: О - олово, Ц - цинк, С ­свинец, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, Х -хром, Н - никель, А - алюминий.

По технологическому признаку латуни подразделяются на ли­тейные и деформируемые.

Литейные латуни (ГОСТ 17711-80) предназначены для изго­товления фасонных отливок, обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойства­ми. В обозначениях литейных латуней после буквы Л следует буква Ц и далее цифры, указывающие содержание цинка в сплаве, далее сле­дуют буква, обозначающая легирующий элемент, и цифра, указы­вающая его количество. Например, ЛЦ40Мц3А (в латуни содержится

40 % Zn, 3 % Mn, до 1 % Al и 56 % Cu).

Деформируемые латуни (ГОСТ 15527-80) предназначены для изготовления труб, прутков, полос, проволоки и другого сортамента. В обозначении двойных деформируемых латуней после буквы Л идут цифры, указывающие содержание меди в сплаве, например, Л90 (90 % Cu и 10 % Zn). В сложных латунях после буквы Л идут буквен­ные обозначения всех легирующих компонентов, а затем цифры через черточку, показывающие их содержание, начиная с меди, например, ЛЖМц59-1-1 (59 % Cu, 1 % Fe, 1 % Mn, 39 % Zn). Простые латуни с содержанием цинка 3.10 % называют томпак, содержащие до 20 % цинка - полутомпак.

По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, коррозийной стойкостью и лучшей обрабатываемостью.

Практическое применение имеют латуни, содержащие до 45 % цинка, имеющие структуру однофазную а-латуни или двухфазной

(а + (3') -латуни. Фаза а представляет собой твердый раствор цинка

в меди с ГЦК решеткой. Предельная растворимость цинка в меди со­ставляет 39 % (рис. 9.1).

При содержании цинка более 39 % в структуре появляется (3-фаза, представляющая собой твердый раствор на базе электронного

соединения CuZn с ОЦК решеткой, имеющей неупорядоченное рас­положение атомов. При температуре ниже 460 °С (3-фаза переходит

в (З'-фазу с упорядоченным расположением атомов, более твердую и более хрупкую.

Максимальную пластичность имеют латуни, содержащие 30 % цинка. С увеличением содержания цинка до 45 % прочность растет, но увеличивается хрупкость. Переход латуни в однофазное состояние со структурой (З'-фазы приводит к резкому снижению прочности.

Однофазные а-латуни хорошо обрабатываются давлением, они высоко пластичны и хорошо деформируются в холодном состоянии.

Двухфазные латуни обладают лучшими литейными свойствами. Обработку их пластическим деформированием проводят при нагреве выше температуры превращения (3' — (3 (несколько выше 700 °С). Микроструктура латуней приведена на рис. 9.2.

Из однофазных а-латуней (Л90, Л80, Л68) изготавливают холод­ным деформированием полосы, листы, из которых методами глубокой вытяжки получают ленты, гильзы патронов, трубки теплообменников, проволоку, сильфоны, радиаторные трубки, а также шайбы, втулки, уп-лотнительные кольца и др. Предел прочности при разрыве этих мате­риалов до 330 МПа. Большей прочностью (до 450 МПа) обладают леги­рованные деформируемые латуни ЛС59-1, ЛЖМц59-1-1, ЛАЖ 60-1-1. Высокой коррозийной стойкостью отличаются латуни, легированные оловом, называемые морскими латунями, ЛО70-1, ЛО62-1. Легирован­ные латуни применяют для изготовления труб, полос, прутков и других профилей.

Литейные латуни содержат большее количество цинка и леги­рующих элементов. Обычно их легируют алюминием, железом, нике­лем, оловом, кремнием. Кремний улучшает жидкотекучесть, сваривае­мость, способность к горячей и холодной пластической деформации. Алюминий повышает прочность и твердость латуней. Алюминиевые латуни после закалки и старения имеют временное сопротивление при разрыве до 700 МПа.

Литейные латуни отливают в кокиль, в землю и используют для изготовления арматуры и деталей в судостроении (ЛЦ16К4), различных втулок, вкладышей, подшипников (ЛЦ40С), деталей ответственного на­значения, гребных винтов (ЛЦ40Мц3Ж), червячных валов, гаек нажим­ных винтов, работающих в тяжелых условиях (ЛЦ23А6Ж3Мц2). Высо­кими коррозионными свойствами в морской воде обладают латуни, легированные оловом.

Механические свойства некоторых широко используемых лату-ней приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Свойства промышленных латуней, обрабатываемых давлением